用于生物质燃料挤压成型机的锥形双螺杆设计

2010-02-23 06:14李艳妮葛正浩马文静
陕西科技大学学报 2010年6期
关键词:小端单螺杆双螺杆

李艳妮, 葛正浩, 黄 薇, 马文静

(陕西科技大学机电工程学院, 陕西 西安 710021)

0 前 言

长期以来,石油、天然气、煤炭等化石燃料一直是人类消耗的主要能源.但是,由于煤、石油和天然气等矿物资源是不可再生的,这些资源是有限的,正面临着逐渐枯竭的危险,因此它们不是人类所能长久依赖的理想资源,开发利用生物质能可以明显缓解环境危机和能源危机.但是,我国生物质致密成型技术和炭化技术的研究、开发起步较晚.

燃料挤压成型机是指以农村的玉米秸秆、小麦秸秆、稻草、稻壳等废弃的农作物为原料,经过粉碎后加热、加压,无需添加任何添加剂和粘结剂,生产成型秸秆燃料.生物质固态燃料成型常用到的技术有螺旋挤压、活塞压缩两种热压成型技术和辊压成型这一种冷压成型技术.生物质挤压成型机有多种形式,常用的有单螺杆挤压机和双螺杆挤压机.

双螺杆挤压机较单螺杆挤压机具有许多优点.双螺杆挤压机的表观传送角是单螺杆挤压机的3倍,这使得双螺杆挤压机比单螺杆挤压机输送物料的能力大.双螺杆挤压机靠正位移原理输送物料,不可能有压力回流,所以加料容易.双螺杆挤压机螺纹槽中剪切率均匀、滞留时间分布较窄及混合度增加,使加工的均匀性提高,较单螺杆挤压机的热交换能力大得多.双螺杆挤压机有较好的排气性能,有利于产品质量的稳定,还具有自清理功能,可避免发生降解.

1 双螺杆的分类

双螺杆的分类很多,可以从不同的角度进行分类:(1)按螺杆旋转方向,分为同向旋转型、异向旋转型,其中异向旋转又分为向内旋转和向外旋转两种;(2)按螺杆中心线平行与否,分为圆柱形双螺杆、锥形双螺杆;(3)按螺杆啮合的相对位置,分为啮合型、非啮合型,其中啮合型按其啮合的程度分为全啮合和部分啮合.

下面对这几种形式的挤出机的应用场合作比较,确定合适的螺杆类型.

同向旋转双螺杆挤出机:一般多是圆柱形的.螺杆转速较高,原料在啮合型同向旋转的螺槽中成“∞”字形螺旋流动,改变了料流方向,促进了物料的混合和均化.但是,其正位移输送能力差,输送物料效率低,熔料压力较小,而且压力的稳定性也较差,所以很少用这类挤出机成型制品,主要用于挤出造粒.不过其具有很好的自清理效果.

异向旋转圆柱形双螺杆挤压机:工作中的输送能力和产生的熔料压力都比较大,且转速低,可防止“压延效应”的产生.长径比的可塑性是平行双螺杆的优势,它可根据成型条件的差异,增大和减小长径比以适应原料加工工艺要求,可以扩展平行双螺杆的适用范围,但这点锥形双螺杆挤出机是难以做到的.

异向旋转锥形双螺杆挤压机:螺杆尾部的轴承部位空间较大,故承受螺杆工作轴向力的轴承规格较大,所以大工作扭矩、大承荷能力是锥形双螺杆挤出机的一大特点,这是平行双螺杆挤出机无法比拟的.异向锥形双螺杆挤压机具有广泛的加工范围,加料段的螺杆直径较大,可对物料进行连续的压缩,尤其适合于比较蓬松的、堆积密度较低的生物质材料.挤出段的直径小,剪切力小,有利于保持植物纤维的完整性.当锥形螺杆直径大于80 mm时,一般多改用圆柱形双螺杆,因为锥形螺杆制造难度大.

综合以上对几种双螺杆挤压机应用特点的分析,最终确定为异向锥形双螺杆,虽然制造成本高,但是其能适应较大的机头压力,可以确保得到高压缩比的生物质固态燃料,足以保证制品的密度和强度.

2 锥双螺杆的类型和主要参数的确定

异向锥形双螺杆挤出机自1967年问世以来,其螺杆基本结构先后经历了3种型式:普通型(CM)、双锥形(CMS)、高效(超)双锥形(CMT).CM型目前已基本淘汰,CMT的螺杆长度比CMS长,这样可以加大加料段的加热面积,使物料更好地吸收热量,加快升温,且螺杆大端与小端直径之比大于2,加大了加料段的剪切和加热面积.CMT型可以有效提高挤出量,达到提高生产效率的目的.所以,确定锥螺杆的类型为高效双锥形.

图1 产量Q与螺杆小端直径D小的关系曲线

2.1 小端直径的确定

锥形双螺杆挤出机的螺杆小端外直径为25~92 mm.根据我国挤出机的螺杆直径标准规定,挤出机螺杆直径应按标准选取.通过大量数据统计得出产量Q与螺杆小端直径D小的关系如图1所示[1].

为获得较高的产量,初步确定螺杆小端直径D小为60 mm.

2.2 长径比L/Dm

螺杆的长径比是代表挤出机性能的一个主要参数.锥形双螺杆的长径比定义为螺杆的有效长度L与螺杆的平均直径Dm之比,即L/Dm,其值一般为12~15.

要使机器达到高的挤出速率,挤压机的机型不可能太小,而为了使物料达到稳定的高速挤出,物料在机筒中必须有一定的停留时间,因此须加大螺杆的长径比.最终确定双螺杆的长径比L/Dm为15.

2.3 大端直径Dmax的确定

确定了螺杆的长径比之后,根据式(1)来计算锥螺杆大端的直径:

L/D=L/[(Dmin+Dmax)/2]=15

(1)

计算得出D=130mm.

2.4 内锥角ζ和外锥角ε、中心线锥角θc

螺杆外径与螺杆轴线所成的夹角称为外锥角,螺杆根径与螺杆轴线所成的夹角被称为内锥角.由于螺杆的两个锥角是不同的,故称之为双锥形螺杆,外锥角根据螺纹大小端直径和有效长度L计算:

(2)

锥形双螺杆的内锥角ζ和ε,通常分别为1°~2°.选取内锥角ζ为1.25°.

对于全啮合双螺杆来说,上面螺杆的螺棱必须与下面螺杆的螺槽相啮合,即在一条直线上,因而与水平线的夹角相等,有:

(3)

由此可以得到中心线锥角为1.3°.

2.5 螺棱断面

目前,常见的螺棱断面形状有矩形断面,锯齿形断面和梯形断面、如图2所示.

图2

矩形形式螺杆应力变化梯度最大,在螺槽与螺棱的交接处应力值达到最大,螺杆承载能力最差,锯齿形次之,梯形承载能力最好.增加过渡圆角后螺槽与螺棱交界处的应力明显降低,但不能一味地加大过渡圆角.根据相关资料得知,当圆角半径大于5 mm时,随着半径的增大,螺杆最大应力变化不大.但从加工工艺和螺槽截面积两方面综合考虑,圆角半径一般为4~6 mm时结构较为合理.考虑到秸秆的流动性不是很好,本文设计确定的螺棱断面为梯形,过度圆角为6 mm.

2.6 螺纹升角的确定

实验证明,对于单螺杆,物料形状不同对螺纹的螺纹升角要求也不一样.φ=30°左右适用于粉料,17°左右适于圆柱料,15°左右适于方块料.双螺杆的螺纹升角比单螺杆的螺纹升角要小些,一般在15°左右.考虑到选用的螺杆为锥形双螺杆,需相互配合且不干涉,故螺纹升角确定为13°.

2.7 螺杆转速n

异向啮合双螺杆挤出机一般适合在较低速度下运转,以免在啮合区产生过大的压力.锥形双螺杆的转速一般低于50 r/min,大型机在35 r/min左右,中型机在40 r/min左右,小型机为45~80 r/min.

根据锥形双螺杆转速n与螺杆小端直径D小的关系,可得出螺杆转速n与螺杆小端直径D小关系式:

(4)

根据计算结果并结合有关塑料挤出机的规格参数,最终确定锥形双螺杆的转速n为42 r/min.

3 锥双螺杆的结构

螺杆的各个参数确定之后,可以获得如图3所示的锥形双螺杆.

图3 锥形双螺杆

该锥形双螺杆分为3个功能段:加料段、排气段和挤出段,其中各功能段的有效长度按所占的比例确定,加料段和挤出段的螺距相等.物料经过加料口进入料筒,随着螺杆的旋转而向前移动并逐渐被加热.加料段主要用于输送原料,所以该段的螺槽较深.排气段是为了使物料中的气体更好地排出,使物料可以被压得更紧密,考虑到这些因素,排气段的螺槽宽度较大.挤出段将物料近一步压实,进入机头,进而成型为管状秸秆燃料.

4 结束语

我国是一个农业大国,秸秆资源丰富,但是由于技术的限制,利用率很低,大部分被焚烧,严重污染了大气环境.将锥双螺杆应用于生物质燃料挤压成型机,成型燃料,变废为宝,既减轻环境压力,也减少了能源的浪费,将来有很大的发展空间.

参考文献

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