1、HPB-Ⅱ型秸稈壓塊機(jī)的總體設(shè)計(jì)
1.1 HPB-I型秸稈壓塊機(jī)存在的問題
在長期生產(chǎn)、試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),HPB-I型生物質(zhì)壓塊機(jī)存在著很多需要改進(jìn)的問題,這些問題包括:①HPB-I型壓塊機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沒有考慮秸稈成型的特點(diǎn)。由于秸稈松散,在開始?jí)嚎s階段所需壓力較小,在成型階段所需壓力較大,定量泵的使用使電機(jī)在成型的前半周期內(nèi)負(fù)荷嚴(yán)重不足,在成型的后半周期內(nèi)使電機(jī)滿負(fù)荷甚至短時(shí)間超載運(yùn)行,影響電機(jī)的使用壽命,也影響了整個(gè)設(shè)備的出力。②油溫過高。在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn),壓塊機(jī)每運(yùn)行2—3 h就會(huì)由于油溫過高引起油缸內(nèi)露而被迫停止工作。HPB-I型壓塊機(jī)用時(shí)間繼電器控制沖桿換向,成型周期較難控制。成型周期短,會(huì)造成沖桿運(yùn)行不到前死點(diǎn)位置,使壓塊機(jī)不能正常工作;成型周期長,可以保證沖桿運(yùn)行到前死點(diǎn),但由于在前死點(diǎn)停留的時(shí)間段壓力最大,定量泵泵出的高壓油全部經(jīng)過溢流閥流回油箱,造成功率損失。雖然一個(gè)成型周期內(nèi)的時(shí)間很短,但由于液壓油的流量大和壓力高,因此該時(shí)間段造成的功率損失很大,這是引起油溫升高的主要原因。③生產(chǎn)率低。為了探索進(jìn)料口與生產(chǎn)率及生產(chǎn)率和功耗之間的關(guān)系,作者根據(jù)HPB-I型生物質(zhì)壓塊機(jī)的實(shí)際情況,選取6個(gè)沖桿套內(nèi)徑水平(分別為51,56,61,66,71,83 mm),對(duì)其成型部件進(jìn)行了改造:選取經(jīng)自然干燥后含水率為12%~140/0.原料粒度為2~10mm的玉米秸稈作為試驗(yàn)對(duì)象,成型密度為1.1t/m3左右,試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

試驗(yàn)表明,該壓塊機(jī)單位能耗高,其能耗和成型設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)。由圖1可以看出,沖桿套內(nèi)徑的增大使生產(chǎn)率增加,單位能耗減少。因此,改進(jìn)喂料設(shè)施,增大原料可喂入量是提高設(shè)備生產(chǎn)率、降低設(shè)備能耗的主要途徑。
1.2 HPB-Ⅱ型液壓壓塊機(jī)的設(shè)計(jì)
(1)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)HPB-1型秸稈壓塊機(jī)生產(chǎn)、試驗(yàn)結(jié)果,總結(jié)了液壓成型的規(guī)律和特點(diǎn),并根據(jù)這些規(guī)律和特點(diǎn)進(jìn)行了HPB -Ⅱ型生物質(zhì)壓塊機(jī)的設(shè)計(jì),在新設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)中用變量泵代替了原來的定量泵,用行程開關(guān)代替了時(shí)間繼電器,為得到兩級(jí)預(yù)壓的目的,還相應(yīng)地增加了順序閥,液壓系統(tǒng)見圖2。

(2)成型部件的設(shè)計(jì)
由沖桿套內(nèi)徑對(duì)生產(chǎn)率和單位能耗的影響可知,沖桿套內(nèi)徑是影響壓塊機(jī)生產(chǎn)率的關(guān)鍵因素。由于秸稈碎料的堆積密度很小(只有30~50 kg/m3),并且秸稈在進(jìn)料過程中的填充率也只有0.6左右,因此,單靠增大沖桿套內(nèi)徑來保證壓塊機(jī)的生產(chǎn)率是不現(xiàn)實(shí)的。取沖桿套內(nèi)徑D=160 mm,長度=250 mm.要使生產(chǎn)率達(dá)到500 kg/h,則進(jìn)入沖桿套內(nèi)的秸稈量必須達(dá)到預(yù)壓量的9倍。為此,本機(jī)采用垂直和水平兩級(jí)預(yù)壓來輔助進(jìn)料。
成型錐套的錐度和錐長是影響成型密度的關(guān)鍵因素之一。試驗(yàn)結(jié)果表明:在成型錐套大、小端直徑確定的情況下,改變其錐度和錐長,成型密度將隨著錐度的減小和錐長的增加而增加:成型直徑不同時(shí),成型錐套的大、小端直徑的差值相同時(shí),成型直徑大的錐套的大、小端端面面積比減小(見表1),導(dǎo)致成型密度降低。因此,增加成型直徑的同時(shí),應(yīng)增加成型錐套大、小端的端面面積比,才能保證成型密度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。當(dāng)成型直徑為55~130 mm時(shí),成型錐套的大、小端的端面面積比應(yīng)在1.23~1.778為宜。HPB-Ⅱ型液壓秸稈壓塊機(jī)成型錐套選取的參數(shù):大端直徑160 mm,成型直徑130 mm,錐長160 mm。
表1 成型錐套錐度、錐長與成型密度的關(guān)系
成型直徑/mm | 大端直徑/mm | 錐度° | 錐長mm | 密度g/cm3 |
55 | 61 | 8.53 | 20 | 1.0217 |
55 | 61 | 5.71 | 30 | 1.0539 |
55 | 61 | 4.50 | 40 | 1.0875 |
65 | 71 | 8.53 | 20 | 0.7256 |
65 | 71 | 4.00 | 50 | 0.7439 |
65 | 85 | 2.86 | 60 | 0.7679 |
75 | 85 | 11.31 | 25 | 0.8341 |
75 | 85 | 7.13 | 40 | 1.025 |
75 | 160 | 4.76 | 60 | 1.132 |
120 | 160 | 14.04 | 80 | 0.840 |
120 | 160 | 11.31 | 100 | 0.976 |
120 | 160 | 7.80 | 150 | 1. 107 |
120 | 160 | 5.44 | 210 | 1.207 |
130 | 160 | 8.53 | 100 | 0.951 |
130 | 160 | 6.58 | 130 | 1.087 |
130 | 160 | 5.36 | 160 | 1.172 |
HPB-Ⅱ型液壓秸稈壓塊機(jī)采用熱壓成型工藝,即將物料加熱到200℃左右,并施與一定的=壓力擠壓成型。圖3為HPB-Ⅱ型壓塊機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖,它是由風(fēng)力輸送裝置、成型部件、動(dòng)力裝置、2級(jí)預(yù)壓裝置、儲(chǔ)料斗、電氣柜、主油缸、油箱、加熱裝置、防護(hù)罩等組成。

該機(jī)的突出特點(diǎn)是增加了2級(jí)預(yù)壓喂人機(jī)構(gòu),液壓泵輸出壓力,通過電液閥、順序閥、行程開關(guān)控制,使雙出桿油缸帶動(dòng)左右沖桿作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。物料由風(fēng)力輸送裝置送入儲(chǔ)料斗(旋風(fēng)分離器)后進(jìn)入下部的一級(jí)預(yù)壓室(垂直方向),物料在一級(jí)預(yù)壓油缸作用下預(yù)壓并被送至二級(jí)預(yù)壓室(水平方向);在二級(jí)預(yù)壓油缸作用下,將經(jīng)過2次預(yù)壓的物料分別送至壓塊機(jī)兩端的沖桿套筒內(nèi)。主油缸兩端的沖桿開始擠壓沖桿套筒內(nèi)的生物質(zhì),使原料顆粒重新排列位置,并在調(diào)定溫度的成型套內(nèi)發(fā)生機(jī)械變形和塑性流變。在垂直于最大應(yīng)力方向上,粒子主要以相互嚙合的形式結(jié)合:在垂直于最小應(yīng)力方向上,粒子主要以相互靠緊的形式結(jié)合,從而使生物質(zhì)的體積進(jìn)一步減小,密度顯著增大。成型棒內(nèi)部咬合,外部焦化,具有一定的形狀和強(qiáng)度,并由兩端成型套簡中交替擠出,成為棒狀產(chǎn)品。
2、試驗(yàn)結(jié)果分析
通過大型優(yōu)化設(shè)計(jì).HPB-Ⅱ型秸稈液壓成型機(jī)生產(chǎn)率可達(dá)400~500 kg/h,產(chǎn)品能耗60~80kWh/t,達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)指標(biāo),如表2所示。該裝置保留了HPB-1型生物質(zhì)壓塊機(jī)的優(yōu)點(diǎn),顯著地提高了磨損件的使用壽命,其維修周期可達(dá)200—300 h.并在成型套筒內(nèi)安裝了可方便拆卸的耐磨鑄鐵套。與HPB-1型秸稈成型機(jī)相比HPB-Ⅱ型秸稈壓塊機(jī)還具有以下顯著特點(diǎn)。
表2 秸稈壓塊機(jī)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果
原料 | 生產(chǎn)率kg/h | 單位能耗kwh/t | 成型棒密度t/m3 | 成型周期s | 維修周期h |
玉米秸稈 | 400~460 | 60~80 | 1.0~1.2 | 15~20 | 200~300 |
小麥秸稈 | 430~480 | 60~80 | 0.9~1.0 | 15~20 | 200~300 |
稻桿 | 440~500 | 60~80 | 0.9~1.0 | 15~20 | 200~250 |
N=PQ/ (60n)
式中P為泵的實(shí)際使用壓力,MPa;
Q為泵的實(shí)際流量1/min;
N為泵的總效率,可近似地取0.85~0.9。
該泵的選取符合秸稈成型的特點(diǎn),即預(yù)壓縮時(shí),秸稈松散,所需壓力較小而流量大,使一次預(yù)壓和二次預(yù)壓過程分別在1s和2 s內(nèi)完成:在成型階段所需壓力較大時(shí),其流量相對(duì)降低。整個(gè)過程不僅保證了成型壓力,而且使電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定,同時(shí)由于其輸出功率與負(fù)載工作速度和負(fù)載大小相適應(yīng),沒有節(jié)流調(diào)速那樣的溢流損失和節(jié)流損失.加之行程開關(guān)的使用使沖桿到達(dá)預(yù)定位置后迅速換向,所以系統(tǒng)工作效率高,發(fā)熱少,能耗低。
②該設(shè)備對(duì)原料粒度的要求大大放寬,玉米秸稈和稻草只需用鍘草機(jī)進(jìn)行簡單切碎,長度小于30 mm的麥秸則不需要粉碎便可直接輸入成型機(jī)擠壓出成型燃料。這不但降低了粉碎秸稈的能耗,減少了生產(chǎn)環(huán)節(jié)和勞動(dòng)力,還有效地提高了生產(chǎn)效率。
③生物質(zhì)熱壓成型的基本條件是要有合適的成型溫度,螺旋式成型還要求原料的含水率小于13%。采用活塞套筒往復(fù)機(jī)構(gòu),原料的含水率在18%左右仍可正常成型,原料經(jīng)過簡單的晾曬即可達(dá)到該含水率,不需要烘干,降低了原料烘干的能耗;在成型過程中,如果加熱溫度過高或原料含水率超標(biāo),就會(huì)發(fā)生“放氣”或“放炮”現(xiàn)象。為保證裝置運(yùn)行過程中的安全性,在成型部件前部加裝了防護(hù)安全罩。
④該設(shè)備充分利用液壓傳動(dòng)易于控制的特點(diǎn),增設(shè)了兩級(jí)預(yù)壓機(jī)構(gòu),使生產(chǎn)率在很大程度上得到了提高。該設(shè)備采用風(fēng)力自動(dòng)上料機(jī)構(gòu),不僅節(jié)約了人力,同時(shí)也改善了勞動(dòng)者的勞動(dòng)環(huán)境。
3、結(jié)論
①HPB-Ⅱ型液壓秸稈壓塊機(jī)改進(jìn)了HPB-l型液壓秸稈壓塊機(jī)的的不足。其中變量泵和行程開關(guān)的應(yīng)用,適合秸稈成型的特點(diǎn),使能量利用更為合理:液壓系統(tǒng)的發(fā)熱現(xiàn)象得到明顯的改觀,使液壓壓塊機(jī)比能耗大大降低,解決了螺旋式和機(jī)械沖壓式成型工藝存在的突出問題。
②HPB-Ⅱ型液壓秸稈壓塊機(jī)采用自動(dòng)上料方式,節(jié)約了人力,提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率,也改善了勞動(dòng)者的工作環(huán)境。
③HPB-Ⅱ型液壓秸稈壓塊機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定,生產(chǎn)率可達(dá)400~500 kg/h,產(chǎn)品能耗為60~80kWh/t,該設(shè)備目前正處于中試階段。該設(shè)備的推廣應(yīng)用,減少了農(nóng)民荒燒秸稈造成的污染,有效地利用了秸稈類生物質(zhì),這對(duì)我國實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。
三門峽富通新能源科技有限公司生產(chǎn)秸稈顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)、飼料顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料飼料成型機(jī)械設(shè)備,同時(shí)我們也有大量的生物質(zhì)燃料出售。