平模顆粒機(jī)加工顆粒的工作特性分析
發(fā)布時間:2013-02-21 13:42:49 瀏覽量:2779 次
平模制粒機(jī)的工作過程與顆粒成型機(jī)理
1.電動機(jī) 2.傳動箱 3.主軸 4.喂料室5.壓輥
6.均料板 7.平模 8.切刀 9.掃料板 10.出料口
圖1 平模制粒機(jī)
Figure 1 Flat die pellet mill
按執(zhí)行部件的運(yùn)動狀態(tài)分，平模制粒機(jī)有動輥式、動模式、模輥雙動式三種，后兩種常見于小型平模制粒機(jī)，較大機(jī)型一般用動輥式。按磨輥的形狀分，又可以分為錐輥式和直輥式兩種。直輥動輥式平模制粒機(jī)工作原理如圖1所示：電動機(jī)通過減速箱驅(qū)動主軸，主軸帶動磨輥，磨輥繞主軸公轉(zhuǎn)的同時也繞磨輥軸自轉(zhuǎn)。加工顆粒時，生物質(zhì)原料被送入平模機(jī)的喂料室，在分料器和刮板的共同作用下均勻地鋪在平模上，主軸帶動的壓輥連續(xù)不斷地滾過料層，將物料擠壓進(jìn)入?？?，物料在?？字薪?jīng)歷成型、保型等過程，一定時間后以圓柱狀態(tài)被擠出，旋轉(zhuǎn)的切刀將物料切斷，形成顆粒，由掃料板將顆粒送出。
圖2 顆粒成型機(jī)理示意圖
Figure 2 The process of pelletization
生物質(zhì)原料主要含有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等物質(zhì)，其平模機(jī)模輥間的成型機(jī)理如下（見圖2）：供料區(qū)內(nèi)的物料在重力作用下緊貼在平模上，當(dāng)壓輥向前滾動，物料進(jìn)入變形壓緊區(qū)，這時因受到擠壓，原料粒子不斷進(jìn)入粒子間的空隙內(nèi)，間隙中的空氣被排出，粒子間的相互位置不斷更新，粒子間所有較大的空隙逐漸都被能進(jìn)入的粒子占據(jù)。隨著壓輥繼續(xù)滾動，被壓實的原料進(jìn)入擠壓成型區(qū)，部分楔形區(qū)、?？椎腻F孔部分和前半部分都屬于擠壓成型區(qū)，該區(qū)內(nèi)，壓力繼續(xù)增加，粒子本身發(fā)生變形和塑性流動，在垂直于最大主應(yīng)力的方向被延展，并繼續(xù)充填周圍較小的空隙，由于壓輥和物料間的摩擦作用加劇而產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致原料中含有的木質(zhì)素軟化，粘合力增加，軟化的木質(zhì)素和生物質(zhì)中固有的纖維素聯(lián)合作用，使生物質(zhì)逐漸成形塑料工業(yè)網(wǎng)，這時部分殘余應(yīng)力貯存于成型塊內(nèi)部，粒子結(jié)合牢固但不甚穩(wěn)定。成型塊在擠壓作用下進(jìn)入?？椎谋Ｐ投?，在該段不利于形狀保持的殘余應(yīng)力被消除，顆粒被定型。
工藝過程與試驗
平模機(jī)加工生物質(zhì)顆?；竟に囘^程如圖3所示，生物質(zhì)原料經(jīng)過破碎和粉碎后進(jìn)入干燥環(huán)節(jié)。水分合適的物料經(jīng)混合調(diào)質(zhì)后進(jìn)入平模機(jī)制粒。從制粒機(jī)出來的顆粒經(jīng)過冷卻和篩分，得到成品，然后包裝或者散裝出廠。
圖3 生物質(zhì)燃料制粒工藝
Figure 3 the manufacturing processes of biomass fuel pellets
生物質(zhì)制粒的基本工藝步驟大體類似，然而由于原料的物性不同、成型機(jī)的工作原理不同，具體的工藝過程還是有所區(qū)別，對平模機(jī)制粒的關(guān)鍵工藝步驟具體介紹如下：
粉碎環(huán)節(jié),平模機(jī)制粒時，原料粒徑越小，粒子之間越容易互相充填、嵌合，因此制粒機(jī)的單位產(chǎn)量平均能耗就越小，平模和壓輥等易損件的磨損速度也較慢，制成顆粒的抗?jié)B水性和硬度等指標(biāo)也越高，然而一味追求粒徑的減小會使粉碎環(huán)節(jié)的能耗驟升，因此應(yīng)當(dāng)在滿足平模制粒機(jī)加工要求的前提下，使粒徑盡量大些。事實上，能夠壓制大粒徑的原料是平模機(jī)的優(yōu)勢之一，一般對作物秸稈等原料，其最大顆粒外形尺寸要求小于2×2×30mm，而對于木質(zhì)原料，則要求更嚴(yán)格一些。
干燥環(huán)節(jié),干燥的主要目的是調(diào)節(jié)原料的含水率，使其穩(wěn)定均一，適合制粒機(jī)加工，在制粒成型過程中，合適的水分一方面能夠傳遞壓輥的壓力，另一方面能起到潤滑劑的作用，輔助粒子互相填充，從而促進(jìn)原料成型。但是含水率過大時，水分容易在顆粒之間形成隔離層，使得層間無法緊密結(jié)合，擠出的顆粒容易膨脹散開，不能成型，因此控制合適的原料含水率在加工過程中尤為重要。一般從自然界中收集的生物質(zhì)原料含水率大部分分布在20-40%之間，高的能達(dá)到55%，平模制粒機(jī)加工生物質(zhì)原料時，要求原料的水分在10-14%之間，當(dāng)加工玉米秸稈一類含糖較多的原料時含水量可允許稍高。常規(guī)的干燥工藝一般用帶式干燥器、滾筒干燥器、廂式干燥器等設(shè)備進(jìn)行，然而不得不承認(rèn)這一環(huán)節(jié)會耗費掉可觀的能量。筆者認(rèn)為，如今太陽能干燥技術(shù)已較為成熟，完全可以用太陽能溫室配備以翻拋設(shè)備對生物質(zhì)原料進(jìn)行除濕，一般生物質(zhì)原料的干燥，要求溫度水平較低，大約在40－70℃之間，這正好與太陽能利用領(lǐng)域中的低溫利用相適應(yīng)，與傳統(tǒng)干燥工藝相比，可以大量節(jié)省常規(guī)能源，降低固定投資，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
制粒環(huán)節(jié)，干燥好的物料進(jìn)入制粒環(huán)節(jié)，可以不用調(diào)質(zhì)處理，直接加工。有條件的生產(chǎn)廠家可選配自動控制系統(tǒng)和模輥自動調(diào)隙裝置。自動控制系統(tǒng)根據(jù)主機(jī)電流的變化調(diào)節(jié)喂料電機(jī)的變頻器，從而實時調(diào)節(jié)喂料量，這能有效的避免堵機(jī)現(xiàn)象的發(fā)生。模輥自動調(diào)隙裝置能采集模輥間隙數(shù)據(jù)，通過反饋、對比來控制液壓系統(tǒng)，使間隙與設(shè)定值相一致，并能在生產(chǎn)過程中隨時變化。一般而言，啟動階段，磨輥間隙應(yīng)當(dāng)盡量小些，這可以減小啟動力矩，降低電機(jī)負(fù)荷。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作后，磨輥間隙應(yīng)當(dāng)稍大，這可以增大壓縮行程，得到堅硬光滑的顆粒?？梢詫㈤g隙隨時間變化的設(shè)置輸入控制系統(tǒng)，啟動后，機(jī)器可以自動調(diào)節(jié)模輥間隙。壓輥和平模都是易磨損件，需要定期更換，壓輥的服役期可以稍長一點，但最好能夠和平模一起更換。一般，平?？梢怨ぷ?/span>800-2000小時不等，這要視零件的材質(zhì)和加工工藝而定。
利用以上工藝，2007年6月-8月，我們對中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院畜禽機(jī)械研究所研制的550型平模制粒機(jī)進(jìn)行了性能考核試驗。其中部分試驗數(shù)據(jù)如下：
表1 550型平模制粒機(jī)加工生物質(zhì)顆粒試驗數(shù)據(jù)
Table 1 Experimental data of 550 flat die pellet mill
|
原料 |
顆粒直徑(mm) |
生產(chǎn)率（kg/h） |
噸料電耗(kw·h/t) |
顆粒密度(kg/m3) |
成型率（%） |
|
紅松 |
10 |
916 |
49.1 |
1.21 |
93 |
|
白松 |
10 |
823 |
54.7 |
1.29 |
94.5 |
|
鋸末秸稈混合料 |
10 |
850 |
52.9 |
1.26 |
95.3 |
由試驗結(jié)果知，550型平模制粒機(jī)適合加工鋸末、鋸末秸稈混合料等生物質(zhì)原料，成型率在93%以上，噸電耗在55千瓦時以下，小時生產(chǎn)能力在800kg-900kg左右。
平模制粒機(jī)加工生物質(zhì)燃料顆粒的特性探討
在加工生物質(zhì)燃料顆粒的過程中，我們發(fā)現(xiàn)，平模制粒機(jī)的各工作部件表現(xiàn)出以下特性：
1 喂料特性
物料進(jìn)入平模機(jī)的第一個工位是喂料室，喂料室起到緩存物料和喂料的作用，完成物料向磨輥楔形攫取角的喂入。喂料室有兩個特點，一是喂料空間廣闊，為專門擠壓生物質(zhì)原料的大直徑壓輥提供了空間，也為蓬松的生物質(zhì)原料提供了喂料空間；二是靠重力作用直接喂料的原理高效實用。
像如鋸末、樹枝、樹杈粉碎料和秸稈粉末這一類生物質(zhì)原料,粗纖維含量高，質(zhì)輕而蓬松，不易喂入。寬敞的喂料室，首先能為物料提供廣闊的喂料空間。其次能允許配備大直徑壓輥，從而增大攫取角，增強(qiáng)對粗纖維物料的攫取能力。據(jù)測算，鋸末原料容重約為200kg/m3,孔隙率為75%左右，物料本身輕而蓬松，制成顆粒時壓縮比在6以上，這就對喂料空間提出了較高的要求。平模機(jī)具有寬敞的喂料室，以550平模機(jī)為例，其有效喂料容積約120dm3，單次喂料可達(dá)24kg，完全能滿足機(jī)器需求。
其次，物料喂入的過程是在重力作用下自然下落的過程。不需要強(qiáng)制喂入，原料便可直接落到適合擠壓的工位上。這種喂料方式明顯優(yōu)于環(huán)模制粒機(jī)，環(huán)模機(jī)工作時，對應(yīng)不同的物料都需要探索相應(yīng)的導(dǎo)料板參數(shù)，物料性質(zhì)稍有改變，導(dǎo)料板就得改變，這就限制了環(huán)模機(jī)對原料的適應(yīng)性。
2 平模特性
在動輥式平模制粒機(jī)中，平模被固定在機(jī)座上，物料從靜止的?？字袛D出，被切刀切斷后形成顆粒。而環(huán)模制粒機(jī)中，環(huán)模是旋轉(zhuǎn)的，旋轉(zhuǎn)的環(huán)模常常把顆粒甩在機(jī)殼上，部分顆粒被摔碎，成型率下降。因此平模制粒機(jī)中平模靜止的工作方式有利于顆粒成型率的提高。
作為制粒機(jī)的核心工作部件，平模的結(jié)構(gòu)參數(shù)是否合適直接決定了顆粒質(zhì)量的優(yōu)劣。加工不同的物料，應(yīng)當(dāng)配備不同的模板。模板的開孔面積，模孔尺寸，?？着挪挤绞降纫囟际菦Q定制粒性能的重要因素。?？组L徑比越小，產(chǎn)量越大，但是顆粒密度越小、質(zhì)量也越差。長徑比過大，則容易堵機(jī)。從實踐經(jīng)驗看，用同一種原料生產(chǎn)相同規(guī)格的產(chǎn)品，平模厚度要比環(huán)模的小許多。
與環(huán)模相比，平模的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡潔，體積緊湊，能正反使用，成本低廉。模板是易磨損件，需要定期更換，平模結(jié)構(gòu)的對稱性決定了模板雙面可用，一面磨損量過大后，可以將模板反裝，這大大提高了平模的使用壽命。易損件壽命的提高有助于降低生產(chǎn)成本。
3 壓輥特性
壓輥方面，平模機(jī)壓輥的特點是轉(zhuǎn)速較低、直徑大，與某些型號的環(huán)模機(jī)相比，其轉(zhuǎn)速甚至不到環(huán)模壓輥的一半，而較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(qiáng)的攫取力，并且降低了打滑的可能性。
但是工作中的壓輥并非整體在做純滾動，從其軸向上看，壓輥的里側(cè)與外側(cè)都會發(fā)生滑動，這種滑動作用是平模機(jī)的工作原理決定的，并不因物料的改變而改變。筆者認(rèn)為，滑動作用的存在，固然在一定程度上加快了壓輥的磨損，但是客觀上卻增強(qiáng)了制粒機(jī)的擠壓性能，使平模制粒機(jī)在加工含粗纖維較多的生物質(zhì)原料方面成為佼佼者。下面將從運(yùn)動分析和受力分析方面對滑動作用進(jìn)行討論。
圖4 壓輥的受力情況
Figure 4 Forces and moments exerted on the roller
以圖4所示的順時針旋轉(zhuǎn)的壓輥為例，平模制粒機(jī)工作時，壓輥上必定存在一條純滾動的圓周線H，在純滾動線H內(nèi)側(cè)，壓輥發(fā)生超前性滑動，稱之為滑轉(zhuǎn)滾動；在純滾動線外側(cè)，壓輥發(fā)生滯后性滑動，稱之為滑移滾動。
在壓輥與物料接觸的任意點A，其受力如圖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，但總是沿半徑指向圓心方向；壓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。
當(dāng)機(jī)器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時，壓輥處于平衡狀態(tài)，建立如圖所示的柱坐標(biāo)系，以磨輥軸心為Z軸，磨輥最外截面圓心為Z軸0點，以豎直方向半徑為角坐標(biāo)0點。因平模壓輥的自轉(zhuǎn)是從動的，不存在驅(qū)動力矩，故其自身力矩之和為零，可以得到其力矩平衡方程：
①
其中:②
假設(shè)純滾動線H的Z坐標(biāo)為 ，則①式可寫作： ③
顯然，③式右側(cè)表示滑轉(zhuǎn)滾動區(qū)的合力矩，左側(cè)表示滑移滾動區(qū)合力矩,兩個合力矩等大反向。在滑轉(zhuǎn)滾動區(qū)，磨輥因轉(zhuǎn)速較快，相對于物料產(chǎn)生滑動，因此力F沿切線指向上，合力矩方向為逆時針，則由力矩平衡關(guān)系可推得，③式左邊描述的滑移滾動區(qū)所受合力矩必定為順時針方向，因此該區(qū)內(nèi)的大部受力點所受摩擦力F應(yīng)沿切線指向下方（如圖4所示）。
圖5 物料受力情況
Figure 5 Forces exerted on the material
明確了壓輥的受力情況，就可以分析物料受力，物料受力情況如圖5所示，在磨輥擠壓物料的任意一點B，物料受壓輥對其施加的力 與 ,分別為 和 的反作用力。在與平模接觸的平面，物料受到水平方向上的摩擦力S和鉛直方向上的支撐力T。則物料受力的平衡方程為：
滑移滾動區(qū)任一截面：
④
⑤
純滾動線所在截面：
⑥
⑦
滑轉(zhuǎn)滾動區(qū)任一截面：
⑧
⑨
從上述的壓輥運(yùn)動情況和物料受力情況我們可以作出以下分析：
?。?/span>1）從上面三組平衡式的對比可以看出，產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)滾動和滑移滾動的時漢陽科技版權(quán)所有，與純滾動相比，相當(dāng)于在豎直方向和水平方向?qū)ψ饔昧M(jìn)行了重新分配。從式④可以看出，在滑移滾動區(qū)，物料在水平方向上受力增加，因此水平方向的擠壓作用增強(qiáng)。從式⑨可以看出,在滑轉(zhuǎn)滾動區(qū)，物料在豎直方向上受力增加，豎直方向的擠壓作用增強(qiáng)。兩種滑動作用的效果并不是消極的。
（2）由運(yùn)動分析知，在滑轉(zhuǎn)滾動區(qū)，壓輥產(chǎn)生超前性滑動，因此對平模徑向上單位長度的物料而言，在壓輥上的擠壓行程增加，這相當(dāng)于在豎直方向增長了物料的預(yù)壓縮行程。在滑移滾動區(qū)，壓輥產(chǎn)生滯后性滑動，對于平模徑向上單位長度的物料，在平模上的擠壓行程增加，相當(dāng)于在水平方向上增長了預(yù)壓縮行程。這就能解釋為什么環(huán)模制粒機(jī)和平模制粒機(jī)加工相同原料、相同規(guī)格的產(chǎn)品時，平模機(jī)的模板厚度遠(yuǎn)薄于環(huán)模厚度：盡管二者都是模板擠壓制粒，但平模機(jī)的兩種滑動作用相當(dāng)于增加了物料的壓縮行程。
?。?/span>3）從式④、⑤和式⑧、⑨可以看出，兩種滑動作用導(dǎo)致了摩擦力的產(chǎn)生，摩擦力F使壓輥和物料之間產(chǎn)生了兩種剪切作用?；D(zhuǎn)滾動區(qū)的超前性滑動使磨輥在豎直方向?qū)ξ锪袭a(chǎn)生了較強(qiáng)的剪切作用，這種剪切作用越靠近模板中心越明顯?；茲L動區(qū)的滯后性滑動使磨輥在水平方向?qū)ξ锪袭a(chǎn)生了較強(qiáng)的剪切作用，這種剪切作用越遠(yuǎn)離模板中心越明顯。
試驗時從出料口往里觀察，我們發(fā)現(xiàn)平模的中間幾圈?？壮隽峡欤绞抢锶屯馊Φ哪？?，出料越慢。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。而里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200mm以上才脫離模板。這是因為，由于兩種剪切作用的存在，模板內(nèi)側(cè)和外側(cè)的物料受較大剪切力，物料粒子被充分地揉切、撕裂進(jìn)而充填、嵌合，所以越是兩側(cè)，成型顆粒質(zhì)地越密實，出料越緩慢。平模機(jī)之所以在加工粗纖維含量較多的物料時具有優(yōu)越的性能，也正是因為這兩種較強(qiáng)的剪切作用對物料進(jìn)行了充分的預(yù)處理。
?。?/span>4）滑移滾動和滑轉(zhuǎn)滾動的存在會導(dǎo)致壓輥平模等零件的磨損程度增加，但在設(shè)計時可將平模設(shè)計成對稱結(jié)構(gòu)，能夠正反使用用，這將有效降低易損件成本。
4 結(jié)語
隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)以及國家環(huán)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號文件明確規(guī)定“推進(jìn)以非糧油作物為主要原料的生物質(zhì)能源研究和開發(fā)”;發(fā)展生物質(zhì)顆粒燃料符合國策，順應(yīng)民意。性能優(yōu)異穩(wěn)定的成型機(jī)在生物質(zhì)燃料顆粒成型過程中扮演著重要的角色。結(jié)合太陽能干燥工藝，利用550型平模制粒機(jī)加工鋸末、鋸末秸稈混合料等生物質(zhì)燃料顆粒，成型率在93%以上，噸電耗在55千瓦時以下，小時生產(chǎn)能力在800kg-900kg左右。從試驗結(jié)果和理論分析來看，平模制粒機(jī)是加工生物質(zhì)顆粒燃料的理想機(jī)型
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