苏ICP备112451047180号-6
液压式自动生物质压缩成型机设备的设计
摘要
生物质能源是唯一可再生、可替代化石能源转化成气态、液态和固态燃料以及其它化工原料或者产品的碳资源。随着化石能源的枯竭和人类对全球性环境问题的关注，生物质能源替代化石能源利用的研究和开发，已成为国内外众多学者研究和关注的热点。利用新的能源来取代常规能源必将会成为能源发展的一种趋势而生物质能源作为一种安全稳定的能源,在这样的能源发展趋势下具有非常广阔的发展前景。利用生物质压缩成型技术开发生物质能源，对于改善以化石燃料为主的能源结构，建立可持续发展的能源系统，具有深远意义。通过生物质压缩成型设备对农作物废弃物进行合理转化及利用，既可以解决秸秆焚烧导致的环境问题及安全问题，又可以缓解当前能源危机，而且生物质能源比传统能源更加经济、绿色，还具有可再生、可降低温清洁环保等优点该技术也对农村广大地区生物质资源综合的利用和开发产生了重要影响，有效缓了解资源浪费的问题。
本设计试图解决螺旋推进式成型机存在的问题，通过液压油缸解决螺旋推进器易磨损的问题。本设计就是试图设计一个液压式自动生物质压缩成型设备。
关键词;秸秆,压缩,成型,液压活塞,预压
目录
摘 要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
1 绪 论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题研究意义 2
1.3 课题研究发展及状况 3
1.3.1 螺旋挤压式成型机 4
1.3.2 活塞冲压式成型机 5
1.3.3 压辊式颗粒成型机 6
1.4 课题研究内容 7
2 成型及驱动 8
2.1 生物质成型原理及机理 8
2.1.1 生物质压缩成型燃料技术 8
2.1.2 成型原理 8
2.1.3 成型机理 9
2.2液压传动 10
2.2.1 液压传动基本原理 10
2.2.2 液压传动的优点 10
3 双向液压缸及辅助液压缸的设计 11
3.1 概述 11
3.2 设计指导思想 11
3.3 活塞杆的计算 12
3.3.1 活塞杆参数的确定 12
3.3.2活塞杆的强度计算 14
3.4 缸筒壁厚计算 15
3.4.1 主要技术要求 15
3.4.2 结构形式 15
3.4.3 材料 15
3.4.4 缸筒计算 16
3.5 缸盖厚度 17
3.5.1 平行缸底的计算 17
3.5.2 缸盖与缸筒的连接方式 18
3.6 活塞杆与活塞的连接 19
3.6.1 活塞 19
3.6.2 活塞与活塞杆的连接形式 20
3.7 耳环的尺寸计算 20
3.8 耳轴直径 21
3.9 缸体长度的确定 21
3.10 自动换向装置的设计 22
3.11 辅助液压缸缸径的参数确定 22
3.11.1 辅助液压缸活塞杆参数的确定 23
3.12 缸筒壁厚计算 25
3.12.1 主要技术要求 25
3.12.2 结构形式 25
3.12.3 材料 26
3.12.4 缸筒计算 26
3.13 缸盖厚度 28
3.13.1 平行缸底的计算 28
3.13.2缸盖与缸筒的连接方式 28
3.14 活塞杆与活塞的连接 29
3.14.1 结构形式 29
3.14.2 活塞与活塞杆的连接形式 30
3.14.3 材料 30
3.15 耳环的尺寸计算 30
3.16 耳轴直径 31
3.17 缸体长度的确定 31
3.18 本章总结 31
4 部分其他重要零件的计算 32
4.1 成型套筒与料筒的计算与设计 32
4.2 拉杆参数的确定 32
4.3 导向环的确定 33
4.3.1 导向环 33
4.3.2 导向环的型式 33
4.4 密封装置的选择 34
4.4.1 O型密封圈特点 34
4.4.2 密封原理 34
4.4.3 O形密封圈的尺寸系列和安装沟槽 35
4.5 油口尺寸 36
5 结 论 37
参考文献 39
外文资料 41
中文译文 46
致谢 50
主要研究目标和内容：
（一）内容
（1）对国内外生物质成型设备进行研究，综合对比螺旋挤压式成型机、活塞式成型机和辊压式成型机等的优缺点，为设计的成型设备选择最合适的成型工艺方案。
（2）研究影响压缩成型设备运行的各种因素。
（3）设计成型设备的整体结构，运用AutoCAD绘制成型设备结构图，以及零件图。
（4）分析成型设备工作原理以及结构，对其重要参数进行分析，尽可能提高生产率。
（5）分析成型设备工作过程，设计成型设备的液压驱动系统，给出成型设备的液压系统图，对成型设备的液压控制系统进行控制设计，给出液压系统的控制方案。
（6）归纳成型设备的优势，总结所有已成列观点。
（二）目标
1.明确设计要求，进行工况分析；
2.计算和确定系统的主要参数；
3.完成设备主要部分图纸设计；
4.完成部分零件图的设计；
5.完成设计说明书的编制。
四、准备工作情况和主要工作措施：
运用文献查阅法，在中国知网和图书馆书籍等资源中收集了国内外关于生物质压缩成型设备的最新理论成果，并了解了成型机的发展状况及其工作原理，为后续设计工作的开展打下了理论基础；运用理论结合实际的方法，在后续时间整合所有资料确定压缩成型设备的整体设计方案；利用制图软件及技术手段，结合所给参数进行生物质压缩成型设备的总体设计。最后采用归纳分析法对所设计的图形进行分析，整理数据，得出有效结论。
五、进度安排及预期达到研究结果：
第一阶段：理论学习和资料收集阶段。本阶段主要是通过图书馆藏书和上网查询等手段，收集整理国内外相关资料，掌握国内外最新信息和科技发展动态，并对相关资料
进行分析整理，为开题做好准备。
第二阶段：构建论文框架，罗列提纲。本阶段借鉴已有研究成果，结合实际设计思
路，写出文章的详细提纲，为后文毕业设计的开展打下良好的基础。
第三阶段：设计阶段。分析整理收集到的资料，搞清设备工作原理，使用CAD软件进行设备设计，为进一步的分析和理论研究作好准备。
第四阶段：修正与优化阶段。结合导师给出意见及自我深入刨析，修改并优化形成图纸，分析成型设备，得出成文报告。
该设备因具备所有成型设备的优点，同时具有可实现性和可操作性，为我国节能做出重大贡献，也为后续生物质压缩成型设备的研究提供借鉴意义，为该设备的制造提供理论依据。
六、文献综述：
我国从改革开放后开始对生物质压缩成型技术进行研究，最早开展这方面研究工作的是南京林业化工研究所，其研究侧重在生物质的成型理论。随后景元琢（2011）等一些相关研究人员进行合作研究，利用冲压和挤压原理研究生物质的压块技术[4]。进入21 世纪，国家开始重视各种可再生清洁能源开发，生物质成型技术和设备研究也进入了良好的新的发展阶段。宋贯华（2012）利用有限元进行模拟，分析和设计了一种活塞成型机的传动系统，并改进了该成型机的控制系统，为一种新型机械活塞式成型机设计提供了最终的理论依据[5]。姚宗路（2013）等人采用环模原理，设计了一种新型生物质成型机[6]。该成型机由2个压辊和45块模块组成，其中模块组合在一起形成环模孔，并在此基础上设计了加热电阻和水道降温部件用以散热，并以粉碎的玉米秸秆为原料进行试验。该试验结果表明：成型后密度为 1.0 g/cm3，成型率为 95.6%，达到生物质成型标准，为目前我国生物质成型机存在的一系列问题提供了解决方法[6]。陈忠加（2015）等人采用平模原理，设计了一种新型成型机。该成型机通过柱塞的往复运动对模具内的生物质进行挤压实现成型，其中成型模具部分采用组合式设计，可以通过更换成型套筒以满足不同生物质的成型。并在此基础上对不同颗粒度的玉米秸秆和刺槐进行试验，结果表明：生物质成型密度大于 1.1 g/cm3，成型率均高于 98%。该设计对增强成型机满足不同生物质的成型上有一定的指导意义[7]。
张秀秀、张丽（2015）等人的研究将生物质成型机大致分为三种类型，其中螺旋挤压式成型机是利用了螺旋杆对生物质进行输送推进并依靠外部加热，维持一定成型温度使木质素软化，最终挤压成型[8-9]。唐永军（2015）等人研究表明生物质进行压缩成型不但解决了生物质燃料储存及运输的问题，而且提高了其燃烧效率及燃烧的稳定性[10]。胡谢利（2016）等人研究表明生物质压缩成型燃料具有较高的环保节能效应和燃烧性能，丰富的农业、林业资源使我国生物质压缩成型燃料具有较大的潜力，但原料的收集、成型燃料的耐久性和能耗等仍是主要问题。近年来，为了解决能源危机和减少C02等温室气体的排放，生物质压缩成型受到重点关注，其未来的发展方向可归为如下三点：1）加快压缩成型技术和设备的创新，有助于降低成本和能耗，提高生物质燃料的成型率；2）生物质压缩成型设备和成型燃料标准化，有利于生物质压缩设备与燃料的有序竞争；3）积极推动生物质压缩成型燃料商品化和产业化，有利于拉动农业和林业废弃物的资源化利用，对缓解能源危机和环境保护发挥积极的作用[11]。
生物质燃料的加工成型的工艺一般划分成以下四种：1)湿压成型：此工艺方法常用于含水率高的生物质物料，或者将物料放入水中或喷水的方式使物料的水分增加，从而使物料内部的各项组织软化甚至发生降解，并且采用加入粘合剂的方式，将水分与粘合剂混合，从而致使其在加工的过程中，物料被很好地挤压粘结，形成密实的燃料。2)热压成型：此工艺是目前生物质成型最常用的一种工艺，依据生物质物料在加工过程中不同的加热顺序，此工艺又可以分为两种：一种是只对成型设备进行预热，物料在常温的情况下进入被加热的成型设备，使其成型；另一种是对物料进行预热，将已经加热达到成型温度的物料加入到成型设备中让其成型。两种方式其实都是提高成型过程中的温度，使物料加工更容易，同时也降低加工过程的能耗，以此来提高成型设备的使用期限，同样可以提高成型燃料的品质。3)常温成型：生物质物料在加工的过程中，受到外力挤压的物料首先产生的是物料粒子之间空隙的减小，紧接着发生弹性变形，随着物料所受力的不断加大，物料随之发生塑性变形，从而形成了相对较为密实的燃料。常温成型即依据上述成型原理实现的物料固化成型，此成型技术的工艺过程去除了热压成型的加热过程，节约了能耗。4)碳化成型：此成型工艺是将木材等的物料在密闭环境中加热到 400℃以上，从而得到不同状态下的产物的一种成型技术[12-13]。徐丽华（2016）等人的研究表明，尽管生物质能源的研究工作已开展多年，但由于生物质本身的局限，如单位土地面积的有机物能量偏低，有机物水分偏多(50%～60%)，在其发展过程中还存在许多问题。主要的问题为如下三方面：1)虽然通过热化学转化可从植物原料获取燃料乙醇和生物柴油，但是热化学液化的机理和工艺仍需进一步研究。2)纤维素的生物质转化费用过于昂贵，如纤维素酶制剂占生物质转化总成本的50%～60%，酶降解时活性低，用超临界水处理时存在腐蚀问题和操作条件苛刻。3)资源来源和生产成本问题,燃料乙醇和生物柴油的生产原料分别为粮食、油料作物与动物脂肪，均是日常必须品且我国人口众多，大规模生产燃料乙醇和生物柴油势必导致成本上升，并且危害粮食安全[14]。付成明（2016）在自己的研究中表明，平模成型机由于其成型料室大的优点，可以采用尺寸较大的地压辊来增加成型压力以及提高成型效率。所以，可以将体积相对较为粗大的物料进行碾压成型，这样就大大增加了成型机的使用范围，降低了对原料的粉碎度要求。同样，对物料的含水率要求也较低，在含水率低于20%的物料都可以很好地成型加工[15]。郭昊坤（2017）的研究表明，应该对生物质原料、生物质转化技术以及我国农村生物质应用研究进行详细综述，并提出生物质应用在我国农村建设中还存在广泛的应用前景。同时，在我国农村建设中加强生物质能的利用，对缓解能源紧张有着重要作用。生物质能利用时产生的污染极少，有利于环境保护，且对提高农民收入，改变农民多年来闲散种植习惯、保障农村经济可持续发展有着重要的意义[16]。
王文明（2017）等人研究指出，用作饲养用的生物质压缩设备主要包括压捆机械和压块机械两类，而用作燃料的生物质压块设备主要是压块机械。压捆机械按照压成的草捆形状分类分为方草捆压捆机和圆草捆卷捆机，压块机械按照工作原理分为活塞式、螺旋式和压辊式３种。同时，他进一步指出需不断提高机具适应性，其原因在于我国生物质资源种类多，数量大，想满足不同 地区的不同要求，应进一步开发适用于各种生物质的压缩成型设备。其次需加大科研投入力度，积极鼓励高校、科研院所及工厂通过试验、理论分析等各种研究方法，获得影响生物质压缩成型质量的主要参数及各参数对压缩成型质量的影响规律，进一步研究各种物料的流变性质，结合物料特性研究压缩设备，以获得压缩设备在压缩过程中的最佳工艺参数，努力探索生物质在压缩成型过程中，降低能耗、增大效率和提高制品质量的新途径。最后，还需政府采取多种优惠政策，加大购置设备补贴力度，加快机械设备推广使用[17]。宁廷州（2017）研究表明，螺旋挤压成型设备的结构简化模型操作原理在于，粉碎好的生物质原料经过螺杆推动力的作用下被挤压并推进，成型机安装有一定形状的模具机头，物料在螺旋的推动下挤出机头，就得到了一定形状的成型燃料。同时，套筒周围作用有加热圈等加热装置，不仅使物料的可压缩性得到了提高，对能耗的降低也大有帮助[18]。苏明顺（2017）等人认为活塞冲压式成型设备的优点是成型密度较大，原料含水率范围广，使用寿命长等。但由于活塞不能连续运动，从而也导致了成型燃料不能够持续不断地出料，从而也就降低了成型的效率，导致成型燃料的品质不稳定、机器运行相对不平稳以及润滑油污染等严重缺点[19]。宁廷州（2017）等人研究中介绍了生物质成型设备的工作原理，其次从生产率、磨损、能耗等方面对生物质成型设备进行比较分析，最后将其因素归为原料、模辊、转速等，系统阐述了生物质成型因素的影响 [20]。
德国的研究者Rumpf H（1962）从微观的角度探究了不同材料的成型机理，研究
表明在生物质燃料成型时，物料粒子之间的粘接形式有5种：物料颗粒间的固体桥，颗粒之间的相互镶嵌，粒子之间相互缠绕，液体移动之间的表面张力和黏结力及粒子的吸引[21]。Mani S（2006）等人研究表明水分是天然的黏结剂和润滑剂，一定量的水分可在粒子间形成薄膜，增大粒子间接触面积和相互作用力（范德华力），薄膜还可减小原料和模具间及原料粒子间的摩擦力，减少能耗[22]。Stelte W（2011）的研究也表明，生物质粒子之间的粘结靠的是氢键以及范德华力的作用，同时提出成型燃料的品质虽然受到不同成型工艺的影响，但燃料的成型总结起来都属于黏结力和黏结类型的作用[23]。Samuelsson（2011）通过研究表明，生物质燃料加工时粒子的粘结机理与Rumpf H所提出的类似[24]。外国学者Bocci E（2014）等人认为生物质经过致密成型之后，体积能量密度得到了较大提升，原来由于能量密度较低所面临的存储、运输及应用等方面的问题均可得到改善[25]。通过生物质压缩成型设备的设计，加强了我在设计方面的计算能力，培养了我们的学习独立自主潜力，巩固了我们相关课程的知识。
参考文献
[1] 周子成.可再生能源和可持续能源的利用(上)[J].制冷，2016(1).
[2] 吴磊.浅谈生物质燃料在供热中的应用[J].建筑与预算，2016(3).
[3] Tabil L, Adapa P, Kashaninejad M. Biomass feedstock pre -processing—part2:densificat-ion[J].Biofuel’s Engineering Process Technology, 2011, 19: 439-464.
[4] 景元琢，董玉平，盖超等.生物质固化成型技术研究进展与展望[J].中国工程科学，2011，02)：72-77．
[5] 宋贯华.CXJ-Ⅲ 生物质燃料机械活塞式成型机的研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012．
[6] 姚宗路，赵立欣，田宜水等.立式环模生物质成型机设计与试验[J].农业机械学报，2013，(11)：139-143
[7] 陈忠加，俞国胜，王青宇等.柱塞式平模生物质成型机设计与试验[J].农业工程学报，2015，(19)：31-38．
[8] 张秀秀，侯梅芳，宋丽莉等.农林固体有机废弃物压缩成型研究进展[J].上海应用技术学院学报:自然科学版， 2015(1):67-73.
[9] 张丽，张佳喜，王彦等.移动式棉秸秆固化成型燃料车的选型与集成[J].中国农机化学报中国农机化学报，2015，36(5):326-329.
[10] 唐勇军，许俊，唐岳等.双超声压缩生物质过程中压块松弛密度的影响因素研究[J]. 机电工程技术，2015(1):11-15.
[11] 胡谢利，云斯宁，尚建丽.生物质燃料压缩成型技术研究进展[J].化工新型材料2016，44(09):42-44.
[12] 卢彪.生物质成型装置及最优成型工艺参数研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016．
[13] 赵荣煊.生物质燃料压力成型工艺参数优化研究[D].唐山：华北理工大学，2016.
[14] 徐丽华，罗鹏，严明.我国生物质能源利用现状[J].广州化工，2016(11):47-48+84．
[15] 付程明.生物质平模成型法设备结构参数研究与有限元分析[D].株洲：中南林业科技大学，2016．
[16] 郭昊坤.我国生物质能应用研究综述及其在农村的应用前景[J].中国农机化学报，2017(03):77-81.
[17] 王文明，姚建辉，丁广文等.生物质压缩成型技术的研究与发展[J].中国农机化学报，2017(03):82-86．
[18] 宁廷州，刘鹏，侯书林.生物质固化成型设备及其成型影响因素分析[J].可再生能源，2017(01):135-140．
[19] 苏明顺，王继荣，刘广涛等.基于柱塞式成型机的生物质成型设备优化设计[J].青岛大学学报(工程技术版)，2017(01):99-103.
[20] 宁廷州，刘鹏，侯书林.生物质固化成型设备及其成型影响因素分析[J].可再生能源，2017，(1):135-140.
[21]Rumpf H. The Strength of Granules and Agglomerates[M]. New York: Interscience, 1962: 379-418.
[22]Mani S, Tabill G, Sokhansanj S. Effects of compressive force, particle size and moisture content on mechanical properties of biomass pellets from grasses[J]. Biomass and bioenergy, 2006, 30(7): 648-654.
[23]Stelte W, Holm J, Sanadi A, et al. A study of bonding and failure mechanisms in fuel pellets from different biomass resources[J]. Biomass and Bioenergy, 2011, 35 (2) : 910-918.
[24]Samuelsson R, Larsson S, Thyrel M, et al. Moisture content and storage time influence the binding mechanisms in biofuel wood pellets[J]. Applied Energy, 2012, 99: 109-115.
[25]Bocci E, Sisinni M, Moneti M, et al. State of Art of Small Scale Biomass Gasification Power Systems: A Review of the Different Typologies[J]. Energy Procedia, 2014, 45:247-256.