活塞沖壓式成型
顆粒機(jī)按驅(qū)動(dòng)動(dòng)力不同可分為機(jī)械活塞沖壓式和液壓活塞沖壓式兩大類。機(jī)械活塞沖壓式成型顆粒機(jī)是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)慣性飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，利用慣性飛輪儲(chǔ)存的能量，通過曲軸或凸輪將飛輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械活塞沖壓式成型顆粒機(jī)按成型燃料出口的數(shù)量多少可分為單頭、雙頭和多頭沖壓成型。液壓活塞沖壓式成型顆粒機(jī)是利用液壓油泵所提供的壓力，驅(qū)動(dòng)液壓油缸活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞移動(dòng)推動(dòng)沖桿使生物質(zhì)沖壓成型。按油缸的結(jié)構(gòu)形式不同可分為單向成型和雙向成型，按沖壓成型燃料出口的數(shù)量多少又可分為單頭、雙頭和多頭沖壓成型。
1、結(jié)構(gòu)組成與工作過程
機(jī)械活塞沖壓式成型顆粒機(jī)主要由喂料斗、沖桿套筒、沖桿、成型套筒（成型錐筒、保型筒、成型錐筒外套）、夾緊套、電控加熱系統(tǒng)、曲軸連桿機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、飛輪、曲軸箱、機(jī)座、電動(dòng)機(jī)等組成。
成型顆粒機(jī)第1次啟動(dòng)時(shí)先對(duì)成型套筒預(yù)熱10～15 min，當(dāng)成型套筒溫度達(dá)到140℃以上時(shí)，按下電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)按鈕，電動(dòng)機(jī)通過V形帶驅(qū)動(dòng)飛輪使曲軸（或凸輪軸）轉(zhuǎn)動(dòng)，曲軸回轉(zhuǎn)帶動(dòng)連桿、活塞使沖桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。待成型顆粒機(jī)潤(rùn)滑油壓力正常后，將粉碎后的生物質(zhì)原料加入喂料斗，通過原料預(yù)壓機(jī)構(gòu)或靠原料自重以及沖桿下行運(yùn)動(dòng)時(shí)與沖桿套筒之間產(chǎn)生的真空吸力，將生物質(zhì)吸人沖桿套筒內(nèi)的預(yù)壓室中。當(dāng)沖桿上行運(yùn)動(dòng)時(shí)就可將生物質(zhì)原料壓人成型腔的錐筒內(nèi)，在成型錐筒內(nèi)壁直徑逐漸縮小的變化下，生物質(zhì)被擠壓成棒狀從保型筒中擠出成為實(shí)心棒狀燃料產(chǎn)品。
2、主要工作部件
1)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
機(jī)械活塞沖壓式成型顆粒機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要作用是傳遞成型動(dòng)力。多采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)或凸輪機(jī)構(gòu)，曲軸或凸輪軸的兩端設(shè)有一個(gè)或兩個(gè)大飛輪，由電動(dòng)機(jī)的V形帶減速驅(qū)動(dòng)，飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)連桿和活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使生物質(zhì)獲得成型所需要的動(dòng)力。曲柄連桿機(jī)構(gòu)或凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳遞，效率高，可實(shí)現(xiàn)多頭成型；采用V形帶傳動(dòng)時(shí)減速裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)或偶遇阻力增大時(shí)起滑轉(zhuǎn)緩沖作用，但是必須保證動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
2)沖桿
沖桿和活塞通過螺栓聯(lián)結(jié)起來，并隨活塞一起做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其作用是直接用來沖壓原料，使其成型。沖桿頭又是沖桿的關(guān)鍵部位，在壓力作用下直接沖壓原料，它與原料主要是端面接觸。曲軸或凸輪軸轉(zhuǎn)一周，帶動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，對(duì)原料沖壓一次，沖桿相鄰兩次沖壓后，原料結(jié)合面之間的結(jié)合力取決于沖桿頭部端面的形狀。為了提高沖壓后原料結(jié)合面之間的結(jié)合力，使成型后的燃料產(chǎn)品呈連續(xù)棒狀，根據(jù)沖桿的直徑大小在沖桿頭部端面安裝一個(gè)或多個(gè)錐狀突起物，即可保證成型后的燃料產(chǎn)品呈連續(xù)棒狀。
沖桿與原料以端面接觸，產(chǎn)生的機(jī)械磨損很小，材料選用45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼即可。為保證成型棒連續(xù)，沖桿頭可以加工成活動(dòng)部分，以適應(yīng)不同原料的成型和磨損后的更換。
3)沖桿套筒
前端連接成型套筒，上方某個(gè)部位開口連接喂料斗，后端與曲軸或凸輪箱體相連接。沖桿套筒的作用一是安裝喂料斗，保證進(jìn)料量，完成進(jìn)料預(yù)壓。當(dāng)沖桿移動(dòng)到物料完全封閉在沖桿套筒內(nèi)到成型套筒的結(jié)合端，沖桿套筒內(nèi)生物質(zhì)原料的密度開始逐漸增加，直到?jīng)_桿移動(dòng)到上止點(diǎn)，密度達(dá)到最大，由于沖桿的快速?zèng)_壓，沖桿套筒這一端的內(nèi)孔容易造成快速磨損。二是作為沖桿的往復(fù)軌道，與沖桿呈間隙配合。該間隙不宜太大或太小，間隙太小時(shí)，沖桿與沖桿套筒之間會(huì)形成金屬間直接刮擦磨損甚至黏連，造成沖壓阻力增加，耗能增加；間隙太大時(shí)，間隙中容易進(jìn)入細(xì)小的生物質(zhì)顆粒，這些細(xì)小顆粒在間隙中受到擠壓后，易黏附在沖桿表面和沖桿套筒內(nèi)壁之間，同樣會(huì)造成沖桿往復(fù)沖壓阻力增加。沖桿與沖桿套筒合適的間隙應(yīng)為1～2 mm。
沖桿套筒上喂料口前后部分內(nèi)孔的磨損是不相同的，前部?jī)?nèi)孔的磨損很小，后部?jī)?nèi)孔的磨損向后逐漸增大，沖桿套筒的基體部分材料可選用45號(hào)鋼。沖桿套筒后部?jī)?nèi)孔可以加工成活動(dòng)套筒鑲嵌沖桿套筒后部?jī)?nèi)孔中，以便磨損后更換，活動(dòng)套筒材料的選用可參照成型錐筒的材料選用。
4)成型套筒與夾緊套
成型套筒與沖桿套筒法蘭連接，成型套筒包括成型錐筒外套、成型錐筒以及保型筒。成型錐筒和保型筒安裝在成型錐筒外套里面，成型錐筒的大孔徑端與沖桿套筒內(nèi)孔過渡連接，成型錐筒的小孔徑端與保型筒內(nèi)孔過渡連接。保型筒前端徑向開有長(zhǎng)槽，末端裝有夾緊套，通過調(diào)節(jié)夾緊套上的螺栓來微調(diào)保型筒末端內(nèi)徑的大小，因而可滿足不同原料對(duì)成型壓力的要求。
在機(jī)械活塞沖壓式成型顆粒機(jī)上，由于曲柄或凸輪的轉(zhuǎn)速較高，成型物料與成型套筒孔壁的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度更快，成型錐筒的磨損速度比液壓活塞沖壓式成型顆粒機(jī)上的快一些，成型錐筒的材料可選用40Cr或50Cr合金結(jié)構(gòu)鋼，保型筒的材料可選用30Cr加工。
5)加熱圈與電控拒
加熱圈安裝在成型錐筒外套與成型錐筒對(duì)應(yīng)的部位，用于啟動(dòng)時(shí)對(duì)成型錐筒的生物質(zhì)預(yù)熱，正常成型時(shí)用來保持穩(wěn)定的成型溫度。電控柜用于控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和加熱溫度的自動(dòng)控制。
3、成型顆粒機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題
1)成型顆粒機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)問題
成型棒常溫成型所需的成型壓力為1300～1400kg/cm2，熱壓成型所需的成型壓力為500～600 kg/cm2 0隨成型棒截面面積的增加，成型所需總壓力也增大，成型過程中若加熱溫度變化幅度太大，所需成型壓力也隨之變化，在這樣大的成型壓力波動(dòng)之下，要求飛輪必須儲(chǔ)備足夠的能量，組成曲柄（凸輪）連桿動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)的各組件必須要有足夠大的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，以保證各組件的強(qiáng)度和剛度。為利于成型以及使成型顆粒機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，飛輪應(yīng)有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或設(shè)計(jì)成雙飛輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。
2)成型溫度與“放炮”問題
秸稈生物質(zhì)的成型受諸多因素的影響，如原料種類、粒度、含水率、成型壓力、成型溫度、成型錐筒的形狀尺寸等。在保證成型壓力的前提下，提高物料溫度，利于改善成型效果，因此在成型啟動(dòng)階段要適當(dāng)預(yù)熱，以便在沒有摩擦熱維持的情況下，達(dá)到必要的成型溫度。當(dāng)工作正常后，由電控裝置自動(dòng)控制成型溫度，成型溫度過高、原料含水率太高、成型顆粒機(jī)沒有進(jìn)料的運(yùn)行等都有可能出現(xiàn)“放炮”現(xiàn)象。“放炮”后，成型錐筒和保型筒內(nèi)的原料從保型筒爆出，必須在保型筒出口設(shè)遮擋護(hù)罩以保證安全。減少“放炮”現(xiàn)象的辦法很簡(jiǎn)單，一是控制好成型溫度不能過高，一般為160～220℃；二是控制原料的含水率不能太高，一般為10%～15%；三是成型顆粒機(jī)停機(jī)或運(yùn)轉(zhuǎn)不進(jìn)料時(shí)不要加熱；最后是在成型錐筒內(nèi)開放氣槽、加工放氣孔或分兩瓣加工成型錐筒等，就可避免出現(xiàn)“放炮”現(xiàn)象(周佩成和安立人，1995)o
3)成型部件磨損問題
為使成型顆粒機(jī)適應(yīng)多種物料的成型，成型錐筒內(nèi)壁的曲面形狀應(yīng)能滿足多種生物質(zhì)原料成型工藝的要求，保型筒應(yīng)有足夠的長(zhǎng)度且末端孔徑可調(diào)節(jié)。與其他類型的成型顆粒機(jī)相比雖然成型錐筒的使用壽命已經(jīng)較長(zhǎng)，但在這類成型顆粒機(jī)上成型錐筒仍是磨損速度最快的部件。成型錐筒與沖桿套筒后部?jī)?nèi)孔部分都可以采用活動(dòng)套筒鑲嵌的方式裝配，可選用同一種材料，磨損后可單獨(dú)更換，減少維修費(fèi)用。
4)密封問題
沖桿與活塞頂端法蘭連接，由于沖桿與活塞的直徑有較大差異，活塞在缸套中往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞頂部缸套內(nèi)會(huì)伴隨有真空度的變化，活塞下行時(shí)有利于原料自動(dòng)吸入沖桿套筒，但也容易造成原料顆粒通過沖桿與沖桿套筒的間隙吸人缸套潤(rùn)滑系統(tǒng)內(nèi)。在活塞上行時(shí)也容易引起物料的泄漏，粉狀顆粒進(jìn)入大氣，污染工作環(huán)境。吸進(jìn)缸套內(nèi)容易污染潤(rùn)滑油造成磨損，并最終影響系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。在缸套頂部引出一個(gè)孔并安裝儲(chǔ)氣筒可解決這一問題，若沖桿與活塞的直徑一致可以省去儲(chǔ)氣筒。從沖桿套筒部位將活塞驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與進(jìn)料、成型套筒通過對(duì)沖桿良好的密封，或從結(jié)構(gòu)上分隔為兩個(gè)獨(dú)立的空間是解決密封問題最好的方法。
4．主要技術(shù)性能與特征
機(jī)械活塞沖壓式成型顆粒機(jī)的生產(chǎn)能力較大，由于存在較大的振動(dòng)負(fù)荷，噪聲較大，機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定性較差，潤(rùn)滑油污染也較嚴(yán)重。
機(jī)械活塞沖壓式成型顆粒機(jī)的主要技術(shù)性能與特征參考范圍見下表：
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技術(shù)性能與指標(biāo) |
參考范圍 |
說明 |
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原料粒度/mm |
5～20 |
成型棒直徑大，原料粒度可選大一些，原料粒度小，成型效果好，但粉碎耗能增高 |
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原料含水率/% |
10～15 |
原料含水率過高易“放炮”，過低會(huì)增加成型阻力，使耗能增加，成型效果變差 |
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產(chǎn)品直徑/mm |
50～80 |
一般呈實(shí)心棒狀 |
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產(chǎn)品密度/（g/cm3） |
0.9～1.3 |
密度不宜太大，否則會(huì)使成型耗能劇增 |
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成型溫度/℃ |
160～220 |
成型溫度不宜太高，一般不大于280℃ |
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生產(chǎn)率/（t/h） |
0.5～1 |
單頭生產(chǎn)率較低，多頭成型生產(chǎn)率較高 |
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單位產(chǎn)品能耗/（kw·h/t） |
40～70 |
與原料種類有關(guān)，“熟料”成型能耗可大大降低 |
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曲柄的轉(zhuǎn)速/（r/min） |
250～300 |
在保證成型壓力的條件下，曲柄的轉(zhuǎn)速盡可能選低一些，轉(zhuǎn)速太高成型耗能劇增 |
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成型錐筒使用壽命/h |
600～1000 |
灰鑄鐵使用壽命短，合金材料使用壽命長(zhǎng)，但價(jià)格較高 |
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保型筒使用壽命/h |
＞1500 |
保型筒的使用壽命一般是成型錐筒使用壽命的3倍以上 |
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動(dòng)力驅(qū)動(dòng)形式 |
曲軸或凸輪 |
曲柄連桿機(jī)構(gòu)或凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn) |
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成型方式 |
熱壓成型 |
常采用外部加熱圈加熱，熱壓成型可減小成型阻力，降低成型能耗 |
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減速結(jié)構(gòu) |
V型帶 |
一級(jí)減速傳動(dòng)采用V形帶居多，若要求傳動(dòng)比增大，可選用減速器驅(qū)動(dòng) |
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上料方式 |
輸送帶、螺旋 |
采用輸送帶和螺旋聯(lián)合輸送上料，自動(dòng)化程度高，可降低勞動(dòng)強(qiáng)度 |
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進(jìn)料預(yù)壓機(jī)構(gòu) |
螺旋預(yù)壓 |
經(jīng)過預(yù)壓可以提高進(jìn)入沖桿套筒原料的密度，可大大提高生產(chǎn)率 |
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對(duì)原料的適應(yīng)性 |
各類生物質(zhì) |
通過加緊套調(diào)節(jié)保型筒的夾緊力可以適應(yīng)各種類型原料的成型 |
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安裝防護(hù)裝置 |
各種防護(hù)罩 |
必須在V形帶傳動(dòng)、電加熱部位以及保型筒出口設(shè)防護(hù)罩，確保安全 |
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