平模制粒机加工生物质燃料的工作特性分析（三）

平模制粒机加工生物质燃料颗粒的特性探讨

 

    在加工生物质燃料颗粒的过程中，我们发现，平模制粒机的各工作部件表现出以下特性：

 

    1 喂料特性

 

    物料进入平模机的第一个工位是喂料室，喂料室起到缓存物料和喂料的作用，完成物料向磨辊楔形攫取角的喂入。喂料室有两个特点，一是喂料空间广阔，为专门挤压生物质原料的大直径压辊提供了空间，也为蓬松的生物质原料提供了喂料空间；二是靠重力作用直接喂料的原理高效实用。

 

    像如锯末、树枝、树杈粉碎料和秸秆粉末这一类生物质原料,粗纤维含量高，质轻而蓬松，不易喂入。宽敞的喂料室，首先能为物料提供广阔的喂料空间。其次能允许配备大直径压辊，从而增大攫取角，增强对粗纤维物料的攫取能力。据测算，锯末原料容重约为200kg/m3,孔隙率为75%左右，物料本身轻而蓬松，制成颗粒时压缩比在6以上，这就对喂料空间提出了较高的要求。平模机具有宽敞的喂料室，以PM60平模机为例，其有效喂料容积约120dm3，单次喂料可达24kg，完全能满足机器需求。

 

    其次，物料喂入的过程是在重力作用下自然下落的过程。不需要强制喂入，原料便可直接落到适合挤压的工位上。这种喂料方式明显优于环模制粒机，环模机工作时，对应不同的物料都需要探索相应的导料板参数，物料性质稍有改变，导料板就得改变，这就限制了环模机对原料的适应性。

 

    2平模特性

 

    在动辊式平模制粒机中，平模被固定在机座上，物料从静止的模孔中挤出，被切刀切断后形成颗粒。而环模制粒机中，环模是旋转的，旋转的环模常常把颗粒甩在机壳上，部分颗粒被摔碎，成型率下降。因此平模制粒机中平模静止的工作方式有利于颗粒成型率的提高。

 

    作为制粒机的核心工作部件，平模的结构参数是否合适直接决定了颗粒质量的优劣。加工不同的物料，应当配备不同的模板。模板的开孔面积，模孔尺寸，模孔排布方式等要素都是决定制粒性能的重要因素。模孔长径比越小，产量越大，但是颗粒密度越小、质量也越差。长径比过大，则容易堵机。从实践经验看，用同一种原料生产相同规格的产品，平模厚度要比环模的小许多。

 

    与环模相比，平模的优势在于结构简洁，体积紧凑，能正反使用，成本低廉。模板是易磨损件，需要定期更换，平模结构的对称性决定了模板双面可用，一面磨损量过大后，可以将模板反装，这大大提高了平模的使用寿命。易损件寿命的提高有助于降低生产成本。

 

    3压辊特性

 

    压辊方面，平模机压辊的特点是转速较低、直径大，与某些型号的环模机相比，其转速甚至不到环模压辊的一半，而较大的直径可以增大压辊的攫取角。这使工作中的压辊对物料有较强的攫取力，并且降低了打滑的可能性。

 

    但是工作中的压辊并非整体在做纯滚动，从其轴向上看，压辊的里侧与外侧都会发生滑动，这种滑动作用是平模机的工作原理决定的，并不因物料的改变而改变。笔者认为，滑动作用的存在，固然在一定程度上加快了压辊的磨损，但是客观上却增强了制粒机的挤压性能，使平模制粒机在加工含粗纤维较多的生物质原料方面成为佼佼者。下面将从运动分析和受力分析方面对滑动作用进行讨论。

 

    以图4所示的顺时针旋转的压辊为例，平模制粒机工作时，压辊上必定存在一条纯滚动的圆周线H，在纯滚动线H内侧，压辊发生超前性滑动，称之为滑转滚动；在纯滚动线外侧，压辊发生滞后性滑动，称之为滑移滚动。

 

    在压辊与物料接触的任意点A，其受力如图4所示，因挤压物料而收到物料施加给压辊的反作用力N,N大小随 变化而变化，但总是沿半径指向圆心方向；压辊与物料之间还可能存在摩擦力F，F必定沿切线方向，但指向有待讨论。

 

    当机器进入稳态时，压辊处于平衡状态，建立如图所示的柱坐标系，以磨辊轴心为Z轴，磨辊最外截面圆心为Z轴0点，以竖直方向半径为角坐标0点。因平模压辊的自转是从动的，不存在驱动力矩，故其自身力矩之和为零，可以得到其力矩平衡方程：

 

    显然，③式右侧表示滑转滚动区的合力矩，左侧表示滑移滚动区合力矩,两个合力矩等大反向。在滑转滚动区，磨辊因转速较快，相对于物料产生滑动，因此力F沿切线指向上，合力矩方向为逆时针，则由力矩平衡关系可推得，③式左边描述的滑移滚动区所受合力矩必定为顺时针方向，因此该区内的大部受力点所受摩擦力F应沿切线指向下方（如图4所示）。

 

    明确了压辊的受力情况，就可以分析物料受力，物料受力情况如图5所示，在磨辊挤压物料的任意一点B，物料受压辊对其施加的力 与 ,分别为 和 的反作用力。在与平模接触的平面，物料受到水平方向上的摩擦力S和铅直方向上的支撑力T。则物料受力的平衡方程为：

 

    从上述的压辊运动情况和物料受力情况我们可以作出以下分析：

 

    （1）从上面三组平衡式的对比可以看出，产生滑转滚动和滑移滚动的时，与纯滚动相比，相当于在竖直方向和水平方向对作用力进行了重新分配。从式④可以看出，在滑移滚动区，物料在水平方向上受力增加，因此水平方向的挤压作用增强。从式⑨可以看出,在滑转滚动区，物料在竖直方向上受力增加，竖直方向的挤压作用增强。两种滑动作用的效果并不是消极的。

 

    （2）由运动分析知，在滑转滚动区，压辊产生超前性滑动，因此对平模径向上单位长度的物料而言，在压辊上的挤压行程增加，这相当于在竖直方向增长了物料的预压缩行程。在滑移滚动区，压辊产生滞后性滑动，对于平模径向上单位长度的物料，在平模上的挤压行程增加，相当于在水平方向上增长了预压缩行程。这就能解释为什么环模制粒机和平模制粒机加工相同原料、相同规格的产品时，平模机的模板厚度远薄于环模厚度：尽管二者都是模板挤压制粒，但平模机的两种滑动作用相当于增加了物料的压缩行程。

 

    （3）从式④、⑤和式⑧、⑨可以看出，两种滑动作用导致了摩擦力的产生，摩擦力F使压辊和物料之间产生了两种剪切作用。滑转滚动区的超前性滑动使磨辊在竖直方向对物料产生了较强的剪切作用，这种剪切作用越靠近模板中心越明显。滑移滚动区的滞后性滑动使磨辊在水平方向对物料产生了较强的剪切作用，这种剪切作用越远离模板中心越明显。

 

    试验时从出料口往里观察，我们发现平模的中间几圈模孔出料快，越是里圈和外圈的模孔，出料越慢。如果卸掉切刀观察，中间几圈的物料被挤出较短的长度就会断裂、坠落。而里圈和外圈的模孔中挤出的物料不易自动断裂和坠落，有许多甚至长至200mm以上才脱离模板。这是因为，由于两种剪切作用的存在，模板内侧和外侧的物料受较大剪切力，物料粒子被充分地揉切、撕裂进而充填、嵌合，所以越是两侧，成型颗粒质地越密实，出料越缓慢。平模机之所以在加工粗纤维含量较多的物料时具有优越的性能，也正是因为这两种较强的剪切作用对物料进行了充分的预处理。

 

    （4）滑移滚动和滑转滚动的存在会导致压辊平模等零件的磨损程度增加，但在设计时可将平模设计成对称结构，能够正反使用用，这将有效降低易损件成本。

 

    4 结语

 

    随着人们环保意识的增强以及国家环保工作力度的增加，社会对清洁的替代能源的需求越来越迫切;今年中央1号文件明确规定“推进以非粮油作物为主要原料的生物质能源研究和开发”;发展生物质颗粒燃料符合国策，顺应民意。性能优异稳定的成型机在生物质燃料颗粒成型过程中扮演着重要的角色。结合太阳能干燥工艺，利用PM60型平模制粒机加工锯末、锯末秸秆混合料等生物质燃料颗粒，成型率在93%以上，吨电耗在55千瓦时以下，小时生产能力在800kg-900kg左右。从试验结果和理论分析来看，平模制粒机是加工生物质颗粒燃料的理想机型。