生物質(zhì)能發(fā)電儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備玉米秸稈大方捆打捆機(jī)的設(shè)計(jì)分析

邢蕾，王慧，姜文龍，李劍英，肖應(yīng)輝，劉向東＊

（1.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007;2.佳木斯市潛興農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)有限公司，黑龍江 佳木斯 154000）

我國(guó)是農(nóng)業(yè)發(fā)展大國(guó)，秸稈資源非常豐富。秸稈作為一種低碳量及含硫量非常低的清潔燃料，成為了僅次于煤炭、石油的重要能源之一。生物質(zhì)能發(fā)電儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)可以滿足農(nóng)村用電需求，是充分利用可再生質(zhì)能的有效手段。生物質(zhì)能發(fā)電的前提是將其進(jìn)行壓縮成大型方捆。基于生物質(zhì)能秸稈發(fā)電的需求，我國(guó)需要加速對(duì)玉米秸稈大方捆打捆機(jī)設(shè)備進(jìn)行研制。

1 秸稈打捆技術(shù)現(xiàn)狀

該項(xiàng)技術(shù)在歐美等一些發(fā)達(dá)國(guó)家起步早，不管是配套設(shè)備還是處理技術(shù)等都比較先進(jìn)，尤其是自動(dòng)捆打扎成套設(shè)備工作效率高，具有很大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前，我國(guó)秸稈發(fā)電相關(guān)設(shè)備還需要從國(guó)外引進(jìn)。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，秸稈發(fā)電項(xiàng)目的有效實(shí)施，對(duì)于玉米秸稈等一些生物質(zhì)能，國(guó)內(nèi)也對(duì)已有的臥式打捆技術(shù)進(jìn)行了研究，用新型的液壓機(jī)構(gòu)替代了傳統(tǒng)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，但是目前，國(guó)內(nèi)秸稈打捆技術(shù)還存在著工作安全穩(wěn)定性不強(qiáng)、打捆效果差等問(wèn)題，還無(wú)法達(dá)到秸稈發(fā)電的實(shí)際要求。

2 生物質(zhì)能發(fā)電儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備玉米秸稈大方捆打捆機(jī)的技術(shù)依據(jù)

2.1 技術(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)

同其他的生物質(zhì)能相比，玉米秸稈具有特殊的物理特性，也是其得到推廣的優(yōu)勢(shì)。由于玉米秸稈中空，所以堆放密度小，且反彈性強(qiáng)。玉米秸稈壓縮，實(shí)質(zhì)上是從低密度向高密度轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化中對(duì)壓力要求非常高。通過(guò)有限元數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)表明，壓力會(huì)隨著物料密度的增大而增大，同時(shí)，玉米秸稈經(jīng)過(guò)壓縮之后，在超過(guò)屈服極限的條件下，反彈力依然很大，因此，秸稈壓縮很難一次完成。雖然機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度很快，但是壓力不高；液壓系統(tǒng)運(yùn)行速度較慢，但可以提供很大的壓力，持久耐用，因此，需要將兩者有效結(jié)合起來(lái)，采用壓扁、主壓等工藝，或者通過(guò)液壓組合等方式來(lái)壓縮，提高壓縮效率。

2.2 技術(shù)指標(biāo)

①配套動(dòng)力是110-145kW；②生產(chǎn)率是4～7t/h。③捆綁的尺寸長(zhǎng)為1.5m、寬為1.3m、高為1.2m。④秸稈捆綁重量是350～450kg。

3 生物質(zhì)能發(fā)電儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備玉米秸稈大方捆打捆機(jī)的總體設(shè)計(jì)

3.1 玉米秸稈設(shè)計(jì)方案分析

（1）玉米秸稈壓縮變形規(guī)律分析。玉米秸稈壓縮和其他農(nóng)業(yè)物料壓縮有很大的區(qū)別，其壓縮時(shí)具有變形與變形恢復(fù)大等特點(diǎn)。根據(jù)秸稈變形恢復(fù)的規(guī)律，使用閉壓式壓縮一次后，秸稈內(nèi)應(yīng)力難以全部消除，且具有很大的的反彈力，這就會(huì)加大功耗，壓縮后的捆綁工作難以有效進(jìn)行；而通過(guò)開式壓縮方式，經(jīng)過(guò)一次壓縮之后，變形大，但會(huì)逐漸減少，整體壓縮變形曲線呈遞減趨勢(shì)，應(yīng)力比較松弛，導(dǎo)致壓縮變形減小。但是，若持續(xù)增加壓縮時(shí)長(zhǎng)度，就會(huì)加大秸稈壓縮時(shí)的摩擦力，導(dǎo)致壓縮效率低。所以，將秸稈壓縮變形恢復(fù)減少，是減少能源消耗，提高生產(chǎn)效率的有效手段。

（2）壓縮力、壓縮量即壓縮密度關(guān)系。根據(jù)壓縮動(dòng)力學(xué)原理，物料應(yīng)力也就是應(yīng)變關(guān)系，是非線性的，加載和卸載曲線也存在很大的差異，其卸載線難以回到原點(diǎn)。當(dāng)壓縮玉米秸稈到80kg/m，壓縮力曲線比較平緩；當(dāng)成形捆壓縮截面積變大時(shí)，密度能夠達(dá)到220kg/m3，且壓縮力曲線變陡。隨壓縮室截面變大，比應(yīng)力為先減后增的規(guī)律；比密度是壓縮室面積越大，比密度是先減后增，因此，設(shè)計(jì)開式壓縮方式時(shí)，功耗和捆綁效果是由壓縮室長(zhǎng)度決定的。

（3）現(xiàn)有打捆機(jī)應(yīng)用分析。①使用液壓技術(shù)，一次性閉式打捆。該種打捆方式具有安全可靠性，能夠使用各種秸稈物料，但只可以打小捆，針對(duì)較大的玉米秸稈捆，基于松散物料容重比較小的特點(diǎn)，必須多次添加完成打捆，因而，性價(jià)比低，生產(chǎn)效率不高。②使用液壓技術(shù)，進(jìn)行開式打捆。使用這一技術(shù)進(jìn)行打捆穩(wěn)定性強(qiáng)，與節(jié)本稻苗打捆具有相似性，沖破了壓縮力的限制，但是，不足之處是，體積過(guò)大，初始物料容積大，壓縮量大，不能自動(dòng)完成捆扎，生產(chǎn)率低。③小型打捆設(shè)備。這種設(shè)備對(duì)原有的小型方捆進(jìn)行了合理利用，并二次壓縮，形成大型方捆。該設(shè)備主要利用了小型草捆容重大等特點(diǎn)來(lái)二次加工，這就加大了秸稈壓縮的成本。④機(jī)械預(yù)壓及液壓主壓結(jié)合技術(shù)。該技術(shù)主要是將機(jī)械預(yù)壓及液壓主壓優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合應(yīng)用的技術(shù)，在能耗不大的基礎(chǔ)上，通過(guò)液壓致密技術(shù)進(jìn)行二次壓縮，減少能源消耗，并能連續(xù)進(jìn)行工作，但是，預(yù)壓與主壓的連續(xù)銜接存在問(wèn)題，難以自動(dòng)進(jìn)行捆扎。圖1中1代表輸送裝置；2代表壓扁裝置；3代表預(yù)壓縮裝置；4代表主壓縮裝置；5代表穿繩裝置。

3.2 結(jié)構(gòu)與工作基本原理

目前，國(guó)內(nèi)使用最普遍的是小型打捆設(shè)備，其可以分為機(jī)械和液壓兩種。雖然，也嘗試使用大型打捆機(jī)，但是，打捆效果不佳；國(guó)外運(yùn)用比較多的是液壓系統(tǒng)致密成型技術(shù)，技術(shù)含量非常高。本設(shè)備主要采用逐級(jí)分解壓力設(shè)計(jì)方案。玉米秸稈捆打機(jī)是由輸送、壓扁、預(yù)壓縮等裝置工程。如圖1所示。主要原理：玉米秸稈在輸送帶進(jìn)行水平方向移動(dòng)，經(jīng)過(guò)壓扁裝置后成扁平狀，在機(jī)械預(yù)壓和液壓主壓結(jié)構(gòu)相互作用下，使物料進(jìn)行高密度大方捆綁，然后借助壓縮液壓設(shè)備，設(shè)定打捆的具體參數(shù)，將玉米秸稈方捆成設(shè)定尺寸。

圖1 玉米秸稈打捆設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

3.3 主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）輸送機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。依據(jù)設(shè)備的指標(biāo)做理論分析與試驗(yàn)，含水率約20%的秸稈容量為0.029t/m3，秸稈的平均長(zhǎng)度為2.2m，最長(zhǎng)不也能超過(guò)2.4m，若料槽寬度為2.4m，按照壓扁機(jī)初估高度，將其設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)式的高度，調(diào)節(jié)范圍控制在2.5～3.5m之間，傾角取0值為0.72。秸稈輸送機(jī)產(chǎn)量料槽寬、高度關(guān)系為：Q=3600B·h·V·γ·η·Kc。關(guān)系式中：Q表示輸送機(jī)產(chǎn)量；B表示料槽的寬度；h表示料槽高度；V表示的鏈條速度；γ表示物料容重；η表示輸送效率；Kc表示傾斜輸送數(shù)。

（2）壓扁機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。壓扁機(jī)中核心部件是壓扁輥，因此，確保壓扁輥的安全穩(wěn)定性非常重要。經(jīng)過(guò)相應(yīng)的力學(xué)分析，初選外徑D=245mm，長(zhǎng)L=2480mm的壓扁輥，通過(guò)對(duì)外力實(shí)驗(yàn)測(cè)定，P-5×104，壓扁輥重C-1709.96N。經(jīng)過(guò)力學(xué)分析計(jì)算， 校 核：該式子中：T表示的是軸所受扭矩；P表示的是軸傳遞功率大??；n表示的是軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度?？箯澖孛嫦禂?shù)W=0.1D3（1-ɑ4）=598469mm3，合成彎矩表示：，材料強(qiáng)度符合使用要求。

（3）主壓縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。支撐和壓縮是其核心的構(gòu)成部分，其中支撐是由桁架構(gòu)成。使用有限元分析法對(duì)桁架的強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，并按照對(duì)應(yīng)力與應(yīng)變圖分析桁架。通過(guò)有限元分析的相關(guān)數(shù)據(jù)，在保證桁架經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性的前提下，可推算出材料橫截面計(jì)算公式為：

上式中：δfalse表示工件應(yīng)力；A表示工件的橫截面積；[σ]表示工件許用應(yīng)力；N表示在工件上作用的力。計(jì)算得出：理論橫截面A1=1797mm2；A2=1037.1mm2，所以，桁架選擇的是100×100×6、80×80×4的方鋼管，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)材料強(qiáng)度滿足使用的實(shí)際要求。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)械和液壓組合運(yùn)用，具有很強(qiáng)的安全可靠性，其捆打機(jī)結(jié)構(gòu)符合機(jī)械功能的要求，是我國(guó)技術(shù)科研成果的一項(xiàng)重大創(chuàng)新，其推廣和應(yīng)用具有重要意義。其設(shè)備應(yīng)用優(yōu)勢(shì)具體表現(xiàn)為：①結(jié)構(gòu)十分緊湊，操作比較方便，安全性高；②使用該設(shè)備進(jìn)行玉米秸稈捆綁尺寸十分規(guī)整，且重量很穩(wěn)定；③機(jī)械要和液壓主壓相結(jié)合，比較適應(yīng)北方玉米高強(qiáng)度的特點(diǎn)，且產(chǎn)出比非常高。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙濤,王浩宇.大方捆打機(jī)滾筒動(dòng)刀排列布置研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械 ,2016，(20):567-578.

[2]劉宏文,徐浩.紐荷蘭大方捆打捆機(jī)在生物質(zhì)發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè) ,2014，(12):318-326.