1、結(jié)構(gòu)組成與工作過(guò)程
平模式棒狀生物質(zhì)成型
顆粒機(jī)主要由喂料斗、壓輥、平模盤(pán)、減速與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)及機(jī)架等部分組成。
工作時(shí)，經(jīng)切碎或粉碎后的生物質(zhì)原料通過(guò)上料機(jī)構(gòu)進(jìn)入成型顆粒機(jī)的喂料室，電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)成型顆粒機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸上方的壓輥軸也隨之低速轉(zhuǎn)動(dòng)，由于壓輥與平模盤(pán)之間有0. 8～1.5mm的間隙（稱(chēng)為模輥間隙），通過(guò)軸承固定在壓輥軸上的壓輥先繞主軸公轉(zhuǎn)。被送人喂料室中的生物質(zhì)原料，在分料器和刮板的共同作用下被均勻地鋪在平模上，進(jìn)入壓輥與平模盤(pán)之間的間隙中。在壓輥繞主軸公轉(zhuǎn)過(guò)程中，生物質(zhì)原料對(duì)壓輥產(chǎn)生反作用力，其水平分力迫使壓輥輪繞壓輥軸自轉(zhuǎn)，垂直分力使壓輥把生物質(zhì)原料壓進(jìn)平模孔中，在壓輥的不斷循環(huán)擠壓下，已進(jìn)入平模孔中的原料不斷受到上層新進(jìn)原料層的推壓，進(jìn)入成型段，在多種力的作用下溫度升高，密度增大，幾種黏結(jié)劑將被壓緊的原料黏結(jié)在一起，然后進(jìn)入保型段，由于該段的斷面比成型段略大，因此被強(qiáng)力壓縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力得到松弛，溫度逐步下降，黏結(jié)劑逐步凝固，合乎要求的成型燃料從模孔中被排出。達(dá)到一定長(zhǎng)度和重量時(shí)自行脫離模孔或用切刀切斷。
2、主要工作部件
1)平模盤(pán)
A.平模盤(pán)的結(jié)構(gòu)
平模盤(pán)是成型顆粒機(jī)的核心技術(shù)部件，是成型孔的載體。結(jié)構(gòu)形式有兩大類(lèi)，即整體式平模盤(pán)和套筒式平模盤(pán)。整體式平模盤(pán)按模孔的形狀又分為顆粒平模盤(pán)、棒（塊）狀平模盤(pán)。顆粒平模盤(pán)由于模孔直徑較小(一般為6～12 mm)，多設(shè)計(jì)為整體式，模盤(pán)厚度較小，一般是直徑的6～8倍。整體式棒（塊）狀平模盤(pán)，模孔截面尺寸一般大于25mm，模盤(pán)厚度是直徑的5～6倍。套筒式平模盤(pán)是目前平模式棒（塊）狀生物質(zhì)成型顆粒機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，套筒內(nèi)孔可設(shè)計(jì)成圓孔或方孔結(jié)構(gòu)，可按成型原理設(shè)計(jì)內(nèi)部形狀。套筒外緣與平模盤(pán)可采用螺紋、錐形臺(tái)座或嵌入式組合在一起。平模盤(pán)母體材料可選鑄鋼或鑄鐵件，應(yīng)具有很好的強(qiáng)度，套筒座孔要有較高的精度，孔間厚度要保證不因沖擊而裂開(kāi)的強(qiáng)度，平模母盤(pán)可長(zhǎng)期不更換。作者試驗(yàn)表明，套筒平模成型顆粒機(jī)最大優(yōu)點(diǎn)是母盤(pán)為永久型部件，可以設(shè)計(jì)多種形狀的成型腔，生產(chǎn)不同原料的成型燃料，套筒可以是廉價(jià)的鑄鐵，也可以是陶瓷類(lèi)非金屬材料，且適于規(guī)模化專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)。但還有三個(gè)問(wèn)題有待更好解決。一是套筒與盤(pán)面磨損更換的有機(jī)配合，二是用戶自己更換套筒的方便性，三是產(chǎn)量與質(zhì)量的正相關(guān)設(shè)計(jì)。
B．平模盤(pán)減磨措施
平模盤(pán)的作用是將受到擠壓的生物質(zhì)原料在其模孔中成型，是平模式生物質(zhì)成型設(shè)備中的關(guān)鍵部件，也是最容易損壞的部件，由于其上面開(kāi)孔多，大大降低了其抵抗變形的能力，平模盤(pán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)是否合理直接決定了成型產(chǎn)品的質(zhì)量?jī)?yōu)劣。不同的物料，應(yīng)當(dāng)配備不同的平模盤(pán)。平模盤(pán)的開(kāi)孔面積、開(kāi)孔率，模孔尺寸、模孔形狀、模孔排布方式等要素都是決定成型效果的重要因素，模盤(pán)的開(kāi)孔面積大、開(kāi)孔率高，模孔尺寸大、模孔排布緊密可提高生產(chǎn)率。模孔長(zhǎng)徑比越小，生產(chǎn)率越高，但是保型時(shí)間變短，產(chǎn)品密度減小，成型率降低；長(zhǎng)徑比過(guò)大，原料從模孔擠出移動(dòng)的路徑長(zhǎng)，產(chǎn)生的阻力大，容易產(chǎn)生堵塞。
整體式平模盤(pán)是磨損部件，極易發(fā)生快速磨損。為延長(zhǎng)平模盤(pán)的使用壽命，降低生產(chǎn)成本，在平模盤(pán)的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中可采取以下措施：①設(shè)計(jì)對(duì)稱(chēng)的平模盤(pán)結(jié)構(gòu)。對(duì)稱(chēng)性決定了模盤(pán)的雙面使用，一面磨損量過(guò)大后，可以將平模盤(pán)反裝使用，可使平模盤(pán)的使用壽命提高1倍，降低維修成本。②根據(jù)模孔的大小將平模盤(pán)單排模孔改為雙排或多排模孔，可大大加快成型速度，提高成型效率。③平模盤(pán)的模孔采用襯套或套筒設(shè)計(jì)。平模盤(pán)的模口和模孔又是平模盤(pán)的主要磨損部位，因整體式平模盤(pán)采用的是固定模孔，模口和模孔磨損后，成型效果很快變差，只能整體更換平模盤(pán)，維修成本高。將原固定模孔改為襯套套筒結(jié)構(gòu)，磨損后只需更換模孔中的襯套套筒即可，方便了維修工作，降低了維修費(fèi)用。④優(yōu)化設(shè)計(jì)模孔的尺寸。整體式平模盤(pán)可設(shè)計(jì)成不同模孔的系列盤(pán)，套筒式平模盤(pán)的套筒可設(shè)計(jì)成外緣結(jié)構(gòu)尺寸相同、模孔形狀和長(zhǎng)度不同的系列套筒，以適應(yīng)不同物理特性原料的成型加工，既保證了成型效果又減少了模孔的磨損。⑤合理選擇平模盤(pán)和襯套套筒的材料。襯套套筒可采用40Cr材料，經(jīng)淬火處理后保持一定硬度和耐磨性，也可以采用非金屬材料替代。整體式平模盤(pán)不具有發(fā)展前途，在過(guò)渡階段建議材料選用20CrMnTi、40Cr、35CrMo等。
2)壓輥
A．壓輥的結(jié)構(gòu)
平模式棒（塊）狀成型顆粒機(jī)上的壓輥多采用直輥式。整體式平模盤(pán)配用的壓輥寬度尺寸較大，套筒式平模盤(pán)配用的壓輥直徑要盡可能大，使轉(zhuǎn)速降低，壓輥?zhàn)赞D(zhuǎn)轉(zhuǎn)速一般為50～100r/min，外緣的結(jié)構(gòu)形狀與整體式環(huán)模壓輥類(lèi)似，有閉式槽型、開(kāi)式槽型等多種形式。
從目前平模成型技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，套筒式平模盤(pán)配用對(duì)應(yīng)壓輥是平模式棒（塊）狀成型顆粒機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。
B．壓輥減磨措施
壓輥的作用是將進(jìn)入成型腔中的生物質(zhì)原料擠壓進(jìn)入平模成型孔中，這就要求壓輥外緣與平模盤(pán)之間必須有一定間隙，此間隙的大小影響成型顆粒機(jī)的生產(chǎn)率。從節(jié)能的角度考慮，平模盤(pán)上的原料層不宜太厚，這就限制了燃料的生產(chǎn)率。要提高生產(chǎn)率，可通過(guò)增大壓輥半徑等方法。直輥式壓輥擠壓原料時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)并不完全是純滾動(dòng)，還有相對(duì)滑動(dòng)，壓輥內(nèi)外端與平模的相對(duì)線速度不同，平模直徑越大，內(nèi)外端速度差越大。速度差的存在，在某種程度上加劇了壓輥的磨損，壓輥的轉(zhuǎn)速越高，磨損速度越快，耗能增加越多，造成磨損不均勻，還會(huì)發(fā)出較大噪聲，因此控制壓輥?zhàn)赞D(zhuǎn)轉(zhuǎn)速是重要的技術(shù)措施。
壓輥是平模式成型顆粒機(jī)的關(guān)鍵部件，壓輥的結(jié)構(gòu)形狀、直徑、數(shù)量、布局方式、轉(zhuǎn)速及材料等要素都影響生物質(zhì)成型效果、維修周期。在設(shè)計(jì)時(shí)，除了根據(jù)設(shè)計(jì)要求來(lái)確定壓輥的基本參數(shù)外，還要與平模盤(pán)對(duì)應(yīng)配合使用。在實(shí)際應(yīng)用中，還應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：①壓輥的轉(zhuǎn)速盡可能地低一些，一般應(yīng)小于100 r／min。壓輥轉(zhuǎn)速低，滑移作用減弱，可降低壓輥的磨損，提高壓輥的使用壽命，節(jié)約維修成本；②盡可能加大壓輥的直徑，增加壓輥切線與成型孔的接觸時(shí)間，提高原料壓人量，對(duì)于直徑80 cm以上的平模可考慮增加壓輥數(shù)量（錢(qián)海燕等，2009），如圖6. 30所示，但會(huì)引起進(jìn)料架空、喂入速度降低等問(wèn)題，要采取適當(dāng)措施解決；③改變壓輥外緣的結(jié)構(gòu)形狀。壓輥的外緣的齒形設(shè)計(jì)成梯形齒、梯形斜齒等形狀，不僅利于增大壓輥表面與生物質(zhì)間的摩擦力，提高原料壓緊效率，還有利于提高原料喂入量；④將壓輥外緣磨損最快的齒圈部分單獨(dú)設(shè)計(jì)，套裝在安裝軸承的輥軸上。壓輥齒圈部分的材料可選用優(yōu)質(zhì)合金鋼，如27SiMn或熱處理性能好的Cr12MoV等，可大大提高耐磨性能。齒圈磨損后可單獨(dú)更換，拆裝方便，組合式壓輥結(jié)構(gòu)；⑤合理選擇壓輥的材料，整體壓輥的材料可選用耐磨性較好的20Cr，采用滲碳淬火熱處理使其齒面具有較高硬度，提高使用壽命。
3、主要技術(shù)性能與特征參數(shù)
目前投入市場(chǎng)的平模式棒（塊）狀成型顆粒機(jī)逐漸增多，隨壓輥設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步降低，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞僅采用一級(jí)V形帶傳動(dòng)方式，在結(jié)構(gòu)上顯得較為龐大，提倡用傳動(dòng)效率高的齒輪減速傳動(dòng)，目前齒輪傳動(dòng)總成生產(chǎn)已標(biāo)準(zhǔn)化、專(zhuān)業(yè)化，傳動(dòng)比可以達(dá)到20：1以上，潤(rùn)滑、連接、維修、經(jīng)營(yíng)都已規(guī)范化，非常適合大傳動(dòng)比的農(nóng)業(yè)工程類(lèi)設(shè)備應(yīng)用。
平模式棒（塊）狀成型顆粒機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，維護(hù)方便；由于喂料室的空間較大，可采用大直徑壓輥，加之模孔直徑可設(shè)計(jì)到35cm左右，因此對(duì)原料的適應(yīng)性較好，不用做揉搓預(yù)處理，只用切斷就可以。例如，秸稈、干甜菜根、稻殼、木屑等體積粗大、纖維較長(zhǎng)的原料都可以直接切成10～15 mm的原料段就可投入原料輥壓室。對(duì)原料水分的適應(yīng)性也較強(qiáng)，含水率15%～25%的物料都可擠壓成型；棒（塊）狀成型燃料，平模盤(pán)最好采用套筒式結(jié)構(gòu)，平模盤(pán)厚度尺寸設(shè)計(jì)首先要考慮燃料質(zhì)量，其次考慮多數(shù)原料適應(yīng)性以及動(dòng)力、生產(chǎn)率的要求。平模式棒（塊）狀成型系統(tǒng)主要用于解決農(nóng)作物秸稈等不好加工的原料，成型孔徑可以設(shè)計(jì)得大一些，控制在35 mm左右，平模盤(pán)厚度與成型孔直徑的比值要隨直徑的變大適當(dāng)減小，盤(pán)面磨損與套筒設(shè)計(jì)要同步。
平模式棒（塊）狀成型顆粒機(jī)主要技術(shù)性能與特征參數(shù)見(jiàn)下表。
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技術(shù)性能與特征 |
參考范圍 |
說(shuō)明 |
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原料粒度/mm |
10～30 |
棒（塊）狀成型粉碎粒度可大一些，顆粒成型，粉碎粒度應(yīng)小于10 mm |
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原料含水率/% |
15～22 |
含水率不宜過(guò)低，含水率過(guò)低需要的成型壓力增大，成型率下降 |
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產(chǎn)品直徑/mm |
25～40 |
秸稈類(lèi)原料適宜大直徑實(shí)心棒（塊）狀 |
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產(chǎn)品密度/（g/cm3） |
0.9～1.2 |
保證成型的最低密度，密度要求太高，會(huì)使成型耗能劇增 |
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生產(chǎn)率/% |
0.5～1 |
成型棒（塊）狀生產(chǎn)率較高，顆粒成型則生產(chǎn)率較低 |
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成型率/% |
＞90 |
原料含水率合適時(shí)，成型率較高，含水率過(guò)高時(shí)，成型后易開(kāi)裂 |
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單位產(chǎn)品能耗/（kw·h/t） |
40～70 |
棒狀成型能耗較低，與密度要求有關(guān)，顆粒成型耗能高 |
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壓輥轉(zhuǎn)速/（r/min） |
＜100 |
壓輥轉(zhuǎn)速不宜太高，否則成型耗能，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能不超過(guò)100r/min |
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磨棍間隙/mm |
0.8～3 |
模輥間隙小，可降低能耗，顆粒模輥間隙較小，盤(pán)、輥間隙應(yīng)可調(diào) |
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壓輥使用壽命/h |
300～500 |
采用合金材料，價(jià)格較高，可加模套 |
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平模盤(pán)（套筒）使用壽命/h |
300～500 |
采用襯套套筒時(shí)，磨損后更換，平模盤(pán)母體可長(zhǎng)時(shí)間使用 |
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成型方式 |
預(yù)熱啟動(dòng) |
冷機(jī)啟動(dòng)時(shí)，需預(yù)熱，也可少加料空轉(zhuǎn)預(yù)熱 |
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動(dòng)力傳動(dòng)形式 |
減速器 |
電機(jī)直聯(lián)減速驅(qū)動(dòng)效率較高，結(jié)構(gòu)緊湊 |
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對(duì)原料的適應(yīng)性 |
多種生物質(zhì) |
通過(guò)更換不同的成型組件，可對(duì)多種生物質(zhì)成型加工 |
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