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1、摘 要生物质能源是唯一可再生、可替代化石能源转化成气态、液态和固态燃料以及其它化工原料或者产品的碳资源。随着化石能源的枯竭和人类对全球性环境问题的关注，生物质能源替代化石能源利用的研究和开发，已成为国内外众多学者研究和关注的热点。生物质固体成型燃料技术是生物质能开发利用技术的主要发展方向之一，本文论述了生物质压缩成型技术在国内外的发展历史及研究现状，并比较了各生物质压缩成型设备的优缺点。在对平模制粒机的模辊受力情况分析基础之上，利用简化力学模型计算了平模制粒机设计的主要技术参数，如挤压力、主轴扭矩和功率、生产能力等，从而为平模制粒机的设计提供了科学的参考依据。在此基础之上，设计了用于生产秸秆成
2、型压块的平模制粒机。关键词： 生物质压缩成型 力学模型 平模制粒机 Analysis and Design of Flat Die Pellet Mill for Straw ShapingAbstractBiomass is the only renewable carbon resource, which can substitute fossil energy and be transformed into gaseous, liquid and solid fuel and other chemical materials or products. With the decreasin
3、g of fossil resource and more attention paid to global environmental problems, research and development of biomass energy have become the focus of research by scholars from home and abroad.Shaped biomass-derived solid fuel technology is the main developing direction of biomass developing technology.
4、 The developing history and current research status of biomass compressive shaping technology was described in this thesis and all kinds of equipment for biomass formation were also compared. On the basis of analysis on forces exerted on flat die and rollers, main technical parameters of flat die pe
5、llet mill were calculated by applying simplified force model, such as extruding force, torque and power of main shaft, producing capacity, which can provide reference reasons for the design of flat die pellet mill.On such basis, a flat die pellet mill for producing flaw formation fuel was designed.K
6、ey words：Biomass compressive formation force model flat die pellet mill 目录摘要I1 前言11.1 本研究的目的与意义11.2 国内外研究文献综述12.1 螺旋挤压式成型机52.2 活塞冲压式成型机52.3 压辊式颗粒成型机62.4生物质压缩成型设备性能比较73平模制粒机工作过程及原理83.1 平模制粒机的工作过程83.2 模辊制粒作用的运动学分析83.3 模辊制粒作用的力学分析94制粒作用的简化力学模型114.1 简化力学分析114.2 辊轮作用力计算115平模制粒机设计145.1 平模制粒机主要技术参数计算145.2
7、传动装置设计155.3碾压装置的设计206结论及后续研究展望22参考文献24致谢251 前言1.1 本研究的目的与意义在农业和林业生产过程中，会产生大量的剩余物。例如，残留在农田内的农作物秸秆，农副产品加工后剩余的稻壳、 玉米芯和花生壳等， 林业生产过程中残留的树枝、 树叶、木屑和木材加工的边角料等。上述农林业生物质资源通常松散地分布在大面积范围内，堆积密度比较低，给收集、运输、储藏和应用带来了一定的困难。由此，人们提出了生物质固体成型燃料技术，即在一定温度和压力作用下，利用木质素充当粘合剂，将松散的秸秆、树枝和木屑等农林生物质压缩成棒状、块状或颗粒状的成型燃料。压缩后的成型燃料能源密度相当于
8、中质烟煤，提高了运输和贮存能力；燃烧特性明显得到改善，提高了利用效率。生物质固体成型燃料技术是生物质能开发利用技术的主要发展方向之一，不仅可以为家庭提供炊事、取暖用能，也可以作为工业锅炉和电厂的燃料，替代煤、天然气、燃料油等化石能源，近年来日益受到人们的广泛关注。我国生物质能资源非常丰富，但是，作为一种散抛型低容重的能源存在形式，生物质能源具有资源分散、能量密度低、容重小、储运不方便等缺点，严重制约了生物质能的大规模应用。所以生物质高品位转换技术的研究便成为人们开发利用生物质能的重点。 而近年来对生物质压缩成型技术的改进创新发展，为高效利用农林废弃物、农作物秸秆等重新提供了一条途径。1.2 国
9、内外研究文献综述1.2.1生物质压缩成型技术的发展历史及研究现状生物质压缩成型技术的研究始于20 世纪初，到目前为止，世界上各个国家研究的重点还是集中在生物质压缩成型燃料的制造技术和相应燃烧设备的开发上。1.2.1.1 国外发展历史及研究现状早在20世纪30 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 1976 年，开发出了生物质颗粒燃烧设备。日本于20世纪50年代引进成型技术后进行了改进，发展成了日本压缩成型燃料的工业体系，研制出了棒状燃料成型机及相关的燃烧设备。20 世纪70 年代后期，由于出现世界能源危机，石油价格上涨，西欧许多国家如芬兰、比利时、法国、德国、意大利等也
10、开始重视压缩成型燃料技术的研究。当前，日本、美国及欧洲一些国家生物质成型燃料燃烧设备已经定型，形成了产业化，在加热、供暖、干燥、发电等领域已经普遍推广应用。亚洲除日本外，泰国、印度、菲律宾等从 20世纪80年代开始也都先后研制成了加粘结剂和不加粘结剂的生物质压缩成型机。1.2.1.2 国内发展历史及研究现状我国从20世纪80年代引进并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”期间开展了对生物质压缩成型机的研制及对生物质成型理论的研究；湖南省衡阳市粮食机械厂于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
11、机；1990年前后，陕西省武功县轻工机械厂， 河南工艺包装设备厂等单位先后研制和生产了几种不同规模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。目前我国成型机的生产和应用已形成了一定的规模，热点主要集中在螺旋挤压成型机上，但是，仍然存在着诸如成型筒及螺旋轴磨损严重、寿命较短电耗大等问题，因此有待于进一步深入研究。1.2.2生物质压缩成型原理植物质原料中含有纤维素、半纤维素、木素、树脂和蜡等物质。一般在阔叶木、针叶
12、木中，木素含量为2732%(绝干原料)、禾草类中含量为1425%。现在知道木质素是具有芳香族特性的结构，单体为苯基丙烷型的立体结构高分子化合物，不同种类的植物质都含有木质素，而其组成、结构不完全一样。在常温下木质素主要部分不溶于有机溶剂，它属于非晶体，没有熔点但有软化点，当温度为70110时软化具有粘性。当温度到达200300时成熔融状，粘性高，此时加以一定的压力使植物质各部分粘结在模具内成型。对植物质原料加热软化，也利于减少成型的挤压力。燃料可按用户要求，使用不同规格的模具，制成多种规格尺寸的成型燃料品。因此现代的压缩成型设备，尤其是生物质成型块较大的机械，多在成型模的末端，用电阻丝加热，达
13、到既成型又减少阻力的目的。由于植物生理方面的原因，生物质原料的结构通常都比较疏松，密度较小。这些质地松散的生物质原料在受到一定的外部压力后，原料颗粒先后经历重新排列位置关系、颗粒机械变形和塑性流变等阶段。体积大幅度减小，密度显著增大。由于非弹性或粘弹性的纤维分子之间的相互缠绕和绞合，在去除外部压力后，一般不能再恢复原来的结构形状。对于木质素等粘弹性组分含量较高的原料，如果在成型温度达到木质素的软化点，则木质素就会发生塑性变形，从而将原料纤维紧密地粘结在一起，并维持既定的形状，成型燃料块经冷却降温后，强度增大，即可得到燃烧性能类似于木材的生物质成型燃烧块；对于木质素含量较低的原料，在压缩成型过程
14、中，加入少量的诸如粘土、淀粉、废纸浆等无机、有机和纤维类粘结剂，也可以使压缩后的成型块维持致密的结构和既定的形状。因为这些粘结剂加入后，生物质粒子表面会形成一种吸附层，使颗粒之间产生一种引力(即范德瓦尔斯力)，同时在较小外力作用下粒子之间也可产生静电引力(Electrostatic forces)致使生物质粒子间形成连锁(Interlocking)结构。被粉碎了生物质粒子在外压力和粘结剂作用下，重新组合成具有一定形状的生物质成型块，这种成型方法需要的压力比较小。对于某些容易成型的材料则不必加热，也不必加粘结剂，但在粉碎颗粒需要细小，结构成型压力需要大，滚筒挤压式小颗粒成型实际就是这种类型。1.
15、2.3 生物质压缩成型工艺生物质压缩成型在加工方式上可分为冷压成型与热压成型，干态成型与湿压成型， 以及加粘结剂或不加粘结剂。根据主要工艺特征的差别，可将这些工艺从广义上分为常温湿压成型、热压成型和碳化成型和冷压态成型。（1） 常温湿压成型工艺常温湿压成型工艺常用于含水量较高的原料。纤维类原料经一定程度的腐化后，会损失一定能量，但是其挤压、加压性能会有明显改善。纤维类原料在常温下，浸泡数日水解处理后，其压缩成型特性明显改善，纤维变得柔软、湿润皱裂并部分降解，易于压缩成型。利用简单的模具，将部分降解后的农林废弃物中的水分挤出，即可形成低密度的压缩成型燃料块。这一技术在泰国、菲律宾等国得到一定程度
16、的发展，所生产的成型燃料块平均热值约23KJ/kg，被当地称为“绿色碳”，在燃料市场上具有一定的竞争能力。常温湿压成型一般设备比较简单，容易操作，但是成型部件磨损较快，烘干费用高， 多数产品燃烧性能较差。（2） 热压成型工艺热压成型工艺是目前普遍采用的生物质压缩成型工艺。其工艺流程为：原料粉碎干燥混合挤压成型冷却包装。热压成型技术发展到今天，已有各种各样的成型工艺问世，总的看来可以根据原料被加热的部位不同，将其划分为两类：一类是原料只在成型部位被加热，称为“非预热热压成型工艺”；另一类是原料在进入压缩机构之前和在成型部位被分别加热，称为“预热热压成型工艺”。两种工艺的不同之处在于预热热压成型工
17、艺在原料进入成型机之前对其进行了预热处理，这样降低了成型所需压力，从而大幅度提高了成型部件的使用寿命，显著降低了单位能耗。（3）炭化成型工艺根据工艺流程不同，炭化成型工艺又可分为两类，一类是先成型后炭化；一类是先炭化后成型。1先成型后炭化工艺工艺流程为：原料粉碎干燥成型炭化冷却包装。先用压缩成型机将松散碎细的植物废料压缩成具有一定密度和形状的燃料棒，然后，用炭化炉将燃料棒炭化成木炭。2先炭化后成型工艺工艺流程为：原料粉碎除杂炭化混合粘结剂挤压成型成品干燥， 包装。先将生物质原料炭化成粉粒状木炭，然后再添加一定量的粘结剂，用压缩成型机挤压成一定规格和形状的成品木炭。由于原料纤维结构在碳化过程中受
18、到破坏，高分子组份受热裂解转换成炭并释放出挥发份，使其挤压成型特性得到改善，成型部件的机械磨损和挤压过程中的能量消耗降低。 但是，炭化后的原料在挤压成型后维持既定形状的能力较差，贮运和使用时容易开裂和破碎，所以压缩成型时一般要加入一定量的粘结剂。 如果在成型过程中不使用粘结剂，要保证成型块的贮存和使用性能， 则需要较高的成型压力，这将明显提高成型机的造价。（4） 冷压成型工艺生物质冷压成型工艺即在常温下将生物质颗粒高压挤压成型的过程。其粘接力主要是靠挤压过程所产生的热量，使得生物质中木质素产生塑化粘接。冷压成型工艺一般需要很大的成型压力，为了降低成型压力，可在成型过程中加入一定的粘结剂。如果粘
19、结剂选择不合理，会对成型燃料的特性有所影响，因此在冷压成型工艺中，粘结剂的选择是致关重要的。2 生物质压缩成型设备目前，国内外最常见的成型设备是螺旋挤压式成型机、活塞冲压式成型机和压辊式颗粒成型机。2.1 螺旋挤压式成型机螺旋挤压式成型机利用螺杆挤压生物质，靠外部加热，维持成型温度150300使木质素、纤维素等软化，挤压成生物质压块。为避免成型过程中原料水份的快速汽化造成成型块的开裂和“放炮”现象发生，一般将原料的含水率控制在812%之间， 成型压力的大小随原料和所要求成型块密度的不同而异，一般在490012740Pa 之间， 成型燃料形状通常为直径5060mm的空心燃料棒。螺旋挤压式成型机开
20、发应用最早，当前应用最为普遍。这类成型机运行平稳、生产连续性好，主要问题是螺杆磨损严重、使用寿命短以及单位产品能耗高。为了解决螺杆首端承磨面磨损严重这一问题，现在大多采用喷焊钨钴合金，焊条堆焊618或碳化钨， 或是采用局部渗硼处理和振动堆焊等方法对螺杆成型部位进行强化处理。如图2-1所示。图2-1 螺旋挤压式成型机结构示意图2.2 活塞冲压式成型机活塞冲压式成型机的成型是靠活塞的往复运动实现的。按驱动力不同分为机械式和液压式两种。机械式冲压成型机是利用飞轮储存的能量. 通过曲柄连杆机构，带动冲压活塞，将松散的生物质冲压成生物质压块。液压式冲压成型机是利用液压油缸所提供的压力，带动冲压活塞使生物
21、质冲压成型。冲压式成型机通常用于生产实心燃料棒或燃料块，所得的产品是压缩块其密度介于0.81.1之间。其中液压式冲压成型机对原料的含水率要求不高，允许原料含水率高达20%左右。活塞冲压式成型机通常不用电加热，成型物密度稍低，容易松散，与螺旋挤压式成型机相比，明显改善了成型部件磨损严重的问题，但由于存在较大的振动负荷，所以机器运行稳定性差，噪音较大，润滑油污染也较严重。如图2-2 所示。图2-2 活塞挤压式成型机部件结构示意图2.3 压辊式颗粒成型机压辊式成型机的基本工作部件由压辊和压模组成。其中压辊可以绕自己的轴转动。 压辊的外周加工有齿或槽，用于压紧原料而不致打滑。压模有圆盘或圆环形两种，压
22、模上加工有成型孔，原料进入压辊和压模之间，在压辊的作用下被压入成型孔内。从成型孔内压出的原料就变成圆柱形或棱柱形，最后用切断刀切成颗粒状成型燃料。用压辊式成型机生产颗粒成型燃料一般不需要外部加热，可根据原料状况添加少量粘结剂，对原料的含水率要求较宽，一般在1040%以下均能很好成型，颗粒成型燃料的密度为1.01.4。压辊式成型机主要用于大型木材加工厂木屑加工或造纸厂秸秆碎屑的加工。图2-3 环模挤压成型机结构示意图2.4生物质压缩成型设备性能比较技术 类型原料要求发展现状主要优缺点发展趋势环模压辊成型要求原料含水率1520%，粒度小于10mm。在成型物料行业已经商业化阶段，成型燃料处于半商业化
23、阶段。生产能力较高，产品质量好；模具易损、堵塞，维修成本较高。降低成本， 实现商业化平模压辊成型要求原料含水率1520%，粒度小于10mm。技术比较成熟，进入商业化发展阶段。设备简单，制造成本较低；生产能力较低。适宜小规模生产对辊挤压成型要求原料含水率1035%，粒度小于10mm。技术处于研发阶段。对原料的适应性强，能耗、机器损耗较低；生产能力较低。提高生产能力，适宜中小规模生产机械活塞成型要求原料含水率在20%以内，粒度小于40mm。技术处于半商业化、商业化阶段。能耗较低，产品耐储存、密度大；设备稳定性差、振动大，有润滑污染问题。配套锅炉， 适宜规模化发展。液压活塞成型要求原料含水率在12%
24、以内，度小于40mm。技术处于商业化阶段成型设备部件工作方式改变，寿命提高，能耗下降，较之机械活塞运行平稳； 生产能力较低，易发生“ 放炮” 现象，产品易开裂。提高生产能力，增强对原料湿度的适应性，适宜规模化发展。螺旋热压成型要求原料含水率在8%12%内，粒度小于40mm。技术进入半商业化、商业化阶段。产品耐储存、密度高，可加工成各种形状；套筒易磨损，维修成本较高， 对原料适度要求严，易发生“放炮” 现象。适宜中小规模生产3 平模制粒机工作过程及原理3.1 平模制粒机的工作过程立式平模挤压制粒机的制粒是在辊轮下的模板孔中完成。辊轮安装在十字辊轮架上，辊轮架与主轴用花键联接，多孔模板处在辊轮下面
25、，并与辊轮底边有一间隙，当主轴旋转时带动辊轮架转动，当模板上布了一层物料时，靠辊轮圆周面与物料面的摩擦，使辊轮转动起来，即辊轮架公转，辊轮自转，模板上一层料随辊轮自转而被碾压入模板小孔中，料不断布在模板上，辊轮一次次碾压过，圆柱状条料从模板下面挤出，由旋转割刀切成短柱状领粒，落到转动的出料盘上，依靠离心力从切线方向甩出，经熟化包装。平模制粒机主电机经V带轮一级减速后，再经圆锥齿轮进行二级减速，并转变为垂直方向的主轴转动，带动辊轮架、辊轮及其它部件旋转，完成挤压制粒的工作。3.2 模辊制粒作用的运动学分析平模制粒机工作过程中模辊运动情况如图3-1所示，压辊与压模作相向运动。压辊作平面运动，在随同
26、压辊轴作圆周运动的同时绕轴自转，压模作绕轴转动。散状物料在压辊和压模跳作用下 ，经过压缩进入模孔，压实后成柱状挤出，由切刀切割成圆柱形颗粒。在制粒过程中，压模的转速为，压辊的转速为。压辊相对于压模的运动，不仅有滚动，亦有滑动，其滚动方式和速度的大小随着物料压实均匀度的变化和着力点的不同而变化。图3-1 平模制粒机模辊运动分析图当沿压辊轴向作用半径处为压实着力点时，沿压辊轴向作用半径R处辊模间的相对滑动速度V为 当时，V值为零，压辊处于纯滚动状态。当时，V为正值，压辊以处的转动速度转动，压辊相对于压模转动线速度小于纯滚动所要求的速度，压辊相对于压模做一部分无转动的平移滑动，以补偿转动线速度不足。
27、其速度V值的大小，随着R的增加而增加，在处达到最大值，即在压模最外圈辊模间的于移滑动速度最大。当时，V为负值，压辊同样以处的转动速度转动 ，压辊相对于压模的转动线速度大于纯滚动所要求的速度 ，压辊相于压模作做一部分无行程空转滑动，以减消转动线速度的超出部分。其速度V绝对值的大小，随着R的减小而增加，在处达到最大值，即在压模最内圈辊模间的空转滑动速度最大。3.3 模辊制粒作用的力学分析平模制粒机的制粒理论研究表明，松散粉状物料压制成硬颗粒物料的过程，是一个热力学粘附和微粒间引力通过施加外界压力使粉状微粒变形、粘合、密结的过程，最后形成保持一定密度和硬度的硬颗粒。其制粒质量除取决于粉状物料的组成和
28、物化状态外，主要还取决于制粒过程中辊模间的作用力。图3-2为平模制粒机压辊任一截面处，制粒过程模辊作用受力示意图。在颗粒压制过程中，松散的粉状物料从A点进入模辊挤压空间，并随着压辊的转动，被挤紧压实，压力和密度逐渐增加，在压力克服了模孔与物料的间的摩擦力时，从模孔中挤压出来，C点完成整个压制过程。 图3-2模辊作用受力示意图如图3-2所示，平模制粒机颗粒压制过程中，压辊轴向任一截面处，作用于压辊上的力有轴心O 处主动力的水平分力P和垂直分力Q在压辊喂料角范围内的AC弧上，分布着单位长度上为N的径向反力和单位长度为F的切向摩擦反力。作用于被压制物料上的力有：在弧上分布着和N、F大小相等方向相反的
29、作用力和，在物料与压模接触线CD上，分布着单位长度上为T的接触反力和单位长度上为S的摩擦反力。其中单位长度上的反力N、F、S和T随着作用角的变化而变化其大小是作用角的函数，即，图3-2中所示作用力N和F是任一作用角为，压辊上B点处单位长度上的作用力，压辊整个圆弧AC上的作用力在水平方向的分力和垂直方向的分力应为：在模辊作用制粒过程中，压辊轴向任一截面，任一瞬时，各个作用力平衡关系式为：被压制物料上的各作用力平衡关系式为：上述各式是压辊和物料在模辊作用过程中各作用力临界平衡关系式，随着截面运动状态的改变，各作用力的大小和平衡关系将产生变化，从而引起模辊制粒工况的变化。4 制粒作用的简化力学模型4
30、.1 简化力学分析如图3-2所示辊轮与物料接触段弧长的圆心角为。由图可见，辊轮周向上各点对物料的压力是不同的，辊轮最低点，即=0处，压力最大，随着的增大，压力逐渐减小，当=时，压力降为零。假设辊轮宽度方向压力无变化，取单位宽度的辊轮进行分析。辊轮与物料的接触部位作用着两个力。（1）物料对辊轮的压力N，沿辊轮径向；（2）物料与辊轮之间的摩擦力F，沿辊轮切向 （1）式中为辊轮与物料之间的摩擦系数。当=0时，压力和摩擦力达到最大值， （2）式中为最大挤压应力，应能满足挤出物料并使颗粒达到强度要求。当时，压力和摩擦力为最小值， （3）考虑到与物料压缩量的关系和物料压缩量与挤压力之间的关系，为简化计算，
31、在攫取角度0与之间时，假设压力沿成线性分布，即 （4）4.2 辊轮作用力计算4.2.1 压力N在水平和垂直方向之合力建立X、Y直角坐标系，X方向为水平方向，Y方向为垂直方向。N在水平和垂直方向的投影为： （5）辊轮和物料的整个接触区域内，N在水平和垂直方向之合力为 （6）4.2.2 摩擦力F在水平和垂直方向的合力F在水平和垂直方向的投影分别为 （7）在辊轮和物料的整个接触区域内，F在水平和垂直方向的合力为 （8）式中R为辊轮半径。4.2.3 挤压力和主轴功率的计算前面分析了单位宽度的辊轮受力情况，考虑辊轮宽度和个数，所有辊轮的N、F在水平方向、垂直方向的合力分别为 （9）式中W为辊轮宽度。将（
32、6）、（8）式代入上式得 （10）垂直合力是辊轮对物料的总挤压力，水平合力对主轴产生扭矩，由此可推算出主轴功率，即制粒所消耗的功率。主轴扭矩为 （11）式中L为主轴轴心至合力作用点距离，即辊轮的公转半径。主轴功率为 （12）式中T为功率，单位kwM为主轴扭矩，单位Nm为主轴转速，单位rpm。5 平模制粒机设计5.1 平模制粒机主要技术参数计算5.1.1 挤压力计算为计算挤压力和主轴扭矩，初步确定如下设计参数：辊轮直径R=185mm，宽度W=31mm，辊轮公转半径L=206mm ，间隙H=0.15mm。根据浙江工业大学高增梁教授对平模制粒机制粒力学模型的研究，取=45MPa，=0.2根据公式（1
33、0）得到： 5.1.2 主轴扭矩和功率计算根据公式（11）得主轴扭矩根据公式（12）主轴功率5.1.3 生产能力确定模板上有效布料面积是辊轮架旋转时，辊轮所压过的面积，该面积是一圆环，大小为： (13)式中L为辊轮的公转半径，即主轴轴心至辊轮面中线的径向距离 W为辊轮宽度。假如只有一个辊轮压过模板上高度为的料层，并全部挤入孔中，主轴转一圈，压入孔中的物料质量为： (14)式中S为模板上有效布料面积 为物料层高度 为物料的密度。该平模制粒机具有2个辊轮，则每小时压入孔中的物料重量为： (15)5.2 传动装置设计5.2.1 电动机的选择和传动比分配经过分析可知，电动机所输出的能量大部分供给了主轴
34、旋转所需的能量，另一小部分能量供给辊轮对物料的挤压以及与物料之间的摩擦，由前面的计算得出，主轴功率为，因此选用三相笼型异步电动机，型号为，电压380V，功率为30kw，转速为980。初步设计的主轴转速为89，因此总传动比，采用两级减速传动。由于模板与辊轮板与辊轮间隙很小，一旦有硬物如螺钉、铁块等掉到模板上，辊轮碾压过，会产生很大挤压力和扭矩，致使电机过载，使模板辊轮表面破坏。因此第一级选用V带减速传动，用V带打滑来缓冲过大的载荷冲击。传动比。因为电动机为水平布置，而主轴为竖直方向，所以第二级采用圆锥齿轮减速传动，传动比。5.2.2 第一级减速传动（1）确定计算功率=P式中：P传递的额定功率（即
35、电动机的额定功率），单位kw工作情况系数根据工况条件，选择所以，（2）选择带型根据计算功率和小带轮的转速，选择普通V带C型（3）确定带轮基准直径和根据V带类型和最小基准直径，选取=120mm验算V带的速度，V=12.82m/s，符合要求从动轮基准直径根据V带轮的基准直径系列表，确定基准直径如下：，（4）确定中心距a和带的基准长度由，确定根据带的基准长度计算公式从而选取V带基准长度再根据来计算实际中心距（5）验算主动轮上的包角，满足要求（6）确定带的根数z考虑包角不同的影响系数，简称包角系数考虑带的长度不同时的影响系数，简称长度系数，单根V带的基本额定功率计入传动比的影响时，单根V带额定功率的增
36、量（7）确定带的预紧力计算功率考虑带的长度不同时的影响系数，简称长度系数，z带的根数v带的速度（8）计算带传动作用在轴上的力（简称压轴力）Q式中：z带的根数单根带的预紧力主动轮上的包角。图5-1 大带轮5.2.3 圆锥齿轮传动（1）选择材料及精度等级选用硬齿面齿轮传动，小齿轮用渗碳淬火，。大齿轮用表面淬火，选用8级精度，要求齿面粗糙度 式中为试验齿轮的接触疲劳极限应力（），为接触疲劳强度寿命系数，为接触疲劳强度最小安全系数。通过计算得（2）按齿面接触疲劳强度设计，根据公式式中K为载荷系数，为小齿轮的转矩（），u为齿数比，为材料的弹性系数，为齿宽系数，为许用接触应力。计算得（3）大齿轮齿数式中：
37、为传动比为大齿轮的分度圆直径当两齿轮的齿面硬度HBS都小于350时，c=18；所以，取，则，取齿数比 与设计要求的传动比误差为2.6%，可用。（2）模数大端模数取标准模数（3）大端分度圆直径（4）节锥顶距（5）节圆锥角（6）大端齿顶圆直径小齿轮大齿轮（7）齿宽（8）按照齿根弯曲疲劳强度校核 式中为试验齿轮的弯曲疲劳极限应力（），为弯曲疲劳强度寿命系数，为弯曲疲劳强度最小安全系数。通过计算得根据齿根弯曲疲劳强度校核公式 计算得，因此安全可用。5.3碾压装置的设计5.3.1平模的设计平模直径为502mm，厚度为70mm，在平模上开有32个模孔，模孔的孔径为32mm，为防止秸秆压块的开裂，在模孔的上
38、表面开有角度为的锥度。图5-2 平模5.3.2压辊的设计压辊的直径为185mm，因为平模上孔径为32mm，为减小摩擦力，将与平模接触部分的压辊宽度设计为31mm，辊轮腹宽度为70mm。为增强压辊对物料的碾压，将辊轮设计为带齿槽的圆柱体，在压辊的圆周表面上拉有与轴线平行的条形齿，条形齿个数为29个，每个条形齿的宽度为13mm，深度为10mm，相邻齿之间的距离为7mm。图5-3 压辊5.3.3碾压装置装配图图5-4 装配图6 结论及后续研究展望（1）本文论述了生物质压缩成型技术在国内外的研究进展情况，并比较了各种生物质压缩成型设备的性能。同时，利用平模制粒机的简化力学模型对设备的主要技术参数进行了
39、计算，这些性能参数有挤压力、主轴功率、生产能力等。根据主轴功率的大小，选择了合适的电动机，并选择了V带传动和圆锥齿轮传动的两级减速传动方法，并确定了V带和圆锥齿轮的参数，并对压辊和平模的外形尺寸进行了设计。（2）对压辊设计改进的探讨根据3.2节模辊制粒作用的运动学分析，我们知道压辊相对于压模的运动，不仅有滚动，亦有滑动，沿压辊轴向作用半径处为压实着力点时，沿压辊轴向作用半径R处辊模间的相对滑动速度V为 在时，压辊与平模的相对滑动速度为0，即在压辊上存在一条纯滚动的圆周线。在这条纯滚动线的内侧，压辊相对于压模的转动线速度大于纯滚动所要求的速度 ，压辊相于压模作做一部分无行程空转滑动，以减消转动线
40、速度的超出部分；在纯滚动线的外侧，压辊相对于压模转动线速度小于纯滚动所要求的速度，压辊相对于压模做一部分无转动的平移滑动，以补偿转动线速度不足。在压辊与平模接触的内外两端点A，B处，压辊与平模的线速度之差达到最大值，此处压辊滑移和滑转程度也最厉害。在端点A，B处模板的线速度分别为： （16） （17）对压辊而言，对模板而言，为了消除压辊与压模之间的线速度差，由可得， （18）假定A，B间某点O处，模板和压辊的线速度一致，则有， （19）因为，得 （20）式中为平模转速；为辊轮自传转速；，为设计时的初选参数。则要使压辊在轴向范围内保持纯滚动，根据式（18）可得辊轮内外侧尺寸分别为： （21） （
41、22） (23) 式中为辊轮内侧圆周半径；为辊轮外侧圆周半径；W为辊轮宽度；为辊轮锥度角。图6-1 锥辊平模制粒机装配图参考文献1 刘圣勇， 陈开碇， 张百良国内外生物质成型燃料及燃烧设备研究与开发现状J 可再生能源，2002，104 (4)2袁振宏，吴创之，马隆龙等编著生物质能利用原理与技术M北京： 化学工业出版社，2004(4)3高增梁，方德明立式平模挤压造粒机的受力及操作参数分析J浙江工学院学报，1993（3）4高增梁，方德明，钟建立立式平模挤压造粒机的设计J 浙江工学院学报1996（3） 5吴创之，马隆龙主编生物质能现代化利用技术M北京：化学工业出版社，20026Miles T R，
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