生物质成型螺杆的受力分析

第26卷第6期可真生能骠Vol 26 No 62008年12月Renewable Energy ResourcesDec.2008生物质成型螺杆的受力分析袁全红1,蒋恩臣2(1罗定职业技术学院,广东罗定527200;2华南农业大学工程学院,广东广州510640)摘要:以B0-15型生物质成型机为例,借鉴单螺杆成型机的固体塞输送理论—Dame-Ml模型,对成型机进料段、压缩段所受压力进行分析分别采用线性指数函数,通过求解功率平衡方程,得出螺槽前向螺纹面和背向螺纹面的压力分布规律,经功率检验,计算结果基本与实际相符关键词:生物质;成型螺杆;压力;固体塞中图分类号:TK6;TH123文赋标志码:A文章编号:1671-5292(2008)06005903Study on the stress of the extruding screw for biomass briquettingYUAN Quan-hong, JIANG En-chen2'Polytechnical College, Luoding 527200, China; 2. College of Engyneering South China AgriculturalUniversity, Guangzhou 510640, China)Abstract: With BIO-15 type briquetting machine as example, the stress on the screw shaft surfaceis calculated base on the single-screw extrusion theory--Dannel-Mol Model, analysis has been car-ried out on the stresses at the feedstock convey section and the compressing section, a linear functionand an exponential function were used, through solving the power balance equation, the stress distri-bution characteristic of the screw slot, the forward screw surface and backward screw surface werebtained, after verifying through the power measurement, the calculation results are approximately inaccordance with the measured values. The maximum extrude pressure is 15.8 MPa.Key words: biomass; screw shaft; pressure; solid plug生物质螺旋挤压成型机是最早开发的生物工作状况及设计尺寸(图2),可将物料成型区大质固化成型设备,目前已有多种机型问世,但有关生物质螺旋挤压成型机设计分析的研究还很少,难以满足生物质压缩成型设备开发生产的需要。辽宁省能源研究所研制的BI015型生物质成型机系国家“九五”科技攻关成果2,本文结合该成型机的结构尺寸,借签 Darnmelk-Mol的固体塞输送理图1成型挤压的成型块论习,对该生物质成型机的螺杆进行受力分析Fig. I Briquette after processing试验表明,当锯屑以散粒体的形式从挤出机的料斗进入螺杆的螺槽后,先是以非塞流的形式进行固体输送,由于受摩擦力的作用,物料受到的接触压力逐渐增加,非塞流输送变为塞流输送。试图2鄭杆装配结构图验得到的成型块如图1所示。根据成型机的实际Fig2 The assembly structure of the briquette screw sha收稿日期:2007-11-05作者简介:寰全红(1981-)男助教主要从事模具的教学工作。E-mail:yuan通讯作者:蒋恩臣(1960-),男教授博士生导师主要从事生物质能利用的研几。TH中国煤化工CNMHG可耳生能2008,26(6)致分为3个部分:进料区压缩区和保压区。成型kW,半空载(加料)功率为3kW,正常工作功率为螺杆的结构则相应地分为3段:进料段(160mm)、8-12kW,n=240r/min。压缩段(120mm)保压段(70mm)。半空载功率与空载功率之差,再扣除部分压成型螺杆结构参数的计算缩段的功耗就是加料段功耗,取为15kW;正常已知条件:螺杆外径D=63mm,螺棱法向宽工作功率与半空载功率之差,扣除轴尖导锥段部度e=8mm,螺槽深度H1=13mm,螺距S=40mm,分功耗就是压缩段功耗,取为7kW。成型棒密度p=1.2gm3,成型机生产率Q=130kgh当固体塞在螺槽中运动时,作用在固体塞微成型机转速n=240mmin,可计算出如下参数。元上的力有8个(图4)。螺杆根径:D=D-2H1=63-26=37mm平均直径:D=(D+D)2=50mm;外径螺旋升角:d=an[S/(xD)}=-1140°;内径螺旋升角:φ= atan(S/(mxD,)=1900°;平均螺旋升角:d= atan(S(丌xD)}=1330°;外径螺槽法向宽度:W÷ Sxcos-e=302lmm;内径螺槽法向宽度:W= Sxcosoe=28.83mm;平均螺槽法向宽度:W=S× cose=2977mm。图4固体塞微元受力分析2固体塞的运动分析Fig 4 The mechanical analysis on solid plug在固体塞上取一微元进行运动分析(图3)F1-微元和机筒内壁的摩擦力;F2-微元前端的正压力;F微可得固体塞沿螺杆轴线方向的移动速度v(即V元和背向螺槽的摩擦力;F-微元和前向螺槽的摩擦力;F微元和螺槽底面的摩擦力;F6-微元后端的正压力;F-徽元受背向螺的轴向分量):槽的正压力;F微元受前向螺槽的正压力P-固体塞与机筒内壁v=v tan tand=mD, tan Btan g.的正压力;dZ-机筒内表面沿蝶槽方向的长度增量tan 0+tan d固体塞输送的体积流率Q(1)加料段受力分析Q=πhnDH(DH)anan(W由于在进料段没有形成料塞,因此可假设在此tan 0+lan d wte段螺槽压力为线性增大,设此段Z处的螺槽压力为P Zpz=(Z-16)xp/20(p为Z=136mm处压力);F=×1+ XW Sin(θ+φ)/ H,lxHiXp'ixdz;F=XH,xp ixdzFsHF1=[1+6× W,xSin(6+φ)/H]×H1xpz×dZ图3固体塞运动分析1.3F3Fig 3 The motion analysis on solid plugW-平均螺槽法向宽度;v-回转速度;V-轴向速度;-绝对速根据实测值,取锯屑与螺杆的摩擦系数fs=度;Vaz-沿螺槽方向的速度;0-牵引角075,机筒内壁与锯屑的摩擦系数f=0.75,Sin(6+3功率平衡方程φ)=028,设螺槽平均直径为D=(Ds+D)2,则该借鉴固体塞模型,分别采用线性模型和指数段的转矩M模型分析进料段(低压段)、压缩段螺杆受力情况。M1=(F3+F4)XD/2xcosφ+F×xD2Xc0sd+(F-F8)根据成型机工作实测参数来求取螺杆受力P,XD2 xsing=217870Ppep(kZ)MPa,k为假设的指数系数,Z为螺槽为率可韶很进魁段末端的压力p=中段与螺槽起点的轴向距离,为进料段结束处029中国煤化工的压力值。成型机工作实测参数:空载功率为12CNMHG袁全红,等生物质成型螺杆的受力分析由于在压缩段形成料塞,因此(图6),故一般须在这一圈用耐磨焊条堆焊成小P0.29e1;斜面,以增大受力面,减小应力集中。F3=f x[+ Sin(0+o)Ww/H, xPxdz前证F=×H1 xPdl;Fsf xPxdZsHixPxdz:F={[1+ xW XSin(叶+川H1H1 xPdl=13F根据实测值,取料塞与螺杆摩擦系数∫0.55料塞与机筒摩擦系数后=0.5,根据螺杆结构轴向距离/mm特点,可知压缩段D3,D,H1线性减小螺杆受力情况D=40-24×Z350Fig. 5 The stress distribution of screw shaftD=63-27×(Z-160)/20;H1=63-27x(z-160)/120-40+24×2350y2;则该段的转矩M2=(F3+F4)xD2 coso+F3xDy严重2xcos+( FrFs)x D/2xsind由该段的功率可解得k=0.025,压缩段结束处的螺槽压力P2=0.29Xexp(0.025×120)=58MPa。由此可得螺杆各部分压力分布图6螺杆的磨损状况前向螺纹:Z=0-120mm,Pm=0.29×Z/20MPa;Fig. 6 The abrasion of the screw shaft∠=120-280mmP=0.29xexp0025×(Z-120MPa。3结论螺槽:z=16-136mm,pz=0.29×(z-16)/120本研究借鉴单螺杆成型机固体塞输送理MPa:Z=136-~256mpz=0.29Xexp[0.025×(z-论— Darnel-Mol模型,分别采用线性模型和指136)MPa。数模型对成型机输送段、压缩段螺杆受力情况进背螺纹:z=32-152mm,P囀=038×(Z-32》120行分析,通过求解功率平衡方程,得出螺槽、前向MPaZ=152-272mmP*=0.38Xexp0025×(Z-螺纹和背向螺纹的压力分布规律,经功率检验,152)JMPao计算结果基本与实际相符。研究结果表明:前向因为导锥段(280mm