秸秆燃料挤压成型机的设计

吴 飞，王家珂，徐颖梅

(扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225127)

0 引言

随着农业生产水平的不断提高，农村能源紧张越加严重，传统能源利用方式已经难以满足中国农村的发展需求。针对这一现状，本文设计了一款新型秸秆燃烧挤压成型机, 通过对螺杆、套筒和模头的结构及尺寸的改良，从而降低了成本，提高了秸秆成型机的使用寿命，促进了挤压成型机和新能源的发展。

1 总体结构及工作原理

本文设计的秸秆燃料挤压成型机结构示意图如图1所示，它主要由轴承盖1、轴2、漏斗3、螺杆4、套筒5、模头6、底座以及安装在底座内的电机7、小带轮8、大带轮9组成，套筒5水平安装在底座上方，套筒5的前端安装模头6，尾端安装轴的轴承盖1，螺杆4尾端与轴2的前端连接，并水平安装在套筒5内，轴尾端穿过轴承盖1与大带轮9相连，大带轮9通过皮带与小带轮8相连，小带轮8与电机的转轴端相连。

1-轴承盖；2-轴；3-漏斗；4-螺杆；5-套筒；6-模头；7-底座以及安装在底座内的电机；8-小带轮；9-大带轮图1 秸秆燃料挤压成型机结构示意图

该秸秆燃料挤压成型机的工作原理是：先将秸秆粉碎成小状物体，置于高温状态下，使秸秆的内部结构和性质发生变化，然后借助挤压机螺杆的推动力将粉碎成小状物体的物料向前挤压，物料在混合、搅拌、摩擦以及高剪切力作用下使木素粒解体，同时机腔内温度和压力升高(温度可达到150 ℃～200 ℃，压力可达1 MPa以上)，接着秸秆颗粒从一定形状的模孔中瞬间挤出，其中游离水分在此压差下急剧汽化，水的体积可膨胀大约2 000倍，秸秆颗粒从高温突然释放到常温常压下，从而使产品定型。

2 螺杆的设计

螺杆是秸秆燃料挤压成型机的重要组成部分，是压力的唯一来源。为了提高产品的挤压效果，本文在螺杆上设有断式螺纹，该螺纹采用梯形的阿基米德螺线形式。如图2所示，采用等螺距变深螺杆，也就是通过改变螺杆直径来获得压缩比，实现对物料的输送和挤压。

图2 螺杆

螺杆基本参数的确定：

(1) 螺杆转速n：本例采用n=300 r/min。

(2) 螺杆外径Ds：螺杆直径一般是根据产量来确定的，但这个问题比较复杂，因为挤出机的产量不仅取决于螺杆直径，而且与螺杆转速、机头压力、熔料黏度、螺旋槽深度等螺杆几何参数有着直接关系，所以螺杆直径的确定需要根据有关挤出理论和实践经验进行综合分析计算。

本系统螺杆直径使用简化的生产率公式来计算：

(1)

其中：Q为秸秆生产能力，在此取250 kg/h；β为综合影响系数，取为0.005。

将相关参数代入式(1)计算得：Ds=12.9 mm,取标准值Ds=13 mm。

(3) 螺杆各段长度确定:取螺杆长径比L/Ds=6，则螺杆总长L=6×13=78 mm。其中，进料段长度L1=25%L=25%×78=19.5mm；均化段长度L2=50%L=50%×78=39 mm；挤压段长度L3=25%L=25%×78=19.5 mm。

(4) 螺槽深度:根据经验值取15 mm。

(5) 导程I:指在螺纹或蜗杆中同螺旋线上相邻对应点的轴向距离。因为本机采用等螺距变深螺杆，因此选取导程I=30 mm。

(6) 螺旋角θ：指螺纹和垂直于螺杆轴线的平面之间所形成的夹角。根据经验取θ=10°。

(7) 螺道的轴向宽度B： 是指沿螺杆轴向量取的螺槽宽度。本次设计B取25 mm。

(9) 螺纹的轴向厚度b:指在螺杆直径处测得的螺纹厚度，即：

b=I-B=30-25=5 mm.

(10) 螺纹厚度e:指垂直于螺纹面测得的螺纹厚度：

e=b·cosθ=5×cos10°=5 mm.

(11) 螺杆直径间隙2δ：指套筒内径和螺杆直径之差，取2δ=0.8 mm。

3 套筒和模头的设计

套筒结构如图3所示，套筒内径为55.8 mm,套筒壁厚为30 mm。套筒和螺杆共同组成了挤压机的挤压系统，完成对物料的固体输送、熔融和定压定量输送。在挤压机套筒的内壁刻有螺旋倒槽，其螺旋方向与螺杆旋转方向恰好相反。这样套筒会增加螺杆带动秸秆转动时的阻力，增加其压力，从而使秸秆成型物的密度更大。套筒出料的前端通过螺钉和模头(如图4所示)相连，模头上有不同形状的孔，从而使秸秆挤压成型。模头由极耐磨的材料组成，常用的材料有铬钢、青铜合金、聚四氟乙烯等。本设计采用聚四氟乙烯材料，价格低廉，耐磨性也较好。

图3 套筒

图4 模头

4 加热与冷却装置的设计

加热与冷却是挤压加工过程顺利进行的必要条件。伴随着螺杆的快速旋转挤压、外加热功率以及挤压系统周围介质的温度变化，机筒中的温度也会随之发生相应的改变。为使秸秆物料温度始终能够处于机加工工艺所要求的范围之内，通常采用电阻或者电感应加热以及水冷却装置来不断调节机筒的温度。

5 切割装置和控制装置的设计

挤压加工系统中常用的切割装置为端面切割器，切割刀具旋转平面与模板端面平行。通过调整切割刀具的旋转速度和挤压产品的线速度来获得所需挤压产品的长度。根据切割器驱动电机位置和割刀长度的不同，可将其分为飞速切割器和中心切割器两种。飞速切割器的电机装在模板中心轴线外面，割刀臂较长，以很高的线速度旋转；中心切割器的刀片较短，并绕模板装置的中心轴线旋转。

控制装置包括微电脑、传感器、显示器和仪表，用于控制电机，使其满足所需的转速，并保证各部分协调运行；通过控制温度、压力和位置，实现整个挤压加工系统的自动控制。电机选用Y160M-6型电机，额定功率为7.5 kW，转速为970 r/min，效率为86%。

6 结论

本文所设计的秸秆燃料挤压成型机改善了原挤压成型机所存在的使用寿命较短的问题，相对于市场上普通秸秆燃料挤压成型机具有结构简单、操作方便、便于维修、成本低廉等特点，更加适合农村的个体户和一些乡镇小型企业使用。