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试验表明秸秆含水率对秸秆压块机功耗的影响

时间:2015-11-15 09:26:52  点击:次  作者:杜甫机械
  秸秆含水率是影响压块成型的重要因素之一。为了提高秸秆压块产品的生产率,降低压块机的功率,本试验以玉米秸秆为试验物料,选取5个水平含水率,在秸秆压块机进行试验。压力传感器测取压块机工作时压辊把物料从环模孔压出时的最大挤出力,在电机上安装增量型编码器,通过变频器获取压块机消耗的功率。试验结果表明,物料含水率为29%时压块机消耗的功率较小,草块成型较好且密度较高。

  目前,随着我国畜牧业的快速发展,饲草料短缺已成为农牧区的一个突出问题。据统计 [1] ,全国年产各类农作物秸秆7亿t,其数量相当于北方草产量的50倍多,占全世界秸秆产量的20%~39%。自然状态下的秸秆容积大、不便于储存、运输费用高;直接饲喂采食率低,造成营养大量流失 [2-8] 。而秸秆经压缩成秸秆块后不但便于运输贮存、使牲畜易于采食、便于营养吸收,同时也可制成燃能很高的生物质燃料等,使秸秆变废为宝,有着巨大的市场空间 。

  压块机是生产秸秆块的主要机具,是一种耗能比较高的设备 ,为了节能降耗 ,提高压块机的生 产率,研究压块机的功耗势在必行。


  一、试验装置和仪器

  (1)压块机工作时,物料通过喂料斗及喂入螺旋机构的输送,被均匀、连续地喂入环模与压辊之间的腔体中 ,由环模与压辊的相对运动把物料逐渐带入环模 与压辊的楔形间隙中,随挤出力的增大,物料间联结力增强被挤入环模孔内,当挤压力增大到能克服模孔对物料的摩擦阻力时,不断从环模孔中呈条状挤出。挤出时物料被机体外壳上的切片切成长度适宜的草块。压块机工作原理如图2所示

  (2) 试验仪器的选择与布置 根据试验的需要,选择变频器和增量型编码器获取压块机的功率。编码器通过固定支架安装在电机主轴的末端,电机通过变频器进行供电。主要试验仪器如表1所示


  选取压力传感器采集挤出草块时的最大挤出力,安装位置如图3所示。为了保证传感器正常使用而不致损坏,在压块机环模的内腔底部设置底座,压力传感器平放在底座上,然后把千斤顶平放在传感器上,使千斤顶的顶杆轴线与环模孔中心对中

  二、试验方法

 (1)试验物料含水率的调制 以玉米秸秆为试验物料,首先进行铡切与揉碎的预加工处理,使秸秆物料的长度在20~30mm之间,对揉碎的秸秆物料进行初始状态采样,获得物料原始含水率。然后调制不同水平的含水率,如果秸秆物料不符合试验要求,含水率太高则放置在室外通风干燥一段时间,含水率低则加一定量的水,调制好后,充分搅拌后需用塑料袋密封保湿24h。试验时,再取样测含水率,在满足要求后进行压块试验。

(2) 试验因素及水平的选取 影响压块机功耗的因素有物料的特性、物料长度、环模转速、环模间隙等。根据前面的实验结果选定环模间隙为3mm,环模转速为140r/min,选取5个水平含水 率进行实验,研究物料含水率对压块机功耗的影响

  (3) 试验数据的获取压块机功率的获取 连接好变频器、编码器及电机的连线,启动变频器,设定好基本的参数。在电机空载的状态下,输入电机的各种性能要求,启动电机让其运行,当变频器提示自学习成功后方可接上负载开始工作。试验时压块机先进行试生产,进入正常的状态后开始试验,在均匀喂料的情况下,从变频器上读取在相应的含水率水平下压块机的功率N。2.3.2 草块最大挤出力的获取 在含水率每一水平下当压块机运行稳定出块后停机,迅速把CLHGM-1型压力传感器安放好,数据采集结构框图,如图4所示。启动数据采集软件UT70B,设定数据采集的时间间隔为1s,通过千斤顶的加力杆平稳加压,通过压力传感器采集顶杆压出草块时草块与环模的最大摩擦力,此力即为草块的最大挤出力F

  (4)草块干湿密度的获取 在含水率每一水平的试验中采集草块,测其质量、长度和截面积,计算其湿密度,然后用干燥箱烘干,同理获得草块的干密度。

  三、 结果与分析

  获得物料含水率在5水平下草块被顶出时挤出力的时域信号,如图5所示。该图是一次采样全过程草块挤出力F和时间的关系曲线,从图5中可以看到开始加压时,所施加的挤出力没有达到草块与环模之间的最大静摩擦力,草块不移动,随时间的增加挤出力迅速上升;当挤出力等于草块与环模之间的最大静摩擦力时,草块开始移动,该点对应的力为压块机压出草块的最大挤出力;此后随草块的排出,草块与环模的接触面积减小,摩擦力开始减小,因此表现为挤出力下降趋势

  在开始和结束采集时,挤出力不为0是因为千斤顶有一定的质量。对含水率每一个水平下的分别进行6次采样,通过分析计算获得最大挤出力和平均挤出力,如表2所示。


  首先分析含水率对草块最大挤出力影响,草块最大挤出力F和含水率的关系,如图6所示 。

  由图6可以看出最大挤出力随着含水率的升高而降低,在19%~29%区段,随含水率的增加最大挤出力下降幅度很大;在29%~40%区段,随含水率的增加最大挤出力变化较小。从表3中可知随含水率的增加,压块机消耗的功率变化不大,呈下降的趋势,

  而生产率在含水率为19%和40%时生产率很低。其原因是含水率在19%时,草块与模孔的摩擦力很大,草块移动速度缓慢,草块成型虽好,但生产率很低,且生产出来的草块内部和表面焦糊现象严重;含水率在40%时,虽然消耗的功率较少,但草块成型不好,为片层状,很容易碎裂,且碎末较多。这是由于物料含水率越高,物料与环模孔壁之间的摩擦力越小,压制成的草块越较容易从环模孔挤压出来,降低单位产量的能耗,但是由于摩擦力减小,草物料在环模孔里停留的时间就会缩短,使草块的密度较低和表面粗糙,造成草块的成型率低,导致生产率较低。含水率在25%~33%区段草块成型较好,含水率为25%时,草块与模孔的摩擦有所减小,出块相对顺畅,生产率得到提高,但草块最大挤出力、压块机消耗的功率在此区间仍很高,且草块表面仍有焦糊的现象。因此,综合考虑草块的(干湿)密度、最大挤出力、压块机的功率消耗、生产率等各项指标,确定含水率约为29%时,最大挤出力较小、功率较低、密度适宜、生产率较高。

  四、 结论

  1)草块的最大挤出力随秸秆物料的含水率的增加而降低,即在19%~29%区段,随含水率的增加最大挤出力下降幅度很大;在29%~40%区段,随含水率的增加最大挤出力变化较小。

  2)秸秆物料的含水率对压块机的功率消耗影响较大。实验表明:在含水率为29%时进行压块,压块机的最大挤出力较小,消耗的功率较小,密度适宜,成型较好,生产率较高。
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