薪棒成型機(jī)過渡區(qū)螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

潘周光，王 為

（湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 432200）

薪棒成型機(jī)過渡區(qū)螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

潘周光，王 為

（湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 432200）

通過建立塑化流體的流量與成型機(jī)過渡區(qū)螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，從理論上對(duì)影響塑化流體流量的過渡區(qū)螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行深入研究，找出了塑化流體流量、逆流、螺桿參數(shù)間的關(guān)系，得出了過渡區(qū)螺桿結(jié)構(gòu)的最佳參數(shù)；通過優(yōu)化過渡區(qū)的螺桿參數(shù)，增加塑化流體的流量，使薪棒密度增大，達(dá)到提升機(jī)制木炭的性能和質(zhì)量的目的。

機(jī)制木炭；螺桿結(jié)構(gòu)；塑化流體；過渡區(qū)

0 ．前言

近年來，隨著能源日趨緊張，廢棄生物質(zhì)能源的再生利用被看好，通常的做法是將經(jīng)過預(yù)處理的廢棄生物質(zhì)料擠壓成密縮態(tài)薪棒，或直接利用或進(jìn)一步深加工成機(jī)制木炭[1]。但是，目前生產(chǎn)的機(jī)制木炭性能差、質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，影響了出口。通過對(duì)機(jī)制木炭市場(chǎng)調(diào)研得知，薪棒成型設(shè)備存在缺陷及熱成型工藝不成熟，致使薪棒質(zhì)量低劣，進(jìn)而影響機(jī)制木炭的性能和質(zhì)量[2]。

成型機(jī)是生產(chǎn)薪棒的主要設(shè)備，結(jié)構(gòu)如圖 1所示，它將預(yù)處理后的原材料在高溫狀態(tài)下進(jìn)行擠壓，使其在不添加任何黏合劑的情況下由松散態(tài)變成密縮態(tài)，并制成一定形狀、強(qiáng)度和密度的薪棒。其關(guān)鍵部件是一對(duì)螺桿和料筒的耦合件[3]。薪棒的質(zhì)量取決于耦合件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文通過建立塑化流體的流量與成型機(jī)過渡區(qū)螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系模型，從理論上對(duì)影響塑化流體流量的過渡區(qū)螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)做深入研究，找出了影響塑化流體流量的關(guān)鍵因素，得出了過渡區(qū)螺桿結(jié)構(gòu)的最佳優(yōu)化參數(shù)；通過優(yōu)化過渡區(qū)的螺桿參數(shù)，增加塑化流體的流量，使薪棒密度增大，達(dá)到提升機(jī)制木炭的性能和質(zhì)量的目的。

1 薪棒成型原理及目標(biāo)函數(shù)的確立

1.1 薪棒成型原理

薪棒成型工藝過程如圖1、2所示，松散的生物料經(jīng)料斗落入螺桿的螺紋槽內(nèi)，連續(xù)旋轉(zhuǎn)的螺桿將生物料推入到料筒的錐體內(nèi)，形成巨大的擠壓力；生物料在推進(jìn)過程中受到擠壓、剪切、摩擦等作用產(chǎn)生內(nèi)熱，同時(shí)在外加熱的共同作用下，生物質(zhì)料中的木質(zhì)素被塑化成粘流態(tài)，最終在高壓、高溫的作用下被擠壓成薪棒。

從薪棒成型過程可知，螺桿耦合件的過渡區(qū)是薪棒成型機(jī)中最重要的功能段。生物料在通過過渡區(qū)時(shí)，受到機(jī)筒和螺桿強(qiáng)烈的剪切和擠壓，完成生物料塑化過程。由于生物料發(fā)生從固態(tài)到液態(tài)的相變基本上都是在過渡區(qū)域內(nèi)完成，此過程需消耗大量的熱能和機(jī)械能。因此，過渡區(qū)的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否，直接關(guān)系到薪棒的質(zhì)量和生產(chǎn)成本。

圖1 薪棒成型機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 薪棒成型機(jī)耦合件結(jié)構(gòu)

1.2 目標(biāo)函數(shù)的確立

如圖3所示，當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，生物料在螺桿的環(huán)形槽內(nèi)沿著螺旋線方向推進(jìn)的同時(shí)被塑化，生物料在此過程中受到摩擦、梯度壓力以及自身存在較大的黏性等因素的綜合作用，沿環(huán)形空間產(chǎn)生逆流，根據(jù)固體和粘性流體輸送理論可知，逆流量正比于壓力，反比于剪切黏度，成型機(jī)的流量有如下關(guān)系：

其中：

H-螺桿根部與料筒內(nèi)表面間的徑向距離

W-螺棱間的垂直距離；

U-螺棱的線速度；

由式（1）可知，生物質(zhì)塑化流體的流量Q由兩部分組成，第一部分是塑化流體沿著環(huán)形槽被螺桿推進(jìn)，第二部分是塑化流體在推進(jìn)過程中承受壓力梯度， 沿環(huán)形的空間產(chǎn)生逆流，其值為負(fù)，塑化流體的真正流量是兩者疊加的結(jié)果，兩個(gè)流量均與螺桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，因此，流量的大小最終取決于螺桿結(jié)構(gòu)的參數(shù)。

圖3 螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 數(shù)學(xué)模型的建立

如圖2所示，成型機(jī)料筒出口是一個(gè) 的方形定值，那么塑化流體的流量Q越大，薪棒的密度也大，為了確定影響流量Q的因素，建立如圖4所示的1-2-3坐標(biāo)系，其中1是螺棱部位的螺槽方向，2是螺桿軸的徑向方向，3是螺槽端面的橫向方向。在該坐標(biāo)系下，設(shè)螺桿靜止，料筒的運(yùn)動(dòng)速度為：

圖 4 耦合件展開坐標(biāo)系統(tǒng)

其中U1為塑化流體沿螺槽方向的速度，其值為正；U2為塑化流體沿橫向的速度，其值為負(fù)，大小為：

如果忽略螺桿根部和螺棱的拖動(dòng)作用，那么螺桿耦合件的推進(jìn)生產(chǎn)能力遵循如下關(guān)系：

式中D為螺桿根部直徑。

但是塑化流體在2方向上存在壓力梯度，加上該流體具有較高的粘性，因此塑化流體在2方向上存在返流。引入X2位置處橫跨螺槽的剪切平面，設(shè)料筒內(nèi)表面生的剪切應(yīng)力為，沿1、3方向上的分量分別為、；作用在螺桿螺紋1方向上的剪切應(yīng)力為，在擠壓過程中，這些剪切應(yīng)力與壓力梯度保持平衡，于是在1和3方向上力的平衡關(guān)系有：

一般螺桿的螺紋槽壁由于黏彈性流體長時(shí)間的摩擦作用，表面極為光滑，它與塑化流體的摩擦可以忽略，那么（6）、（7）式子等價(jià)于：

在過渡區(qū)內(nèi)的塑化流體屬于非牛頓流體，于是具有如下的關(guān)系：

將（10）、（11）代入（8）、（9）兩個(gè)式子可得：

為了更直觀地表達(dá)結(jié)果，過渡區(qū)流量如圖 5所示。

3 結(jié)論

根據(jù)塑化流體的流量公式（14）及圖5的結(jié)果看出，塑化流體在推進(jìn)過程中受到逆流的作用，且逆流的作用在3方向上 影響也大；黏度對(duì)流量的影響也不可忽視，較大的黏度會(huì)減少逆流，從而減輕逆流的影響；螺槽的深度H對(duì)塑化流體的逆流的影響也更加明顯，由式（14）看出，減少H值，對(duì)塑化流體沿螺旋線方向推進(jìn)的流量影響并不大，而逆流的減少極快，因此，過渡區(qū)適當(dāng)減小H值，更加有利于塑化流體的流量，對(duì)薪棒密度的提高使非常有利。而料筒過渡區(qū)的錐度為 ，長度為15cm[4]，與之相匹配，過渡區(qū)的螺桿也必須設(shè)計(jì)為11.25°的錐角。為了減少H值，提高塑化流體的流量，過渡區(qū)的螺棱帶有 ，而螺桿根徑不變，結(jié)構(gòu)如圖 6所示。該結(jié)構(gòu)的螺桿經(jīng)安徽省旌德縣鑫源木炭廠試驗(yàn)，在其他條件相同的情況下，與傳統(tǒng)螺桿相比，密度提高了6.5%，證明此結(jié)構(gòu)參數(shù)模型是有效可行的，其結(jié)果可以推廣使用。

圖6 優(yōu)化后的螺桿結(jié)構(gòu)圖

[1]姜洋,曲靜霞,潘亞杰,等.生物質(zhì)致密成型技術(shù)處理木材加工廢棄物的應(yīng)用[J].人造板通訊,2004,(2):13-14.

[2]潘周光,譚小紅.正交薪棒的螺旋擠壓成型工藝研究[J].輕工機(jī)械,2007,25(6):84-87.

[3]陳亞維,張洪.螺旋進(jìn)給式制棒機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].輕工機(jī)械,2006,24(2):153-154.

[4]余加紅,王積建,莊千芳.制炭機(jī)成型料筒內(nèi)腔過渡區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].輕工機(jī)械,2006,26(6):107-109

[5]James L.White,Helmut Potente.螺桿擠出[M].何紅，金志明譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[6]張文標(biāo)、王偉龍、趙麗華等.制炭機(jī)理化性能的研究[J].浙江林學(xué)院學(xué)報(bào)，2003,20(2):215-218.

[7]王成. 淺談?dòng)媚拘既债a(chǎn)一噸機(jī)制木炭的生產(chǎn)[J].黑河科技.2001,(1):8-9

[8]明奕、王文、石昆 .生物質(zhì)燃料擠呀壓成型機(jī)的試驗(yàn)研究[J].應(yīng)用能源技術(shù).2003,(3):8-9

[9]陳昌杰.雙金屬材料及其在螺桿、料筒中的應(yīng)用.上海塑料.2003,(3):12-15

Optimal Design of Structural Parameter for Transition Region Screw of Pay Stick Machine

PAN Zhouguang , WANG Wei
(1.School of Mechanical Engineering, Hu Bei University of Technology Wuhan Hubei 430068)

By establishing relational model between flow rate of plasticizing fluid and structural parameter of pay stick machine transition region screw, this paper makes a research deeply into transition region screw structural parameter which influences plasticizing fluid flow rate in theory, finds out the key influencing factor to flow rate of plasticizing fluid, and obtains the best Optimal parameter of transition region screw structure. By optimizing screw parameter of transition region it will increase flow rate of plasticizing fluid and density of pay stick to improve performance and quality of machine-made charcoal.

Machine-made charcoal; Screw structure; Plasticizing fluid; Transition region

TG375+43

A

1672-0105（2010）01-0052-04

2009-12-16

溫州市2006年科技攻關(guān)應(yīng)用項(xiàng)目（G2006008）。

潘周光（1968- ），男，浙江溫州人，講師，主要研究方向：機(jī)電設(shè)備及自動(dòng)化產(chǎn)品的研制和開發(fā)。

[責(zé)任編輯：周章添]