薪棒成型机过渡区螺杆结构参数优化设计*

潘周光，王 为

（湖北工业大学 机械学院，湖北 武汉 432200）

薪棒成型机过渡区螺杆结构参数优化设计*

潘周光，王 为

（湖北工业大学 机械学院，湖北 武汉 432200）

通过建立塑化流体的流量与成型机过渡区螺杆结构参数的数学模型，从理论上对影响塑化流体流量的过渡区螺杆结构参数进行深入研究，找出了塑化流体流量、逆流、螺杆参数间的关系，得出了过渡区螺杆结构的最佳参数；通过优化过渡区的螺杆参数，增加塑化流体的流量，使薪棒密度增大，达到提升机制木炭的性能和质量的目的。

机制木炭；螺杆结构；塑化流体；过渡区

0 ．前言

近年来，随着能源日趋紧张，废弃生物质能源的再生利用被看好，通常的做法是将经过预处理的废弃生物质料挤压成密缩态薪棒，或直接利用或进一步深加工成机制木炭[1]。但是，目前生产的机制木炭性能差、质量不达标，影响了出口。通过对机制木炭市场调研得知，薪棒成型设备存在缺陷及热成型工艺不成熟，致使薪棒质量低劣，进而影响机制木炭的性能和质量[2]。

成型机是生产薪棒的主要设备，结构如图 1所示，它将预处理后的原材料在高温状态下进行挤压，使其在不添加任何黏合剂的情况下由松散态变成密缩态，并制成一定形状、强度和密度的薪棒。其关键部件是一对螺杆和料筒的耦合件[3]。薪棒的质量取决于耦合件的结构参数。本文通过建立塑化流体的流量与成型机过渡区螺杆结构参数的关系模型，从理论上对影响塑化流体流量的过渡区螺杆结构参数做深入研究，找出了影响塑化流体流量的关键因素，得出了过渡区螺杆结构的最佳优化参数；通过优化过渡区的螺杆参数，增加塑化流体的流量，使薪棒密度增大，达到提升机制木炭的性能和质量的目的。

1 薪棒成型原理及目标函数的确立

1.1 薪棒成型原理

薪棒成型工艺过程如图1、2所示，松散的生物料经料斗落入螺杆的螺纹槽内，连续旋转的螺杆将生物料推入到料筒的锥体内，形成巨大的挤压力；生物料在推进过程中受到挤压、剪切、摩擦等作用产生内热，同时在外加热的共同作用下，生物质料中的木质素被塑化成粘流态，最终在高压、高温的作用下被挤压成薪棒。

从薪棒成型过程可知，螺杆耦合件的过渡区是薪棒成型机中最重要的功能段。生物料在通过过渡区时，受到机筒和螺杆强烈的剪切和挤压，完成生物料塑化过程。由于生物料发生从固态到液态的相变基本上都是在过渡区域内完成，此过程需消耗大量的热能和机械能。因此，过渡区的几何结构设计合理与否，直接关系到薪棒的质量和生产成本。

图1 薪棒成型机结构图

图2 薪棒成型机耦合件结构

1.2 目标函数的确立

如图3所示，当螺杆旋转时，生物料在螺杆的环形槽内沿着螺旋线方向推进的同时被塑化，生物料在此过程中受到摩擦、梯度压力以及自身存在较大的黏性等因素的综合作用，沿环形空间产生逆流，根据固体和粘性流体输送理论可知，逆流量正比于压力，反比于剪切黏度，成型机的流量有如下关系：

其中：

H-螺杆根部与料筒内表面间的径向距离

W-螺棱间的垂直距离；

U-螺棱的线速度；

由式（1）可知，生物质塑化流体的流量Q由两部分组成，第一部分是塑化流体沿着环形槽被螺杆推进，第二部分是塑化流体在推进过程中承受压力梯度， 沿环形的空间产生逆流，其值为负，塑化流体的真正流量是两者叠加的结果，两个流量均与螺杆的结构参数有关，因此，流量的大小最终取决于螺杆结构的参数。

图3 螺杆结构参数

2 数学模型的建立

如图2所示，成型机料筒出口是一个 的方形定值，那么塑化流体的流量Q越大，薪棒的密度也大，为了确定影响流量Q的因素，建立如图4所示的1-2-3坐标系，其中1是螺棱部位的螺槽方向，2是螺杆轴的径向方向，3是螺槽端面的横向方向。在该坐标系下，设螺杆静止，料筒的运动速度为：

图 4 耦合件展开坐标系统

其中U1为塑化流体沿螺槽方向的速度，其值为正；U2为塑化流体沿横向的速度，其值为负，大小为：

如果忽略螺杆根部和螺棱的拖动作用，那么螺杆耦合件的推进生产能力遵循如下关系：

式中D为螺杆根部直径。

但是塑化流体在2方向上存在压力梯度，加上该流体具有较高的粘性，因此塑化流体在2方向上存在返流。引入X2位置处横跨螺槽的剪切平面，设料筒内表面生的剪切应力为，沿1、3方向上的分量分别为、；作用在螺杆螺纹1方向上的剪切应力为，在挤压过程中，这些剪切应力与压力梯度保持平衡，于是在1和3方向上力的平衡关系有：

一般螺杆的螺纹槽壁由于黏弹性流体长时间的摩擦作用，表面极为光滑，它与塑化流体的摩擦可以忽略，那么（6）、（7）式子等价于：

在过渡区内的塑化流体属于非牛顿流体，于是具有如下的关系：

将（10）、（11）代入（8）、（9）两个式子可得：

为了更直观地表达结果，过渡区流量如图 5所示。

3 结论

根据塑化流体的流量公式（14）及图5的结果看出，塑化流体在推进过程中受到逆流的作用，且逆流的作用在3方向上 影响也大；黏度对流量的影响也不可忽视，较大的黏度会减少逆流，从而减轻逆流的影响；螺槽的深度H对塑化流体的逆流的影响也更加明显，由式（14）看出，减少H值，对塑化流体沿螺旋线方向推进的流量影响并不大，而逆流的减少极快，因此，过渡区适当减小H值，更加有利于塑化流体的流量，对薪棒密度的提高使非常有利。而料筒过渡区的锥度为 ，长度为15cm[4]，与之相匹配，过渡区的螺杆也必须设计为11.25°的锥角。为了减少H值，提高塑化流体的流量，过渡区的螺棱带有 ，而螺杆根径不变，结构如图 6所示。该结构的螺杆经安徽省旌德县鑫源木炭厂试验，在其他条件相同的情况下，与传统螺杆相比，密度提高了6.5%，证明此结构参数模型是有效可行的，其结果可以推广使用。

图6 优化后的螺杆结构图

[1]姜洋,曲静霞,潘亚杰,等.生物质致密成型技术处理木材加工废弃物的应用[J].人造板通讯,2004,(2):13-14.

[2]潘周光,谭小红.正交薪棒的螺旋挤压成型工艺研究[J].轻工机械,2007,25(6):84-87.

[3]陈亚维,张洪.螺旋进给式制棒机的结构改进设计[J].轻工机械,2006,24(2):153-154.

[4]余加红,王积建,庄千芳.制炭机成型料筒内腔过渡区结构参数优化[J].轻工机械,2006,26(6):107-109

[5]James L.White,Helmut Potente.螺杆挤出[M].何红，金志明译.北京：化学工业出版社，2005.

[6]张文标、王伟龙、赵丽华等.制炭机理化性能的研究[J].浙江林学院学报，2003,20(2):215-218.

[7]王成. 浅谈用木屑日产一吨机制木炭的生产[J].黑河科技.2001,(1):8-9

[8]明奕、王文、石昆 .生物质燃料挤呀压成型机的试验研究[J].应用能源技术.2003,(3):8-9

[9]陈昌杰.双金属材料及其在螺杆、料筒中的应用.上海塑料.2003,(3):12-15

Optimal Design of Structural Parameter for Transition Region Screw of Pay Stick Machine

PAN Zhouguang , WANG Wei
(1.School of Mechanical Engineering, Hu Bei University of Technology Wuhan Hubei 430068)

By establishing relational model between flow rate of plasticizing fluid and structural parameter of pay stick machine transition region screw, this paper makes a research deeply into transition region screw structural parameter which influences plasticizing fluid flow rate in theory, finds out the key influencing factor to flow rate of plasticizing fluid, and obtains the best Optimal parameter of transition region screw structure. By optimizing screw parameter of transition region it will increase flow rate of plasticizing fluid and density of pay stick to improve performance and quality of machine-made charcoal.

Machine-made charcoal; Screw structure; Plasticizing fluid; Transition region

TG375+43

A

1672-0105（2010）01-0052-04

2009-12-16

温州市2006年科技攻关应用项目（G2006008）。

潘周光（1968- ），男，浙江温州人，讲师，主要研究方向：机电设备及自动化产品的研制和开发。

[责任编辑：周章添]