平模製粒機加工生物質燃料的工作特性分（fèn）析（三）

平模製粒機（jī）加（jiā）工生物質燃料顆粒的特性探討

 

    在加工生（shēng）物質燃料顆粒的過程中，我們發現，平模製粒機的各工作（zuò）部件（jiàn）表現出以下（xià）特性：

 

    1 喂料特性

 

    物料（liào）進入平模（mó）機的第一個工位是（shì）喂料室，喂（wèi）料室起到緩存（cún）物料和喂（wèi）料的作用，完（wán）成物料向磨輥楔形攫取角的喂入。喂料室有（yǒu）兩個特點，一是喂料空間廣闊（kuò），為（wéi）專門擠壓生物質原料（liào）的大直徑壓輥提（tí）供了空間，也為蓬鬆的生物質原料提供了喂料空間；二（èr）是靠重力作用直接喂料的原理高（gāo）效實用。

 

    像如鋸末、樹（shù）枝、樹杈（chā）粉碎料和（hé）秸稈粉（fěn）末這一類生物質原料,粗纖維含量高，質輕而蓬鬆（sōng），不易喂入。寬敞的喂料室，首（shǒu）先能為物料提供廣（guǎng）闊的喂料空間（jiān）。其次能允許配備大直徑壓輥，從而增大攫取角，增強對粗纖維物料的攫取能力。據測算，鋸末原料容重約為200kg/m3,孔隙率為75%左（zuǒ）右，物料本身輕而蓬（péng）鬆，製成顆粒時壓縮比在6以上，這就對喂料空（kōng）間提出了較（jiào）高的要求。平模機具有寬敞的喂料室，以PM60平模機為例（lì），其有效喂料容積約120dm3，單次喂料可達（dá）24kg，完全能滿足機器需求。

 

    其次，物料喂入的過程是在重力作用（yòng）下自然下落的過程。不需要強製喂入（rù），原料便可直接落到適合擠壓的工位上。這種喂料方式明顯（xiǎn）優於環模製（zhì）粒機，環模機工作時（shí），對應不同的物料都需要探索相應的導料板（bǎn）參數，物料性質稍有改變，導料板就（jiù）得改變，這就限製了環模（mó）機對（duì）原料的適應性。

 

    2平模特性

 

    在動輥式平模製粒機中（zhōng），平模被（bèi）固定（dìng）在機座上，物料（liào）從靜止的模孔中擠出，被切刀（dāo）切斷後形（xíng）成顆粒。而環模製粒機中，環模是旋（xuán）轉的，旋轉的環模（mó）常常把顆粒甩在（zài）機殼上，部分顆粒被摔碎，成型率下降。因此平模製粒（lì）機中平模（mó）靜止的工作方式有利於顆粒（lì）成型率的提高。

 

    作為製（zhì）粒機的核心工作部件，平模的結構參數是否合適直接決定了顆粒質（zhì）量（liàng）的優劣。加工不同（tóng）的物料，應當配備不同（tóng）的模板。模板的開孔麵積，模（mó）孔尺寸，模孔（kǒng）排（pái）布方式等（děng）要素都（dōu）是決定製粒性能的重要因素。模孔長徑比越小，產量越大（dà），但是顆粒密度越小、質量也越差。長徑（jìng）比過大（dà），則容易堵機。從實踐經驗看（kàn），用同一種原料生產相同規格的產品，平模厚度要比環模的小許多。

 

    與環模相比，平模的優勢（shì）在（zài）於結構簡潔，體積緊湊，能正反使用，成（chéng）本低廉。模板是易磨損件，需要定期更換，平模結構的對稱性決（jué）定了模（mó）板雙麵可用，一麵磨損量過大後，可以將模板反裝（zhuāng），這大大提高了（le）平模的使用壽（shòu）命。易損件壽命（mìng）的（de）提高有助於降低生產成（chéng）本。

 

    3壓輥特性

 

    壓輥方麵，平模（mó）機壓輥的特點是轉速較低、直徑大，與某些型號的環模機相比，其轉速甚至不到環模壓輥的一半，而較（jiào）大的直徑可以增大壓輥的攫取角。這使工作中的壓輥對物料有較強的攫取力，並且降低了（le）打滑的可能性。

 

    但是工作（zuò）中的壓輥並非整體在做純滾（gǔn）動，從其軸向上看，壓輥的裏（lǐ）側與外側都（dōu）會發生滑動，這種滑動作用是平模（mó）機的工作原理決定的，並不因物料的改變而改變。筆者認為，滑動作用的存在，固然在（zài）一定程度上加（jiā）快了壓輥的磨損，但是客觀（guān）上卻增強了製粒機（jī）的擠壓性能，使平模製粒機在加工含粗纖維較多（duō）的生（shēng）物質原料方麵成為佼（jiǎo）佼者。下麵將從運動分析和受力分析方麵對滑（huá）動（dòng）作用進行討論。

 

    以圖4所示的順時針旋轉的壓輥為例，平模製粒機工作時，壓輥上（shàng）必定存在（zài）一條（tiáo）純滾動的圓周（zhōu）線H，在純滾動線H內側，壓輥發生超前性滑動，稱之為滑轉滾動；在純滾動線外側，壓輥發生（shēng）滯後（hòu）性滑動，稱之為滑移滾動。

 

    在壓輥與（yǔ）物料接觸的任意點A，其受（shòu）力如圖4所示，因擠壓物料而收到物料施加給壓輥的反作用力N,N大小隨 變化而變化，但（dàn）總是沿半（bàn）徑指向圓心方向；壓（yā）輥與物料之間還可能存在摩擦力F，F必定沿切線方向，但指向有待討論（lùn）。

 

    當（dāng）機器進入（rù）穩態時，壓輥處於平衡狀（zhuàng）態，建立如圖所（suǒ）示的柱坐標（biāo）係，以磨輥軸心為Z軸，磨輥（gǔn）最外截（jié）麵圓心為Z軸0點，以豎直方向半徑為角坐標0點。因平模壓輥的自轉是從動的，不存在驅動力矩，故其自身力矩之和為零，可以得到其力矩平衡方程：

 

    顯然，③式右側表示滑轉滾（gǔn）動區的合力矩，左側表示（shì）滑移滾動（dòng）區合力矩,兩個合力矩等大反向。在滑轉滾動區，磨輥因轉速較快，相對於物料產生滑動，因此力F沿切線指向上（shàng），合力矩方向為逆時（shí）針，則由力（lì）矩（jǔ）平衡關係可推得，③式左邊描述（shù）的（de）滑（huá）移滾動區所受合力矩必定為順時針方向，因此該（gāi）區內的大部受（shòu）力點所受摩擦力F應沿切線指向下方（如圖4所示）。

 

    明（míng）確了壓輥的受力情況，就可（kě）以分析物料（liào）受力，物料受力情況如圖5所（suǒ）示，在磨輥擠壓物料的任意一點B，物料受壓輥對其施（shī）加的力 與 ,分別為 和 的反（fǎn）作用力。在與平模接觸（chù）的平（píng）麵，物料受到（dào）水平方向上的摩擦（cā）力S和鉛（qiān）直方向上的支撐力T。則物料受力（lì）的平衡方程（chéng）為：

 

    從上述的壓輥運動情況和物料受力情況我們可以（yǐ）作出以下分析：

 

    （1）從上麵三組平衡式的對比可以看出，產生滑轉滾動和滑移滾動的時，與純滾動相（xiàng）比，相當於在豎直方向和水平方向對作用力進行了重新分配。從式④可以看出，在滑移滾動區，物料在水（shuǐ）平方向上受力增加（jiā），因此水平方向（xiàng）的擠壓作用增強。從式⑨可以看出,在滑轉滾動區，物料在豎直方向上受力增加，豎直方向的擠壓作用增強。兩（liǎng）種滑動作用的效果並不是消極的。

 

    （2）由運動分析知，在滑轉滾動區（qū），壓輥產生超前性滑動，因此對平模徑向上單（dān）位長度的物料（liào）而言，在壓輥上的（de）擠壓（yā）行程增加，這（zhè）相當於在豎直方向增長（zhǎng）了物料（liào）的預壓（yā）縮行（háng）程。在滑移滾動區，壓輥產生滯後性滑動，對於平模（mó）徑向上單位長度的物料，在平模上的擠壓行程（chéng）增加，相當於（yú）在水平方向上增（zēng）長了預壓縮行程（chéng）。這（zhè）就能解釋為什（shí）麽環模製粒機和平模製粒機加工相同原料、相同規格的產品時，平模機的（de）模板厚度遠薄於環模厚度：盡管二者都是模板擠壓製粒（lì），但平模（mó）機（jī）的兩種滑動作用相當於增加（jiā）了物料的（de）壓縮行程。

 

    （3）從式④、⑤和式⑧、⑨可以（yǐ）看出，兩（liǎng）種滑動作用導致了摩（mó）擦力的產生，摩擦力F使壓輥和（hé）物（wù）料之間產生了兩種剪（jiǎn）切作用。滑轉滾動區（qū）的超前性滑動使磨輥在豎（shù）直方向對物料產生了較強的剪切作用，這種剪（jiǎn）切作用越靠近（jìn）模板中心越明顯（xiǎn）。滑（huá）移滾（gǔn）動區的滯後性滑動使磨輥在水平方向對物料產生了較強的剪切作用，這種剪切作用越遠離模板中心越明顯。

 

    試驗時從出料口往裏觀察，我們發現平模的中間幾圈模孔出料快，越是裏圈和外圈的模孔（kǒng），出料越慢（màn）。如果卸掉切刀觀察，中間幾圈的物料被擠出較短的長度就會斷裂、墜落。而裏（lǐ）圈和外圈的模孔中擠出的物料不易自動斷裂和墜落，有許多甚至長至（zhì）200mm以上才脫（tuō）離模板。這是因為，由於兩種剪切作用的存在，模板內（nèi）側和外側的物料受較大剪切力，物料粒子被充分地揉切、撕裂（liè）進而充填（tián）、嵌合，所以越是兩側，成型顆（kē）粒質地越密實，出料越緩慢。平模（mó）機之（zhī）所（suǒ）以在加工粗纖維含量（liàng）較多的物料時（shí）具有優（yōu）越的性能，也正是因為這兩種較強的剪切作用對物料進行了充分（fèn）的預處理。

 

    （4）滑移滾動和滑轉滾動的存在會導致壓輥平模等零件（jiàn）的磨損程度增加，但在設計時可將平模設計（jì）成對稱結構（gòu），能夠正反使用（yòng）用，這（zhè）將有效降低易損件成本（běn）。

 

    4 結語

 

    隨著人們環保意識的（de）增強以及國家環保工作力度的增加，社會對清潔的替代能源的需求越來越迫切;今年中央1號（hào）文件明確（què）規定（dìng）“推進以非糧油作物為主要原料的生物質能源研究（jiū）和開發”;發展生物質顆粒燃料符合（hé）國（guó）策，順應民意。性能優異穩定的成型機在生物質燃料（liào）顆粒成型過程中扮演著重要的角色。結合（hé）太陽能（néng）幹燥工藝，利用PM60型平模製粒機加工鋸末、鋸末秸稈混合料等生物質燃料顆粒，成型率（lǜ）在（zài）93%以上，噸電耗在55千瓦時以下，小時生產能力在800kg-900kg左右。從試驗結果和理論分析來看，平模製粒機是加工生物（wù）質顆粒燃料的理想（xiǎng）機型。