河南科技学院2009届本科毕业论文（设计）论文题目：双出头秸秆液压成型机的设计完成时间：2009年5月26日摘 要我国农作物秸秆资源非常丰富，但大部分没有得到合理有效的利用。生物质能源转换技术在使秸秆资源得到充分利用的同时，也增加了农民的收入，为促进农业的可持续发展做出贡献。本论文是通过对HPB-III生物质成型机出现的各种问题进行理论分析，并在此基础上做出改进设计，设计出一种新型成型机(双出头秸秆液压成型机)。这种成型机以液压驱动、双向成型为基础，从产业化的角度对HPB-III型生物质成型机进行了液压系统和成型部件的改进设计，采用双缸双活塞双阀，使该成型机运行压力在8 MPa左右，低压运行，稳定性提高，综合性能提高，生产率达到500kg/h，单位能耗70kWh/t左右，进一步推动了生物质固化成型技术的发展。关键词:生物质(秸秆)，液压成型机，液压成型，改进设计1 绪论1.1 研究背景 13当今人类使用的主要能源是石油、天然气、煤炭,它们都是不可再生的能源。能源是国民经济和社会活动赖以生存和发展的物资基础。能源工业一方面满足国民经济发展和人民生活对能源的需求,另一方面又是国民经济重要的支柱产业。1995年,我国能源工业(煤炭、石油、天然气开采和发电)的增加值为2 361 亿元,占全国工业增加值的28.4% ,占国内生产总值的13.7%。能源工业就业人数868 万人,占工业就业职工人数的13.1%1。改革开放30余年来我国能源工业已得到巨大的发展,为我国国民经济的发展做出了重大贡献。同时,能源也是制约我国国民经济持续发展的重要环节,能源的可持续利用至关重要。我国作为一个迅速崛起的发展中大国，面临着经济增长和环境保护的双重压力。2003年我国能源消费总量16.78亿，位居世界第二，约占世界能源消费总量的11%，其中煤炭占67.1%，原油占22.7%，天然气占2.8%，可再生能源及其它能源占7.4%。并且能源消耗还以每年6%7%的速度增长23。我国是一个能源消耗大国，一次能源消费仍以煤炭为主，煤在直接燃烧过程中产生的CO2、 SO2、 NOx、粉尘及其它有害物质，对大气环境造成了严重的污染，而中国防止大气污染法和中国签定的“京都议定书”都对中国城镇直接燃煤问题提出了量的限制和技术改造要求。所以研究开发可替代煤的清洁燃料势在必行。利用秸秆成型技术，将松散细碎的无定型的秸秆挤压成质地致密、形状规则的成型燃料。原料挤压成型后，密度可达0.81.3kg/m3，能量密度与中值煤相当，成型后的秸秆成型燃料燃烧特性较成型前有明显改善，火力持久、黑烟小、炉膛温度高，且储存、运输、使用方便、干净卫生，可代替矿物能源用于生产和生活领域。1.2 国内外生物质成型机研究现状中国从20世纪80年代引进螺旋推进式秸秆成型机，生物质压缩成型技术的研究开发已有二十多年历史。20世纪90年代期间河南农业大学，中国农机能源动力研究所分别研究出PB-I型机械冲压式成型机、HPB系列液压驱动活塞式成型机、CYJ-35型机械冲压式成型机89。尽管引进和研究的有很多种生物质成型机械，但我国的压缩成型机基本上就两种：螺旋挤压成型机和液压冲压成型机9-13。目前这些设备大都停止了运行，主要原因是：以木屑为原料，市场和资源的针对性差，成本高。螺旋挤压设备磨损严重，维修周期短(6080h)，耗能高。由此看来螺旋式成型机的关键技术是螺杆的使用寿命。而液压式生物质成型机是液压驱动活塞冲压成型，其运行性能稳定，延长了易损件的使用寿命。国外发达国家对秸秆等生物质致密成型技术都普遍重视，并投入了大量的资金和技术力量研究和开发致密成型技术。20世纪30年代，美国就开始研究压缩成型燃料技术，并研制了螺旋压缩机814;日本、西德等国也开始研究成型技术处理木材废弃物、农业纤维物等。进入20世纪70年代以来，随着全球性石油危机的冲击和环保意识的提高，世界各国越来越认识到开发和高效转换生物质能的重要性，相应地投入一定的资金和技术力量研究开发生物质成型燃料技术及设备。日本1983年前后从美国引进颗粒成型燃料生产技术，1987已有10多个颗粒成型燃料工厂投入运行，年生产生物质颗粒成型燃料超过10万吨，现已经形成工厂化规模15。 1.3 秸秆压缩成型研究现状为解决秸秆合理利用问题，欧美工业化国家如丹麦、瑞典、荷兰、美国等，还有亚洲的印度、日本等国都在秸秆成型方面做了大量的研究，我国在这方面的研究起步较晚。根据目前国内外压缩成型的研究文献来看，各国研究的侧重点虽有所不同，但主要研究以下几方面内容：1.3.1 秸秆的物理特性秸秆本身的物理特性是影响秸秆切碎和压缩成型的主要因素之一。秸秆的物理特性受物种、品种、产区、成熟度等多种因素的影响。国内外对麦秸、饲草等软茎秆的拉伸强度、剪切强度、弹性模量、刚度模量等物理特性研究较多。1.3.2 秸秆的切碎特性切碎能耗、切碎长度和切断效率对秸秆的切碎特性均有影响，如切割速度、割刀参数、受切根数等因素对切割过程的影响。秸秆切割过程中有一临界速度，在1530 m/s范围内，低于临界速度，能耗和无效切割快速增加；大于临界速度，能耗基本不变，实际切割长度接近于理论长度。1.3.3 秸秆的压缩特性由于植物纤维物料的材料特性不同，国内外在对其压缩特性的研究中也提出了各种研究方法。国外许多学者都把秸秆当作理想的线性粘弹体，运用流变学的理论，采用各种不同的流变模型来描述物料的压缩流变过程。相对于金属、塑料等材料而言，植物纤维物料压缩过程中的应力与应变的变化毕竟是非常复杂的，因此还有待于进一步探讨，从而更接近实际情况。1.3.4 压缩成型工艺秸秆压缩成型工艺可以分为加粘结剂和不加粘结剂的成型工艺,根据对物料加温形式不同，不加粘结剂的成型工艺又可划分为常温成型(不加温)、热压成型(成型过程中原料在挤压部位被加热)、预热成型(挤压之前加温)和成型碳化(挤压后热解碳化)4种主要形式。1.4 目前主要的成型机类型目前世界各地的成型机主要有两种：压块(Briquette)和颗粒(Pellet)成型机。根据成型原理的不同可分为：活塞成型机(Piston press)，螺旋式成型机(Extruder press)和模压颗粒成型机(Matrix pellet press)。1.4.1 活塞式成型机按驱动动力的不同可分为两类：一类是用发动机或电动机通过机械传动驱动的称为机械驱动活塞式成型机(Piston presses with mechanical drive)；另一类是用液压机构驱动的称为液压驱动活塞成型机(Piston presses with hydraulic drive)。这两类成型机的成型过程是靠活塞的往复运动实现的。其进料、压缩和出料都是间歇进行的，即活塞往复运动一次可以形成一个压块，在成型套内压块之间被紧密挤在一起，但其端面之间的连接不牢固。因此，当压块从成型机的出口被挤出时，一般在重力的作用下自行分离。根据压缩室末端有无挡板又分为开式和闭式两种。闭式柱塞压块依靠压缩室末端的挡板形成挤压阻力，压块形成后再开启挡板排出，这种机构不需要很大的挤压力，消耗能量较少；开式成型机依靠被压缩物与压缩室壁之间的摩擦力和锥形压模形成挤压阻力实现原料的压缩成型，这种形式的成型机出料方便，不需要特殊的挤出成型块机构和动作。1.4.2 螺旋式成型机根据成型过程中粘结机理的不同可分为加热(with die heating)和不加热(without die heating)两种形式。一种是先在物料中加入粘结剂，然后在锥型螺旋输送器的压送下，压在原料上的压力逐渐增大，到达压缩喉口时物料所受的压力最大。物料在高压下体积密度增大，并在粘结剂的作用下成型，然后从成型机的出口处被连续挤出。另一种是在成型套筒上设置加热装置，利用物料中的木质素受热塑化的粘结性，使物料成型。此类成型机最早被研制开发，也是目前各地推广应用较为普遍的一种机型。1.4.3 模压颗粒成型机根据压模型形状的不同可分为：平板模颗粒成型机(Disk matrix pellet press)和环板模颗粒成型机(Ring matrix pellet press)，其中环模成型机根据其结构布置方式又可分为立式和卧式两种形式。由于立式环模成型机具有压模易更换、保养方便、易进行系列化设计等优点而成为现有颗粒成型机的主流机型，其生产率可达13t/h。卧式环模成型机的压模和压辊的轴线都为垂直设置，生产率可达500800kg/h。平板模颗粒机的工作原理是平板上46个辊子，辊子随轴作圆周运动，并与平模板间有相对运动，原料在辊子和模板间受挤压，多数原料被挤入模板孔中，切割机将挤出的成型条按一定的长度切割成粒。1.4.4 各类生物质成型机存在的缺陷（1） 螺杆式成型机虽然这种成型机造价低，成型时的力度要求小，但是它对粉碎程度要求比较高。另外它的生产率比较低，约为130kg/h。它最大的不足在于其螺杆容易磨损，即使是耐热材料使用时间60小时。而更换新的造价又非常高为1000元/个。（2） 冲压式成型机优点是连续工作时间长，但是其造价高为10万/台，还有就是生产率比螺杆式高。但还是低，仅为300kg/h。如果压力过大，危险性大且易出现“放炮”现象。另外这种成型机对物料含水率要求比较高,要求在16%以下。1.4.5 HPB III型生物质成型机HPB-III型液压活塞式双向成型机，其主要工作部件有活塞冲杆、保型筒、锥形筒、夹紧套、活塞套筒、加热圈、液压装置、电控柜等。它的工作原理是油泵在电机带动下，将油通过换向阀泵入油缸的一腔，把电能转化成液体的压力能，驱动活塞、活塞杆、冲杆向一端运动，冲杆将进料斗加入的生物质压入成型套内的锥形套中，秸秆在机械压力和温度的作用下发生塑性变形，秸秆被挤压成成型图1 成型机工作路线与控制系统方框图棒后，经保型筒稳型后挤出。在换向阀的作用下，油被泵入油缸的另一腔，则活塞、活塞杆、冲杆向另一端运动，完成另一端成型19。其工作路线如图1所示。该套设备采用活塞冲压成型，避免了生物质原料与成型部件连续的相对运动摩擦，解决了螺旋推进成型机螺旋杆头部磨损严重的问题，并且该系统是在不加任何粘结剂的条件下对生物质进行热压成型的，所以可以节约成本。但该成型机也存在一些缺陷，如当进料出现堵塞时不能增大压力使其正常工作，运行压力过高，设备振动太大，从进料斗进料时搅拌机搅拌易出现死角，发生进料堵塞现象。1.5 本课题的提出目的及意义在中国，作物秸秆传统的利用方式是作为农村生活燃料、大牲畜草料与有机肥料的主要来源。现在随着科学技术的发展，人们对农作物秸秆资源的认识越来越深，对农作物秸秆的利用日益重视，而且在如何科学有效的利用秸秆资源上已取得进展。但发展速度较慢，这不仅与人们对开发利用秸秆资源的认识程度有关，更重要的是与相关技术设备研究严重滞后有关。 为了解决这个问题，提高压块成型效率，我们可使用液压设备对生物质进行初压，将生物质加一定的压力，保持一定时间，然后将已有一定压力的生物质在模具中冲压以使生物质达到成型的效果。并且在冲压时对成型块加热以使生物质中的木质素在一定温度下软化，以便在冲压过程中得到一定密度的生物质压块。 吸收己有生物质成型机的优点，并尽可能的克服其不足之处，使生物质能更好的、效率更高的达到成型的效果。主要从采用机械方式为主，并采用液压原理来设计出新的设备。同时通过实验来分析对于这种成型机理的各个影响因素，为以后的改进提供参考依据。 成型机造价低，生产效率较高，预计可达0.5t/h。能够达到农村采暖需要生物质压块的密度要求，大大提高生产效率，尽可能的降低能量的消耗。以便生物质压块在一定程度和一定范围内作为煤的替代能源得到