一、论文选题的目的和意义

近年来,由于环境的恶化和全球能源危机的影响,人们逐渐意识到要想使经济获得可持续发展必须先要做到能源和环境的可持续发展,最终引导人们关注的热点进入了以太阳能和生物质能为代表的可再生能源。

研究发现,稻秆作为一种重要的生物质能资源,总能量可与玉米、淀粉的总能量相当。稻秆燃烧值约为标准煤的50%,其中蛋白质含量约5%,纤维素含量在30%左右,还含有一定量韩、磷等多种矿物质。4吨普通結秆就可以提供1吨粮食所能提供的营养价值。经测算,每生产1吨玉米可产1. 572吨鲜稻奸,每生产1吨稻谷或小麦可产1吨左右的稻轩。我国每年可生产农作物稻秆6亿多吨。如果全部用来燃烧,折算相当于约3亿吨标准煤的热值。如全部用作饲料,可折合约1.5吨粮食。再经过科学处理的话,结秆的营养价值还可大幅度提高。稻杆蕴藏着丰富的能量,含有大量的营养物质, 发潜力巨大,利用价值极高。

二、国内外研究现状及发展趋势：

2.1国外发展现状

从20世纪30年代美国开始了压缩制粒燃料技术的研究，并研制了螺旋压缩机至今共有包括：日本、西德、意大利、丹麦、法国、德国、瑞典、瑞士、比利时，泰国、印度、越南、菲律宾、南非等国家先后加入了生物质制粒技术的研究行列。目前这些国家生物质制粒燃料技术己基本成熟，并进入了规模化生产及应用阶段。并且一些机型极具代表性，如：比利时研制成功的T117型螺旋压块机，其主要性能为：压块燃料的出模温度180℃，轴向压缩力大于686kN，压块的移动速度1700～2500mm/min，耗能量45～55kWh/t，压块燃料的低位热值18～19.7MJ/kg，燃料外表面有一层自然纤维保护膜。还有就是联邦德国研制的KAHI系列压粒机可生产直径为3～40mm的压缩粒，所用电机的功率为20～400kW，能耗为15～40kWh/t。泰国、印度、菲律宾等国80年代研制成的加粘结剂的生物质压缩制粒机等。

2.2国内发展现状

而我国是在20世纪80年代引进螺旋挤压式生物质制粒机后开始参与生物质压缩制粒技术的研究开发的，至今已有二十多年的历史，并且取得了明显成果，如：清华大学清洁能源研究与教育中心已开发出生物质颗粒燃料冷制粒技术和设备，并在北京怀柔区组织了示范项目，环境科学与工程系也有相关研究。浙江大学生物机电工程研究所能源清洁利用国家重点实验室也在生物质制粒理论、制粒燃料燃烧技术等方面进行了研究。国内部分厂家生产的制粒机信息见表1-2。

表1-2我国生物质致密制粒设备的主要性能指标

1）螺旋挤压技术

螺旋挤压制粒技术是目前生产生物质制粒燃料最常用的技术，尤其是以机制炭为最终产品的用户，大都选用螺旋挤压制粒机。

1990年，通过实施国家“七五”公关项目“木质棒状（螺旋挤压）制粒机的的开发研究”工作，国内建立了第一条年产1000吨棒状制粒燃料生产线；1993年前后，国内一部分企业和有关省的农村能源办公室从日本、中国台湾、比利时、美国引进了近20条生物质压缩制粒生产线，这些生产线基本上都是采用螺旋挤压式，大多数是以木屑为原料，生产“炭化”燃料棒状制粒燃料的形状为直径50mm左右、长度450mm左右，横截面为圆形或六角形，每根重约1kg,用于蒸发量1000kg/h工业锅炉或民用炉灶。

螺旋挤压制粒技术的优点：

(1)成品密度高。以木屑、稻壳、麦草等为原料，国内生产的几种螺旋挤压式制粒机加工的制粒棒料的密度1100-1400kg/.

(2)成品质量好、热值高，更适合再加工成为炭化燃料、

螺旋挤压制粒技术的缺点是：

(1)产量低。目前国产设备的最高台时产量不到150kg/h，距离规模化生产的产量要求相差较大。

(2)能耗高。粉料在螺旋挤压制粒前先要经过电加温预热，挤压制粒过程的吨料电耗就在90kw*h/t以上。

(3)易损件寿命短。国产设备主要工作部件螺杆的最高寿命不超过500h，距离国际先进水平1000h以上还有不小的距离。

(4)原料要求苛刻。螺旋挤压制粒机采用连续挤压，制粒温度通常在之间，为了避免制粒过程中原料水分的快速汽化造成制粒块的开裂和“放炮”现象的发生，一般要将原料含水率控制在8%-12%之间，所以对有的物料要进行预干燥处理，增加了加工成本。这一点，对于移动式的制粒燃料加工系统来说也许是一个致命伤，因此与螺旋挤压制粒工艺相衔接还需要配套的烘干机。

2）活塞冲压技术

这种技术的优点是制粒密度较大，允许物料水分高达20%左右。但因为是油缸往复运动，间歇制粒，生产率不高，产品质量不太稳定，不适宜炭化。活塞式的制粒模腔容易磨损，一般100h要修1次，有的含少的生物质材料可维持300h。

2003年，通过实施科技部“秸秆压块制粒燃料产业化生产的可行性研究”项目，开发了液压驱动式秸秆制粒机，该设备采用活塞套筒双向挤压间歇制粒。生产率为400kg/h;吨料电耗为60kw*h/t左右。

3）辊模挤压技术

生物质颗粒燃料的辊模挤压制粒技术是在颗粒饲料生产技术基础上发展起来的，两者的主要区别在于纤维性物料含量的多少和制粒密度的高低。用辊模挤压式制粒机生产颗粒制粒燃料一般不需要外部加热，依靠物料挤压制粒时产生的摩擦热，即可使物料软化和黏合。对原料的含水率要求较宽，一般在10%-40%之间均能制粒。其制粒最佳水分为18%左右，相比于螺旋挤压和活塞冲压而言，辊模挤压制粒法对物料的适应性最好。因此，国内一些生产秸秆颗粒饲料的企业在生产颗粒饲料的同时也生产颗粒燃料，以提高设备的利用率。

目前国内一些知名的饲料机械企业，在环模制粒机和平模制粒机的设计、制造方面，已积累了丰富的经验，某些方面已达到世界先进水平。在生物质颗粒制粒燃料加工机械的研发方面也进行了多年的探索，并取得了可喜的成绩。

（1）环模挤压制粒技术。1994年-1998年，通过实施国家林业局“林业剩余物制造颗粒制粒燃料技术研究”项目，成功开发了以木屑和刨花为主要原料的颗粒燃料制粒机，当时产量在250kg/h,制粒燃料产品的规格为直径6mm，长8-15mm,颗粒密度>1000kg/m,其热值为20096.7Kj/kg左右。产品质量达到日本“全国燃料协会”公布的颗粒制粒燃料标准的特级或一级。但是由于当时在材料和加工工艺等方面的原因，主要易损件环模在面对粗纤维物料时暴露出了使用寿命短的缺陷。使用成本高成为环模式制粒机难以在生物质制粒燃料领域大面积推广的重要原因。但是，该项目的开展，为我国辊模挤压制粒燃料技术的发展打下了良好的基础。

（2）平模挤压制粒技术。由于在平模制造工艺水平和主要加工物料对象方面与国外的差距等原因，以前国内在对平模式制粒机的研究方面不够深入，国内能生产的最大平模直径只有400mm.2000年，通过实施农业部引进国际先进农业科学技术项目“秸秆颗粒饲料加工技术与设备引进”，在引进国际上著名的德国卡尔公司的38-780型大型平模制粒机的基础上，结合我国实际，又进行了多处技术改进和创新。研制的具有自主知识产权的SZLP-780型平模制粒机的主要技术参数为：颗粒直径12mm;生产能力：2100kg/h;吨粒耗电量：31Kw*h/t;颗粒制粒率：94%；颗粒制粒密度：920；平模直径：780mm.

与其他生物质制粒颗粒加工技术相比，大型平模式制粒机的优点在于：

(1)原料适应性广。

(2)产量大。

(3)吨粒耗电低。

(4)辊模寿命长。

(5)制粒密度可调。

2004年，一些发电企业利用SZLP-780型平模制粒机生产的颗粒燃料来发电，（配套电机为75KW电机）进行了以棉杆为原料的制粒试验，当制粒颗粒密度在1100kg/时，产量达到1300kg/

但总体来看，目前，我国的生物质固化制粒装备在设备的实用性、系列化、规模化上还是不足，距估计先进水平还有不小的差距。这一问题以制粒机最为突出，表现在生产率低、制粒能耗高、主要工作部件寿命短、机器故障率多、费用高等方面。

三、研究内容的方案设计及可行性分析

秸秆制粒加工就是：将粉碎的小块状物料置于制粒机的高温高压状态下，突然释放到常温常压，使物料内部结构和性质发生变化的过程。制粒加工方法是借助制粒机螺杆的推动力，将物料向前制粒，物料受到混合、搅拌、摩擦以及高剪切力作用，使木素粒解体，同时机腔内温度压力升高（温度可达到150-200，压力可达1MP以上），然后从一定形状的模孔瞬间挤出，其中游离水分在此压差下急剧汽化，水的体积可膨胀大约2000倍，有高温高压突然降至常温常压，从而使产品定型。

本次设计一款秸秆制粒机，包括一机架、位于所述机架内的环模构件、位于所述环模构件中部的压辊构件、以及驱动所述压辊构件的电机组；所述压辊构件包括与所述电机组联动的输出轴，所述压辊构件还包括一插接且周向固定于所述输出轴的驱动轴，所述驱动轴内轴向固定有一转动杆，所述转动杆下端与所述输出轴螺纹连接；所述环模构件至少包括两组模孔的孔径不一的环模套。本实用新型具有以下优点和效果：通过将压辊构件上端的驱动轴能够上下升降调节，实现与不同孔径的环模套进行相对设置，实现单个设备多类型产品的生产，提高设备的利用率，以及减少了更换模具的繁琐步骤。

四、研究方法及技术路线

本设计就是要根据上述情况结合目前的条件解决如下问题：

1.秸秆制粒机普遍运行不平稳的问题；

2.秸秆制粒机易损件使用寿命太短，更换不方便的问题；

3.生产过程中能源损耗大，没有实现秸秆成型技术根本目的的问题；

4.秸秆制粒机结构复杂，制造维护均不方便的问题；

针对上述目标本设计拟采用的具体解决手段有：

1.通过查阅资料及实地考察对现有有秸秆制粒机进行深入研究后，本设计初步决定采用液压机构驱动，同时选用适当的材料来制作机架及其他部件，这样才能真正保证制粒机运行的稳定；

2.根据目前掌握的资料初步决定采用切削式高速湿法粉碎技术、旋转闪蒸式生物能气流烘干法和碾压中温成型技术，将成功解决生物质固体颗粒燃料成型难、效率低、能耗大等问题。

3.所采用的机械结构和成型装置还应尽可能满足以下条件：降低单位产品能耗；提高工作效率；安全可靠。这样新的秸秆制粒机才能在真正意义上实现节约能源的目的；

4.整体机械结构在能够满足以上要求的前提下尽量做到简单实用，以节约制造及运输的成本；

五、课题的研究进度

第一阶段（2018年12月20日-2019年1月30日）材料的搜集整理、查阅相关资料、方案确定，根据找到的方法最终确定制粒机的成型方式、机构类型。

第二阶段（2019年2月1日-2019年4月31日）方案设计，总体结构设计，设计计算、装配图绘制，确定其他技术参数；系统设计计算；绘制系统图纸；制粒机构的设计计算；绘制制粒机构图纸。

第三阶段 (2019年5月1日-2019年5月30) 完成装配图、粉碎设备的设计计算；绘制粉碎设备图纸；编写说明书；准备答辩。

六、预期结论

秸秆制粒机的总体设计总体装配图一张 关键部件图2～3张 20000字论文

七、参考文献

[1]《数控技术及应用》 中国计量出版社,赵玉冰主编

[2]《数控原理与系统》 机械工业出版社,郑晓峰主编

[3]《现代数控机床伺服及检测技术》 国防工业出版社,白恩远主编

[4]《数控原理与系统》 机械工业出版社，汪木兰主编

[5]《数控原理与数控机床》  化学工业出版社，张柱银主编

[6]《数控原理与数控机床》  化学工业出版社，罗学科、谢富春主编

[7]《数控与电控技术》 机械工业出版社，孙志永、赵砚江主编

[8]《数控机床交流伺服控制系统的设计与仿真》 参考文献

[9]张多利, 董德军,赵荔娜, 李可。精准农业与现代农业装备黑龙江畜牧机械化研究所。2011（1）

[10]王熙，庄卫东，汪春。黑龙江垦区农业信息化进展与展望[J].黑龙江八一农垦大学学报.2010.22(5):18-19

[11]王新忠，王熙，王智敏。精准农业与变量施肥技术[J].黑龙江八一农垦大学学报.2002.14(4):25-27

[12]赵清华，许万同，张伟，韩红兵，万霖.大豆大垄密植栽培技术模式及配套机械化系统研究[J].黑龙江八一农垦大学学报.2009.21(3):46-48