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STRAW CHOPPER MOUNTING FOR COMBINE 聯(lián)合秸稈粉碎還田器的安裝 This invention relates to an improved means for mounting a straw chopper on a combine 本發(fā)明涉及一種改進的手段，即在聯(lián)合收割機上安裝秸稈粉碎還田機 When the straw or crop residue is thick, a straw chopper is used on a combine harvester to reduce the crop residue before it is spread so that such residue does not later cause tillage problems. However, in some conditions of crops, a straw chopper is not required, nor even desired. Under such circumstances, in the past the way such situation was handled was to remove the straw chopper from the combine. This was a tedious task as straw choppers are heavy and bulky attachments which do not lend themselves to attachment or detachment from a combine by one man. 當玉米或作物殘留物很厚時，用聯(lián)合收割機進行秸稈粉碎還田以減少作物殘留物，然后才鋪散開，這樣這些殘留物以后就不會造成耕作問題。然而，在一些作物條件下，秸稈粉碎還田機是不需要的，甚至也不理想。在這種情況下，在過去這種情況的處理方法是去除聯(lián)合秸稈粉碎還田機。這是一件單調(diào)乏味的工作，因為秸稈粉碎機很重而且一個人并不能使笨重的附件相互依附或分離開。 Accordingly, the present invention contemplates providing means on a combine for mounting a straw chopper in the conventional position on a combine harvester for chopping straw delivered thereto from the chopper will not interfere with the discharge of straw from such straw rack. 因此，本發(fā)明設想提供在聯(lián)合收割機傳統(tǒng)位置上安裝一個秸稈粉碎還田器的手段，這將不會干擾玉米等秸稈從機架中排出。 A further object of this invention is to provide mounting means for a straw chopper so that such chopper can remain mounted on a combine harvester at all times, but such straw chopper while so mounted can be shifted by one man from an operative straw chopping position to a neutral out of the way position. 本發(fā)明的進一步目標是提供一個安裝秸稈粉碎還田機的手段，使斬波器可以保持在任何時候都可以安裝在聯(lián)合收割機上，但當這樣安裝時，一個人就可以從一個執(zhí)行秸稈粉碎的位置轉(zhuǎn)移到其對立的位置上。 In a combine having a longitudinally extending straw rack, a hood positioned over the end of said straw rack, said hood being provided with longitudinally extending opposed side walls joined by an overhead and end portion, the improvement comprising a longitudinally extending first channel member attached to each of said side walls, a straw chopper having longitudinally extending second channel member attached to each side and being complementary to said first channel members so that said straw chopper is supported from said hood by means of a nesting coaction between said first and second channel members, said straw chopper being slidably mounted for longitudinal movement along said first channel members, means for retaining said straw chopper in a first position in receiving relation to straw discharged from said straw rack and for relating said straw chopper in a forward neutral position relative to said discharge end of said straw rack. 在具有縱向延伸秸稈架結合位置，一個遮光罩定位在秸稈架末端，上述遮光罩由架空和結束部分加入的縱向延伸反向側(cè)墻提供，這一改進包括一個縱向延伸第一個通道，它與上述側(cè)墻的每一面相連接，秸稈粉碎還田器有縱向延伸的第二通道，它連接到側(cè)墻的每一面并且加以補充與第一個渠道附件連接，這樣秸稈粉碎還田器從上述遮光罩得到支持，而遮光罩通過上述第一和第二渠道附件之間的嵌套合作得以實現(xiàn)，秸稈粉碎還田器的可滑動式安裝使其可沿著第一渠道附件縱向運動，以保留在接受有關從秸稈架解除第一個位置上的秸稈粉碎還田器和相對于解除秸稈架末端前方對立位置的秸稈粉碎還田器為手段。 1.緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 國內(nèi)生物質(zhì)成型機研究現(xiàn)狀外 1 1.3 秸稈壓縮成型研究現(xiàn)狀 1 1.3.1 秸稈的物理特性 1 1.3.2 秸稈的切碎特性 1 1.3.3 秸稈的壓縮特性 2 1.3.4 壓縮成型工藝 2 1.4 目前主要的成型機類型 2 1.4.1 活塞式成型機 2 1.4.2 螺旋式成型機 2 1.4.3 模壓顆粒成型機 2 1.4.4 各類生物質(zhì)成型機存在的缺陷 2 1.4.5生物質(zhì)成型機 2 1.5 本課題的提出目的及意義 3 2.設計上的問題分析 3 2. 1 加工上的問題分析 4 3.設計指導思想 5 3.1液壓系統(tǒng)的設計 5 3.1.1 主油缸的設計 5 3.1.2 液壓系統(tǒng)的設計 5 3.2成型機結構的設計 6 3.3設計指標及設計參數(shù) 7 3.3.1 設計指標 7 3.3.2 主要設計參數(shù) 7 3.4成型機工作流程 7 4.雙出頭秸稈液壓成型機設計計算過程 7 4.1 擬定液壓系統(tǒng)圖 7 4.2 主要計算過程 7 5.結束語 11 參考文獻 12 致 謝 13 作物秸稈成型機成型模具的設計 1.緒論 1.1 研究背景 當今人類使用的主要能源是石油、天然氣、煤炭,它們都是不可再生的能源。能源是國民經(jīng)濟和社會活動賴以生存和發(fā)展的物資基礎。能源工業(yè)一方面滿足國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活對能源的需求,另一方面又是國民經(jīng)濟重要的支柱產(chǎn)業(yè)。1995年,我國能源工業(yè)(煤炭、石油、天然氣開采和發(fā)電)的增加值為2 361 億元,占全國工業(yè)增加值的28.4% ,占國內(nèi)生產(chǎn)總值的13.7%。能源工業(yè)就業(yè)人數(shù)868 萬人,占工業(yè)就業(yè)職工人數(shù)的13.1%[1]。改革開放30余年來我國能源工業(yè)已得到巨大的發(fā)展,為我國國民經(jīng)濟的發(fā)展做出了重大貢獻。同時,能源也是制約我國國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié),能源的可持續(xù)利用至關重要。 我國作為一個迅速崛起的發(fā)展中大國，面臨著經(jīng)濟增長和環(huán)境保護的雙重壓力。2003年我國能源消費總量16.78億，位居世界第二，約占世界能源消費總量的11%，其中煤炭占67.1%，原油占22.7%，天然氣占2.8%，可再生能源及其它能源占7.4%。并且能源消耗還以每年6%～7%的速度增長[2][3]。我國是一個能源消耗大國，一次能源消費仍以煤炭為主，煤在直接燃燒過程中產(chǎn)生的CO2、 SO2、 NOx、粉塵及其它有害物質(zhì)，對大氣環(huán)境造成了嚴重的污染，而中國《防止大氣污染法》和中國簽定的“京都議定書”都對中國城鎮(zhèn)直接燃煤問題提出了量的限制和技術改造要求。所以研究開發(fā)可替代煤的清潔燃料勢在必行。 利用秸稈成型技術，將松散細碎的無定型的秸稈擠壓成質(zhì)地致密、形狀規(guī)則的成型燃料。原料擠壓成型后，密度可達0.8～1.3kg/m3，能量密度與中值煤相當，成型后的秸稈成型燃料燃燒特性較成型前有明顯改善，火力持久、黑煙小、爐膛溫度高，且儲存、運輸、使用方便、干凈衛(wèi)生，可代替礦物能源用于生產(chǎn)和生活領域。 1.2 國內(nèi)生物質(zhì)成型機研究現(xiàn)狀外 中國從20世紀80年代引進螺旋推進式秸稈成型機，生物質(zhì)壓縮成型技術的研究開發(fā)已有二十多年歷史。20世紀90年代期間河南農(nóng)業(yè)大學，中國農(nóng)機能源動力研究所分別研究出PB-I型機械沖壓式成型機、HPB系列液壓驅(qū)動活塞式成型機、CYJ-35型機械沖壓式成型機[8][9]。盡管引進和研究的有很多種生物質(zhì)成型機械，但我國的壓縮成型機基本上就兩種：螺旋擠壓成型機和液壓沖壓成型機[9-13]。目前這些設備大都停止了運行，主要原因是：以木屑為原料，市場和資源的針對性差，成本高。螺旋擠壓設備磨損嚴重，維修周期短(60～80h)，耗能高。由此看來螺旋式成型機的關鍵技術是螺桿的使用壽命。而液壓式生物質(zhì)成型機是液壓驅(qū)動活塞沖壓成型，其運行性能穩(wěn)定，延長了易損件的使用壽命。 國外發(fā)達國家對秸稈等生物質(zhì)致密成型技術都普遍重視，并投入了大量的資金和技術力量研究和開發(fā)致密成型技術。20世紀30年代，美國就開始研究壓縮成型燃料技術，并研制了螺旋壓縮機[8][14];日本、西德等國也開始研究成型技術處理木材廢棄物、農(nóng)業(yè)纖維物等。進入20世紀70年代以來，隨著全球性石油危機的沖擊和環(huán)保意識的提高，世界各國越來越認識到開發(fā)和高效轉(zhuǎn)換生物質(zhì)能的重要性，相應地投入一定的資金和技術力量研究開發(fā)生物質(zhì)成型燃料技術及設備。日本1983年前后從美國引進顆粒成型燃料生產(chǎn)技術，1987已有10多個顆粒成型燃料工廠投入運行，年生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒成型燃料超過10萬噸，現(xiàn)已經(jīng)形成工廠化規(guī)模[15]。 1.3 秸稈壓縮成型研究現(xiàn)狀 為解決秸稈合理利用問題，歐美工業(yè)化國家如丹麥、瑞典、荷蘭、美國等，還有亞洲的印度、日本等國都在秸稈成型方面做了大量的研究，我國在這方面的研究起步較晚。根據(jù)目前國內(nèi)外壓縮成型的研究文獻來看，各國研究的側(cè)重點雖有所不同，但主要研究以下幾方面內(nèi)容： 1.3.1 秸稈的物理特性 秸稈本身的物理特性是影響秸稈切碎和壓縮成型的主要因素之一。秸稈的物理特性受物種、品種、產(chǎn)區(qū)、成熟度等多種因素的影響。國內(nèi)外對麥秸、飼草等軟莖稈的拉伸強度、剪切強度、彈性模量、剛度模量等物理特性研究較多。 1.3.2 秸稈的切碎特性 切碎能耗、切碎長度和切斷效率對秸稈的切碎特性均有影響，如切割速度、割刀參數(shù)、受切根數(shù)等因素對切割過程的影響。秸稈切割過程中有一臨界速度，在15～30 m/s范圍內(nèi)，低于臨界速度，能耗和無效切割快速增加；大于臨界速度，能耗基本不變，實際切割長度接近于理論長度。 1.3.3 秸稈的壓縮特性 由于植物纖維物料的材料特性不同，國內(nèi)外在對其壓縮特性的研究中也提出了各種研究方法。國外許多學者都把秸稈當作理想的線性粘彈體，運用流變學的理論，采用各種不同的流變模型來描述物料的壓縮流變過程。相對于金屬、塑料等材料而言，植物纖維物料壓縮過程中的應力與應變的變化畢竟是非常復雜的，因此還有待于進一步探討，從而更接近實際情況。 1.3.4 壓縮成型工藝 秸稈壓縮成型工藝可以分為加粘結劑和不加粘結劑的成型工藝,根據(jù)對物料加溫形式不同，不加粘結劑的成型工藝又可劃分為常溫成型(不加溫)、熱壓成型(成型過程中原料在擠壓部位被加熱)、預熱成型(擠壓之前加溫)和成型碳化(擠壓后熱解碳化)4種主要形式。 1.4 目前主要的成型機類型 目前世界各地的成型機主要有兩種：壓塊和顆粒成型機。根據(jù)成型原理的不同可分為：活塞成型機，螺旋式成型機和模壓顆粒成型機。 1.4.1 活塞式成型機 按驅(qū)動動力的不同可分為兩類：一類是用發(fā)動機或電動機通過機械傳動驅(qū)動的稱為機械驅(qū)動活塞式成型機；另一類是用液壓機構驅(qū)動的稱為液壓驅(qū)動活塞成型機。這兩類成型機的成型過程是靠活塞的往復運動實現(xiàn)的。其進料、壓縮和出料都是間歇進行的，即活塞往復運動一次可以形成一個壓塊，在成型套內(nèi)壓塊之間被緊密擠在一起，但其端面之間的連接不牢固。因此，當壓塊從成型機的出口被擠出時，一般在重力的作用下自行分離。根據(jù)壓縮室末端有無擋板又分為開式和閉式兩種。閉式柱塞壓塊依靠壓縮室末端的擋板形成擠壓阻力，壓塊形成后再開啟擋板排出，這種機構不需要很大的擠壓力，消耗能量較少；開式成型機依靠被壓縮物與壓縮室壁之間的摩擦力和錐形壓模形成擠壓阻力實現(xiàn)原料的壓縮成型，這種形式的成型機出料方便，不需要特殊的擠出成型塊機構和動作。 1.4.2 螺旋式成型機 根據(jù)成型過程中粘結機理的不同可分為加熱和不加熱兩種形式。一種是先在物料中加入粘結劑，然后在錐型螺旋輸送器的壓送下，壓在原料上的壓力逐漸增大，到達壓縮喉口時物料所受的壓力最大。物料在高壓下體積密度增大，并在粘結劑的作用下成型，然后從成型機的出口處被連續(xù)擠出。另一種是在成型套筒上設置加熱裝置，利用物料中的木質(zhì)素受熱塑化的粘結性，使物料成型。此類成型機最早被研制開發(fā)，也是目前各地推廣應用較為普遍的一種機型。 1.4.3 模壓顆粒成型機 根據(jù)壓模型形狀的不同可分為：平板模顆粒成型機和環(huán)板模顆粒成型機，其中環(huán)模成型機根據(jù)其結構布置方式又可分為立式和臥式兩種形式。由于立式環(huán)模成型機具有壓模易更換、保養(yǎng)方便、易進行系列化設計等優(yōu)點而成為現(xiàn)有顆粒成型機的主流機型，其生產(chǎn)率可達1～3t/h。臥式環(huán)模成型機的壓模和壓輥的軸線都為垂直設置，生產(chǎn)率可達500～800kg/h。平板模顆粒機的工作原理是平板上4～6個輥子，輥子隨軸作圓周運動，并與平模板間有相對運動，原料在輥子和模板間受擠壓，多數(shù)原料被擠入模板孔中，切割機將擠出的成型條按一定的長度切割成粒。 1.4.4 各類生物質(zhì)成型機存在的缺陷 （1）螺桿式成型機 雖然這種成型機造價低，成型時的力度要求小，但是它對粉碎程度要求比較高。另外它的生產(chǎn)率比較低，約為130kg/h。它最大的不足在于其螺桿容易磨損，即使是耐熱材料使用時間60小時。而更換新的造價又非常高為1000元/個。 （2） 沖壓式成型機 優(yōu)點是連續(xù)工作時間長，但是其造價高為10萬/臺，還有就是生產(chǎn)率比螺桿式高。但還是低，僅為300kg/h。如果壓力過大，危險性大且易出現(xiàn)“放炮”現(xiàn)象。另外這種成型機對物料含水率要求比較高,要求在16%以下。 1.4.5生物質(zhì)成型機 液壓活塞式雙向成型機，其主要工作部件有活塞沖桿、保型筒、錐形筒、夾緊套、活塞套筒、加熱圈、液壓裝置、電控柜等。它的工作原理是油泵在電機帶動下，將油通過換向閥泵入油缸的一腔，把電能轉(zhuǎn)化成液體的壓力能，驅(qū)動活塞、活塞桿、沖桿向一端運動，沖桿將進料斗加入的生物質(zhì)壓入成型套內(nèi)的錐形套中，秸稈在機械壓力和溫度的作用下發(fā)生塑性變形，秸稈被擠壓成成型 原料 粉碎 右進料斗 左進料斗 成 型 棒 塊 成 型 棒 狀 右 成 型 筒 左 成 型 筒 電控裝置 液壓泵站 電流閥 右液壓缸 左液壓缸 液壓缸 圖1-1 成型機工作路線與控制系統(tǒng)方框圖 棒后，經(jīng)保型筒穩(wěn)型后擠出。在換向閥的作用下，油被泵入油缸的另一腔，則活塞、活塞桿、沖桿向另一端運動，完成另一端成型[19]。其工作路線如圖1所示。 該套設備采用活塞沖壓成型，避免了生物質(zhì)原料與成型部件連續(xù)的相對運動摩擦，解決了螺旋推進成型機螺旋桿頭部磨損嚴重的問題，并且該系統(tǒng)是在不加任何粘結劑的條件下對生物質(zhì)進行熱壓成型的，所以可以節(jié)約成本。但該成型機也存在一些缺陷，如當進料出現(xiàn)堵塞時不能增大壓力使其正常工作，運行壓力過高，設備振動太大，從進料斗進料時攪拌機攪拌易出現(xiàn)死角，發(fā)生進料堵塞現(xiàn)象。 1.5 本課題的提出目的及意義 在中國，作物秸稈傳統(tǒng)的利用方式是作為農(nóng)村生活燃料、大牲畜草料與有機肥料的主要來源?，F(xiàn)在隨著科學技術的發(fā)展，人們對農(nóng)作物秸稈資源的認識越來越深，對農(nóng)作物秸稈的利用日益重視，而且在如何科學有效的利用秸稈資源上已取得進展。但發(fā)展速度較慢，這不僅與人們對開發(fā)利用秸稈資源的認識程度有關，更重要的是與相關技術設備研究嚴重滯后有關。 為了解決這個問題，提高壓塊成型效率，我們可使用液壓設備對生物質(zhì)進行初壓，將生物質(zhì)加一定的壓力，保持一定時間，然后將已有一定壓力的生物質(zhì)在模具中沖壓以使生物質(zhì)達到成型的效果。并且在沖壓時對成型塊加熱以使生物質(zhì)中的木質(zhì)素在一定溫度下軟化，以便在沖壓過程中得到一定密度的生物質(zhì)壓塊。 成型機造價低，生產(chǎn)效率較高，預計可達0.5t/h。能夠達到農(nóng)村采暖需要生物質(zhì)壓塊的密度要求，大大提高生產(chǎn)效率，盡可能的降低能量的消耗。以便生物質(zhì)壓塊在一定程度和一定范圍內(nèi)作為煤的替代能源得到推廣和應用。在部分緩解能源危機的同時，也避免生態(tài)環(huán)境受到秸桿焚燒等不合理用能的破壞。 吸收己有生物質(zhì)成型機的優(yōu)點，并盡可能的克服其不足之處，使生物質(zhì)能更好的、效率更高的達到成型的效果。主要從采用機械方式為主，并采用液壓原理來設計出新的設備。同時通過實驗來分析對于這種成型機理的各個影響因素，為以后的改進提供參考依據(jù)。 因此，通過本課題的研究，在生物質(zhì)成型機的一種新型成型機，使其系統(tǒng)的性能更穩(wěn)定，工況更好;使秸稈成型機械在常規(guī)能源相對缺乏、生物質(zhì)原料充足、經(jīng)濟條件相對較落后的農(nóng)村進行推廣，為秸稈資源得到合理的能源利用提供一個更為有效的利用途徑。 2.設計上的問題分析 (1)液壓系統(tǒng)設計上的問題：主缸和預壓油缸的換向都是靠電液換向閥控制換向，沒有安裝順序閥，當進料出現(xiàn)堵塞時不能增大壓力使其正常工作;液壓泵的選型是選用了柱塞變量泵，變量泵最大的弊端是功率是定值，功率N＝P×Q，外載壓力和泵的流量成反比，當外載需要很大的壓力時泵流量反而下降，提供不了足夠的工作壓力，當外載小時能量反而浪費；油路管線布置不規(guī)范，增加了局部阻力損失。 (2)運行壓力太高：由于主缸是單缸單活塞，根據(jù)F＝P×S，泵提供的壓力一定，活塞的表面積越小，運行壓力就會越高，但是實際上秸稈成型壓力是一定的。運行壓力在20MPa左右，對于預壓油缸來說當沒有負載回油時，易產(chǎn)生較大的振動和噪聲，在90dB左右;由于運行壓力高還經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。 (3)設備振動太大：有兩個原因，一是機身重心太高，設備在高壓狀態(tài)運行下易產(chǎn)生振動;二是設備工作壓力在20MPa左右，工作時產(chǎn)生的沖擊力太大。 圖2-1 進料系統(tǒng)示意圖 1一方錐形進料斗2一預壓筒 3一預壓缸沖頭 2. 1 加工上的問題分析 加工上的問題主要在于整個設備的選材和主要部件的機械加工沒有達到設計要求，導致了諸多不該發(fā)生故障都發(fā)生了，主要在以下幾個方面： (1)機身機座的選材，用的是厚度為20mm左右的鋼板，使得機座的剛度不夠，抗振性較差，在很大的工作壓力的沖擊下，設備振動比較厲害。 (2)成型套筒和活塞桿沖桿不同心。主要有三個方面的原因造成的：一是沖桿和活塞桿的選材和熱處理程度沒有達到設計要求；二是設備在強壓力的推動下振動厲害導致沖桿偏離軸心；三是套筒與沖桿的間隙配合不合要求，由于長時間的工作，大量的粉塵進入間隙，在加熱狀態(tài)下粉塵發(fā)生炭化，極其堅硬(如圖3的指示2部分)，使得沖桿偏離軸心，還容易對沖桿表面擦出很多溝壑 圖2-2 主缸沖頭與預壓油缸沖頭進料堵塞示意圖 1—主缸沖頭 2—灰塵堅硬層 3—物料 4—預壓缸沖頭 5—易堵塞位置 6—成型筒 (3)噪聲太高(90dB左右)，影響工人工作環(huán)境。主要原因是設備振動大和運行壓力高。 3.設計指導思想 （1）以河南農(nóng)業(yè)大學HPB-III型液壓秸稈成型機為設計基礎，以降低工作壓力提高機器穩(wěn)定性、生產(chǎn)率，降低能耗為目標，設計新型液壓式秸稈成型機。 （2）除關鍵專用部件外，盡可能多用標準件和通用件，以降低成本。 （3）堅持以秸稈(玉米稈、小麥稈、稻稈)為主要原料的設計方向。 （4）用大系統(tǒng)設計的觀點，著力解決實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、工廠化的相關問題。 （5）比能耗、成本、磨損三項指標有所突破。 3.1液壓系統(tǒng)的設計 3.1.1 主油缸的設計 生物質(zhì)成型機運行壓力在20MPa左右，主油缸是單缸單活塞，一個閥控制進油路，使得單位活塞截面積承受的壓力太大，根據(jù)F＝P×S，秸稈成型所需的壓力F一定，增大活塞截面積S可以有效地降低工作壓力P，結合設備實際尺寸的需要，將主油缸改為兩個液壓缸，雙向壓縮，不僅可以增大活塞截面積，還可以不增大設備的大小。 3.1.2 液壓系統(tǒng)的設計 按照總體設計思路對生物質(zhì)成型機液壓系統(tǒng)作了較好的改進：主油缸單缸改為雙缸雙活塞，進油路改為雙閥控制，增加一個高壓小流量定量泵，可以避免主油缸活塞推不動而改為手動換向、預壓裝置由于連續(xù)推不動而堵塞等現(xiàn)象，并且增大油箱容積，在油箱上蓋上集成液壓元件，新設計的液壓系統(tǒng)原理圖如圖5。 液壓系統(tǒng)工作原理：按動自動按鈕，1DT通電，電液換向閥6的左位接通，主油缸10的活塞右行。 進油路：由高壓小流量定量泵3和低壓大流量定量泵16輸出的液壓油經(jīng)電液換向閥6的左位分別進入預壓油缸7的上腔和預壓油缸13的下腔，預壓油缸7的活塞行止下死點和預壓油缸13的活塞行止上死點時，系統(tǒng)的壓力繼續(xù)升高。當系統(tǒng)壓力升高到順序閥8的調(diào)定壓力時，順序閥8被打開，液壓油經(jīng)順序閥8進入主油缸左油缸的前腔和右油缸的后腔，推動主油缸的活塞右行，同時帶動柱塞、沖桿右行。 回油路：預壓油缸7下腔和預壓油缸13上腔的液壓油經(jīng)電液換向閥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壓油先經(jīng)順序閥12的旁通閥后經(jīng)電液換向閥6的右位回油箱。當主油缸右活塞右行到預定位置時，觸動行程開關11發(fā)出信號，使1DT失電，2DT得電。 圖3-1 雙出頭秸稈液壓成型機的液壓系統(tǒng)圖 1、18—油箱 2、17—濾油器 3—高壓小流量定量泵 4、14—溢流閥 5、15—單向閥 6—電液換向閥 7、13—預壓油缸 8、12—順序閥 9、11—行程開關 10—主油缸 16—低壓大流量定量泵 3.2成型機結構的設計 主要是從選材、加工工藝和部分不合理的結構上做了些改進設計，其結構簡圖見圖3-2。 圖3-2 雙出頭秸稈液壓成型機結構整體布置簡圖 1一主油缸(2個) 2一進料斗 3一預壓油缸 4一成型筒 5一機架 6一預壓成型筒 (1)選材和加工工藝上，對于一些易產(chǎn)生變形和易磨損構件采用加厚鋼板和 耐磨鑄鐵。機座由于受到壓力的沖擊易發(fā)生振動導致兩端翹變形，所以機座采用加厚鋼板增加整個機座的剛度;成型套筒與沖桿之間易進粉塵，這些粉塵在摩擦熱下炭化變得堅硬，使成型套筒和沖桿易磨損，對此采用耐磨鑄鐵，加工工藝簡單，成本低;對于一些要求精度高的構件在加工時提高其加工精度。 (2)降低機座的重心，進而可以降低整個設備的重心，可以有效地減少設備的振動;進料斗設計為圓錐筒(如圖7 )，攪拌進料時不會產(chǎn)生死角，使進料更順暢，提高物料的喂入量進而提高機器的生產(chǎn)率;行程控制開關開口放在成型筒的下面，可以減少粉塵進入成型筒，這種沖桿成型筒成型系統(tǒng)顯著地減少了成型部件之間的摩擦，提高成型部件的使用壽命;將沖桿頂端的沖頭表面中央加一個小圓錐體(如圖8)，這樣的設計可以起到切割的效果，無需另加切割裝置，就可以使成型棒料的形狀比較有規(guī)則;在成型部分的錐形筒的四周利用線切割技術做一些小孔，可以起到排氣效果，降低筒內(nèi)水蒸氣的壓力，減少“放炮”現(xiàn)象。 圖3-3 進料斗 圖3-4 活塞 3.3設計指標及設計參數(shù) 3.3.1 設計指標 生產(chǎn)率：400～500㎏/h 能耗：70kWh/t 成型棒的直徑：l00mm左右 成型工作壓力：6～8MPa，預壓工作壓力：3～4MPa 成型密度：1000～1300kg /m3 成型周期：15ｓ 秸稈粒度：30mm左右 3.3.2 主要設計參數(shù) 由設計指標，成型棒的直徑取為l00mm，主缸工作壓力P＝8MPa，預壓油缸工作壓力P＝4MPa 取主沖桿套內(nèi)徑d＝108mm 主油缸：長2×630mm，內(nèi)徑240mm，活塞桿直徑120mm 主油缸的活塞桿長度：1845mm F＝P×(S1－S2)＝8×106×3.14×(0.22-0.1052)＝727852N 預壓油缸：長600mm，內(nèi)徑80mm，活塞桿直徑40mm 預壓油缸的活塞桿長度：800mm 由F＝P×(S1－S2)＝4×106×3.14×(0.082-0.042)＝60288N，即約為6噸力 根據(jù)上述參數(shù)，液壓系統(tǒng)具體參數(shù)?。? 額定壓力：20MPa，最大壓力：25MPa 額定壓力：20MPa，最大壓力：25MPa 3.4成型機工作流程 改進后的新型成型機運行性能更穩(wěn)定，出料更順暢，尤其是進料斗改為圓錐形使進料沒有死角，進料量加大，大大提高了產(chǎn)量，其成型系統(tǒng)控制圖見圖８。一個成型周期的壓縮過程可分一下六個步驟： (1)液壓泵在電動機的帶動下，通過電液換向閥將液壓油壓入左、右預壓油缸，右進料斗的物料進入右預壓室，在右預壓油缸活塞、活塞桿及沖桿的作用下被預壓并推入右成型筒，同時左預壓油缸活塞回位。 (2)右預壓油缸活塞運行到上死點后，左順序閥被打開，液壓油經(jīng)進入主油缸左油缸的前腔和右油缸的后腔，推動主油缸的活塞右行，同時帶動柱塞、沖桿右行，將預壓后的物料擠入右成型套筒內(nèi)的錐形筒中，在機械壓力和右加熱圈加熱溫度的作用下，生物質(zhì)發(fā)生塑性變形并被擠壓成塊，經(jīng)保型筒保型后擠出。 (3)當右沖桿到右行程開關位置時，在電控裝置的控制下，電液換向閥換向。 (4)液壓泵在電動機的帶動下，通過電液換向閥將液壓油泵入左、右預壓油缸，左進料斗的物料在左攪拌電機的攪拌下進入左預壓室，在左預壓油缸活塞、活塞桿及沖桿的作用下被預壓并推入左成型筒，同時右預壓油缸活塞回位。 (5)左預壓油缸活塞運行到上死點后，右順序閥被打開，液壓油經(jīng)進入主油缸右油缸的后腔和左油缸的前腔，推動主油缸的活塞左行，同時帶動柱塞、沖桿左行，將預壓后的物料擠入左成型套筒內(nèi)的錐形筒中，在機械壓力和左加熱圈加熱溫度的作用下，生物質(zhì)發(fā)生塑性變形并被擠壓成塊，經(jīng)保型筒保型后擠出。 (6)在電控裝置的控制下，電液換向閥換向，照此循環(huán)，往復運動。 4.雙出頭秸稈液壓成型機設計計算過程 4.1 擬定液壓系統(tǒng)圖 秸稈液壓成型機的液壓系統(tǒng)圖的擬定，如圖５所示。 4.2 主要計算過程 （1）工作負載的計算 為得到所要求推力F，應使pA＝F 式中：A-液壓缸的有效工作面積 P-作用在活塞上的有效面積 -液壓缸的機械效率 F＝PA＝π××P＝3.14××70×0.95＝522025（N） （4-1） （2）初選系統(tǒng)工作壓力 根據(jù)各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力，選缸的工作壓力為：主缸工作壓力 P ＝ 8MPa，預壓油缸工作壓力P＝4MPa系統(tǒng)工作壓力P1＝20MPa （3）活塞桿外徑和活塞直徑的確定 活塞受壓時：F＝P1A1-P2A2 ＝(P1-P2)A 式中：P1A1-受壓腔壓力和面積 P2A2-回油腔壓力和面積 因為為雙桿活塞缸A1＝A2＝A 執(zhí)行元件背壓力取P＝0.5MPa 則P2＝0.5MPa A＝＝＝26770.5(mm2) （4-2） 取＝0.5 式中：d-活塞桿直徑 D-活塞直徑 則D＝2d A＝[(2d)2-d2] （4-3） d＝＝＝106.62(mm) 查手冊，取d＝110mm，則D＝2×110＝220(mm) （4） 活塞行程L的確定 根據(jù)成型和進料的需要，取L＝250mm （5） 活塞桿強度演算 當活塞桿在穩(wěn)定狀態(tài)下，僅承受軸向載荷時，可以近似地采用直桿受拉、壓載荷簡單強度計算公式進行計算。 d≥ mm （4-4） 式中 P-活塞桿所受的軸向載荷 N -活塞桿制造材料的許用應力 MPa ＝ （4-5） -材料的抗拉強度MPa n-安全系數(shù)（n＝3.5-6），一般取n＝5 根據(jù)GB8162-87 ＝590 MPa ＝＝118 MPa d≥＝77（mm） 活塞桿外徑100 mm，達到強度要求。 又因為＝＝2.27?<10 故不需進行活塞桿穩(wěn)定性校核。 （6） 鋼筒壁厚δ的選擇 液壓缸工作壓力P≤20MPa，材料選45號鋼管。根據(jù)JB1068-67工程機械用外徑系列，選缸外徑：D1＝259mm 則δ＝＝19.5 又需δ≥＝＝17.96 （4-6） 取δ＝20mm 式中：-材料的抗拉強度極限（MPa） -活塞桿材料的許用應力（MPa） P-液壓缸最高工作壓力（MPa） 根據(jù)GB8162-87 ＝590 MPa ＝，此處n取12. （4-7） ＝＝49.166 MPa （7）液壓泵的選擇及配套電機 1） 確定液壓泵的最大工作壓力Pp Pp≥P1+ΣΔP （4-8） 式中 P1-液壓缸的實際最大工作壓力 ΣΔP-從液壓泵出口到液壓缸入口之間的管路損失. P1＝＝＝11.29(MPa) （4-9） 由系統(tǒng)圖可見,從泵到液壓缸之間中串一換向閥 取ΣΔP＝0.3 MPa 則Pp＝11.29+0.3＝11.59(MPa) 為使液壓泵有一定的壓力儲備，所選泵的額定壓力一般要比最大工作壓力大25%。 P＝11.29(1+25%)＝14.11(MPa) 取泵最大壓力為：20MPa 2） 確定液壓泵的流量Qp Qp≥kQ （4-10） 式中 k-系統(tǒng)泄漏系數(shù),一般取K＝1.1～1.3. Qmax-油缸的最大流量,加上溢流閥的最小溢流量(一般取0.5×10-4m3/s) 3） 液壓缸工作時所需流量 Q＝AV＝(2202-1102)＝53.43 (L/min) Qmax＝53.43+0.510-3100060＝56.43(L/min) 取K＝1.2 Qp≥1.256.43＝67.72(L/min) 根據(jù)上述計算的Qp、P選：CB-P80-HF型齒輪泵 其額定壓力P＝20MPa 排量Q＝80mL/r 額定轉(zhuǎn)速n＝2000r/min 4） 確定液壓泵的驅(qū)動功率 N＝(KW) （4-11） 式中： N-驅(qū)動功率 Pp-液壓泵的最大工作壓力 Qp-液壓泵的額定流量（m3/s） N＝＝19.32（KW） 由于壓縮主要在末了2s內(nèi)進行，而電動機一般允許短時間超載25%，這樣電機的功率可以降低一些。 N＝19.32＝18.54（KW） （8） 管道尺寸計算 管道內(nèi)徑計算 d＝ （4-12） 式中： Q-通過管道內(nèi)的流量 v-管內(nèi)允許流速 m/s,　v≤3～6m/s d＝＝＝16.29（mm） （9） 液壓閥的選擇 選擇液壓閥主要是根據(jù)閥的工作壓力和通過閥的流量。本系統(tǒng)的最大工作壓力為22.17MPa，流量80L/min，所選閥的規(guī)格型號如下： 名稱 流量（L/min） 選擇規(guī)格 備注 三位四通電液換向閥 160 DSHG-03-2N-12 溢流閥 125 FBG-03-125-10 調(diào)壓1－25MPa （10） 液壓油的選用 根據(jù)泵、工作環(huán)境、溫度等要求，選擇N46抗磨液壓油。 （11） 回路中的壓力損失 1） 沿程壓力損失 主要是進油管路的壓力損失，所需管長（L）0.85m，內(nèi)徑（d）0.015m,快速時通過的流量（v）9.6710-4 m2/s ,正常運轉(zhuǎn)后N46抗磨油的運動粘度?。?.616m2/s,密度＝910kg/m3 。 油在管路中的實際流速為： V＝＝＝7.55(m/s) （4-13） Re＝＝＝2461.96>2300 油在管路中成層流狀態(tài)，其沿層阻力系數(shù)為： ＝0.026（MPa） （4-14） Ｐ1＝＝0.038(MPa) 2） 控制閥的局部壓力損失 Ｐ2＝ＰnPa （4-15） 式中：Ｑn－閥的額定流量ｍ/s Ｐa－閥門的額定壓力損失 Pa Q-通過閥的流量 ｍ/s Ｐ２＝0.8 ＝0.2（MPa） Ｐ＝0.038+0.2＝0.238<0.3 MPa , 故所選泵合適。 （12） 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率 液壓系統(tǒng)工作中，除執(zhí)行元件驅(qū)動外在和輸出有效功率外，其余功率損失全部轉(zhuǎn)化為熱量，使溫度升高。這些功率損失主要有： 1） 液壓泵的功率損失 2） 溢流閥的功率損失 3） 液壓油液流經(jīng)閥或管路的功率損失 4） 液壓執(zhí)行元件的功率損失 為了簡化計算，我們用下式來計算，即： Phr＝Pr-Pc （4-16） Pr-液壓系統(tǒng)的總輸入功率 Pc-輸出有效功率； Pr＝ ＝7.471 Pc＝ ＝6.155 Phr＝7.471-6.155＝1.316(kW) （13） 油箱容量的確定 由經(jīng)驗公式：V＝αQv Qv-液壓泵每分鐘排出壓力油的容積. α-經(jīng)驗系數(shù),取α＝4 則V＝480＝320(L) 5.結束語 查閱了多篇相關資料，對目前的生物質(zhì)成型工藝類型，現(xiàn)有生物質(zhì)成型技術及現(xiàn)狀進行了比較，認為液壓式成型機無論從技術上還是綜合投資比上都是優(yōu)于其他成型技術的，說明這個設計思路是可取的，有必要再進行改進，再進行完善。用前面的分析設計思想，以液壓驅(qū)動、雙向成型為基礎，從產(chǎn)業(yè)化的角度對生物質(zhì)成型機的液壓系統(tǒng)和成型部件進行改進設計，主油缸采用雙缸雙活塞，進油路用雙閥控制，使該成型機運行壓力在8MPa左右，低壓運行，穩(wěn)定性提高，綜合性能提高，生產(chǎn)率達到500kg/h，單位能耗70kW/h左右。 參考文獻 [1] 吳宗鑫,陳文穎. 以煤為主多元化的清潔能源戰(zhàn)略[M]. 北京：清華大學出版社,2001(5):112～118. 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