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摘要
我國農(nóng)村每年都會燃燒大量的農(nóng)作物秸稈，造成很大的環(huán)境污染與資源浪費。這些農(nóng)作物秸稈可以經(jīng)過壓縮制成燃料，屬于新興的生物質(zhì)能源。本文針對農(nóng)作物秸稈的壓縮成型，設(shè)計了一種立式環(huán)模生物質(zhì)成型機。
本文設(shè)計的生物質(zhì)成型機以立式環(huán)模的原理為基礎(chǔ)，首先對整臺機器進(jìn)行了設(shè)計分析，確定了該機器樣式的構(gòu)造，分析設(shè)計了傳動路線；其次對該機器的工作部分壓縮室進(jìn)行設(shè)計，計算出電動機的功率，選定了電動機的型號，對環(huán)模進(jìn)行受力分析，確定了環(huán)模的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，對壓輥進(jìn)行設(shè)計計算，確定了壓輥的構(gòu)造設(shè)計；再次對傳動系統(tǒng)設(shè)計分析，選擇普通的V帶傳動，計算相關(guān)的數(shù)據(jù)；最后對該機器的主要零部件進(jìn)行了設(shè)計計算，完成了該機器的總體設(shè)計。
本文設(shè)計的立式環(huán)模生物質(zhì)成型機，目的是對農(nóng)作物秸稈進(jìn)行壓縮成型，得到高效且環(huán)模的生物質(zhì)燃料，它的使用是解決當(dāng)前農(nóng)村大量燃燒浪費農(nóng)作物秸稈的高效方案。
關(guān)鍵詞：秸稈；環(huán)模；壓輥機構(gòu)；成型機
V
Design of vertical ring mould biomass forming machine
Abstract
China's rural areas burn a large amount of crop straw each year, resulting in a lot of environmental pollution and waste of resources.These crop stalks can be compressed into fuel and are a new source of biomass energy.In this paper, a kind of vertical ring mould material forming machine is designed for the compression molding of crop straw.
Based on the principle of the vertical ring mould, this paper designs and analyzes the whole machine, determines the structure of the machine style, and analyzes the transmission route.The second part of the compression chamber to carry on the design of the machine work, calculate the power of the motor, the motor have been selected, the stress analysis was carried out on the ring die, determine the structure and parameters of ring die, design for the roller is calculated, determine the structure of the roller design;The design of the transmission system is analyzed, and the normal v-belt drive is selected to calculate the relevant data.Finally, the main parts of the machine are designed and calculated, and the overall design of the machine is completed.
In this paper, design of vertical ring die biomass molding machine, the purpose is to compress the crops straw molding, get effective and ring die biomass fuels, the use of it is to solve the current rural large amounts of waste combustion efficient scheme of crop straw.
Key words: straw;Ring die;Press roller mechanism;Molding machine
目錄
1 緒論 1
1.1 研究目的和意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.2.1 生物質(zhì)成型機設(shè)備類型 2
1.2.2 環(huán)模壓塊機國外研究現(xiàn)狀 3
1.2.3 環(huán)模壓塊機國內(nèi)研究現(xiàn)狀 7
1.3 簡介生物質(zhì)燃料 11
1.4 設(shè)計內(nèi)容 12
1.5 本章小結(jié) 13
2 成型機結(jié)構(gòu)原理及傳動路線 14
2.1 成型機構(gòu)造的原理及技術(shù)指標(biāo) 14
2.1.1 整機構(gòu)造 14
2.1.2 工作原理 15
2.1.3 技術(shù)指標(biāo) 16
2.2 成型機傳動路線 16
2.3 本章小結(jié) 17
3 成型機成型理論設(shè)計 18
3.1 成型機環(huán)模設(shè)計 18
3.2 成型機壓輥設(shè)計 20
3.2.1 成型機生產(chǎn)率建模 20
3.2.2 成型機功率建模 23
3.2.3 壓輥結(jié)構(gòu)設(shè)計 24
3.3 本章小結(jié) 25
4 成型機傳動系統(tǒng)設(shè)計 26
4.1 電動機選型 26
4.2 帶及帶輪設(shè)計 27
4.2.1傳動帶的設(shè)計 27
4.2.2 v帶帶輪設(shè)計 31
4.3 本章小結(jié) 33
5 成型機主要部件設(shè)計 34
5.1 主軸設(shè)計 34
5.2壓輥間隙調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計 43
5.3機架機構(gòu)的選擇及其尺寸制定 45
5.4 本章小結(jié) 46
6 生物質(zhì)成型機的正確使用方法 47
6.1 操作要求 47
6.2 環(huán)模的使用和保養(yǎng) 47
6.3 使用注意事項 48
6.4 本章小結(jié) 48
參考文獻(xiàn) 49
致謝 50
1 緒論
1.1 研究目的和意義
生物質(zhì)能源作為新興能源有著廣闊的發(fā)展前景，它既保護(hù)環(huán)境，又能緩解人們對石油等不可再生能源的需求，是未來發(fā)展的重要需求。我國地域廣闊，人口眾多，耕田面積巨大，農(nóng)作物秸稈資源非常大，每年的產(chǎn)量在7億噸以上，占世界總常量的四分之一以上。所以在發(fā)展生物質(zhì)能源作為新興能源上，我國有著巨大的潛力與廣闊的前景。
在如今，發(fā)展生物質(zhì)能源也成為了我國社會的重要需求。因為我國國土廣大，每到莊稼收獲的季節(jié)，農(nóng)民們會在田地里、家門口和馬路邊等地方堆積大量的農(nóng)作物秸稈，這是一個長久的大問題。在我的印象中，小時候家里到處都是堆積的秸稈堆，如今這些年，年年到了這個時候，出門總會聞到農(nóng)作物秸稈燃燒的味道，到處都會能看到農(nóng)作物秸稈燃燒的煙霧。盡管如今習(xí)主席大力推行環(huán)保政策，各地方政府也強調(diào)加強改正措施，但效果并不明顯，在大量的農(nóng)作物秸稈秸稈四處零散的分布下，不能在根本上解決這個問題。
把農(nóng)作物秸稈壓塊是一個非常好的措施，農(nóng)作物秸稈堆積燃燒既浪費資源又污染環(huán)境，壓塊成型后不僅使農(nóng)作物秸稈體積大大的減小，便于運輸以外，其壓塊的成品也是很好的燃料，它的密度大大增加，燃燒產(chǎn)生的熱能更高。農(nóng)作物秸稈經(jīng)壓塊成型后，燃燒的效果與煤炭類似，如果經(jīng)大量的推廣與使用，它將在很大的程度上緩解我們對煤炭的依賴。而農(nóng)作物秸稈作為生物質(zhì)能源這種新興能源，它和風(fēng)能、太陽能一樣，都能降低人們對環(huán)境的污染與破環(huán)，是我們未來發(fā)展所需的。從上面看來，不管是加強對環(huán)境的保護(hù)措施，還是減小對煤炭能源的依賴，發(fā)展農(nóng)作物秸稈這種生物質(zhì)能源，是我們未來努力的方向。
農(nóng)作物秸稈的壓塊成型主要是通過使用農(nóng)業(yè)機械設(shè)備把秸稈進(jìn)行壓縮，使它密度大大增加，體積大大減小，最終形成一種大密度小體積這樣便于運輸?shù)墓潭ㄐ螤?，在這種狀態(tài)下，農(nóng)作物秸稈燃燒產(chǎn)生的熱能會大大提升，達(dá)到我們需要的地步。到目前為止，用于對農(nóng)作物秸稈壓塊成型的農(nóng)業(yè)機械設(shè)備基本上都是由以前的飼料行業(yè)的機械設(shè)備轉(zhuǎn)化過來使用的，由于跨行業(yè)的不夠?qū)I(yè)，大多的用于農(nóng)作物秸稈壓塊的農(nóng)業(yè)機械設(shè)備都存在著一些問題，諸如產(chǎn)量不夠高，耗能比較大，產(chǎn)生的成品密度不夠高，燃燒不能達(dá)到實際的需求，這些問題使得農(nóng)作物秸稈壓塊的設(shè)備不夠成熟，限制了它的大量推廣。
本文設(shè)計課題為立式環(huán)模生物質(zhì)成型機，目的是在立式環(huán)模的原理下，提高生物質(zhì)成型機的性能，設(shè)計具有耗能低，產(chǎn)量高的農(nóng)業(yè)機械，在此生物質(zhì)成型機中環(huán)模屬于可替換的部件，在使用壽命到達(dá)后，可以更換環(huán)模部件，使機械壽命大大提升。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 生物質(zhì)成型機設(shè)備類型
世界各國大部分都面臨有農(nóng)作物秸稈的浪費與污染現(xiàn)象，為了解決這個問題，并提高對生物質(zhì)能源的利用，在歐美這些工業(yè)發(fā)達(dá)的許多國家諸如美國、英國、瑞士、丹麥等，還有亞洲諸如日本、印度等，這些國家早早就已經(jīng)注意到了這個問題，他們對農(nóng)作物秸稈壓塊成型技術(shù)的研究，很早就提上了進(jìn)度。期間研究了多種不同類型的生物質(zhì)成型設(shè)備，在時間的堆積下，已經(jīng)有了成熟的技術(shù)，對農(nóng)作物秸稈的壓塊成型已經(jīng)形成了產(chǎn)業(yè)化。這些不同類型的農(nóng)業(yè)機械主要分為四大類：柱塞擠壓式、螺旋擠壓式、平模式、環(huán)模式。
這四類的結(jié)構(gòu)與特點分別如圖1—1和表1—1所示。
a . 螺旋擠壓式壓塊機b．平模式壓塊機c．柱塞擠壓式壓塊機d．環(huán)模式壓塊機
圖1—1四種典型壓塊機結(jié)構(gòu)圖
表1—1四種典型壓塊機特性對比
機型
優(yōu)點
缺點
螺旋擠壓式
穩(wěn)定，簡單易操作，生產(chǎn)連續(xù)性好
部件磨損嚴(yán)重，高耗能低產(chǎn)量，適應(yīng)性差，工藝復(fù)雜
柱塞擠壓式
耐磨，機型小，使用方便，適應(yīng)行強
產(chǎn)品密度低，產(chǎn)量低，不穩(wěn)定，振動和噪音大，容易被潤滑油污染
環(huán)模式
高產(chǎn)低耗，維修方便，結(jié)構(gòu)緊湊
設(shè)計要求高，機械效率低，關(guān)鍵部件磨損大，振動和噪音大，工藝要求高，臥式原料分布不均
平模式
高產(chǎn)低耗
維修費用高，適應(yīng)性差，產(chǎn)品密度低，對配套設(shè)施要求高
從上面敘述與圖表對主要四類型的生物質(zhì)成型機分析對比，立式環(huán)模生物質(zhì)成型機結(jié)構(gòu)特點是環(huán)模的?？锥啵溆鄩狠伒慕佑|面積大，這些結(jié)構(gòu)使其原料均勻的分布開來，高產(chǎn)低耗，方便維修與更換部件等，從這些可以看出，它是如今對農(nóng)作物秸稈壓塊成型的農(nóng)業(yè)機械設(shè)備發(fā)展的主流方向。
1.2.2 環(huán)模壓塊機國外研究現(xiàn)狀
在國外，農(nóng)業(yè)發(fā)展比較發(fā)達(dá)的國家，大多數(shù)西方國家，他們在對農(nóng)作物秸稈壓塊成型的農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的研究上時間較長，應(yīng)用更早，相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品非常成熟，發(fā)明有大量具有高技術(shù)性，高效率，高工作性能的農(nóng)業(yè)機械設(shè)備，以及與其配套的相關(guān)設(shè)備。這里有許多例子：1954年美國約翰·迪爾公司(John Deere Company)經(jīng)過大量研究，制造出了世界上首臺環(huán)模式壓餅機(Lundell)，在之后他們經(jīng)過大量的研究與試驗，使其設(shè)備各項指標(biāo)技術(shù)成熟穩(wěn)定，廣泛推廣開來；他們在有了這個經(jīng)驗與技術(shù)后，在1965年之后，陸陸續(xù)續(xù)的在原有的基礎(chǔ)上，發(fā)明多種不同型號、不同性能的生物質(zhì)成型機，使其產(chǎn)品形成了系列化。
環(huán)模式生物質(zhì)成型機是當(dāng)前的國外農(nóng)作物秸稈壓塊成型的主流技術(shù)。如圖1—2和圖1—3所示，為美國的沃倫布萊格公司(WarrenBrannen&Lyle Company)生產(chǎn)的產(chǎn)品——WBSCS-168型和200HD型環(huán)模生物質(zhì)成型機，它們都是在國外農(nóng)作物秸稈壓塊成型的主流技術(shù)中非常經(jīng)典的代表；WBSCS一168型生物質(zhì)成型機，它可進(jìn)行完全移動，操作的時候可以把它放在不同的位置進(jìn)行工作加工，因其完全移動的特性，使人們不需要花費過多金錢在電氣等設(shè)備方面，節(jié)省了大量的資源，有助于它的推廣。它的核心部件是Warren & Baerg's特有的機頭，以為以上的因素，它的生產(chǎn)率較大；200HD型生物質(zhì)成型機產(chǎn)出的產(chǎn)品的特點是高密度，8～10t/h的產(chǎn)量，該設(shè)備含有噴灑裝置，即使農(nóng)作物秸稈非常干燥，也能保證產(chǎn)量的要求。如圖1—4(a)所示，是以丹麥為本部的司博邁特(Sprout．Matador)公司產(chǎn)出的產(chǎn)品——PM717XW型環(huán)模顆粒成型機，該環(huán)模顆粒成型機的產(chǎn)品針對的對象是為動物飼料，傳動系統(tǒng)設(shè)計的為齒輪傳動，設(shè)計有3個壓輥工作，它的特點在于設(shè)計加工的高精度和高穩(wěn)定，還可以不同的要求更換不同的關(guān)鍵部件，如壓輥和環(huán)模，從而靈活的配合生產(chǎn)的需要，它的操作系統(tǒng)應(yīng)用了PLC的控制技術(shù)，在操作時可以對整臺機器進(jìn)行自動化的工作和監(jiān)控。如圖1—4(b)所示，是本部在英國的UMT安德里茨集團(tuán)公司 (UMTAndritzGroup)產(chǎn)出的產(chǎn)品——UMT．騎士 (UMT．Pahdhfl)系列環(huán)模顆粒成型機，該環(huán)模顆粒成型機的產(chǎn)品針對的方向為林業(yè)廢棄物，諸如加工產(chǎn)生的木屑一類，它的操作系統(tǒng)是完全的自動化的生產(chǎn)，在一般情況下，工作時功率穩(wěn)定在90～500KW,它的傳動系統(tǒng)設(shè)計的不同之前的齒輪傳動，是設(shè)計由普通的V型皮帶進(jìn)行的帶傳動，由上面可以知道，它工作時的功率比較大，所以本身帶有相應(yīng)特殊的制動裝置，設(shè)計在傳動的主軸上，目的是在出現(xiàn)過載而停機時，通過制動系統(tǒng)的工作，盡可能的減少停機的時間，變相的提升了它的工作效率，在它的壓縮室中，壓輥可是選擇2個或是3個，壓輥數(shù)量的替換需要由工人們的操作來改變，操作便利。如圖1—4(c)所示，這是瑞士的布勒公司 (Bulder Inc．)開發(fā)的產(chǎn)品——DPAS型飼料環(huán)模顆粒成型機，該環(huán)模顆粒成型機正常工作時的功率可以達(dá)到280kW，在此工作功率下能穩(wěn)定有5t／h的產(chǎn)量，主機使用的材料主要由不銹鋼或是防銹耐銹一類的材料組成，其工作核心的壓輥跟環(huán)模具有非常高的耐磨性，其原因在于壓輥環(huán)模在生產(chǎn)過程中使用了特殊的加工與處理，這使的該機器的工作壽命大大延長，產(chǎn)品形狀為顆粒狀，直徑標(biāo)準(zhǔn)在2～12mm，它的傳動系統(tǒng)采用了先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，有高超的潤滑技術(shù)，這是它具有超高的傳動效率。
圖1—2 WBSCS．168型秸稈壓塊機 圖1—3 200HD型秸稈壓塊機
圖1—4三家公司研發(fā)的環(huán)模顆粒機
早在上個世紀(jì)30年代，美國就已經(jīng)有了科學(xué)家開始研究生物質(zhì)能源其中關(guān)于對農(nóng)作物秸稈壓縮后，使其能有效燃燒的技術(shù)，在之后將這些技術(shù)推廣實驗，使其走入人們的生活中，而農(nóng)作物秸稈飼料壓塊技術(shù)是出現(xiàn)于上個世紀(jì)50年代中期的技術(shù)，而在上個世紀(jì)70年代，已經(jīng)有了生物質(zhì)諸如農(nóng)作物秸稈制成的顆粒燃燒裝置，在70年代末期，當(dāng)時人們已經(jīng)意識到了石油能源的不可再生，因此長生的能源短缺，在這段時間原油價格不斷提升。在這樣的背景之下，歐美許多國家將目光投向了生物質(zhì)能源這一新興能源上面，越來越多人開始重視起了把生物質(zhì)諸如農(nóng)作物秸稈壓縮后，使其有效燃燒的技術(shù)。在如今這項技術(shù)日漸成熟，已經(jīng)在許多領(lǐng)域有了影響和應(yīng)用，例如：加熱、供暖、干燥、發(fā)電等等方面。當(dāng)然其廣泛的應(yīng)用也是對保護(hù)地球保護(hù)環(huán)境的一種手段。
由上面的敘述與圖文可以了解，國外成熟的農(nóng)作物秸稈壓塊成型技術(shù)，已經(jīng)步入了大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用中，相信在這些農(nóng)業(yè)科技發(fā)達(dá)的國家中，農(nóng)作物秸稈壓塊成型的技術(shù)已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，他們的農(nóng)業(yè)機器有了統(tǒng)一要求的規(guī)范制造，機器大量的應(yīng)用了自動化。但是這些卻全部一定適合我國的各地的情況，他們的價格偏高，且與我國的加工對象，也就是農(nóng)作物秸稈一類的有一些的差別，并不能完全應(yīng)用于我國。
不僅僅是國外的情況不一定適合我們國家各地的情況，國外雖然廣泛的應(yīng)用環(huán)模秸稈顆粒成型機，但是在環(huán)模秸稈壓塊成型機上的應(yīng)用不是很多，在美國等地應(yīng)用最多的還是把農(nóng)作物秸稈制成顆粒狀的，還有一個重要的原因即是關(guān)于環(huán)模秸稈壓塊成型機等方面的研究大多處于保密狀態(tài)，也就些許的環(huán)模秸稈顆粒成型機的相關(guān)方面的研究與技術(shù)等文獻(xiàn)能夠查看參考和借鑒，如果引進(jìn)國外成熟機器，在我國占世界超過四分之一的農(nóng)作物秸稈資源，且國土廣闊，資源分散的背景下，相信耗資也是非常巨大的。
2007年，霍爾姆(Jerks K．Holm)通過研究建立了直孔擠壓力學(xué)模型，并根據(jù)晟小二乘法驗證了模型的正確性。
2007年，斯瓦沃米爾(Slawomir Obidzinski)發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)模長徑比和模輥間隙的增大，成型顆粒密度和耐久性也隨之增大。
2009年，伊瑞洛娃等人發(fā)現(xiàn)成型壓力影響>原料含水率>原料粒度，當(dāng)成型壓力增大到一定程度之后若是繼續(xù)增大后反而對成型的顆粒質(zhì)量影響不大。
2009年，卡里楊(NalladuraiKaliyan)1等人根據(jù)物料的理化特性、含水率、添加劑、顆粒機技術(shù)參數(shù)、制粒工藝參數(shù)，對顆粒質(zhì)量的影響作了綜述研究，提供了選擇制粒成型的參數(shù)的參考。
2010年，加亞尚卡爾(Jaya Shankar Tumuluru)等人通過研究建立了各影響因素與試驗?zāi)繕?biāo)的回歸方程，對工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并分析各成型因素對顆粒密度的影響機理。
2011年，瑪麗亞特雷莎(MafiaTeresaCarone)等人發(fā)現(xiàn)擠壓力對試驗指標(biāo)影響>制粒溫度>而原料含水率和粒度。
2012年，拉爾森(Sylvia H．Larsson)等人發(fā)現(xiàn)加熱管溫度對響應(yīng)函數(shù)有非常明顯的影響，建立了可用來預(yù)測響應(yīng)函數(shù)值的回歸模型。
從上面的國外的一些研究記錄等可以發(fā)現(xiàn)，國外主要的研究重心在環(huán)模秸稈顆粒成型機上面，而對環(huán)模秸稈壓塊成型機的研究并不深入；且其加工的原料主要為林業(yè)廢棄物之類，一般的環(huán)模秸稈顆粒成型機對原料進(jìn)行的處理多是軟化熟化，這點跟環(huán)模秸稈壓塊成型機有所不同，環(huán)模秸稈壓塊成型機針對的原料不同于林業(yè)廢棄物，其主要成型原料為普通農(nóng)作物廢棄的秸稈，這些原料多具有纖維粗大等特點，相對來說，想要成型所要求的難度相對較大，需要工作的相對條件也更加復(fù)雜和多變，針對其壓塊成型的原理、相關(guān)的設(shè)計、工藝的參數(shù)都需要進(jìn)行深入的研究才行。
1.2.3 環(huán)模壓塊機國內(nèi)研究現(xiàn)狀
相對于國外那些有成熟技術(shù)的國家，我國針對農(nóng)作物秸稈一類生物質(zhì)能源的加工燃燒技術(shù)起步比較晚，但一如我國的優(yōu)秀傳統(tǒng)，相關(guān)方面的研究與實驗發(fā)展迅速。在上個世紀(jì)年代初，我國才開始有一些對這方面的研究，主要有科研院所以及一些有農(nóng)業(yè)機械之類相關(guān)的企業(yè)在進(jìn)行著研究與開發(fā)；在這些部門與企業(yè)當(dāng)中，其中比較有代表性質(zhì)的有：
① 內(nèi)蒙古農(nóng)牧學(xué)院——型干草壓塊機，
② 山西大同農(nóng)牧機械廠——型草塊顆粒機，
③ 江西紅星機械公司——型氨化秸稈草餅壓制設(shè)備。
而在以上的圖文中，我們可以了解，根據(jù)我國各地的農(nóng)作物秸稈的情況來看，環(huán)模秸稈顆粒成型機并非我國農(nóng)作物秸稈適和應(yīng)用的壓縮燃燒技術(shù)的發(fā)展方向，然而目前環(huán)模秸稈的壓縮成型的技術(shù)主要仍以顆粒成型為主，顆粒壓縮成型技術(shù)針對的主要對象還是林業(yè)廢棄物、木質(zhì)料和經(jīng)過軟化熟化處理的物料。目前我國生物質(zhì)成型機從國家各地的農(nóng)作物秸稈的資源情況上來講，還是主要以環(huán)模秸稈壓塊成型機為主；在其中比較有代表作用的有：
① 牧羊集團(tuán)——大力神系列臥式環(huán)模生物質(zhì)成型機，如圖1—5所示；
② 河北富潤公司——型臥式環(huán)模生物質(zhì)成型機，如圖1—6所示；
③ 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)與鄭州鑫地機械設(shè)備有限公司合作——型立式環(huán)模生物質(zhì)成型機，如圖1—7所示。
當(dāng)然，除了這些比較具有代表作用的廠家或部門研發(fā)的機器以外，我國還有不少企業(yè)或部門根據(jù)其發(fā)展的需求方向，研發(fā)了許多各不相同的生物質(zhì)成型機設(shè)備，但這些農(nóng)業(yè)機器設(shè)備并不 能稱得上技術(shù)已經(jīng)成熟，它們或多或少仍有些許相關(guān)問題，例如：低性能、高耗能、高成本、易磨損、低產(chǎn)量、不穩(wěn)定等等。其中的主要原因還是在于缺乏研究經(jīng)驗，實驗少，可供參考的資料文本少，時間太短，生產(chǎn)作業(yè)的具體參數(shù)總有漏洞，缺少相應(yīng)的科學(xué)實驗與研究研發(fā)，規(guī)模不夠大不夠多?？偟膩碚f，當(dāng)前的我國模秸稈壓塊成型設(shè)備相關(guān)技術(shù)與實驗仍舊稱不上成熟兩字，還處在商業(yè)化的初期，加工對象單一，導(dǎo)致適應(yīng)性也不好。而前文有提到過，臥式環(huán)模秸稈生物質(zhì)成型機在工作過程中，原料不能均勻分布，其主要原因是受重力的影響過大，模式的環(huán)模上半部不能夠分配到足夠的原料，導(dǎo)致上下擠出的產(chǎn)品密度不同，參差不齊，使其生產(chǎn)的連續(xù)性不好，穩(wěn)定性也不行，因此，上述代表中研究的產(chǎn)品——式環(huán)模秸稈生物質(zhì)成型機的成功具有很重要的作用，其研發(fā)成功的的成型機里、相關(guān)的設(shè)計等等都對之后的發(fā)展有非常的影響與幫助。
圖1—5 MYKH型臥式環(huán)模秸稈壓塊機 圖1—6 9JYS3．2000型臥式環(huán)模秸稈壓塊機
圖1—7 9HYK-2000型立式環(huán)模秸稈壓塊機
綜上所述，我國對生物質(zhì)成型機理展開的研究相比國外來說起步較晚。
1996年，郭康權(quán)等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)成型壓力、模具錐角和成型溫度升高以及原料粒度減小時，成型塊高度增大、底部厚度變薄。
2000年，趙東等人建立了壓縮成型本構(gòu)方程，奠定了國內(nèi)秸稈分析研究壓縮成型數(shù)值的理論基礎(chǔ)。
2005年，董玉平等人發(fā)現(xiàn)造成秸稈壓塊分裂的原因，主要為其中產(chǎn)生的剪應(yīng)力，在成型時由于同時存在彈性和塑性變形，為研究生物質(zhì)成型機理提供了數(shù)據(jù)支持。
2013年，陶嗣巍等人發(fā)現(xiàn)在秸稈成型大變形有限元分析中，如果設(shè)置較大的加載步長，就能得到較精確的計算精度。
我國針對環(huán)模秸稈壓塊成型機的研究并不夠深入，在近些年中，我國相關(guān)部門與企業(yè)開始重視環(huán)模壓塊成型技術(shù)，對其進(jìn)行更加重視的研究與實驗。
2008年，沈永雷對型臥式環(huán)模生物質(zhì)壓塊成型機對玉米的秸稈壓塊成型相關(guān)的影響因素采取了大量的試驗研究，從單因素試驗開始，先分析研究了各因素試驗的取值，又對含水率、環(huán)模、模輥間隙這三方面因素采取正交試驗方法，建立了影響因素與試驗?zāi)繕?biāo)值的產(chǎn)量以及功耗三者之間的回歸方程，對成型參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，為環(huán)模生物質(zhì)壓塊成型機的正常工作提供很大的支持。
2008年，劉寶軍發(fā)現(xiàn)了生物質(zhì)成型機的最佳產(chǎn)量與功耗，為實際的加工工作生產(chǎn)過程提供了有力支持。
2009年，高建輝用有限元軟件對臥式環(huán)模生物質(zhì)壓塊成型機設(shè)計中環(huán)模的方形孔中各處應(yīng)力的分布情況做出了有限元分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)模的方形孔棱角中有應(yīng)力集中的現(xiàn)象發(fā)生，結(jié)果導(dǎo)致了環(huán)模容易磨損，為了降低環(huán)模的方形孔中發(fā)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低磨損，根據(jù)這些提出針對環(huán)模的方形孔棱角采取倒圓角的處理，從而使環(huán)模的方形孔應(yīng)力分布相對合理，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，為環(huán)模生物質(zhì)壓塊成型機的環(huán)模的方形孔改進(jìn)設(shè)計提供了理論支持。
2011年，于新奇等人設(shè)計只用一根軸來進(jìn)行一種傳動和進(jìn)料的臥式環(huán)模生物質(zhì)壓塊成型機，從而使生物質(zhì)壓塊成型機的結(jié)構(gòu)更加緊湊、有高效率，容易維修，降低成本。
2012年，王維振通過對臥式環(huán)模生物質(zhì)壓塊成型機的主軸強度進(jìn)行疲勞壽命分析，得到了主軸設(shè)計方面的各階段應(yīng)力集中點，對主軸設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提高主軸的強度，使主軸壽命大大延長。
2012年，陳樹人等人通過研究設(shè)計了一類立式環(huán)模生物質(zhì)壓塊成型機，并針對設(shè)計環(huán)模生物質(zhì)壓塊成型機的主要工作部位，即環(huán)模和壓輥，得到了生物質(zhì)壓塊成型機的性能指標(biāo)。
2013年，龐利沙等人求出了立式環(huán)模生物質(zhì)壓塊成型機在壓縮成型時的最佳成型工藝參數(shù)。
2013年，王春華等人求出了輥模直徑最佳的比值為，由此生物質(zhì)壓塊成型機最終有了最高的機械效率。
2013年，姚宗路等人及陳樹人等人在立式環(huán)模的基礎(chǔ)上，對環(huán)模進(jìn)行了特殊的設(shè)計，在環(huán)模上下設(shè)計添加了降溫水道與加熱電阻絲，由此設(shè)計的立式環(huán)模生物質(zhì)成型機能夠在啟動是先開啟加熱電阻絲，使這類農(nóng)業(yè)機器能夠快色的預(yù)熱，從而進(jìn)入工作狀態(tài)，大大提高了工作的效率，且其在工作過程中經(jīng)由環(huán)模中通過的降溫水道，使的農(nóng)作物秸稈在加工壓縮成塊的過程中，保持最佳的工作的溫度，使產(chǎn)品更穩(wěn)定更符合要求。
從上面一系列敘述中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前我國的生物質(zhì)成型機壓縮成型技術(shù)主要針對的目標(biāo)為林業(yè)廢棄物如廢棄的木屑，或是農(nóng)作物秸稈中的玉米這一類的秸稈，而我國各地大量種植的水稻這一類的秸稈資源巨大，但是對于相應(yīng)針對此類物料的生物質(zhì)成型機壓縮成型技術(shù)的研究實驗卻不夠深入；我國的生物質(zhì)成型機壓縮成型技術(shù)在生物質(zhì)壓塊成型機的重要部件、結(jié)構(gòu)上的技術(shù)仍有許多不足之處，其結(jié)果就是農(nóng)作物秸稈經(jīng)壓縮壓塊成型后，不能達(dá)到的理想的密度要求，且它在工作時的機械工作效率不是太高，達(dá)不到預(yù)計的效率，最后在重要部件如壓輥和環(huán)模上，由于設(shè)計與實驗的缺乏與不足，總會有各種問題使這些部件的磨損很塊，造成機械的壽命降低，投入的成本相應(yīng)的提升；而我國許多研究的精力多在于臥式的環(huán)模生物質(zhì)壓塊成型機壓縮成型上面，但是臥式的環(huán)模生物質(zhì)壓塊成型機由前文可以知道，它在工作過程中 壓縮物料時收到重力的影響，總會容易造成在壓縮成型過程中物料分配不均勻，環(huán)模上方擠出的產(chǎn)品總是不夠理想，參差不齊，與環(huán)模下方的產(chǎn)品有很大差別，使得其產(chǎn)品不穩(wěn)定性太大了，而且由于工作的受力不均勻，導(dǎo)致的應(yīng)力分布雜亂，經(jīng)常會產(chǎn)生應(yīng)力集中這樣的現(xiàn)象，結(jié)果導(dǎo)致了重要的工作部件如壓輥和環(huán)模在長期的工作中磨損力度大大加快，導(dǎo)致機械的壽命降低等等的各種問題。由此可以知道，我國對與立式環(huán)模生物質(zhì)壓塊成型機壓縮成型的技術(shù)仍有很多的不足與缺點，理論與實驗都比較淺薄，總的來說仍處與初級的起步階段，還需要大量的研究與實驗來補足。
1.3 簡介生物質(zhì)燃料
在人類科技飛速發(fā)展的時代，能源成為制約我們進(jìn)步的重大問題，如今的我們對石油能源的依賴非常嚴(yán)重，但是我們已經(jīng)做出了改變，推廣和利用新的能源在世界各國都是一個非常重視的項目。風(fēng)能發(fā)電，太陽能等等都是近代新型能源的代表，例如在我國各地，對這些能源的利用已經(jīng)鋪建開來，雖然還未成為主要的能源，但是已經(jīng)有了巨大的進(jìn)步。而生物質(zhì)能源作為近代新興的能源之一，它的推廣與使用對保護(hù)環(huán)境，減少污染有著重大的影響。而生物質(zhì)能源可以壓縮成型為燃料的有多種類型：
農(nóng)作物的秸桿、麥子等剝離的籽殼、到處遺棄的樹枝、加工廢棄的鋸末、林業(yè)廢棄物等等。
圖1—8 生物質(zhì)燃料示意圖
(1)生物質(zhì)燃料的概況
農(nóng)作物的玉米桿、水稻桿、麥草等等莊稼在收獲的時候，會被農(nóng)民們大量堆積起來，這些農(nóng)業(yè)的廢棄物都屬于生物質(zhì)燃料，但是如果直接用來燃燒是不合理的，既不能達(dá)到應(yīng)有的需求，又會產(chǎn)生大量的霧霾污染了環(huán)境。只有粉碎、烘干等一些工序后，經(jīng)過壓縮成型，是其體積減小，密度增加，進(jìn)而形成方便運輸且又能燃燒產(chǎn)生大量熱值的小塊狀或顆粒狀固體燃料等。經(jīng)過這些加工之后，這些固體燃料，就成為了現(xiàn)代的新興能源，既環(huán)保又處理了大量的將造成污染的垃圾。這種新興的生物質(zhì)能源，運輸方便，可以直接投入使用，是能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)煤炭來燃燒使用的。
(2)生物質(zhì)燃料的特點
通過上述工序壓縮成型的物料，它在投入使用中，燃燒后的揮發(fā)性優(yōu)秀，更加容易析出，這類燃料有很高的活性，它的燃點有比較低，更加容易燃燒，在使用時投入的燃料比較節(jié)省，燃燒過后產(chǎn)生的灰燼與煤炭之類的相比也會少很多，可以大大的降低使用它的成本。而且在經(jīng)過加工壓縮成型后，多是顆粒狀或小塊狀，屬于非常小的體積，且它的密度高，所以所占的比重很大，能使燃燒的時間更久，不管是存儲起來還是在各地運輸都比較方便。經(jīng)科學(xué)的分析，這類燃料一般只有原本的體積，而質(zhì)量也有原本的15倍左右，可以看出它的密度很大，一般都在這個區(qū)間，燒燃產(chǎn)生的熱值也很大，一般都在這個區(qū)間，有燃燒時特別容易揮發(fā)的特性。
(3) 生物質(zhì)燃料的應(yīng)用
生物質(zhì)燃料作為如今的新興能源之一，在經(jīng)過近些年的發(fā)展后，已經(jīng)可以廣泛的在城市各地的采暖和供熱系統(tǒng)中應(yīng)用，它也走入了許多個體戶中，在常見的酒店，賓館等行業(yè)也有應(yīng)用，它的不斷發(fā)展變化，甚至已經(jīng)可以代替了原來的木柴，煤炭，天然氣，液化氣等等。面對全球的溫室效應(yīng)，越來越嚴(yán)重的環(huán)境污染，近些年流行的霧霾，煤炭鍋爐已經(jīng)不符合如今的時代的趨勢，全國各地已經(jīng)禁止個體戶使用，例如如今許多地方的澡堂等地所需的熱水已經(jīng)不能自己燃燒，需要統(tǒng)一購買使用，這種情況下，導(dǎo)致了燃油使用的加大，油價的飆升，給各個行業(yè)都造成了或大或小的影響和壓力。所以尋找代替的產(chǎn)物是發(fā)展的趨勢，生物質(zhì)燃料的特性，使其未來的前景遼闊。
1.4 設(shè)計內(nèi)容
本人的設(shè)計課題為立式環(huán)模生物質(zhì)成型機，以立式環(huán)模的原理為基礎(chǔ)，對當(dāng)前一些生物質(zhì)壓塊成型設(shè)備的各種問題，例如壓縮成型的幾率偏低，耗能過大，主要工作的部件磨損嚴(yán)重較快，設(shè)計理論的些許不足之處，不穩(wěn)定等等。對該生物質(zhì)壓塊成型設(shè)備的主要工作的部件進(jìn)行理論的分析和設(shè)計，下面是簡單介紹一下：
(1)在立式環(huán)模生物質(zhì)成型機壓縮成型的基礎(chǔ)下，通過一步一步的設(shè)計計算，確定正機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與相關(guān)的科學(xué)參數(shù)，確定各個部件的合理裝備，并對關(guān)鍵的重要工作部件進(jìn)行受力分析，這里主要指的是該機器壓縮工作室的壓輥和成型的裝置環(huán)模，通過相應(yīng)的計算，建立確定相對的公式與數(shù)據(jù)模型和相關(guān)參數(shù)，使其設(shè)計合理。
(2)對目前大致完成的立式環(huán)模生物質(zhì)成型機的整體進(jìn)行觀察與分析，根據(jù)設(shè)計的指定要求，對該立式環(huán)模生物質(zhì)成型機中主要的部件與系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，其中有動力系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)，機架等等。
(3)根據(jù)相關(guān)的計算與設(shè)計，總結(jié)繪制出立式環(huán)模生物質(zhì)成型機裝配圖紙相對重要的零件圖紙，對裝配圖進(jìn)行檢查，是否裝配合理，各個部件之間的尺寸搭配是否有漏洞等等。
1.5 本章小結(jié)
本章主要講了該課題生物質(zhì)成型機研究目的和意義，生物質(zhì)成型機國內(nèi)與國外發(fā)展趨勢，國內(nèi)與國外的各個優(yōu)點與缺點，并介紹了一些典型的代表的相關(guān)農(nóng)業(yè)機器。簡單介紹了生物質(zhì)燃料這種新興能源的前景與優(yōu)勢，最后對本課題立式環(huán)模生物質(zhì)成型機的設(shè)計內(nèi)容分了簡單的幾個步驟，做了相應(yīng)的簡單介紹。
2 成型機結(jié)構(gòu)原理及傳動路線
根據(jù)本課題立式環(huán)模生物質(zhì)成型機，以立式環(huán)模的原理為基礎(chǔ)，設(shè)計計算該生物質(zhì)成型機的整機構(gòu)造與相關(guān)的工作原理，針對其中工作時的傳動路線的設(shè)計與計算分析，用過合理的計算與分析，設(shè)計符合要求的整機設(shè)計。同老式生物質(zhì)成型機做出對比分析，使設(shè)計該生物質(zhì)成型機的工作效率更高，耗能更少，產(chǎn)量更高，生產(chǎn)更加穩(wěn)定。
2.1 成型機構(gòu)造的原理及技術(shù)指標(biāo)
2.1.1 整機構(gòu)造
圖 2—1 立式環(huán)模生物質(zhì)壓塊成型機整機結(jié)構(gòu)圖
該課題立式環(huán)模生物質(zhì)成型機整機的構(gòu)造如上圖2—1所示，設(shè)計計算了主要的動力系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)，機架構(gòu)造等等。分別介紹來說，動力系統(tǒng)主要指電動機的選型；傳動系統(tǒng)主要指：采取的帶傳動系統(tǒng)與主軸的合理設(shè)計；機架構(gòu)造主要指整機的固定。
本課題設(shè)計的生物質(zhì)成型機將部件與整臺機架通過螺栓牢牢結(jié)合起來，為了使帶傳動在工作過程中保持動力平衡，不產(chǎn)生力矩偏移的現(xiàn)象，設(shè)計了2臺相同的電動機；工作部件環(huán)模采用立式環(huán)模的原理，水平放置在壓縮室內(nèi)，環(huán)模采取的是組裝成型，設(shè)計為一個一個的小環(huán)模塊，一共45個組合為一個環(huán)形的環(huán)模，再由上下壓板組合，各個環(huán)模塊通過螺栓結(jié)合在一起，與上下壓板緊緊固定起來；同在壓縮室內(nèi)的壓輥部件，由三部分固定組裝在壓縮室內(nèi)，其為偏心軸、壓輥和偏心軸軸承三個部件組成。進(jìn)入工作時，電機運轉(zhuǎn)，通過電傳動帶動主軸轉(zhuǎn)動，從而帶動壓輥轉(zhuǎn)動，而它同時在與物料的接觸摩擦中繞偏心軸轉(zhuǎn)動，將物料擠入道對應(yīng)的環(huán)模孔當(dāng)中，經(jīng)過溫度與壓力的作用，壓縮成型。
2.1.2 工作原理
壓縮室工作時如下圖2—2所示，立式環(huán)模生物質(zhì)成型機壓縮成型為“開式”的類型。農(nóng)作物秸稈從料斗里倒入，電機運轉(zhuǎn)帶動了傳動系統(tǒng)進(jìn)行工作，是壓輥圍著主軸轉(zhuǎn)動的同時，壓輥在物料的接觸摩擦中圍著它的偏心軸自傳，在擠壓的工作中，使得壓縮室的溫度不斷上升，在高溫作用下，物料即農(nóng)作物秸稈本身帶有的木質(zhì)素溶解，其木質(zhì)素在工作起了重要的作用，它將物料粘合起來，充當(dāng)粘合劑的作用，同時在壓力轉(zhuǎn)動的作用下，是農(nóng)作物秸稈被計入對應(yīng)的環(huán)?？桩?dāng)中，隨著擠入農(nóng)作物秸稈相互之間的摩擦擠壓，同時在木質(zhì)素的粘合下，使得農(nóng)作物秸稈最終成型，在環(huán)?？椎牧硪活^被擠出來，受重力的影響下，斷裂成有一條長方體的形狀，掉落下來，冷卻后經(jīng)人工的收取，包裝密封。
圖2—2壓縮室結(jié)構(gòu)圖
2.1.3 技術(shù)指標(biāo)
技術(shù)參數(shù)設(shè)計值
產(chǎn)量/t·h -1 1. 5 ～ 2. 0
主機功率/kW 60
喂料輸送機功率/kW 3
出料輸送機功率/kW 1. 5
模塊數(shù) 45
壓輥數(shù) 2
環(huán)模內(nèi)徑/mm 554
壓輥轉(zhuǎn)速/r·min -1 160
燃料截面規(guī)格/mm × mm 32 × 32
成型率/% 95
2.2 成型機傳動路線
成型機在工作時，動力裝置由左右兩個電機提供動力，兩個電機帶動保證了工作過程中的傳動平衡，減小帶傳動過程中產(chǎn)生的偏心力矩。兩個電機帶動左右倆個主帶輪轉(zhuǎn)動，通過皮帶將動力傳動到中間的從動輪上，從動輪與主軸裝配組合，從而帶動主軸轉(zhuǎn)動；由于主軸提供的動力，成型系統(tǒng)壓縮室開始工作，原料從料斗進(jìn)入壓輥與環(huán)模之間，壓輥在主軸的帶動下圍著主軸作功轉(zhuǎn)運動，同時在自身與物料的擠壓作用下，圍著壓輥軸作自轉(zhuǎn)運動，物料被壓輥的運動擠壓到環(huán)?？字?，壓縮成型。
傳動路線如下圖2—3所示，傳動過程分為兩個部分，下面一部分為帶傳動系統(tǒng)，左右兩個小帶輪將電機動力傳動到主帶輪；上面為壓縮室工作部分，主軸將帶傳動產(chǎn)生的動力傳遞到兩個壓輥上，壓輥擠壓物料工作成型。
圖2—3傳動路線圖
2.3 本章小結(jié)
本章主要對生物質(zhì)成型機的整機結(jié)構(gòu)與工作原理做了簡單的介紹，列出了立式環(huán)模生物質(zhì)成型機的性能指標(biāo)；對該機器的傳動路線進(jìn)行了設(shè)計分析，對該機器的工作時動力的傳動做了簡單的介紹。
3 成型機成型理論設(shè)計
3.1 成型機環(huán)模設(shè)計
圖 3—1 環(huán)?？资疽鈭D
1． 環(huán)模孔進(jìn)口 2． 環(huán)?？壮隹?
該立式環(huán)模生物質(zhì)成型機在工作時，物料的受力分析如圖3—1所示，其最終的成型產(chǎn)品主要是由壓縮室中的壓輥運動產(chǎn)生的擠壓力，物料被擠壓過程中與環(huán)模之間的接觸產(chǎn)生的摩擦力，以及物料與物料相互擠摩擦的作用力，當(dāng)摩擦力太大的時候，會是該生物質(zhì)成型機消耗的電力增大，造成成本的浪費；而當(dāng)摩擦力太小的時候，產(chǎn)品的成型就會不穩(wěn)定，擠出來的產(chǎn)品或是密度不夠，或是干脆就難以成型。環(huán)模孔一頭與其圓周徑向相平行，另一頭與徑向有一定夾角，環(huán)模塊與其相鄰的環(huán)模塊形成一個梯形環(huán)?？?，它的進(jìn)口面積大于出口面積，這里我們不考慮農(nóng)作物秸稈相互之間的作用力，而將整個環(huán)?？鬃鳛橐粋€整體，只考慮外部工作時產(chǎn)生的受力分析，其中有壓輥轉(zhuǎn)動擠壓產(chǎn)生的徑向力、周向力和物料與環(huán)?？椎哪Σ亮?，摩擦力方向如圖3—1所示，與環(huán)?？椎膬?nèi)壁方向平行，徑向力與摩擦力反向的夾角為，這里以物料做的運動是勻速運動，由上述分析得出下面公式：
(3—1)
(3—2)
式中
———壓輥對物料的徑向力
———壓輥對物料的周向力
———物料受到環(huán)?？椎哪Σ亮?
由式(3—1) 、(3—2) 的公式得出，當(dāng)過小時，摩擦力 會過大，結(jié)果造成該機耗電更多，且對環(huán)模壓輥等主要的工作部件造成更大更快的磨損了；同樣的道理，當(dāng) 過大時，摩擦力 過小，結(jié)果造成產(chǎn)出的成品密度不合要求，參差不齊，工作的不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品不能成型等等。這里根據(jù)經(jīng)驗得出， 的取值在這個區(qū)間。本課題設(shè)計的生物質(zhì)成型機取 ，這樣設(shè)計比較合理，既不會造成過多的電能損耗，造成更大的部件磨損，也不會時機器工作不穩(wěn)定，產(chǎn)品出來不合格等等。本課題生物質(zhì)成型機設(shè)計的環(huán)模由 45 塊環(huán)模塊組成而成。且針對環(huán)?？坠ぷ鲿r容易造成磨損的情況，對環(huán)模孔處進(jìn)行滲碳處理， 滲碳后淬油，延長了環(huán)模的壽命，減少了投入的成本，使該設(shè)計的生物質(zhì)成型機更加合理。
圖3—2 環(huán)模塊結(jié)構(gòu)圖
3.2 成型機壓輥設(shè)計
壓輥是該生物質(zhì)成型機在工作時的重要成型部件之一，設(shè)計計算最合適的壓輥與環(huán)模直徑的比值是非常重要的一點，首先對壓輥即生物質(zhì)成型機工作中的受力設(shè)計計算，確定合適的壓輥與環(huán)模直徑比值，與壓輥的直徑，通過分析計算再對壓輥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。
3.2.1 成型機生產(chǎn)率建模
該生物質(zhì)成型機在工作時，物料在壓縮室被擠壓成塊，壓輥轉(zhuǎn)動擠壓將農(nóng)作物秸稈擠入到環(huán)模孔中，這里取壓輥將農(nóng)作物秸稈擠到環(huán)?？椎慕佑|點進(jìn)行分析，壓輥在繞著主軸轉(zhuǎn)動的同時，與物料擠壓作用下繞偏心軸同時在自轉(zhuǎn)，這里取壓輥即將滑動但還沒滑動的臨界點，這時的壓輥我們當(dāng)作靜止處理，由于農(nóng)作物秸稈的作用，壓輥對環(huán)模的做功在攝入物料的包角上不斷產(chǎn)生變化，這里生物質(zhì)成型機在工作時，其中的壓輥、環(huán)模以及物料三者都不屬于剛體，在工作的擠壓狀態(tài)下相互之間會產(chǎn)生變形，通過力的相互作業(yè)，壓輥對環(huán)模的作用力使環(huán)模也對壓輥產(chǎn)生發(fā)作用力，這里取農(nóng)作物秸稈的包角處對壓輥產(chǎn)生的力為正壓力摩擦力，得到壓輥的受力分析圖，如圖3—3所示。這里的壓輥因作靜止處理，它的力矩和為0，則平衡方程如下：
(3—3)
式中，。
可得
(3—4)
圖3—3壓輥受力分析
其中，——壓輥受到物料的壓力；
——壓輥受到物料的摩擦力。
式中，——物料對壓輥的摩擦力；
——物料對壓輥的正壓力；
——設(shè)定接觸點與壓輥中心豎直線的最短距離；
——壓輥與物料的摩擦系數(shù)；
——壓輥半徑。
由于，所以
(3—5)
將(3-5)式代入(3—4)式可得
(3—6)
式中，b為壓輥中心點與設(shè)定接觸點水平線最短距離
(3—7)
將(3—5)、(3—6)式代入(3—7)式可得
(3—8)
式中，為設(shè)定接觸點與壓輥中心點的連線偏離壓輥中心豎直線的角度
(3—9)
將(3—5)、(3—6)式代入(3—9)式可得
(3—10)
式中，為環(huán)模的半徑；
為設(shè)定接觸點與主軸中心點的連線偏離主軸中心豎直線的角度
(3—11)
將(3—5)、(3—10)式代入(3-11)式可得
(3—12)
式中，為主軸的中心點到壓輥與物料接觸點的距離
h=R-L (3—13)
式中，為被擠入物料的高度
將(3—12)式代入(3-13)式可得
(3—13)
壓輥公轉(zhuǎn)一周，被一個壓輥擠入環(huán)?？變?nèi)的物料體積為
(3—14)
生物質(zhì)成型機單位時問內(nèi)的生產(chǎn)率為
(3—15)
式中，——壓輥個數(shù)：
——壓輥公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速；
——壓輥厚度：
——預(yù)壓區(qū)物料密度。
將(3—13)、(3—14)式代入(3—15)式可得
(3—16)
3.2.2 成型機功率建模
圖3—4壓塊機壓塊過程受力分析
立式環(huán)模生物質(zhì)成型機工作時物料被擠壓過程的受力分析如圖3—4所示，這時的壓輥與環(huán)模之間的力有：壓輥與環(huán)模的正壓力，壓輥與物料的表面摩擦力，受力分解得到
(3—17)
由于,代入(2—17)式可得
(3—18)
在圖3—4 中對主軸中心點D列力矩平衡方程
(3—19)
(3—20)
(3—21)
(3—22)
將式(3—18)、(3—20)、(3—21)式代入(3—22)式可得電動機功率為
(3—23)
式中，——壓輥的攝入角；
——成型機的傳動效率；
——的沿?？椎呢Q直分量；
——的沿?？椎呢Q直分量；
——?？椎淖畲髷D壓力；
——壓輥驅(qū)動力。
3.2.3 壓輥結(jié)構(gòu)設(shè)計
本課題的立式環(huán)模生物質(zhì)成型機設(shè)計中，對壓輥的設(shè)計：壓輥分3個部分偏心軸、壓輥和偏心軸軸承三個部件組成，成型機工作時，電機帶動主軸轉(zhuǎn)動，主軸帶動2個壓輥轉(zhuǎn)動，同時壓輥通過與物料之間的摩擦擠壓產(chǎn)生的作用力，繞壓輥軸轉(zhuǎn)動，從而將物料擠入環(huán)模中。這里采用的部件有偏心軸，以方便根據(jù)設(shè)計計算來調(diào)節(jié)模輥間隙。這里的壓輥取45號鋼，因為在工作時壓輥時刻的做功，對它的表面填充硬度高而且耐磨的合金表面，使它更加的耐磨，再對它的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計為小六邊形凹坑，這樣可以增強它的固定作用，減少物料工作中產(chǎn)生的周向滑動，且防止它向軸的方向滑動，這個固定作用增大了它的攝入物料的能力。當(dāng)使用過長時間，導(dǎo)致壓輥的表面發(fā)生磨損后，可以直接只針對壓輥表面進(jìn)行焊接處理，如果磨損過于嚴(yán)重，這時也可以直接更換壓輥。這個設(shè)計既整體提升的該機器的壽命，又減少了維修的經(jīng)費。
從上面的介紹分析來看，進(jìn)行壓輥設(shè)計，這里設(shè)計壓輥的半徑為110mm，壓輥的厚度為29mm，如圖3—5所示，這是壓輥的結(jié)構(gòu)圖。壓輥與偏心軸之間通過偏心軸軸承進(jìn)行配合，這三個部件是壓輥的組成部件，在該生物質(zhì)成型機中，環(huán)模的設(shè)計相較于壓輥來說更加復(fù)雜，屬于45個環(huán)模塊組裝而成，它的工藝過于復(fù)雜，導(dǎo)致環(huán)模的成本更高，我們在工作時為了降低成本，把壓輥硬度設(shè)計為比環(huán)模的硬度,這樣導(dǎo)致壓輥磨損大于環(huán)模，相對的減少了環(huán)模工作的磨損，使環(huán)模的維修費用降低，相應(yīng)的降低了成本。
圖3—5壓輥結(jié)構(gòu)圖
3.3 本章小結(jié)
對立式環(huán)模生物質(zhì)成型機工作時的環(huán)?？孜锪线M(jìn)行了受力分析，設(shè)計計算出它所受力的公式，得出環(huán)模相關(guān)的參數(shù)，并對壓縮成型過程中的主要部件環(huán)模進(jìn)行設(shè)計。
對立式環(huán)模生物質(zhì)成型機壓縮成型過程中的主要部件壓輥和壓縮成型過程進(jìn)行了受力分析，得出了壓輥相關(guān)的參數(shù)，對壓縮成型過程中的主要部件壓輥進(jìn)行設(shè)計。
4 成型機傳動系統(tǒng)設(shè)計
上一章確定了生物質(zhì)成型機壓縮成型過程中的主要部件環(huán)模和壓輥的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，本章主要對成型機的傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。
4.1 電動機選型
本設(shè)計的生物質(zhì)成型機在工作狀態(tài)下將農(nóng)作物秸稈壓縮成型，主要通過左右雙電機通過皮帶帶動主軸轉(zhuǎn)動，這時壓縮室的工作部件壓輥有兩個做功，一是隨著主軸的轉(zhuǎn)動在壓縮室內(nèi)公轉(zhuǎn)，二是他在擠壓摩擦物料時受到的作用力下繞著壓輥軸做自轉(zhuǎn)，在壓輥的轉(zhuǎn)動工作中，對壓縮室的物料產(chǎn)生了正壓力和摩擦力，通過力的作用將物料擠壓到環(huán)模的小孔中。在工作中，由于力的作用是相互的，物料也對壓輥產(chǎn)生相反的正壓力和摩擦力；通過分析可以知道，壓輥收到的正壓力的方向為沿壓輥徑向方向，壓輥受到摩擦力的方向為沿壓輥切線方向，所以正壓力不會對壓輥公轉(zhuǎn)的運動產(chǎn)生影響，但是摩擦力的方向作用下，會產(chǎn)生一個與壓輥公轉(zhuǎn)運動的方向相反的扭矩；這里由于壓輥與主軸保持一致的運動，所以產(chǎn)生的扭矩同樣會作用在主軸上，主軸的運動依靠它下方的電動機帶動皮帶而運動，與主軸相連的是傳動系統(tǒng)的大皮帶輪，大皮帶受到受到皮帶張緊力產(chǎn)生的扭矩，這兩者之間相互平衡，由此得到壓輥公轉(zhuǎn)所消耗的功率：
(4—1)
式中，——壓輥與物料之間的摩擦系數(shù)；
——壓輥對物料的最大擠壓力；
——壓輥公轉(zhuǎn)的圓周半徑；
——壓輥公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速即主軸轉(zhuǎn)速；
——電動機功率。
根據(jù)經(jīng)驗得到，這個受力中的壓輥與物料之間的摩擦系數(shù)取， 通過以往的記錄，研究在物料含水率不一樣的情況下的壓輥對物料的最大擠壓力，壓輥對物料的擠壓力與物料對壓輥的擠壓力為相互作用力，取物料對壓輥的擠壓力,通過現(xiàn)有的環(huán)模生物質(zhì)成型機的參數(shù)，參考分析得到壓輥公轉(zhuǎn)的速度在這個區(qū)間，這里根據(jù)要求取壓輥的功轉(zhuǎn)速度為，取壓輥公轉(zhuǎn)的圓周半徑,將這些數(shù)據(jù)帶入式(3—1)中，通過計算得出壓輥工作時所消耗的最大功率為，選取電動機的功率為60kw。根據(jù)上述的設(shè)計，取2個相同類型的電動機，其功率為30kw。
查找選擇該生物質(zhì)成型機的電動機型號為系列，這個型號電動機屬于三相異步電動機的類型，它的構(gòu)造是全封閉型自善冷式鼠籠型，特點有：高效率、低能耗、啟動時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩很大、高穩(wěn)定和方便維修等等，這種電動機在農(nóng)業(yè)和食品生產(chǎn)的機器領(lǐng)域廣受歡迎。
4.2 帶及帶輪設(shè)計
通過上面可知，本課題的立式環(huán)模生物質(zhì)成型機的傳動系統(tǒng)設(shè)計，采取的是帶傳動，電動機通過帶到皮帶輪來是主軸轉(zhuǎn)到，進(jìn)而能有效的正常工作，這里的皮帶輪選取普通的V帶和帶輪，在該機正常的工作時，V帶屬于撓性件，它的特點：很有彈性、吸收一定的沖擊以及吸收一定的震動，此特性使得該機在工作時有更好的穩(wěn)定性，產(chǎn)生更小的噪音影響等等。但是用帶傳動同樣有普遍存在的缺點，即是在工作時，V帶轉(zhuǎn)動時與帶輪之間有摩擦力的影響，在摩擦力的作用下，帶和帶輪會產(chǎn)生一定的相對滑動量，造成傳動比不夠精確，但該機屬于農(nóng)業(yè)機器，不需要過于精確的傳動比，它產(chǎn)生額度影響較小，可以忽略；相對的，帶傳動產(chǎn)生的彈性滑動也對機器部件有一定的過載保護(hù)，是該機在壓縮物料時不會造成過于嚴(yán)重的部件損壞；最后，由于帶傳動的優(yōu)點：相對簡單的構(gòu)造、投入不高的成本、維修和保養(yǎng)的方便以及裝配的要求低等等，在該課題立式環(huán)模生物質(zhì)成型機中，采取帶傳動是非常合理的。
傳動系統(tǒng)帶傳動，從相關(guān)的參數(shù)開始，選取合適的V帶型號、長度以及根數(shù)，確定導(dǎo)論材料、尺寸和構(gòu)造（輪寬、直徑、槽數(shù)及槽的尺寸等），傳動中心距（即安裝尺寸），以及它的軸的作用力。
4.2.1傳動帶的設(shè)計
確定計算功率
(4—2)
其中： ——工作情況系數(shù)；
——電動機的功率。
查《機械設(shè)計基礎(chǔ)》一書中的表14—7 可知：
選擇V帶的型號
又上公式(3—2)得到功率,電動機下與小帶輪相結(jié)合，可知小帶輪轉(zhuǎn)速 與電動機保持一致，查《機械設(shè)計基礎(chǔ)》一書圖14—12，選取V帶型號為D型，可以得到帶輪的基準(zhǔn)直徑。
（1）首先初步選定主動帶輪即小帶輪的基準(zhǔn)直徑：查相關(guān)資料得到，參考《機械設(shè)計基礎(chǔ)》表14—2，通過選取D型型號V帶輪得到，取。
（2）計算V帶速度：
(4—3)
V帶速度在這個區(qū)間，速度符合要求。
電動機與主軸的傳動比
(4—4)
（3）計算從動輪即大帶輪的直徑
(4—5)
確定傳動中心距和帶長
取 (4—6)
即：
得：
?。?
帶長 (4—7)
即：
得：
參考《機械設(shè)計基礎(chǔ)》表14—5，選取左右兩個的基本長度，以及 對應(yīng)的公稱長度，得到：， 。
實際中心距求得：
(4—8)
也可以使用經(jīng)驗公式： (4—9)
求得 ：
驗算主動輪即小帶輪上的包角
(4—10)
即：
求得 ： 滿足V帶傳動包角要求。
確定V帶根數(shù)
V帶根數(shù)由下式確定：
(4—11)
其中 ： ——單根普通V帶許用功率值；
——考慮包角不同大小的影響系數(shù)，即包角系數(shù)；