組合式秸稈生物質(zhì)粉碎機(jī)的設(shè)計

鮑振博，方　帆，靳登超，劉玉樂，楊　磊，李　陽

(天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津　300384)

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組合式秸稈生物質(zhì)粉碎機(jī)的設(shè)計

鮑振博，方帆，靳登超，劉玉樂，楊磊，李陽

(天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津300384)

摘要：生物質(zhì)能是一種清潔、可再生的能源，秸稈生物質(zhì)能的開發(fā)應(yīng)用具有廣闊前景,而粉碎是對秸稈生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化利用的必要環(huán)節(jié)。為此，在分析秸稈生物質(zhì)粉碎機(jī)的工作原理基礎(chǔ)上，進(jìn)行組合式秸稈生物質(zhì)粉碎機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對動刀及定刀的間隙、錘片與齒板的間隙、錘片與篩網(wǎng)的間隙、動刀及錘片形狀、動刀排列、錘片排列，以及鋸齒板排列等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。組合式秸稈生物質(zhì)粉碎機(jī)的使用推廣，可實(shí)現(xiàn)對秸稈生物質(zhì)能源有效利用，有助于解決秸稈生物質(zhì)資源浪費(fèi)及污染問題。

關(guān)鍵詞：秸稈生物質(zhì)；粉碎機(jī)；錘片；動刀；定刀

0引言

能源問題關(guān)系著人類社會的生存與發(fā)展，隨著石油、煤、天然氣等能源急劇消耗，由此引發(fā)能源緊缺及環(huán)境污染問題，已成為世界關(guān)注熱點(diǎn)。開發(fā)和利用可再生的清潔能源，降低石化能源消耗，減少溫室氣體排放，已成為緩解能源危機(jī)、減少溫室氣體排放和解決環(huán)境污染問題的一個有效途徑。生物質(zhì)能是綠色植物經(jīng)光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化儲藏在生物質(zhì)內(nèi)的化學(xué)能，是一種清潔、可再生能源，是繼石油、煤、天然氣之后的第4大能源。生物質(zhì)包括除化石燃料外的植物、動物和微生物及其排泄與代謝物等，具有儲量豐富、來源普遍及可再生等特點(diǎn)。目前，對生物質(zhì)能源的開發(fā)和利用已經(jīng)日益引起世界各國的重視[1-2]。

1秸稈生物質(zhì)能開發(fā)的前景

秸稈生物質(zhì)屬于農(nóng)業(yè)廢棄物，是生物質(zhì)的重要組成部分。我國秸稈生物質(zhì)數(shù)量大，每年產(chǎn)量約為7億 t，除一部分作為畜牧飼料、還田及造紙原料等，大約有 4 億 t 秸稈可以作為生物質(zhì)能源使用。秸稈生物質(zhì)作為可再生的清潔能源，具有低污染性：一是秸稈生物質(zhì)的硫、氮含量低，在利用轉(zhuǎn)化過程中還可以減少硫化物、氮化物和粉塵等排放；二是在秸稈生物質(zhì)再生過程中需要吸收 CO2氣體，可有效地減輕溫室效應(yīng)；三是由于光合作用能釋放出大量氧氣，還可改善生態(tài)環(huán)境[2]。但是，由于秸稈生物質(zhì)分布廣、體積密度小(40～60kg/m3)及物理形態(tài)不規(guī)則等特征，使得收集、運(yùn)輸、貯藏等成本較高；每到秋收季節(jié)，大量秸稈被丟棄或在田間焚燒，不僅造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，而且對航空安全和路面交通安全等造成一定影響。此外，未經(jīng)加工處理的秸稈生物質(zhì)熱值低，進(jìn)行直接燃燒利用，一方面因秸稈燃燒能量不集中、不能充分燃燒而降低生物質(zhì)的燃燒效率，間接造成資源浪費(fèi)，同時會對環(huán)境造成污染，危害人們身心健康[3-5]。

因此，針對產(chǎn)量巨大的可再生的秸稈生物質(zhì)資源，為了使其得以有效利用，國內(nèi)外科研工作者開展了種類繁多的秸稈生物質(zhì)利用技術(shù)：通過將秸稈生物質(zhì)轉(zhuǎn)換為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料加以高效利用，如固態(tài)燃料中直接燃燒技術(shù)(爐灶燃燒、鍋爐燃燒、生物質(zhì)與煤的混合燃燒等)；液態(tài)燃料中液化技術(shù)(提煉植物油、制取乙醇、甲醇等)；氣態(tài)燃料中生物轉(zhuǎn)化技術(shù)(小型戶用沼氣池、大中型厭氧消化等)及熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)(生物質(zhì)氣化、干餾、快速熱解液化等)。秸稈生物質(zhì)能源的開發(fā)及應(yīng)用技術(shù)，已越來越引起廣大科研工作者的關(guān)注。

2秸稈生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化的環(huán)節(jié)

生物質(zhì)能無論是采取固態(tài)、液態(tài)及氣態(tài)哪種利用方式，都需對生物質(zhì)原料進(jìn)行粉碎加工處理。粉碎后的生物質(zhì)顆粒達(dá)到一定的尺寸要求，為秸稈生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化及利用做前期準(zhǔn)備。生物質(zhì)粉碎機(jī)理包括剪切、碰撞、擠壓等多種作用，粉碎效果與原料性質(zhì)、含水量和粉碎設(shè)備等密切相關(guān)。秸稈生物質(zhì)粉碎是對秸稈生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化利用的必要環(huán)節(jié)，秸稈生物質(zhì)原料經(jīng)過粉碎后，顆粒由大變小，物料單位質(zhì)量的表面積增加，有利于化學(xué)反應(yīng)過程的傳熱和傳質(zhì)，可提高物料的化學(xué)反應(yīng)及物理作用的速度[2-5]。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中，根據(jù)需要一般須將生物質(zhì)顆粒加工到較小的粒度，以提高后期利用及轉(zhuǎn)化的效果。

3粉碎機(jī)的工作機(jī)理及總體設(shè)計

目前，秸稈粉碎機(jī)有鍘切式粉碎機(jī)、錘片式粉碎機(jī)、揉切式粉碎機(jī)及組合式粉碎機(jī)等種類，通過剪切、擊碎、碰撞、磨搓和揉搓等作用，實(shí)現(xiàn)物料的粉碎。鍘切式粉碎機(jī)具有剪切、磨搓、揉搓等功能，結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、生產(chǎn)率較高。錘片式粉碎機(jī)首先對秸稈生物質(zhì)通過錘片擊打，得到一定程度的粉碎，同時物料以較高的速度被拋向固定在粉碎室內(nèi)部的齒板和篩片上，受到齒板的碰撞和篩片的搓擦得到進(jìn)一步粉碎；其生產(chǎn)率高，適應(yīng)性廣。揉切式是在高速旋轉(zhuǎn)的錘片和鋸齒板的作用下，將秸稈揉搓、切搓成柔軟、蓬松的絲狀段。組合式粉碎技術(shù)將剪切、擊碎、碰撞、磨搓和揉搓等功能組合成一體，實(shí)現(xiàn)對物料的粉碎，如圖1所示。

1.電機(jī)　2.帶輪　3.皮帶　4.帶輪　5.大飛輪　6.主軸　7.固定板

由圖1可知：在粉碎室內(nèi)有高速旋轉(zhuǎn)的錘片、 動刀和鋸齒板，還有靜止的定刀及齒板。通過動刀及定刀的剪切、錘片擊打、錘片與篩網(wǎng)之間碰撞和磨擦、錘片與齒板之間碰撞和搓擦，以及鋸齒板的撕裂和揉搓等共同作用下，完成秸稈生物質(zhì)破碎。其工作過程是：電動機(jī)將動力傳遞到帶輪，通過皮帶帶動帶輪旋轉(zhuǎn)(大飛輪與帶輪聯(lián)聯(lián)接為一體一起旋轉(zhuǎn)，增大轉(zhuǎn)動慣量)，進(jìn)而將動力傳遞到主軸上；動刀固定架與主軸一起旋轉(zhuǎn)，動刀聯(lián)接在動刀架上一起高速旋轉(zhuǎn)，與靜止定刀一起對通過秸稈進(jìn)料口送進(jìn)的秸稈生物質(zhì)進(jìn)行剪切；錘片與固定板聯(lián)接在一起，隨主軸一起高速旋轉(zhuǎn)，對剪切后的秸稈生物質(zhì)進(jìn)行擊打、破碎；同時，在錘片擊打及離心力作用下的物料會被摔打在齒板上，對物料進(jìn)一步磨搓等破碎；鋸齒板固定在固定板上，也隨著主軸一起高速旋轉(zhuǎn)，對在粉碎室中的物料進(jìn)一步揉搓等破碎；此外，安裝在粉碎室下部的篩網(wǎng)會對物料進(jìn)一步搓擦?？傊?，被動刀及定刀剪切的物料，在錘片、鋸齒板、齒板及篩網(wǎng)共同作用下，被粉碎成細(xì)小顆粒，會通過篩網(wǎng)的網(wǎng)眼漏出，最后經(jīng)出料口進(jìn)行收集；而較大較重的物料則繼續(xù)留在粉碎室內(nèi)被粉碎。

4粉碎機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計

在組合式秸稈生物質(zhì)粉碎機(jī)中，動刀及定刀的間隙、錘片與齒板的間隙、錘片與篩網(wǎng)的間隙、動刀數(shù)量及排列、錘片形狀及排列、鋸齒刀的形狀及排列等參數(shù)，對粉碎的效率及質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。依據(jù)機(jī)器產(chǎn)品運(yùn)行經(jīng)驗及參考文獻(xiàn)資料，對動刀及定刀的間隙、動刀及錘片形狀、錘片與篩網(wǎng)的間隙、錘片與齒板的間隙等進(jìn)行設(shè)計[6-9]。

4.1動刀及定刀之間的間隙調(diào)整

圖2、圖3分別是定刀及定刀固定座示意圖。定刀固定座中設(shè)置Φ13長槽型安裝孔，可調(diào)整定刀在固定座中位置，從而間接調(diào)整了定刀與動刀的間隙，如圖4所示。減小定刀及動刀之間間隙可以提高破碎程度，但同時會導(dǎo)致刀具磨損及能耗增加；而過大的間隙，會導(dǎo)致粉碎程度降低、切割困難等問題。在本設(shè)計中，針對玉米秸稈粉碎，取定刀與動刀之間間隙為10mm[8-10]。

4.2動刀及錘片可調(diào)換安裝，延長使用壽命

動刀及錘片是秸稈生物質(zhì)粉碎機(jī)的主要工作部件，動刀對物料進(jìn)行剪切破碎，刀刃磨損狀況直接影響到動刀使用壽命及粉碎效率。將動刀設(shè)計為對稱可調(diào)換安裝形式，可延長刀具使用時間，如圖5所示。錘片對物料進(jìn)行擊打、磨碎，對錘片設(shè)計鋸齒形狀，增大磨碎效果；同時，設(shè)計對稱安裝孔，對一端磨損的錘片進(jìn)行調(diào)換安裝，延長錘片使用壽命，如圖6所示。

圖2　定刀示意圖　　　　　　　　　　　圖3　定刀固定座示意圖　　　　　　　　　圖4　定刀安裝示意圖

圖5　動刀示意圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6　錘片示意圖

4.3錘片與篩網(wǎng)之間間隙

錘片末端與篩網(wǎng)之間間隙大小對粉碎效率有影響：如果錘篩間隙過大，錘篩之間的物料很難被錘片打碎而使生產(chǎn)率降低；如果錘篩間隙過小，錘篩之間物料較少，因此受錘片擊打及篩網(wǎng)磨搓作用的物料少，也會降低粉碎效率。錘片與篩網(wǎng)之間間隙與錘片工作時旋轉(zhuǎn)速度、不同的生物質(zhì)物料等因素有關(guān)，本設(shè)計中錘片與篩網(wǎng)間隙為12mm，如圖7所示[7,10]。

4.4錘片與齒板之間間隙

錘片與齒板的間隙對粉碎效率及錘片磨損有影響：間隙過大，物料受錘片打擊的機(jī)會少，降低粉碎效率；間隙過小，物料受錘片擊打的機(jī)會增多，但錘片端部的摩擦加大，能耗增大。錘片與齒板之間間隙與錘片工作時旋轉(zhuǎn)速度、不同的生物質(zhì)物料、齒板包角等因素有關(guān)，本設(shè)計錘片與齒板間隙為15mm，如圖8所示[8-10]。

圖7　錘片與篩網(wǎng)的間隙示意圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖8　錘片與齒板的間隙示意圖

4.5動刀排列

物料被動刀及定刀剪切長短與動刀數(shù)量有關(guān)：若動刀數(shù)量過多,在主軸轉(zhuǎn)數(shù)一定情況下,切割次數(shù)增多,加工后的物料過細(xì)過短，能耗增多；反之,物料剪切過粗過長，加大后續(xù)錘片擊打、鋸齒板磨搓的工作量[10]。本設(shè)計動刀數(shù)量3把，排列如圖9所示。

4.6錘片排列

錘片的排列方式對機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)平衡、錘片的均勻磨損、物料破碎均勻等直接影響，設(shè)計錘片排列如圖10所示[7,10]。在一個固定板中均勻排列4個錘片，多個固定板安裝時，按照一定角度錯開排列，提高粉碎室中物料被擊打粉碎的均勻性。

4.7鋸齒板排列

鋸齒板的排列方式對機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)平衡、鋸齒板的均勻磨損、物料破碎均勻等有影響，設(shè)計鋸齒板排列如圖11所示。在一個固定板中均勻排列8個錘片，多個固定板安裝時，按照一定角度錯開排列，提高粉碎室中物料受磨搓的均勻性。

圖9　動刀排列示意圖　　　　　　　　　　　　圖10　錘片排列示意圖　　　　　　　　　圖11　鋸齒版排列示意圖

5結(jié)論

對組合式秸稈生物質(zhì)粉碎機(jī)中動刀及定刀的間隙、錘片與齒板的間隙、錘片與篩網(wǎng)的間隙、動刀數(shù)量及排列、錘片形狀及排列、鋸齒刀的形狀及排列等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對于提高粉碎效率、減少動刀及錘片等關(guān)鍵部件的磨損、降低能耗及成本等具有重要意義。組合式秸稈生物質(zhì)破碎機(jī)具有高效、實(shí)用等優(yōu)勢，對于有效利用秸稈生物質(zhì)能源，緩解礦物質(zhì)能源危機(jī)、溫室效應(yīng)、霧霾惡劣天氣等問題，改善農(nóng)村環(huán)境，建設(shè)現(xiàn)代社會主義新農(nóng)村具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

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Abstract ID:1003-188X(2016)05-0255-EA

Design of Combined Straw Biomass Grinder

Bao Zhenbo, Fang Fan, Jin Dengchao, Liu Yule, Yang Lei, Li Yang

(Engineering and Technology College, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China)

Abstract：Biomass energy is a kind of clean and renewable energy, the development and application of straw biomass energy has broad prospects.Crushing is the essential links of straw biomass conversion and utilization, based on analyzing the working principle of biomass grinder, the overall structure of combined straw biomass grinder has designed, and the key parameters of biomass grinder, such as the gap between movable knives and fixed knife, the gap between hammer and tooth plate, the gap between hammer and sieve, the shape of the knife and hammer, and the arrangement of movable knife,hammer and tooth plate have been designed. The using promotion of combined straw biomass grinder can promote the realization of the effective use of straw biomass, while help to solve the problems of straw biomass resource waste and pollution.

Key words：straw biomass; grinder; hammer; movable knife; fixed knife

文章編號：1003-188X(2016)05-0255-04

中圖分類號：TK6；S226.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：鮑振博(1971-),男，內(nèi)蒙古赤峰人，副教授，(E-mail) baozhenbo@sohu.com。

基金項目：天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201410061104,201410061198)

收稿日期：2015-04-22