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      顆粒機(jī)秸稈壓塊機(jī)新聞動態(tài)

       

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      環(huán)模制粒擠壓過程力學(xué)建模及影響因素分析

      發(fā)布時間:2013-01-25 14:27    來源:未知

      0、引  言
          環(huán)模顆粒機(jī)廣泛應(yīng)用于飼料、制藥、新能源等技術(shù)領(lǐng)域。在飼料加工領(lǐng)域,環(huán)模顆粒機(jī)是飼料機(jī)械的四大主機(jī)之一,具有成型率高、提高動物生長性能等一系列優(yōu)點;在制藥領(lǐng)域,可以降低原料損耗、提高吸收率;在新能源技術(shù)領(lǐng)域,環(huán)模顆粒機(jī)可將秸稈、木屑等生物質(zhì)原料制成生物質(zhì)顆粒燃料,實現(xiàn)高效燃燒、低污染排放,大力促進(jìn)可再生能源的合理應(yīng)用。
          國內(nèi)外學(xué)者針對環(huán)模顆粒機(jī)的顆粒機(jī)理、質(zhì)量、能耗、效率等問題開展了一系列研究。在國外,JensI3-4]建立了物料通過?讜r的擠壓壓強(qiáng)模型,并進(jìn)行了試驗驗證;Blatik對制粒過程進(jìn)行了優(yōu)化與控制研究,研究在保證加工質(zhì)量的前提下如何提高加工效率;Tabj研究了工藝條件與制粒質(zhì)量之間的關(guān)系,建立了能耗與顆粒耐久性之間的關(guān)系模型;Rolfe則指出隨環(huán)模轉(zhuǎn)速的增高,擠壓力會減小,但是比機(jī)械能會增加;A.Mehrdad研究了鋸屑制粒成形過程,指出通過優(yōu)化工藝可以在比較低的能耗下獲得高質(zhì)量的顆粒;L.rOrbj將近紅外技術(shù)應(yīng)用于顆粒實時濕度檢測及能耗計算;N.P. Nielsen研究了鋸屑纖維方向?qū)χ屏L匦缘挠绊,結(jié)果表明具有橫向纖維方向的鋸屑制粒能量更低。在國內(nèi),曹康對制粒的機(jī)理、工藝進(jìn)行了比較詳細(xì)、全面的論述,對擠壓區(qū)的受力狀況進(jìn)行了力學(xué)分析;吳勁鋒c121對不同粒度苜蓿草粉進(jìn)行了制粒過程模擬試驗,得出了制粒擠出力與粒度、密度之間的關(guān)系;李在峰研究指出,玉米秸稈顆粒成型時電耗主要集中在粉碎與制粒2個工藝中,而制粒電耗又是粉碎電耗的2倍,且顆粒密度對成型時的電耗有較大影響;白衛(wèi)進(jìn)行了3種秸稈顆粒冷態(tài)壓縮成型的開式實驗研究,研究表明在壓緊階段物料主要發(fā)生了塑性變形,且擠壓力的數(shù)學(xué)模型為線性方程;何曉峰研究了不同生物質(zhì)原料粒度、含水率、環(huán)?组L徑比等因素與顆粒成型率及噸料電耗的關(guān)系,找出了生物質(zhì)顆粒燃料的最佳成型條件;此外,田鵬飛對制粒室物料分布與效率之間的關(guān)系進(jìn)行了討論;高星、王紅英對影響顆粒機(jī)生產(chǎn)效率的主要因素進(jìn)行了分析。
          以上國內(nèi)外研究并未建立系統(tǒng)的環(huán)模受力與物料特性、顆粒機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系模型。本文將在已有成果基礎(chǔ)上,分析環(huán)模顆粒機(jī)擠壓成形過程與原理;研究環(huán)模系統(tǒng)擠壓過程力學(xué)模型;研究壓緊區(qū)受力狀況,推導(dǎo)最大物料擠壓高度以及最大扭矩的計算公式;詳細(xì)分析物料特性及顆粒機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對環(huán)模扭矩的影響規(guī)律。
      1、成形過程分析
          環(huán)模顆粒機(jī)的工作過程如下:環(huán)模(壓模)在電機(jī)驅(qū)動下以一定的轉(zhuǎn)速順時針旋轉(zhuǎn),調(diào)質(zhì)后的物料由導(dǎo)料機(jī)構(gòu)送入環(huán)模與壓輥間的工作區(qū)(如圖1),壓輥借助工作區(qū)內(nèi)環(huán)模與物料、壓輥與物料間的摩擦力作用開始順時針旋轉(zhuǎn)。隨著環(huán)模與壓輥的旋轉(zhuǎn),攝入的物料被擠壓、壓緊,當(dāng)擠壓力增大到足以克服模孔內(nèi)物料與內(nèi)壁的摩擦力時,物料就被擠壓進(jìn)?住kS模輥不斷旋轉(zhuǎn),環(huán)模孔內(nèi)的物料連續(xù)擠出,經(jīng)切刀切斷,形成圓柱狀顆粒料。
      顆粒機(jī)制粒圖
          根據(jù)物料在擠壓過程中的不同狀態(tài)將物料劃分為3個區(qū),即供料區(qū)、變形壓緊區(qū)和擠壓成形。
          1)供料區(qū):物料在環(huán)模、壓輥摩擦力及離心力的影響下隨環(huán)模、壓輥旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動,此時物料密度比較小。
          2)變形壓緊區(qū):隨著模、輥的旋轉(zhuǎn),物料進(jìn)入壓緊區(qū),由于模、輥空間的減小,粉粒體間空隙逐步減小,粉粒體之間接觸表面積增大,物料逐漸被壓實,物料產(chǎn)生不可逆的變形,密度逐漸增加。
          3)擠壓成形區(qū):在擠壓區(qū)內(nèi),模輥間隙急劇減小,擠壓力急劇增大,物料密度進(jìn)一步增大,并在壓力作用下進(jìn)入?,直至從孔中擠出。
      2、擠壓過程力學(xué)模型
          如圖2所示,物料在擠壓區(qū)與變形壓緊區(qū)受力是不同的,下面分別分析。
      顆粒機(jī)環(huán)模受力圖
          擠壓區(qū)壓強(qiáng)與?讐簭(qiáng)相關(guān)。?拙喑隹谌我馕恢锰幍臄D壓壓強(qiáng)Px的計算表達(dá)式如下(如圖3所示)
      顆粒機(jī)環(huán)模受力圖
          設(shè)模孔長度為L (mm),則擠壓區(qū)內(nèi)環(huán)模內(nèi)表面(進(jìn)料口)各位置處受到的壓力都應(yīng)該與物料在長度為L的?變(nèi)運(yùn)動時必須克服的摩擦阻力相等,所以擠壓區(qū)內(nèi)環(huán)模內(nèi)表面不同位置的壓強(qiáng)基本相等,均可以x=L代入式(1)計算,這樣擠壓區(qū)內(nèi)環(huán)模內(nèi)表面擠壓壓強(qiáng)可表示為
      顆粒機(jī)環(huán)模擠壓輕度示意圖
      顆粒機(jī)環(huán)模擠壓輕度示意圖
          擠壓區(qū)內(nèi),物料的壓強(qiáng)應(yīng)足夠大,可推動環(huán)?變(nèi)的物料向下運(yùn)動;而在變形壓緊區(qū),物料的壓強(qiáng)逐步增加,還不足以克服物料與?椎哪Σ磷枇Γ渲锌拷鼣D壓區(qū)的位置其壓強(qiáng)與擠壓區(qū)基本相同,而靠近供料區(qū)的位置其壓強(qiáng)接近于0。設(shè)變形壓緊區(qū)內(nèi)壓強(qiáng)呈線性變化,則環(huán)模內(nèi)表面的受力狀態(tài)示意圖如圖4。
      顆粒機(jī)顆粒機(jī)詳細(xì)敘述
          2)摩擦系數(shù)的影響
          結(jié)構(gòu)參數(shù)取值同前,計算泊松比為0,3,摩擦系數(shù)從
      0.1到0.6變化時相對扭矩的變化情況,計算結(jié)果如圖6。
      顆粒機(jī)
          從圖5、圖6可以看出,隨物料泊松比的增加以及摩擦系數(shù)的增加,扭矩均呈現(xiàn)出指數(shù)曲線增加趨勢。計算數(shù)據(jù)表明,當(dāng)泊松比由0.1增加到0.6時,扭矩增加了96倍,而當(dāng)摩擦系數(shù)由O.l增加到0.6時,扭矩增加了3 000多倍,可見摩擦系數(shù)對扭矩的影響更明顯。以上分析表明物料特性對制粒能耗的影響很大。
      3.2結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響
          1)?组L徑比的影響
          計算環(huán)模孔徑長度從36到67.5 mm之間變化(長徑比由8到15之間變化)時的扭矩變化情況,其他參數(shù)取值同3.1。計算結(jié)果如圖7。
      顆粒機(jī)
          從計算結(jié)果可以看出,隨模孔長度的增加,扭矩增加并不呈現(xiàn)出線性關(guān)系,而是呈現(xiàn)出指數(shù)曲線增長趨勢,所以在設(shè)計顆粒機(jī)時必須根據(jù)其應(yīng)用場合分析其扭矩及能耗,進(jìn)而配置合適的電機(jī);同時,在滿足質(zhì)量的前提下應(yīng)盡可能縮短?组L度以降低長徑比,從而減小扭矩、降低能耗。
          2)壓輥直徑的影響
          環(huán)模直徑一定(350 mm),物料擠壓高度相同(以7 mm為例)時,不同壓輥直徑(140,145,150,155,160,165 mm)下的相對扭矩計算結(jié)果如圖8。
      顆粒機(jī)
        環(huán)模直徑一定(350 mm),不同壓輥直徑下(140,145,150,155,I60,165 mm)的最大產(chǎn)量及最大扭矩計算結(jié)果如圖9。
      顆粒機(jī)
          從圖8可以看出,當(dāng)環(huán)模直徑一定,且產(chǎn)量(擠壓高度)相同的情況下,增大壓輥直徑反而會增加扭矩,最終增加能耗。
          而圖9計算結(jié)果表明,當(dāng)環(huán)模直徑一定時,隨壓輥直徑增加,其最大產(chǎn)量將增加,但對應(yīng)的最大扭矩也將增加,扭矩增加的幅度高于產(chǎn)量增加的幅度,所以能耗會有所提高,但提高的幅度較小,所以從提高產(chǎn)量的角度講增大壓輥直徑是有利的。當(dāng)然,以上分析是建立在電機(jī)功率足夠的基礎(chǔ)上。加工某種物料時,如果在現(xiàn)有壓輥直徑條件下電機(jī)已經(jīng)滿載,則增大壓輥直徑反而會降低產(chǎn)量;如果此時物料擠壓高度未達(dá)到最大值,則減小壓輥直徑會更加有利,可以在保證產(chǎn)量的前提下降低能耗。
      顆粒機(jī)
          3)環(huán)模、壓輥同比變化時的影響
          計算環(huán)模直徑與壓輥直徑同比變化時最大產(chǎn)量及最大扭矩。壓輥與環(huán)模直徑取值如表2,計算結(jié)果如圖10。
          從計算結(jié)果可以明顯看出,當(dāng)環(huán)模、壓輥直徑同時增大時,最大產(chǎn)量增加很快,最大扭矩雖然也在增長,但是增加的幅度很小。可見,采用大尺寸的環(huán)模顆粒機(jī)不僅可以提高產(chǎn)量,同時還可以降低能耗。
      4、結(jié)論
          本文對環(huán)模系統(tǒng)的受力狀況進(jìn)行了研究,建立了環(huán)模扭矩力學(xué)模型,以建立的模型為基礎(chǔ)進(jìn)行了分析計算,主要結(jié)論如下:
          1)物料特性對制粒能耗的影響很大。隨物料泊松比增加及摩擦系數(shù)增加,環(huán)模扭矩呈指數(shù)曲線增加趨勢。
          2)隨?组L度增加(壓縮比增加),環(huán)模扭矩也呈指數(shù)曲線增加趨勢,從降低能耗角度出發(fā),在保證質(zhì)量的前提下,應(yīng)盡可能縮短模孔長度(壓縮比)。
          3)在環(huán)模直徑一定時,增大壓輥直徑反而會增加扭矩,增加能耗。但當(dāng)電機(jī)功率足夠時,隨壓輥直徑增加,最大產(chǎn)量也在增加,且產(chǎn)量增加的幅度與扭矩增加的幅度差異不大,所以從提高產(chǎn)量角度出發(fā)可以選取較大的壓輥;而在電機(jī)已經(jīng)滿載的情況下,則減小壓輥直徑會更加有利,可以在保證產(chǎn)量的前提下降低能耗。
          4)環(huán)模、壓輥直徑同時增大時,能耗增加的幅度遠(yuǎn)小于產(chǎn)量增加的幅度,所以采用大尺寸的環(huán)模顆粒機(jī)是非常有利的,不僅可以提高產(chǎn)量,同時還可以降低能耗。

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