最新毕业设计双出头秸秆液压成型机的设计.docx

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最新毕业设计双出头秸秆液压成型机的设计

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D.SELECT职员号FROM订单

C.OOP用“方法”表现处理事物的过程河南科技学院

2009届本科毕业论文（设计）

论文题目：

双出头秸秆液压成型机的设计

学生姓名：

张松飞

所在院系：

机电学院

所学专业：

机电技术教育

导师姓名：

马孝琴

完成时间：

2009年5月26日

摘要

我国农作物秸秆资源非常丰富，但大部分没有得到合理有效的利用。

生物质能源转换技术在使秸秆资源得到充分利用的同时，也增加了农民的收入，为促进农业的可持续发展做出贡献。

本论文是通过对HPB-III生物质成型机出现的各种问题进行理论分析，并在此基础上做出改进设计，设计出一种新型成型机（双出头秸秆液压成型机）。

这种成型机以液压驱动、双向成型为基础，从产业化的角度对HPB-III型生物质成型机进行了液压系统和成型部件的改进设计，采用双缸双活塞双阀，使该成型机运行压力在8MPa左右，低压运行，稳定性提高，综合性能提高，生产率达到500kg/h，单位能耗70kWh/t左右，进一步推动了生物质固化成型技术的发展。

关键词:

生物质（秸秆），液压成型机，液压成型，改进设计

TheDesignofBi-DirectionBiomassBriquettingMachine

byHydraulicDriven

ABSTRACT

Cropresiduesareveryabundantinourcountry.butmostofthemhaven’tgotsufficientuse.Biomassenergyconvertingtechnologymakethefulluseofstrawresourcebecomepossible,onthesametime,italsoincreasetheincomeoffarmer,andpayattributetotheimprovementoftheagriculturalsustainabledevelopment.

ThispaperusedtheoryanalysistoanalyzeallkindproblemsofHPB-III,usedimproveddesign,designedanewbriquettingmachine（THEBI-DIRECTIONBIOMASS（STRAW）BRIQUETTINGMACHINEBYHYDRAULICDRIVEN）.Basedonthefluidpowerdriveandbi-directionbriquetting,thehydraulicsystemandtheHPB-IIIbriquettingmachinecomponentswereimprovedondesign.Two-cylinder,double-valve,anddouble-pistontechnologyhasbeenused.Afteroperationtest,itshowedthattheoperationpressurehasdropped,thestabilityhasenhancedandtheoverallperformancehasimproved.Theproductivityachieves500kg/h,unitenergyconsumptionreachesto70kWh/t,andtheoperationpressurewasabout8MPa,basicallysolvedthetechnicalpromotionproblemsofthebriquettingmachine.

Keywords:

Biomass（Straw）,Briquettingmachinebyhydraulicpiston,Hydraulicpress,Improveddesign

致谢20

参考文献21

1绪论

1.1研究背景

当今人类使用的主要能源是石油、天然气、煤炭,它们都是不可再生的能源。

能源是国民经济和社会活动赖以生存和发展的物资基础。

能源工业一方面满足国民经济发展和人民生活对能源的需求,另一方面又是国民经济重要的支柱产业。

1995年,我国能源工业（煤炭、石油、天然气开采和发电）的增加值为2361亿元,占全国工业增加值的28.4%,占国内生产总值的13.7%。

能源工业就业人数868万人,占工业就业职工人数的13.1%[1]。

改革开放30余年来我国能源工业已得到巨大的发展,为我国国民经济的发展做出了重大贡献。

同时,能源也是制约我国国民经济持续发展的重要环节,能源的可持续利用至关重要。

我国作为一个迅速崛起的发展中大国，面临着经济增长和环境保护的双重压力。

2003年我国能源消费总量16.78亿，位居世界第二，约占世界能源消费总量的11%，其中煤炭占67.1%，原油占22.7%，天然气占2.8%，可再生能源及其它能源占7.4%。

并且能源消耗还以每年6%～7%的速度增长[2][3]。

我国是一个能源消耗大国，一次能源消费仍以煤炭为主，煤在直接燃烧过程中产生的CO2、SO2、NOx、粉尘及其它有害物质，对大气环境造成了严重的污染，而中国《防止大气污染法》和中国签定的“京都议定书”都对中国城镇直接燃煤问题提出了量的限制和技术改造要求。

所以研究开发可替代煤的清洁燃料势在必行。

利用秸秆成型技术，将松散细碎的无定型的秸秆挤压成质地致密、形状规则的成型燃料。

原料挤压成型后，密度可达0.8～1.3kg/m3，能量密度与中值煤相当，成型后的秸秆成型燃料燃烧特性较成型前有明显改善，火力持久、黑烟小、炉膛温度高，且储存、运输、使用方便、干净卫生，可代替矿物能源用于生产和生活领域。

1.2国内外生物质成型机研究现状

中国从20世纪80年代引进螺旋推进式秸秆成型机，生物质压缩成型技术的研究开发已有二十多年历史。

20世纪90年代期间河南农业大学，中国农机能源动力研究所分别研究出PB-I型机械冲压式成型机、HPB系列液压驱动活塞式成型机、CYJ-35型机械冲压式成型机[8][9]。

尽管引进和研究的有很多种生物质成型机械，但我国的压缩成型机基本上就两种：

螺旋挤压成型机和液压冲压成型机[9-13]。

目前这些设备大都停止了运行，主要原因是：

以木屑为原料，市场和资源的针对性差，成本高。

螺旋挤压设备磨损严重，维修周期短（60～80h），耗能高。

由此看来螺旋式成型机的关键技术是螺杆的使用寿命。

而液压式生物质成型机是液压驱动活塞冲压成型，其运行性能稳定，延长了易损件的使用寿命。

国外发达国家对秸秆等生物质致密成型技术都普遍重视，并投入了大量的资金和技术力量研究和开发致密成型技术。

20世纪30年代，美国就开始研究压缩成型燃料技术，并研制了螺旋压缩机[8][14];日本、西德等国也开始研究成型技术处理木材废弃物、农业纤维物等。

进入20世纪70年代以来，随着全球性石油危机的冲击和环保意识的提高，世界各国越来越认识到开发和高效转换生物质能的重要性，相应地投入一定的资金和技术力量研究开发生物质成型燃料技术及设备。

日本1983年前后从美国引进颗粒成型燃料生产技术，1987已有10多个颗粒成型燃料工厂投入运行，年生产生物质颗粒成型燃料超过10万吨，现已经形成工厂化规模[15]。

1.3秸秆压缩成型研究现状

为解决秸秆合理利用问题，欧美工业化国家如丹麦、瑞典、荷兰、美国等，还有亚洲的印度、日本等国都在秸秆成型方面做了大量的研究，我国在这方面的研究起步较晚。

根据目前国内外压缩成型的研究文献来看，各国研究的侧重点虽有所不同，但主要研究以下几方面内容：

1.3.1秸秆的物理特性

秸秆本身的物理特性是影响秸秆切碎和压缩成型的主要因素之一。

秸秆的物理特性受物种、品种、产区、成熟度等多种因素的影响。

国内外对麦秸、饲草等软茎秆的拉伸强度、剪切强度、弹性模量、刚度模量等物理特性研究较多。

1.3.2秸秆的切碎特性

切碎能耗、切碎长度和切断效率对秸秆的切碎特性均有影响，如切割速度、割刀参数、受切根数等因素对切割过程的影响。

秸秆切割过程中有一临界速度，在15～30m/s范围内，低于临界速度，能耗和无效切割快速增加；大于临界速度，能耗基本不变，实际切割长度接近于理论长度。

1.3.3秸秆的压缩特性

由于植物纤维物料的材料特性不同，国内外在对其压缩特性的研究中也提出了各种研究方法。

国外许多学者都把秸秆当作理想的线性粘弹体，运用流变学的理论，采用各种不同的流变模型来描述物料的压缩流变过程。

相对于金属、塑料等材料而言，植物纤维物料压缩过程中的应力与应变的变化毕竟是非常复杂的，因此还有待于进一步探讨，从而更接近实际情况。

1.3.4压缩成型工艺

秸秆压缩成型工艺可以分为加粘结剂和不加粘结剂的成型工艺,根据对物料加温形式不同，不加粘结剂的成型工艺又可划分为常温成型（不加温）、热压成型（成型过程中原料在挤压部位被加热）、预热成型（挤压之前加温）和成型碳化（挤压后热解碳化）4种主要形式。

1.4目前主要的成型机类型

目前世界各地的成型机主要有两种：

压块（Briquette）和颗粒（Pellet）成型机。

根据成型原理的不同可分为：

活塞成型机（Pistonpress），螺旋式成型机（Extruderpress）和模压颗粒成型机（Matrixpelletpress）。

1.4.1活塞式成型机

按驱动动力的不同可分为两类：

一类是用发动机或电动机通过机械传动驱动的称为机械驱动活塞式成型机（Pistonpresseswithmechanicaldrive）；另一类是用液压机构驱动的称为液压驱动活塞成型机（Pistonpresseswithhydraulicdrive）。

这两类成型机的成型过程是靠活塞的往复运动实现的。

其进料、压缩和出料都是间歇进行的，即活塞往复运动一次可以形成一个压块，在成型套内压块之间被紧密挤在一起，但其端面之间的连接不牢固。

因此，当压块从成型机的出口被挤出时，一般在重力的作用下自行分离。

根据压缩室末端有无挡板又分为开式和闭式两种。

闭式柱塞压块依靠压缩室末端的挡板形成挤压阻力，压块形成后再开启挡板排出，这种机构不需要很大的挤压力，消耗能量较少；开式成型机依靠被压缩物与压缩室壁之间的摩擦力和锥形压模形成挤压阻力实现原料的压缩成型，这种形式的成型机出料方便，不需要特殊的挤出成型块机构和动作。

1.4.2螺旋式成型机

根据成型过程中粘结机理的不同可分为加热（withdieheating）和不加热（withoutdieheating）两种形式。

一种是先在物料中加入粘结剂，然后在锥型螺旋输送器的压送下，压在原料上的压力逐渐增大，到达压缩喉口时物料所受的压力最大。

物料在高压下体积密度增大，并在粘结剂的作用下成型，然后从成型机的出口处被连续挤出。

另一种是在成型套筒上设置加热装置，利用物料中的木质素受热塑化的粘结性，使物料成型。

此类成型机最早被研制开发，也是目前各地推广应用较为普遍的一种机型。

1.4.3模压颗粒成型机

根据压模型形状的不同可分为：

平板模颗粒成型机（Diskmatrixpelletpress）和环板模颗粒成型机（Ringmatrixpelletpress），其中环模成型机根据其结构布置方式又可分为立式和卧式两种形式。

由于立式环模成型机具有压模易更换、保养方便、易进行系列化设计等优点而成为现有颗粒成型机的主流机型，其生产率可达1～3t/h。

卧式环模成型机的压模和压辊的轴线都为垂直设置，生产率可达500～800kg/h。

平板模颗粒机的工作原理是平板上4～6个辊子，辊子随轴作圆周运动，并与平模板间有相对运动，原料在辊子和模板间受挤压，多数原料被挤入模板孔中，切割机将挤出的成型条按一定的长度切割成粒。

1.4.4各类生物质成型机存在的缺陷

（1）螺杆式成型机

虽然这种成型机造价低，成型时的力度要求小，但是它对粉碎程度要求比较高。

另外它的生产率比较低，约为130kg/h。

它最大的不足在于其螺杆容易磨损，即使是耐热材料使用时间60小时。

而更换新的造价又非常高为1000元/个。

（2）冲压式成型机

优点是连续工作时间长，但是其造价高为10万/台，还有就是生产率比螺杆式高。

但还是低，仅为300kg/h。

如果压力过大，危险性大且易出现“放炮”现象。

另外这种成型机对物料含水率要求比较高,要求在16%以下。

1.4.5HPBIII型生物质成型机

HPB-III型液压活塞式双向成型机，其主要工作部件有活塞冲杆、保型筒、锥形筒、夹紧套、活塞套筒、加热圈、液压装置、电控柜等。

它的工作原理是油泵在电机带动下，将油通过换向阀泵入油缸的一腔，把电能转化成液体的压力能，驱动活塞、活塞杆、冲杆向一端运动，冲杆将进料斗加入的生物质压入成型套内的锥形套中，秸秆在机械压力和温度的作用下发生塑性变形，秸秆被挤压成成型

图1成型机工作路线与控制系统方框图

棒后，经保型筒稳型后挤出。

在换向阀的作用下，油被泵入油缸的另一腔，则活塞、活塞杆、冲杆向另一端运动，完成另一端成型[19]。

其工作路线如图1所示。

该套设备采用活塞冲压成型，避免了生物质原料与成型部件连续的相对运动摩擦，解决了螺旋推进成型机螺旋杆头部磨损严重的问题，并且该系统是在不加任何粘结剂的条件下对生物质进行热压成型的，所以可以节约成本。

但该成型机也存在一些缺陷，如当进料出现堵塞时不能增大压力使其正常工作，运行压力过高，设备振动太大，从进料斗进料时搅拌机搅拌易出现死角，发生进料堵塞现象。

1.5本课题的提出目的及意义

在中国，作物秸秆传统的利用方式是作为农村生活燃料、大牲畜草料与有机肥料的主要来源。

现在随着科学技术的发展，人们对农作物秸秆资源的认识越来越深，对农作物秸秆的利用日益重视，而且在如何科学有效的利用秸秆资源上已取得进展。

但发展速度较慢，这不仅与人们对开发利用秸秆资源的认识程度有关，更重要的是与相关技术设备研究严重滞后有关。

为了解决这个问题，提高压块成型效率，我们可使用液压设备对生物质进行初压，将生物质加一定的压力，保持一定时间，然后将已有一定压力的生物质在模具中冲压以使生物质达到成型的效果。

并且在冲压时对成型块加热以使生物质中的木质素在一定温度下软化，以便在冲压过程中得到一定密度的生物质压块。

吸收己有生物质成型机的优点，并尽可能的克服其不足之处，使生物质能更好的、效率更高的达到成型的效果。

主要从采用机械方式为主，并采用液压原理来设计出新的设备。

同时通过实验来分析对于这种成型机理的各个影响因素，为以后的改进提供参考依据。

成型机造价低，生产效率较高，预计可达0.5t/h。

能够达到农村采暖需要生物质压块的密度要求，大大提高生产效率，尽可能的降低能量的消耗。

以便生物质压块在一定程度和一定范围内作为煤的替代能源得到推广和应用。

在部分缓解能源危机的同时，也避免生态环境受到秸杆焚烧等不合理用能的破坏。

因此，通过本课题的研究，在HPB-Ⅲ型生物质成型机的基础上改进设计出一种新型成型机，使其系统的性能更稳定，工况更好;使秸秆成型机械在常规能源相对缺乏、生物质原料充足、经济条件相对较落后的农村进行推广，为秸秆资源得到合理的能源利用提供一个更为有效的利用途径。

1.6研究思路

本论文是在HPB-III生物质成型机的基础上改进设计出一种新型成型机，其研究思路为：

通过对HPB-III生物质成型机的运行情况和出现的各种问题，进行了理论分析，以取得进一步解决秸秆成型机存在问题的依据，做出改进设计，目的是使新设备效率更高，低压运行，性能稳定，以消除不安全隐患。

2HPB-III型生物质成型机运行状况分析

HPB-III型成型机的设计还是比较合理的，具备一定商业化推广的价值。

但是仍有些机械加工上的问题和设计上的问题使得该设备不够完善，以下部分将对HPB-III型成型机运行时出现的问题进行分析。

2.1设计上的问题分析

（1）液压系统设计上的问题：

主缸和预压油缸的换向都是靠电液换向阀控制换向，没有安装顺序阀，当进料出现堵塞时不能增大压力使其正常工作;液压泵的选型是选用了柱塞变量泵，变量泵最大的弊端是功率是定值，功率N＝P×Q，外载压力和泵的流量成反比，当外载需要很大的压力时泵流量反而下降，提供不了足够的工作压力，当外载小时能量反而浪费；油路管线布置不规范，增加了局部阻力损失。

（2）运行压力太高：

由于主缸是单缸单活塞，根据F＝P×S，泵提供的压力一定，活塞的表面积越小，运行压力就会越高，但是实际上秸秆成型压力是一定的。

运行压力在20MPa左右，对于预压油缸来说当没有负载回油时，易产生较大的振动和噪声，在90dB左右;由于运行压力高还经常出现漏油现象。

（3）设备振动太大：

有两个原因，一是机身重心太高，设备在高压状态运行下易产生振动;二是设备工作压力在20MPa左右，工作时产生的冲击力太大。

（4）进料斗为方锥形在进料时搅拌机搅拌易出现死角，发生进料堵塞，如图2所示，经常导致搅拌电机线路烧坏，还直接影响进料量，进而影响整个设备产品的产量。

1一方锥形进料斗2一搅拌器3一易堵塞位置4一预压筒5一预压缸冲头

图2进料系统示意图

2.2加工上的问题分析

加工上的问题主要在于整个设备的选材和主要部件的机械加工没有达到设计要求，导致了诸多不该发生故障都发生了，主要在以下几个方面：

（1）机身机座的选材，用的是厚度为20mm左右的钢板，使得机座的刚度不够，抗振性较差，在很大的工作压力的冲击下，设备振动比较厉害。

（2）成型套筒和活塞杆冲杆不同心。

主要有三个方面的原因造成的：

一是冲杆和活塞杆的选材和热处理程度没有达到设计要求；二是设备在强压力的推动下振动厉害导致冲杆偏离轴心；三是套筒与冲杆的间隙配合不合要求，由于长时间的工作，大量的粉尘进入间隙，在加热状态下粉尘发生炭化，极其坚硬（如图3的指示2部分），使得冲杆偏离轴心，还容易对冲杆表面擦出很多沟壑。

1—主缸冲头2—灰尘坚硬层3—物料4—预压缸冲头

5—易堵塞位置6—成型筒

图3主缸冲头与预压油缸冲头进料堵塞示意图

（3）噪声太高（90dB左右），影响工人工作环境。

主要原因是设备振动大和运行压力高。

3双出头秸秆液压成型机的设计

通过对HPB-III生物质成型机的运行情况和出现的各种问题，进行理论分析，并在其基础上经过改进设计，设计出一种新型成型机，以进一步解决现有秸秆成型机存在的问题。

3.1设计指导思想

（1）以河南农业大学HPB-III型液压秸秆成型机为设计基础，以降低工作压力提高机器稳定性、生产率，降低能耗为目标，设计新型液压式秸秆成型机。

（2）除关键专用部件外，尽可能多用标准件和通用件，以降低成本。

（3）坚持以秸秆（玉米秆、小麦秆、稻秆）为主要原料的设计方向。

（4）用大系统设计的观点，着力解决实现产业化、工厂化的相关问题。

（5）比能耗、成本、磨损三项指标有所突破。

3.2液压系统的设计

3.2.1主油缸的设计

HPB-III型生物质成型机运行压力在20MPa左右，主油缸是单缸单活塞，一个阀控制进油路，使得单位活塞截面积承受的压力太大，根据F＝P×S，秸秆成型所需的压力F一定，增大活塞截面积S可以有效地降低工作压力P，结合设备实际尺寸的需要，将主油缸改为双缸双活塞，两个进油路，两个阀控制，不仅可以增大活塞截面积，还可以不增大设备的大小，如图4、5。

1—活塞杆2、10—导向套3、9—压紧螺母4、8—活塞5、7—缸筒

6—双向导向套11、12、13、14—油管接口

图4主油缸装配图

3.2.2液压系统的设计

按照总体设计思路对HPB-III型生物质成型机液压系统作了较好的改进：

主油缸单缸改为双缸双活塞，进油路改为双阀控制，增加一个高压小流量定量泵，可以避免主油缸活塞推不动而改为手动换向、预压装置由于连续推不动而堵塞等现象，并且增大油箱容积，在油箱上盖上集成液压元件，新设计的液压系统原理图如图5。

液压系统工作原理：

按动自动按钮，1DT通电，电液换向阀6的左位接通，主油缸10的活塞右行。

进油路：

由高压小流量定量泵3和低压大流量定量泵16输出的液压油经电液换向阀6的左位分别进入预压油缸7的上腔和预压油缸13的下腔，预压油缸7的活塞行止下死点和预压油缸13的活塞行止上死点时，系统的压力继续升高。

当系统压力升高到顺序阀8的调定压力时，顺序阀8被打开，液压油经顺序阀8进入主油缸左油缸的前腔和右油缸的后腔，推动主油缸的活塞右行，同时带动柱塞、冲杆右行。

回油路：

预压油缸7下腔和预压油缸13上腔的液压油经电液换向阀6的右位直接回油箱。

主油缸左油缸的后腔和右油缸的前腔的液压油先经顺序阀12的旁通阀后经电液换向阀6的右位回油箱。

当主油缸右活塞右行到预定位置时，触动行程开关11发出信号，使1DT失电，2DT得电。

1、18—油箱2、17—滤油器3—高压小流量定量泵4、14—溢流阀

5、15—单向阀6—电液换向阀7、13—预压油缸8、12—顺序阀

9、11—行程开关10—主油缸16—低压大流量定量泵（双缸双活塞）

图5双出头秸秆液压成型机的液压系统图

2DT接通电源使电液换向阀6的右位接通。

主油缸活塞按照左行的工作原理推动冲杆左行，其进油回油程序是：

进油路：

由高压小流量定量泵3和低压大流量定量泵16输出的液压油经电液换向阀6的右位分别进入预压油缸13的上腔和预压油缸7的下腔，预压油缸13的活塞行止下死点和预压油缸7的活塞行止上死点时，系统的压力继续升高。

当系统压力升高到顺序阀12的调定压力时，顺序阀12被打开，液压油经顺序阀12进入主油缸左油缸的后腔和右油缸的前腔，推动主油缸的活塞左行，同时带动柱塞、冲杆左行。

回油路：

预压油缸13下腔和预压油缸7上腔的液压油经电液换向阀6的左位直接回油箱。

主油缸左油缸的前腔和右油缸的后腔的液压油先经顺序阀8的旁通阀后经电液换向阀6的左位回油箱。

当主油缸左活塞左行到预定位置时，触动行程开关9发出信号，使2DT失电，1DT得电，电液换向阀6的左位接通系统，以此循环往复工作。

正常运行期间，液压泵3和16都处于一种低压运行状态，在所需推力较大时，即外载压力高于低压定量泵16的输出压力时，出现活塞推不动或者预压油缸所带冲杆走不到位置时，高压小流量定量泵3会提供更高的液压，液压油经过单向阀5到电液换向阀6，然后重复上述进油回油程序，低压油泵流出的油液经溢流阀直接回到油缸，直至被积压的物料被推出，防止累积堵塞而中断工作现象。

3.3成型机结构的设计

新型成型机的结构是在HPB-III型生物质成型机的基础上改进设计的，主要是从选材、加工工艺和部分不合理的结构上做了些改进设计，其结构简图见图6。

1一主油缸（2个）2一机座3一成型筒4一保型筒5一加热防护罩

6一送料机械7一预压油缸8一油箱集成（包括油泵，电机，液压元件）

图６双出头秸秆液压成型机结构整体