生物质燃料成型机设计

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1、绪论11生物质燃料成型机械研究的意义生物质燃料成型机械研究的意义生物质是讨论能源时常用的一个术语，是指由光合作用而产生的各种有机体。生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中，生物质是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达21011t，含能量达31023J，因此每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能，相当于全世界每年耗能量的10倍。生物能是第四大能源，生物质遍布世界各地，其蕴藏量极大。世界上生物质资源数量庞

2、大，形式繁多，其中包括薪柴，农林作物，尤其是为了生产能源而种植的能源作物，农业和林业残剩物，食品加工和林产品加工的下脚料，城市固体废弃物，生活污水和水生植物等等（中国生物质资源主要是农业废弃物及农林产品加工业废弃物、薪柴、人畜粪便、城镇生活垃圾等四个方面）。 由于这里不能上传完整的毕业设计（完整的应包括毕业设计说明书、相关图纸CAD/PROE、中英文文献及翻译等），此文档也稍微删除了一部分内容（目录及某些关键内容）如需要其他资料的朋友，请加叩扣:2215891151 秸秆成型技术可将各类农作物秸秆原料经过粉碎和高压成型等环节，是原来分散的没有一定形状的原料压缩成具有一定形状的原料，根据瑞典的以

3、及欧盟的生物质颗粒分类标准，若以其中间分类值为例，则可以将生物质颗粒大致上描述为以下特性：生物质颗粒的直径一般为68毫米，长度为其直径的45倍，破碎率小于1.5%2.0%，干基含水量小于10%15%，灰分含量小于1.5%，硫含量和氯含量均小于0.07%，氮含量小于0.5%。若使用添加剂，则应为农林产物，并且应标明使用的种类和数量。欧盟标准对生物质颗粒的热值没有提出具体的数值，但要求销售商应予以标注。瑞典标准要求生物质颗粒的热值一般应在16.9 兆焦上。生物质燃料的热值符合使用要求，在一定程度上满足了燃料的需求。从能源发展的长远角度来看寻求一条可持续发展的能源道路，对促进国民经济发展和环境保护都

4、有重大意义，用压缩成型技术,一方面解决环境保护问题,另一方面又能生产代用燃料,近年来越来越受到人们的广泛重视。该技术以连续的工艺和工厂化的生产方式将低品位的生物质转化为高品位的易储存、易运输、能量密度高的生物质棒，块燃料和碳化棒块状燃料,可以使成型燃料的燃烧性能得到 明显改善,热利用效率显著提高,因此成为减少二氧化碳排放、支持农业生产、保护生态环境的有效措施。 12 本课题研究的现状分析1.2.1国外研究现状国外生物质燃料成型机械的研究早在上世纪 70年代,美国就开始研究压缩成型燃料技术,并研制了螺旋式成型机,在温度80350和压力100MPa,能把木屑和刨花压缩成固体成型燃料。它的密度是1-

5、1.2g/mm,含水率为10%-12%。日本于90年代从国外引进技术后进行了改进,并发展成了日本压缩成型燃料的工业体系。70年代后期,西欧许多国家如比利时、法国、德国等也开始重视压缩成型燃料技术的研究。法国开始时用秸秆的压缩粒作为奶牛饲料,近年来也开始研究压缩块燃料。德国研制的KAHI系列压粒机和压块机。亚洲除日本外,泰国、印度、菲律宾等国从90年代开始也都先后研制成了加粘结剂的生物质压缩成型机。图1- 1 压式成型原理图1.2.2国内发展现状我国从80年代起开始致力于生物 质压缩成型技术的研究。南京林化所在“七五”期间设立了对生物质压缩成型机及生物质成型理论研究课题 湖南省衡阳市粮食机械厂于

6、1985年研制了第一台ZT-63型生物质压缩成型机,江苏省连云港东海粮食机械厂于1986年引进 了一台OBM-88棒状燃料成型机1990年前后,陕西武功轻工机械厂,河南巩 义包装设备厂等单位先后研制和生产了几种不同规格的生物质成型机和碳化机组.1994年湖南农大,中国农机能源动力所分别研究出PB-1型、CYJ-35型机械冲压式成型机 1997年河南农业大学又研制出HPB-1型液压驱动活塞式成型机 2002年中南林学院也研制了相应设备。目前我国成型机生产和应用已形成了一定的的规模,热点主要集中在螺旋挤压成型机上,但存在着一些诸如成型筒及螺旋轴磨损严重、寿命较短、电耗大、成型工艺过于简单等缺点。我

7、国生物质固体成型技术的研究开发已有二十多年的历史，20世纪90年代主要集中在螺旋挤压成型机上，但存在着成型筒及螺旋轴磨损严重、寿命较短、电耗大、成型工艺过于简单等缺点，因此必须从技术上进一步加大研究力度、攻克难题,以利生物质压缩成型燃料技术的进一步推广应用。导致综合生产成本较高，发展停滞不前。进入2000年以来，生物质固体成型技术得到明显的进展，成型设备的生产和应用已初步形成了一定的规模。对课题所涉及的任务要求及实现预期目标的可行性分析开发生物质是将“木材加工废料、树木残枝、灌木、柴草、粮食经济作物的茎叶”进一步加工成为（利用生物质成型机）便于运输的其他工业的原料：统称可再加工分类成型的“生物

8、质燃料棒”或“秸秆压块”。 过将秸秆包括粮食经济作物的茎叶、木材加工废料、树木残枝、灌木、柴草粉碎，送入“成型器”中，在外力作用下，压缩成需要的形状，便于储存运输，供“家庭”气化炉、气化站、取暖炉、锅炉发电作燃料使用，同时还能够用于生产制造肥料、饲料、纤维密度板、隔墙板、植物地膜、餐饮具、包装材料、育苗钵、洒精、淀粉、栽培食用菌等。压缩的密度根据用途、设备造价等情况进行综合选择。 燃料压块的标准为（厘米）：1X10、2X10、1X20、2X20、5X20、5X40、5X80、5X15X21 通过对秸秆压块成型的主要技术、工艺设备、经济效益和社会效益的分析，确定了秸秆压块成型燃料在国内进行产业化

9、生产是可行的。秸秆压块成型燃料生产中的核心技术HPB-型液压式生物质成型机在工作原理的创新方面及配套技术和技术路线，显示了秸秆压块成型燃料的生产在技术上是可行的；每套秸秆压块成型燃料生产线具有显著的经济效益，不仅能节约大量的化石能源，又为2吨以下的燃煤锅炉提供了燃料，有广阔的应用情景；秸秆燃料块燃烧后烟气中CO、CO2、SO2、NOx等成分的排放均低于目前燃煤锅炉规定的排放标准，达到了国家的环保要求，生态环保效益明显。因此秸秆压块成型燃料的生产的在国内广大农村、城镇实行产业化是可行的。螺杆挤压式成型机工作原理:生物质成型机是指把能源密度低的作物秸秆、农林废弃物压缩制成能源密度高、质地坚硬的棒状

10、或颗粒状燃料，以便于储存和运输。成型燃料具有热值高、着火容易、含灰分低、热效率高、燃烧时清洁卫生等特点，广泛应用于工业、生活锅炉及民用燃料。螺杆挤压式生物质成型机的工作过程和工作原理口。是首先从喂料口将粉碎的物料喂人压缩室，当物料填满压缩室后，通过螺杆的旋转和挤压，在螺杆的推动下，使物料体积减少，实现成型压缩，成型燃料压缩后外径为61 mm，中孔L直径为15mm。螺杆挤压式成型机效果图如图1-1所示。图1-2成型机设计整体外观图1进料口2套筒3出料口4机架5螺杆6转动轮7机身8机架成型生物质颗粒受力分析及设计物料颗粒在输送过程中，物料的运动由于受旋转螺旋的影响，并非沿轴线作纯直线运动，而是在复

11、合运动中沿螺旋轴作空间运动。当螺旋面的升角在展开状态时，螺旋线可用一条斜直线表示，则旋转螺旋面作用于半径为r(离螺旋轴线的距离)处的物料颗粒A上的力为Pa，由于磨擦的原因，Pa的方 向与螺旋线的法线方向偏离了角，此力可分解为切向分力Pb和法向分力Pc，如图1-3所示。物料颗粒在合力的作用下，有圆周速度移Vb。和轴向速度Vc”。，其合成速度为Va。，图1-4表示了其速度的分解；转速一定，螺距S在某一范围内物料可以得到较好的轴向输送速度，螺距过大或者过小，都会影响物料的轴向速度。螺旋输送面上任一直径上物料的轴向运动速度是相等的。则可以得出，单位长度单位面积输送面的轴向负荷仅与单位长度单位面积上物料

12、量成正比。通过上述分析，在成型燃料生产过程中螺杆头部和成型套筒的收缩区是受力集中区，如图1.5所示，白色显示了受力强度情况。因此，往往是螺杆头部已经完全磨损，而螺杆后部(2倍“导程”之后的部分)仍然完好如初，本文通过将整体螺杆分拆为杆头和螺杆主体两部分、将成型套筒拆分为成型活套和保型套筒两部分，来提高两部分主体寿命。由于螺杆主体的应力不集中，使两者的寿命都显著增长。从而通过更换螺杆头和成型活套来达到降低生产磨损的目的，从而降低生物质成型燃料的生产成本。图1-3 物料颗粒受力分析 图1-4物料颗粒速度分析图1-5 螺旋挤压轴2主要部件的设计及计算21螺旋体的优化设计螺旋体的主要尺寸有：螺旋直径D

13、、螺旋轴直径d、螺距S、长度L、叶片厚度t(图5)。参照原成型机螺旋体的结构参数：L=450 mm，t=6 mm，D=61mm，d=30 mm，S=25 mm，若要保证螺旋体有足够的强度、刚度，同时还要保证有足够的输送量和消耗较小的动力，则螺旋体叶片直径D、叶片螺距Js、螺旋轴直径d、长度、叶片厚度t存在一个最佳组合问题。在此优化设计中，取L=450 mm，t=6mm，以D、d、S为本机需要确定的优化设计变量，即.图2-1螺旋体结构简图2-1螺旋体结构简图由于螺杆挤压式生物质成型机工作时，有时需要经常移动，故以螺旋体的质量为目标函数。G=（V1+V2）式中V1螺旋轴体积，m2V2-螺旋面体积，

14、m3XXXXXXXXXX.此处删除无数+N个字，完整设计请加扣扣:2215891151 （2-9） （2-10） （2-11） （2-12） （2-13）2.2螺旋体优化设计的数学模型及计算由约束条件建立数学模型是一个3维9个约束的小型优化问题，采用约束随机方法计算，用本程序在航域内取初始点,搜索初始步长： ，随机方向m=500，迭代精度Z=0.00001，经过计算，计算出最优解为：将最优点进行圆整处理后得：。计算出其质量。转速r=300r/min,功率N=9.06KW，最大挠度，而原始可行方向的目标函数值为5.25kg，说明优化后提高了使用价值。2.3 套筒数据的计算成型套锥角与锥长的大小直

15、接影响每次喂入秸秆前后的体积之比、成型压强及成型棒的密度。秸秆种类不同，所需的成型压强、成型套锥角和锥长也不相同。当成型套锥角一定时，增加成型套的锥长，或成型套锥长一定，增加成型套的锥角，成型后所得成型棒的密度都较大，所需的成型压强也较高，消耗能量也越多。生产指标中成型棒外径为61 mm，中孔直径为15mm，考虑到成型误差，保型筒内径设计为635mm；螺杆头部的锥度为14。螺杆头部和锥形套筒的间隙为，可计算锥形套筒锥度约为4.5。螺杆挤压物料的部分呈圆柱型，为防止转动过程中物料被反送，螺纹和套筒的间隙不宜过大，一般取，则物料输送部分套筒内径为67 mm。成型套筒分成了两个可以拆卸的部分，即锥形

16、套筒和保形套筒部分，有上述数据可知，锥型套筒(活套)内部大径为68mm，小径为58 mm，锥形套筒长度为100mm。当螺杆转动时，被挤压的秸秆原料进入保型筒内，需保型一段时间以便成型，然后被再次进入保型筒前部的秸秆依次推出成为捧状。保型时问或保型筒长度越长，保证成型所需的最低成型压强越小，能耗也较小。保型时间与保型筒长度和生产率有关，当保型时间一时，生产率越高，保型筒长度应适当加长。根据设计的保型时间和挤出速度，可计算出该保型套筒的长度为250 mm。3关键部位的校核3.1 螺旋轴螺距螺距不仅决定着螺旋升角还决定着在一定填充系数下物料运行的滑移面，所以螺距的大小直接影响着物料运送过程。最大螺距

17、应该满足下列两个条件：要考虑螺旋面与物料的摩擦系数以及速度各分量间的适当分布关系两个条件，来确定最合理的螺距尺寸。 物料颗粒在螺旋面轴向方向上的作用力为，为了使则必须满足条件。在最小半径处的螺旋升角是最大的，挤压方向的作用力最小。根据这个条件，最大的许用螺距值，由下式确定： 或 (3-1)若以（D-螺旋的外径）代入上式，得 另外，在确定最大许用螺距时，必须满足的第二个条件是建立在使物料颗粒具有最合理的速度各分量间的关系基础上的，即应使物料颗粒具有尽可能大的轴向输送速度，同时又使螺旋面上的各点轴向速度大于圆周速度。螺距的大小将影响速度各分量的分布，当螺距增加时，速度各分量的分布情况较好，但是会出

18、现圆周速度不恰当的分布情况，相反当螺距较小时，速度各分量的分布情况较好，但是轴向输送速度却较小。 于是，根据在螺旋圆周处的的条件，。 所以，s要满足，和.两个条件。物料的摩擦系数同物料在料槽里的运动取向、运动速度、物料的尺寸、湿度以及螺旋叶片材料及表面状态有关，成型物料的摩擦系数可查阅设计手册。 通常可按下式计算螺距：s=k.D 对于标准的螺杆挤压式生物质成型机，k值一般取0.81.当成型物料流动性较差时，k0.8；当水平布置，可取k值等于0.81.综上所诉，取螺距p=s=26mm。3.2压缩段螺杆的锥角设定根据以上计算，可知:公称直径;；中径mm；小径。再设定螺杆锥形挤压部分的水平长度为70

19、mm。设压缩段螺杆的锥角为，则有所以：本设计将压缩段螺杆与螺杆整体拆分为两个独立的部分。3.3螺旋升角五是指在中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。螺杆的螺旋升角五对物料流动性影响比较大，螺旋角越小，会提高加料段的成型输送能力，螺杆的单耗减小，生产率增大。但螺旋角并不是越小越好，因为螺旋角过小，物料在机筒中停留时间变长，物料的温度升高，达到一定程度后就会出现焦料的现象，使物料的流道堵塞。所以，螺旋角在保证产品质量前提下越小越好。由图3-1可知：图3-1 螺纹升角的计算得：3.4螺杆强度校核螺杆受轴向力F及转矩T的作用，危险截面上受压应力和扭转切应力。根据第四强度理论，螺杆危险

20、截面的强度校核公式为 (3-2)式中，为螺杆螺纹小径（mm）; 为螺杆材料的需用应力（mpa）；T为螺杆所受转矩（N.m） (3-3)（1） 查表得螺杆最小需用应力（2） 螺杆所受转矩（3）说明：1）因为成型机的螺杆受力最大的部分集中在螺杆头部，所以只需校核螺杆头部的螺纹和螺杆强度即可。2）设成型机的挤出速度为，根据设计的生产速率，由公式可计算如下： 求出4电机选择(1) 由上式计算可知，成型部件需要的最佳功率为9.06kw。转速为300r/min。最大扰度，根据以上工况要求，选择三相笼型异步电机，封闭式结构，电压为380v，Y型。（2） 选择电机的容量电机所需工作功率为 （4-1）图5-1整

21、体示意图由式（4-1） 或因此电机所需的工作功率为：由电机传至螺旋成型机够的传动总效率为 (4-2)式中：分别为带传动，轴承，齿轮传动，联轴器，成型机构的传动效率。取，（滚子轴承），（齿轮精度为8级），（联轴器），则传动总效率：所以 kw（3）确定电机的转速 已知螺杆转速为300r/min，取v带传动比i=24,以及圆柱齿轮减速器传动比i=26,则总传动比合理范围为i=424 ，故电机的转速可选范围为 在这一范围内的转速有750,1000,1500 其他的排出,综合考虑电动机传动装置的尺寸，重量，价格和带传动，减速器的传动比，选用Y160M-4电动机。表3-1 电动机的类型方案电动机型号额定功

22、率 同步转速满载转速电动机质量参考价格最大转矩1Y160M-4111500146012324002.2该电动机的主要外型和安装尺寸如下表62：表62电动机主要外形尺寸中心高H外形尺寸L（AC/2+AD）HD地脚安装尺寸AB地脚螺栓孔直径K轴伸尺寸DE装键部位尺寸FGD160600365315245210154211012455 带的选择和带轮的确定由选用的电机型号和输出转速，确定电机转速为1460r/min，输出转速设为600r/min（1） 求计算功率查表课本13-8得，故（2） 选用v带型号根据需要选用普通v带由，查图13-15确定选用B型V带（3） 求大小带轮基,准直径查表13-9，应不

23、小于125，现取，由式(13-9)得根据标准取（4） 验算带速v带速在525m/s范围内合适（5）求v带基准长度和中心距a 初选中心距a取750mm，符合由式得带长 对于D型带选用计算实际中心距(6) 验算小带轮包角 故选择合适(7)求v带根数z令 得传动比 =2.6查表可得单根普通v带i1时额定功率的增量由得 （）取四根带（8）求作用在带轮上的压力查表13-1得N （）作用在轴上的压力 （）（9）v带轮结构的设计带轮常用铸铁制造，有时也采用钢。铸铁带轮（HT150，HT200）允许最大圆周转速为25m/s. 小带轮采用实心轮，大轮采用幅板式，查阅设计手册可计算带轮的尺寸, 可得v带轮的轮缘宽

24、B，轮毂直径ds和轮毂长L的尺寸，以及V带两侧的夹角。6加热部分加热部分的改进意见主要从以下几个方面： 1)在试验进行过程中，由于成型机出料速度较快，加热不及时而造成成型阻力较大的情况时有发生，由于成型密度相对较小，并没有发生俗称的“放炮”现象，但是还是有大量的烟气放出。加热功率仍然需要提高。为此，我们现在正在进行采用成型废料和筛选出的大木块等为燃料的专用加热炉，来实现对成型套筒的加热的实验。这样可以保证加热功率，并降低加热耗电成本，而且解决成型阻力的问题。2)我们是处于实验阶段，由于条件限制，我们的电源接线柱是暴露在外的，有一定危险性，所以建议以后这部分应该作好绝缘工作，以免出现危险3)实验

25、过程中，由于机身震动较大，电源接线柱的压紧螺丝不能完全压紧，同时由于使用380V的高压，所以不时会在电源接线柱上冒出火花，所以改进时应该保证压紧螺丝完全压紧，保持接触。结论本论文主要是从一种生物质成型的新的方式来设计和研究成型机械的。众所周知，生物质成型有机械常温成型、热压成型、预热成型和成型炭化四种成型工艺。机械成型的原理也不同，有螺旋式的、液压式等不同的机械形式。通过我们的优化设计和相关试验，针对螺旋预热挤压式生物质成型机，我们得出了如下结论：1)虽然螺杆式成型机应用的最早，缺点也是显而易见的，但是其造价低的优势非常明显，在市场上的占有率是最高的。通过提高其螺杆和成型套筒的使用寿命，来提高

26、生产率，进一步降低其生产成本，将更加适合在原有生物质成型燃料生产厂家的推广应用。2)通过对成型生物质的受力及运动分析，得出了在一定的转速下螺距s在某一范围内物料可以得到较好的轴向输送速度；在此基础上，对成型机主要零件的设计参数进行优化，得出了使螺杆挤压式生物质成型机获得最佳的工作效率的螺距S的取值范围，以及在螺杆质量最小的目标条件下的螺杆的标称直径、螺杆轴直径、螺距s的最佳配合值，对后面的机械设计部分起到了指导的作用。3)根据优化结果和新的设计思路，在结构上有所创新：将原来整体式的螺杆拆分为可以拆卸的螺杆和螺杆活头两部分；将原来一体的套筒拆分为可以拆卸的成型活套和保型套筒两部分，从而大大延长了

27、螺杆和保型套筒的使用寿命，节约了生产成本。并重新设计了螺杆挤压式生物质成型机的各生产参数(包括螺杆挤压式生物质成型机的螺杆长度、螺距、齿高、螺杆长度、活头长度、成型活套长度和保型套筒长度等一系列工艺参数)。4)根据该成型机的生产能力和生物质炭的市场需求，对新型秸秆液压成型技术进行经济效益分析，得出使用该机型经济可行，可以使投资方迅速收回成本，并具有良好的经济效益。致 谢这次毕业设计终于完成了，大学四年也就接近尾声了，通过这次设计，我感慨很多。首先要感谢我的母校-塔里木大学，感谢母校给我们学习的平台，感谢各位老师对我的辛勤教育，教会我们学习和做人。有了这次毕业设计等于我将以前学到的各种知识又重新

28、学习了一遍，知道了学习的侧重点与学习心态的重要性。同时，我更应该感谢我的指导老师丁羽老师，有了丁老师的耐心指导，我才能顺利地完成了毕业设计。在此，我要深深地感谢丁羽老师，给予我的耐心的指导和帮助。因为我们平时不注意积累专业知识，对学过的知识掌握的也不够扎实，所以在整个设计的过程中，遇到甚多各种各样的困难，每次他都耐心的指导，帮我解决了一个个难题。这让我非常感动，体现了王老师对工作的高度责任心和对学生的深切关怀。在答辩前检查时，由于我的设计问题尤为突出，特别是图纸上的，王旭峰老师耐心为我指出图纸中的错误，不耐其烦的讲解，使我知道自己有好多不足。也让大家学习了制图中应该注意的地方。范修文老师也认真

29、地指出我的设计存在的问题，让我明白自己的不足和需要改进的方向。让我非常感动，在此也要谢谢两位老师。对于这次毕业设计，由于时间紧张和我所学知识有限的缘故，使这次毕业设计无法达到最完美的效果，其中肯定存在许多问题。但是，这次毕业设计启发了我的创造思维，提高了我的动手能力和实际观察能力，同时，也让我不得不把学过的理论知识又重新复习了一遍。这都是平时我肯定没有机会去实现的工作，这次设计让我感慨颇多，也收获颇多。通过这次设计，为我以后的学习和工作都敲响了警钟，也为我以后的学习和工作建立了正确的方法和方向。最后，再一次衷心的感谢母校能够给予我的这次机会，使我能将所学理论知识与实践相结合；再一次感谢指导我的

30、所有老师和教授我知识的所有老师，你们传授的知识使我受用一生，你们的恩情我会铭记一生。参考文献1刘宇刚关于利用生物质能技术的思考J佳木斯大学学报(自然科学版)，2005，23(3)：443,-4452徐绍峰中国能源状况与经济社会可持续发展分析中国农村水电及电气化信息网3王庆一可再生能源现状、前景与政策阴中国电力，2002，35(1)：68734张跃峰能源危机及其对策J经济师，2002，3：2462475张林鹤，王春香，王丽君21世纪清洁能源一生物质能J农机化研究，2005，4：896张百良，樊峰鸣，李保谦，张杰生物质成型燃料技术及产业化前景分析。河南农业大学学报，2005，39(1)：1111157杨军太，朱柏林，刘汉武6YK一65型压块机实验研究K农业工程学报，1996， 8.袁振宏,吴创之,马隆龙，等编著. 生物质能利用原理与技术M. 化学工业出版社，2005.9 张百良，王许涛，杨世关.秸秆成型燃料生产应用的关键问题探J.农业工程学报，2008,24(7).10 刘延春，等，生物质固化成型技术研究进展J. 世界林业研究，2008(4).11 刘圣勇，等，生物质致密成型燃料燃烧机理研究进展J. 安徽农业科学，2009(24).12 韩璞，李大中，刘晓伟.生物质气化发电燃气焦油脱除方法的探讨J. 可再生能源，2008(1).