用于生物质燃料挤压成型机的锥形双螺杆设计

2010-02-23李艳妮葛正浩马文静

陕西科技大学学报 2010年6期

李艳妮，葛正浩，黄薇，马文静

(陕西科技大学机电工程学院，陕西西安 710021)

0 前言

长期以来，石油、天然气、煤炭等化石燃料一直是人类消耗的主要能源.但是，由于煤、石油和天然气等矿物资源是不可再生的，这些资源是有限的，正面临着逐渐枯竭的危险，因此它们不是人类所能长久依赖的理想资源，开发利用生物质能可以明显缓解环境危机和能源危机.但是，我国生物质致密成型技术和炭化技术的研究、开发起步较晚.

燃料挤压成型机是指以农村的玉米秸秆、小麦秸秆、稻草、稻壳等废弃的农作物为原料，经过粉碎后加热、加压，无需添加任何添加剂和粘结剂，生产成型秸秆燃料.生物质固态燃料成型常用到的技术有螺旋挤压、活塞压缩两种热压成型技术和辊压成型这一种冷压成型技术.生物质挤压成型机有多种形式，常用的有单螺杆挤压机和双螺杆挤压机.

双螺杆挤压机较单螺杆挤压机具有许多优点.双螺杆挤压机的表观传送角是单螺杆挤压机的3倍，这使得双螺杆挤压机比单螺杆挤压机输送物料的能力大.双螺杆挤压机靠正位移原理输送物料，不可能有压力回流，所以加料容易.双螺杆挤压机螺纹槽中剪切率均匀、滞留时间分布较窄及混合度增加，使加工的均匀性提高，较单螺杆挤压机的热交换能力大得多.双螺杆挤压机有较好的排气性能，有利于产品质量的稳定，还具有自清理功能，可避免发生降解.

1 双螺杆的分类

双螺杆的分类很多，可以从不同的角度进行分类：(1)按螺杆旋转方向，分为同向旋转型、异向旋转型，其中异向旋转又分为向内旋转和向外旋转两种；(2)按螺杆中心线平行与否，分为圆柱形双螺杆、锥形双螺杆；(3)按螺杆啮合的相对位置，分为啮合型、非啮合型，其中啮合型按其啮合的程度分为全啮合和部分啮合.

下面对这几种形式的挤出机的应用场合作比较，确定合适的螺杆类型.

同向旋转双螺杆挤出机：一般多是圆柱形的.螺杆转速较高，原料在啮合型同向旋转的螺槽中成“∞”字形螺旋流动，改变了料流方向，促进了物料的混合和均化.但是，其正位移输送能力差，输送物料效率低，熔料压力较小，而且压力的稳定性也较差，所以很少用这类挤出机成型制品，主要用于挤出造粒.不过其具有很好的自清理效果.

异向旋转圆柱形双螺杆挤压机：工作中的输送能力和产生的熔料压力都比较大，且转速低，可防止“压延效应”的产生.长径比的可塑性是平行双螺杆的优势，它可根据成型条件的差异，增大和减小长径比以适应原料加工工艺要求，可以扩展平行双螺杆的适用范围，但这点锥形双螺杆挤出机是难以做到的.

异向旋转锥形双螺杆挤压机：螺杆尾部的轴承部位空间较大，故承受螺杆工作轴向力的轴承规格较大，所以大工作扭矩、大承荷能力是锥形双螺杆挤出机的一大特点，这是平行双螺杆挤出机无法比拟的.异向锥形双螺杆挤压机具有广泛的加工范围，加料段的螺杆直径较大，可对物料进行连续的压缩，尤其适合于比较蓬松的、堆积密度较低的生物质材料.挤出段的直径小，剪切力小，有利于保持植物纤维的完整性.当锥形螺杆直径大于80 mm时，一般多改用圆柱形双螺杆，因为锥形螺杆制造难度大.

综合以上对几种双螺杆挤压机应用特点的分析，最终确定为异向锥形双螺杆，虽然制造成本高，但是其能适应较大的机头压力,可以确保得到高压缩比的生物质固态燃料，足以保证制品的密度和强度.

2 锥双螺杆的类型和主要参数的确定

异向锥形双螺杆挤出机自1967年问世以来，其螺杆基本结构先后经历了3种型式：普通型(CM)、双锥形(CMS)、高效(超)双锥形(CMT).CM型目前已基本淘汰，CMT的螺杆长度比CMS长，这样可以加大加料段的加热面积，使物料更好地吸收热量，加快升温，且螺杆大端与小端直径之比大于2，加大了加料段的剪切和加热面积.CMT型可以有效提高挤出量，达到提高生产效率的目的.所以，确定锥螺杆的类型为高效双锥形.

图1 产量Q与螺杆小端直径D小的关系曲线

2.1 小端直径的确定

锥形双螺杆挤出机的螺杆小端外直径为25～92 mm.根据我国挤出机的螺杆直径标准规定，挤出机螺杆直径应按标准选取.通过大量数据统计得出产量Q与螺杆小端直径D小的关系如图1所示[1].

为获得较高的产量，初步确定螺杆小端直径D小为60 mm.

2.2 长径比L/Dm

螺杆的长径比是代表挤出机性能的一个主要参数.锥形双螺杆的长径比定义为螺杆的有效长度L与螺杆的平均直径Dm之比，即L/Dm，其值一般为12～15.

要使机器达到高的挤出速率，挤压机的机型不可能太小，而为了使物料达到稳定的高速挤出，物料在机筒中必须有一定的停留时间，因此须加大螺杆的长径比.最终确定双螺杆的长径比L/Dm为15.

2.3 大端直径Dmax的确定

确定了螺杆的长径比之后，根据式(1)来计算锥螺杆大端的直径：

L/D=L/[(Dmin+Dmax)/2]=15

(1)

计算得出D=130mm.

2.4 内锥角ζ和外锥角ε、中心线锥角θc

螺杆外径与螺杆轴线所成的夹角称为外锥角，螺杆根径与螺杆轴线所成的夹角被称为内锥角.由于螺杆的两个锥角是不同的，故称之为双锥形螺杆，外锥角根据螺纹大小端直径和有效长度L计算：

(2)

锥形双螺杆的内锥角ζ和ε，通常分别为1°～2°.选取内锥角ζ为1.25°.

对于全啮合双螺杆来说，上面螺杆的螺棱必须与下面螺杆的螺槽相啮合，即在一条直线上，因而与水平线的夹角相等，有:

(3)

由此可以得到中心线锥角为1.3°.

2.5 螺棱断面

目前，常见的螺棱断面形状有矩形断面，锯齿形断面和梯形断面、如图2所示.

图2

矩形形式螺杆应力变化梯度最大，在螺槽与螺棱的交接处应力值达到最大，螺杆承载能力最差，锯齿形次之，梯形承载能力最好.增加过渡圆角后螺槽与螺棱交界处的应力明显降低，但不能一味地加大过渡圆角.根据相关资料得知，当圆角半径大于5 mm时，随着半径的增大，螺杆最大应力变化不大.但从加工工艺和螺槽截面积两方面综合考虑，圆角半径一般为4～6 mm时结构较为合理.考虑到秸秆的流动性不是很好，本文设计确定的螺棱断面为梯形，过度圆角为6 mm.

2.6 螺纹升角的确定

实验证明，对于单螺杆，物料形状不同对螺纹的螺纹升角要求也不一样.φ=30°左右适用于粉料，17°左右适于圆柱料，15°左右适于方块料.双螺杆的螺纹升角比单螺杆的螺纹升角要小些，一般在15°左右.考虑到选用的螺杆为锥形双螺杆，需相互配合且不干涉，故螺纹升角确定为13°.

2.7 螺杆转速n

异向啮合双螺杆挤出机一般适合在较低速度下运转，以免在啮合区产生过大的压力.锥形双螺杆的转速一般低于50 r/min，大型机在35 r/min左右，中型机在40 r/min左右，小型机为45～80 r/min.

根据锥形双螺杆转速n与螺杆小端直径D小的关系，可得出螺杆转速n与螺杆小端直径D小关系式：

(4)

根据计算结果并结合有关塑料挤出机的规格参数，最终确定锥形双螺杆的转速n为42 r/min.

3 锥双螺杆的结构

螺杆的各个参数确定之后，可以获得如图3所示的锥形双螺杆.

图3 锥形双螺杆

该锥形双螺杆分为3个功能段：加料段、排气段和挤出段，其中各功能段的有效长度按所占的比例确定，加料段和挤出段的螺距相等.物料经过加料口进入料筒，随着螺杆的旋转而向前移动并逐渐被加热.加料段主要用于输送原料，所以该段的螺槽较深.排气段是为了使物料中的气体更好地排出，使物料可以被压得更紧密，考虑到这些因素，排气段的螺槽宽度较大.挤出段将物料近一步压实，进入机头，进而成型为管状秸秆燃料.