機制木炭機工作原理及木屑物料壓縮空間變化分析

李瑞垞

（茂名廣播電視大學，廣東茂名，525000）

機制木炭機工作原理及木屑物料壓縮空間變化分析

李瑞垞

（茂名廣播電視大學，廣東茂名，525000）

機制木炭是一種可再生、無污染的清潔能源，利用這些能量，在目前能源緊缺、大氣污染嚴重的情況下具有深遠的意義?，F(xiàn)階段，機制木炭機主要由機座、套筒、發(fā)熱管和推進器等組成，其主要易損部件是推進器與套筒，其中推進器的修補是機制木炭生產(chǎn)行業(yè)生產(chǎn)中的難題，因此對機制木炭機木屑壓縮空間變化進行分析，找出推進器及套筒的主要受力部位，從而改進其生產(chǎn)工藝，延長其使用壽命具有重要意義。

機制木炭機；壓縮空間變化分析；推進器；使用壽命

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和林業(yè)生產(chǎn)中會產(chǎn)生很多丟棄物，如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作物秸桿、稻殼；林業(yè)生產(chǎn)中的木屑、樹皮等。這些丟棄物內(nèi)存大量能量，這是以化學能方式儲存在生物體中的一種能量形式，是一種以生物質(zhì)為載體的能量，它是一種可再生、無污染的清潔能源。因此利用這些能量，在目前能源緊缺、大氣污染嚴重的情況下具有深遠的意義。傳統(tǒng)上，這些丟棄物的利用主要是直接燃燒或?qū)⑺鼔嚎s成固體塊狀物之后燃燒，而將這些丟棄物壓縮成固體物的設備有機制木炭機、生物質(zhì)壓塊機等。其中機制木炭機（如圖1所示）是將丟棄物粉碎、干燥后在高溫高壓狀態(tài)下連續(xù)地擠壓出內(nèi)有圓孔的方形、六邊形或梅花形的長條固態(tài)物，其密度可達1.2～1.4g/cm3，體積壓縮比6至8倍（不同的生物質(zhì)丟棄物各有不同）。其熱值為3800kcal/kg左右，大于木材，可直接燃燒，具有煙少火旺、灰少衛(wèi)生的特點。為增加產(chǎn)品的附加值，成型后的固態(tài)物一般將其炭化，制成機制木炭。機制木炭與普通木炭相比具有形狀規(guī)則、包裝方便，含碳量高、熱量大、揮發(fā)性小、燃燒時間長、火旺無味等優(yōu)點?，F(xiàn)階段，機制木炭機主要由機座、套筒、發(fā)熱管和推進器等組成，其主要易損部件是推進器與套筒，其中推進器的修補是機制木炭生產(chǎn)行業(yè)生產(chǎn)中的難題，因此對機制木炭機木屑壓縮空間變化進行分析，改進推進器及套筒的生產(chǎn)工藝，延長其使用壽命具有重要意義。下面以原材料為木屑的機制木炭機中木屑棒的成型原理分析物料（木屑）于推進器與套筒所組成的壓縮腔體積的變化，并提出如何提高推進器使用壽命的方法。

圖1 機制木炭機結(jié)構圖

一、木屑棒成型原理分析

1.木屑棒成型要點分析

機制木炭機屬于生物質(zhì)成型中的熱壓成型，它是在國內(nèi)外對生物質(zhì)進行固化成型最為普及的工藝之一，其工藝流程為：

圖2 機制木炭機生產(chǎn)流程

木屑棒的擠壓成型是以溫度、壓力和物料在成型模具內(nèi)的滯留時間為三要素。擠壓成型的特點是木屑在套筒模具內(nèi)被擠壓的同時，利用發(fā)熱管對套筒模具進行外部加熱，鋼制的套筒模具很容易將熱量傳遞給木屑，木屑溫度得以提高。植物細胞中的木質(zhì)素是高分子化合物，當溫度為70～110℃時軟化，粘合力增加；達到140～180℃時就會塑化而富有粘性；在200～300℃時可熔融，從而成為一種高效粘結(jié)劑，可以將木屑粘結(jié)成在一起，在壓力的作用下、在一定時間內(nèi)經(jīng)過套筒模具就會成為條形的木屑棒。

另外，基本定型的木屑棒外表層與套筒直接接觸會炭化而成為炭粉，這一層炭化層起到潤滑劑的作用，使其通過套筒模具時能較順利滑出而不會粘連，從而減少擠壓動力消耗，提高生產(chǎn)效率。

2.機制木炭成型原理

機制木炭的木屑棒是用機制木炭機來生產(chǎn)的，機制木炭機的生產(chǎn)過程是一個連續(xù)不間斷對木屑的壓縮過程。為便于研究，依據(jù)木屑所處的不同狀態(tài)可將其分為四個區(qū)域：供料區(qū)、壓緊區(qū)、壓縮區(qū)、定形區(qū)，見圖3。在供料區(qū)內(nèi)，木屑顆粒主要靠自身重力的作用下通過漏斗下落到推進器螺旋槽內(nèi)，并在旋轉(zhuǎn)的推進器作用下不斷向前推進。這一階段，木屑顆粒的結(jié)構形態(tài)基本沒什么改變。

隨著木屑顆粒被推進器連續(xù)不斷地往前推進，迅速進入到壓緊區(qū)，壓緊區(qū)是一封閉的空間，木屑在這一空間內(nèi)被初步壓實，并且物料間相互擠壓、磨擦而產(chǎn)生熱量，木屑的溫度會升高到80℃左右。80℃左右的溫度還不能使木屑內(nèi)的木質(zhì)素軟化或液化，所以木屑只能產(chǎn)生少量塑性變形，還不能相互粘連在一起，其形態(tài)呈碎片狀，不能形成一固定的形狀。

在生產(chǎn)過程中，隨著推進器的旋轉(zhuǎn)，物料很快進入壓縮區(qū)，這是木屑成型的核心區(qū)域。這一區(qū)域也就是推進器后部尾部與套筒錐口配合區(qū)域，推進器尾部的螺旋高度由13mm左右逐漸降低5mm左右，呈一錐形；套筒內(nèi)腔也由65mm左右逐漸降低到50mm左右，也呈一錐形，它們之間的空隙形成一個擠壓空間。在這擠壓空間內(nèi)，推進器螺旋高度的逐漸降低，木屑所受的約束力減少而不斷翻滾，直到碰到有加熱管的套筒模具接受熱量后又返回。在壓縮區(qū)內(nèi)推進器、套筒與木屑產(chǎn)生劇烈的磨擦，并產(chǎn)生磨損。當木屑因接受熱量而溫度升高到260℃左右時，木屑開始塑化。塑化的木屑在推進器的壓力作用和液化的木質(zhì)素的粘結(jié)作用下相互貼緊、堆砌和鑲嵌粘接而基本成型，形成錐度口形成固體狀并向前推動，密度達到最大，進入到定形區(qū)。

圖3 機制木炭成型原理圖

在定形區(qū)的木屑棒，隨著推進器的轉(zhuǎn)動，不斷被新固體木屑棒料往前推送，在套筒徑向力、筒壁和固體木屑棒料軸向摩擦力的共同作用下，保持形狀。木屑棒在前進的過程中不斷強力回彈，釋放彈性能量。在定形區(qū)內(nèi)，固體物料主要是彈性變形，基本沒有塑性變形。要炭化成機制木炭的木屑棒需抓緊時間裝入炭化爐炭化，因為長時間不炭化，木屑棒會吸收空氣當中的水份而變松，從而散開而恢復成木屑的形態(tài)。

二、物料在壓縮腔的體積變化分析

木屑物料從料斗進入到推進器螺旋槽內(nèi)后，由于推進器的工作長度較短（推進器如圖4所示、套筒如圖5所示），螺桿全長絕大部分用于對物料的輸送和壓縮，而物料中起主要的粘結(jié)作用木質(zhì)素的軟化出現(xiàn)在套筒的壓縮腔內(nèi)，處在推進器端部的推進面上。物料在旋轉(zhuǎn)著的推進器作用下，通過套筒內(nèi)壁和推進器表面的摩擦作用不斷輸送和壓實，此階段物料是呈固態(tài)被向前推進，在推進過程中木屑所經(jīng)過的空間截面積是變化的，正是由于這種變化引起木屑所受壓力的變化。下面分析木屑經(jīng)過壓緊區(qū)、壓縮區(qū)、定形區(qū)三個區(qū)域的截面積的變化情況。

圖4 推進器工程圖

圖5 套筒工程圖

圖6 推進器與套筒配合效果圖

圖7 擠壓空間截面積分析圖

1. 擠壓空間截面積變化。推進器與套筒配合如圖6所示，推進器螺旋部分插入套筒部分長為50mm。如圖6所示，以推進器與套筒中心線為X軸，推進器尾部為X軸正方向；套筒徑向向上為Y軸正方向，坐標原點設定在套筒入口端面(即截面3)上，建立坐標系。在坐標原點左邊取三個截面進行分析（截面1到截面3），在坐標右邊取18個截面進行分析，除截面18至截面19為2mm外，其余截面間距都是10mm，這主要是若按截面間間距為10mm進行截面設置，則推進器尾部還有2mm，為保證數(shù)據(jù)的準確性，在推進器尾部設定為截面19，截面分布如圖7所示。

用PRO/E建立推進器與套筒配合實體模型，如圖6所示，并用PRO/E分析出推進器與套筒截面積之和S，手工計算出套筒截面外圓面積（S套=πr2），計算出擠壓空間截面積(S截= S套-S桿)，計算結(jié)果如表1所示。

2.木屑壓縮空間變化的圖表分析。通過表1，以擠壓空間截面積(S截= S套-S桿)為橫向軸，以推進器與套筒中心線為縱向軸（X軸），繪制出木屑壓縮空間變化圖，如圖8所示。

在圖中，我們可以看到：木屑經(jīng)過截面1到截面3的過程主要是壓緊，曲線較為平直，木屑物料所承受的壓力也較小。這就說明這一階段木屑物料只是起到初步壓實的作用，其他特性基本沒有改變。

圖8 木屑壓縮空間變化的圖

截面3到截面10為壓縮區(qū)，這一階段木屑物料在加熱的情況下塑化，在推進器的推力下，物料相互之間可以粘合在一起而成型。在圖表中我們還可以看到，其壓縮是漸進式的，在這一區(qū)域內(nèi)，在套筒的入口端面處（即截面3）截面積是最大的，然后逐漸減小，到截面9、截面10處截面積最小，截面9到截面10壓力最大的區(qū)域，所以在實際生產(chǎn)中，這一區(qū)域的推進器與套筒是最易磨損的，用耐磨焊條修補推進器也主要在這一區(qū)域。而截面10剛好在推進器螺旋牙末端不遠處，可見，物料的壓縮是在套筒入口處到推進器螺旋牙末端。

截面10到截面21這一階段，是定形區(qū)，其中截面10到截面18是有推進器尖頭定位的定形區(qū)，而在這一階段中截面10到截面13是基本定形區(qū)，截面18到截面21是純套筒定形區(qū)。這一階段，木屑所受的壓力逐漸減小，溫度逐漸降低，質(zhì)地也較軟，到截面18時就已定形而成為木屑棒。隨著溫度的進一步下降，木屑棒出到截面21而成為較為結(jié)實的木屑棒。

綜上所述，木屑物料在壓縮過程中所通過的截面空間是不斷變化的，截面空間的變化也就說明機器傳遞給木屑的壓力是不斷變化的，其中截面9到截面10處的截面空間最小，這地方的壓力是最大，機械運行過程中磨損也是最大的，這就要求我們在制造和修補推進器或套筒時要特別注意這個地方，以延長其生產(chǎn)壽命。

表1 木屑在各截面的壓縮情況

［1］嚴永厚.提高木炭機螺旋軸耐磨性的研究［J］.農(nóng)業(yè)與食品機械,1997,(2)23-24.

［2］孫武亮.糧食加工設計手冊［M］.武漢：武漢工業(yè)大學出版社,1998.

［3］吳培龍,朱明.物料顆粒在滾筒式干燥機內(nèi)停留時間的確定［J］.農(nóng)業(yè)工程學報,1998,(3):63-70.

（責任編輯：楚和）

Working Principle of the Mechanism of Charcoal Machine and the Space Change Analysisof Wood Material Compression

LI Rui-cha
(Maoming Radio & TV University, Maoming, Guangdong, China, 525000)

Using the machine-made charcoal,which is a kind of renewable and pollution-free clean energy, has far-reaching signifi canceunder the currentcondition of the shortage of energy and serious atmospheric pollution. At this stage, the mechanism of charcoal machine is mainly made up of the seat, sleeve, heat pipes and propeller, etc., the most vulnerable partbeing the propeller and the sleeve, therefore, the most diffi cult problem lies in the repairof the propeller. As such, it is of great signifi cance to carry out the space analysis of the sawdust, to fi nd out the stress areas of the propeller so as to overall enhance the processing technology.

machine-madecharcoal; analysisof compressed space change; propeller; service life

TH122

A

2095－932x（2015）05－0109－04

2015－09－07

李瑞垞 （1969— ），男，廣東化州人，茂名廣播電視大學講師。