秸秆燃料成型机平模失效机理及改进方案探讨

徐凯宏，刘晓蕾，米雅婷

(东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150040)

世界能源结构中，煤炭占21%，石油占20%，天然气占23%，核能占14%，可再生能源占22%［1］，而生物质能源是唯一一种可再生的碳源［2］。生物质能源是植物通过光合作用将太阳能转换并存储为化学能［3］。农作物秸秆资源量巨大，然而大量的农作物秸秆并没有相对成熟的产业化应用模式，导致每年数亿吨的秸秆浪费，同时焚烧秸秆严重污染了大气。20世纪初，秸秆燃料成型机相继应运而生［4］，很大程度上解决了秸秆浪费，环境污染的问题。平模成型机作为秸秆燃料成型机的主要设备之一，结构简单，成本低廉，适用于农村区域生物质燃料加工生产［5］。由于多种失效原因，平模成型机在生产过程中，往往达不到理论生产能力值，造成产量降低，能耗损耗增加等问题，因此，探讨秸秆燃料成型机平模失效机理及改进方案十分必要。

1 秸秆燃料平模成型机的工作原理

秸秆燃料平模成型机的核心部件是压辊和平模，压辊随着主轴的驱动产生转动，同时与物料摩擦产生转动，平模上有模孔，压辊将物料压入平模模孔［6］。在一定的压力和温度下，压制为成型生物质燃料，压辊与平模间的压制如图1所示。

平模成型机由电动机、传动装置、主轴、平模、压辊、进出料口、切刀等部分组成。物料由进料口进入机器，由电动机带动传动轴转动，通过压辊和平模之间的相对运动，将秸秆物料压实到平模板上，形成最终具有一定形状的生物质燃料，并落入出料口，进入收集装置中。

图1 平模成型结构图Fig．1 The structure of extrusion of flat die

2 平模失效机理研究

从失效形式来看，秸秆燃料成型机平模失效同其它模具的失效形式类似，主要有磨损、断裂、塑性变形［7-8］。北京林业大学的德雪红研究表明，在模具失效原因中，磨损、断裂、塑变所占比例分别为70%、20%、10%［7］。结合秸秆燃料平模成型机实际工作情况，部件本身及加工条件两方面涵盖了平模设备失效原因。

2．1 部件本身

2．1．1 材 料

材料选择不当，造成设备提早报废。根据实际生产经验，秸秆燃料平模成型机设备及各主要部件根据采用的材料不同，使用修复周期见表1。模具选材要根据工作定额等考虑材料的耐磨性、强度、韧性、塑性等。

表1 平模设备使用修复周期Tab．1 The use and maintenance cycle of flat die

2．1．2 模具表面加工质量

平模表面刀痕易造成模具断裂;过烧容易降低模具疲劳强度;电火花造成的“白亮层”容易增加模具脆性。模具表面缺陷不仅造成早期失效还影响加工精度。

2．1．3 压辊及平模结构

影响秸秆燃料平模成型机的主要部件为模具［9］。不同的压辊及平模的设计对寿命置信度有显著影响。王维振［10］应用 AWB的Fatigue Tool模块研究表明，应力随着秸秆在模孔中的运动方向逐渐增大，同时，当物料从模孔中挤出时，秸秆颗粒在挤出模孔时，模孔从从上至下的受力逐渐增大，这为改进平模模孔的设计提供了依据。

2．1．4 部件热加工工艺

部件的热处理主要包括预热处理和最终处理，预备热处理主要是加热温度、冷却速度等的选取;最终热处理主要是制定淬火工艺［11］。热处理环节存在的问题一般为淬火硬度不够、淬硬层深度不够、韧性偏高等。不当的热处理工艺易导致模具变形和开裂，造成部件的早期失效。

2．2 加工条件

2．2．1 物 料

秸秆燃料平模成型机加工物料的粒度、含水率、含杂质情况等均会影响设备的使用寿命和失效时间［12-13］。当粒度过粗时，对模具磨损严重，不利于物料成型;物料的含水率对模具腐蚀磨损有一定影响;含杂可能会导致模具磨损甚至断裂。

2．2．2 模具间隙和速度

(1)间隙。模具的装备关键为压辊和平模之间的装配形式，二者之间的间隙过大，不利于形成最终一定形状的燃料;间隙过小，加快了压辊与平模之间的相互磨损，在刚刚启动设备和停止设备初，磨损尤为严重［14］。

(2)速度。压辊与屏幕之间存在滑动和滚动两类摩擦类型，平模转速与主轴的转速相同，通过物料带动压辊围绕轴转动，假设平模转速无n1，压辊转速为n2，若二者不等时，物料将会在平模表面发生滑移位移［15］，对平模和压辊表面造成正反向磨损，影响设备寿命。

2．2．3 润 滑

润滑不良导致设备各零件间摩擦阻力过大，进一步加快了设备的磨损，导致设备功率降低，造成机械损坏［16］。使用有效的润滑油，减少两承载表面之间的摩擦力［17］。

3 改进方案

3．1 材料改进

3．1．1 模具本身材料的选用

国内外模具加工企业在优化模具特性以及新材料的开发利用上作了大量工作。日本大同特殊钢株式会社研制出一款高寿命的热作模具钢DHAWORLD，该材料的夏氏冲击值达到20 J/cm2，淬透性和韧性都得到大幅度提升［18］。国内新兴高效的 模 具 钢 中 3Cr3Mo3W2V、5Cr4W5Mo2V、5Cr4Mo3SiMnVAl的使用将模具使用寿命提高了数倍［19］。河南农业大学的赵兴涛采用氧化铝陶瓷耐磨材料取代秸秆燃料平模车成型机上最易磨损部件收缩成型管，成功实现了500h的工程化测试。睢利铭［20］采用合金结构钢27 SiMn取代45号钢作压辊齿圈材料，同时采用渗透淬火工艺，实验中，压辊的使用寿命长达1 000 h。另外，采用德国、瑞士等将钢二次精炼的方法，也是提高钢坯质量的有效途径。以上新材料的应用都为今后提高平模成型机使用寿命提供了宝贵经验，新型材料的探索始终会是改进平模失效的重要手段。

3．1．2 模具表面强化材料的选用

采用表面强化技术提高设备抗疲劳性，延长寿命。表面强化技术一般有表面淬火、化学热处理、表面覆层等。从原理上讲，表面强化，一是提高表面硬度，二是减小摩擦系数。

(1)提高表面硬度。利用渗碳、渗金属、渗硼、渗硫、氮化、气相沉积等方法在模具表面形成一层金属化合物硬化层，提高表面硬度和耐磨性［21］。

(2)减小表面摩擦系数。当摩擦系数较大时，部件工作接触面之间的滑动极易造成塑性形变，通过使用软氮化、蒸汽处理等方式，在表面形成非金属播磨，较小摩擦系数，改善模具性能［22］。

3．2 工艺改进

3．2．1 关键部件压辊和平模的改进设计

(1)平模改进。杜晓龙等将平模工作面改进为有5度的斜度，更加利于物料利用自身重力下滑，降低模孔堵塞率;同时，将模孔设计成有45°的锥角，方便物料进入模孔;在平模改进中如图2所示，采用5圈模孔交错排布的方式，提高了生产效率和平模的使用寿命［23-24］。

图2 改进后的平模模型Fig．2 The model of improved flat die

王维振经过模孔不同部位受力分析，将模孔改成锥度0．04的锥孔，孔壁厚度随应力分布而改变，有效的增加了安全余量，成为改善平模失效的有效方案。东北林业大学的景果仙［25］采用了分层设计将模具分为上模和下模，较易磨损的上模采用合金钢材料，而下模采用普通的45号钢材料，在不降低模具耐磨性的基础上，有效地降低模具生产成本，该方案为在能源日益紧缺的时期提出了宝贵的意见。

(2)压辊改进。传统的压辊为整体式直辊设计，存在易磨损，失效后更换不便，维修成本较高的问题。有效提高压辊使用寿命的改进措施主要有几点:

①压辊芯和压辊齿圈分离，形成组合式设计，只有压辊齿圈材料使用合金，降低成本;②将压辊齿圈外缘的直齿设计改进为斜齿，增大物料和压辊间的摩擦力，稳定了压辊运行;③通过双列圆锥滚子轴承取代传统的压辊轴承，轴承承载力提升1倍;④采用椎辊设计，比传统的直辊所生产的燃料更加光滑紧密，工作噪音更小，使用寿命更长。

3．2．2 热处理工艺的改进

针对部件加工中出现的表面氧化脱碳问题，采用真空淬火设备进行热处理，提高部件的硬度和耐磨性。另外，进行二次精炼也是提高加工零件强度的有效途径。生产过程中，根据材料不同，选用最为合适的热处理工艺尤为重要。如生产Cr12MoV模具时，恰当的热处理工艺为:①加热至650℃，消除内应力退火;②800℃ ～820℃预热保温3小时;③1 020℃ 淬火;④500℃回火;⑤990℃淬火;⑥200℃ 回火［26-27］。

4 结束语

秸秆燃料成型平模失效机理主要有部件本身和加工条件两大方面，从根本上避免成型机失效是不切实际的，从模具加工设计、设备使用过程以及日常维护入手，进行全面科学地管理和改进，才是延长设备寿命，增强耐磨性，尽可能使秸秆成型机实际生产在过程中的使用寿命接近理论生产能力值。

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