農(nóng)作物秸稈是重要的資源，種類多，數(shù)量大，,可再生。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)農(nóng)作物秸稈資源的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深，對(duì)農(nóng)作物秸稈的利用也日益重視，在如何科學(xué)有效地利用秸稈資源上已取得進(jìn)展，但發(fā)展速度較慢，這不僅與人們對(duì)開發(fā)利用秸稈資源的認(rèn)識(shí)程度有關(guān)，更重要的是與相關(guān)技術(shù)、設(shè)備的研究嚴(yán)重滯后有關(guān)。為解決生物質(zhì)的合理利用問題，歐美工業(yè)化國(guó)家如美國(guó)、荷蘭、瑞典、丹麥、德國(guó)等在生物質(zhì)壓縮成型方面作了大量的研究。20世紀(jì)80年代，我國(guó)也引進(jìn)了螺旋擠壓式秸稈壓塊機(jī)，許多學(xué)者對(duì)螺旋壓塊機(jī)的成型參數(shù)進(jìn)行探討并對(duì)秸稈壓塊機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，但仍然存在螺旋桿端部在高溫、于摩擦下磨損嚴(yán)重（平均修復(fù)周期60—80 h）和單位產(chǎn)品能耗高達(dá)125kWh/t等突出問題。為開發(fā)和利用國(guó)內(nèi)以秸稈為主的生物質(zhì)能源，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)于1994～1998年研制成功以液壓為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的雙出桿油缸往復(fù)活塞雙向擠壓式小型秸稈壓塊機(jī)（HPB-I型）。生產(chǎn)試驗(yàn)表明：該壓塊機(jī)具有顯著提高易損件的使用壽命、成型可靠的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有液壓油發(fā)熱快、生產(chǎn)率低等缺點(diǎn)。因此，只有對(duì)HPB-I型成型機(jī)進(jìn)行大型優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在保留HPB-I型成型機(jī)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)解決其運(yùn)行過程中存在的問題，才能使液壓成型技術(shù)能真正進(jìn)入推廣應(yīng)用階段和創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益。
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(zhǎng)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(zhǎng)，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(lái)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�。ㄖ挥�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(lái)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(zhǎng)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(lái)輔助進(jìn)料。
    成型錐套的錐度和錐長(zhǎng)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(zhǎng)，成型密度將隨著錐度的減小和錐長(zhǎng)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�。ㄒ姳�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(zhǎng)160 mm。
表1  成型錐套錐度、錐長(zhǎng)與成型密度的關(guān)系

成型直徑/mm	大端直徑/mm	錐度°	錐長(zhǎng)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

    (3)HPB-Ⅱ液壓秸稈壓塊機(jī)原理與結(jié)構(gòu)
    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(jiǎn)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(jiǎn)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

    ①采用了變量泵和行程開關(guān)，使能量的利用更加合理，不僅顯著地降低了能耗，而且有效地控制了油溫。變量泵能隨出口壓力大小自動(dòng)保持近似的恒功率，泵的實(shí)際使用功率
    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(jiǎn)單切碎，長(zhǎng)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(jiǎn)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(guó)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。
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