玉米秸杆生物燃料螺旋压力机设计毕业论文 王忠浩

太原理工大学
毕业设计（论文）任务书
毕业设计（论文）题目：
玉米秸杆生物燃料螺旋压力机设计
毕业设计论文是高等学校教学计划的重要组成部分，是学生完成教学计划规定要求学习的全部课程及相关内容之后，能够按照指定的课题独立自主完成和解决具体问题的基本训练，是检查与培养学生全面运用所学的理论知识与技能并进行综合性实践检验的教学环节，是对学生在校期间综合素质能力培养与教育效果的全面检验，是检查学校教育质量的综合反映，也是考查学生毕业水平及学位资格认证的重要依据。

毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）：
设计参数：
1、根据自己熟悉的专业知识选定适当形式的机型；
2、根据实验数据确定压力机的规格参数；
3、确定实用的压制方式方法；
4、给出压制产品的参数要求；
5、指出螺旋压力机的受力分析及响应精度；
6、标明螺旋压力机的参数对比。

根据论点及相应参考数据与实验结果确定。

毕业设计论文是通过对论点的提出、论点的意义、围绕论点进行的一系列实验试验或开展的专题设计与研究，使学生通过灵活与深化运用所学的专业理论知识，培养自己独立地认识、分析和解决科学与工程实际问题的能力，以达到科学工作者或高级工程师应当掌握和具备的科学技术知识水平方面基本训练目的。

本课题是探索性研究型课题，要求在综述中阐明如下问题：
1、自然界能源存在的形式种类及转化利用状况
2、人类社会生存活动与能源的关系
3、生物能源的转化途径
4、生物能源的生产与利用
5、生物能源材料的塑性成型压力加工工艺技术与装备
6、生物能源材料塑性成型压力加工工艺技术应用的展望
7、生物能源转化的相关基础理论
8、玉米秸杆转化为燃料的可能性分析
9、生物能源的加工工艺及可行性分析
10、生物能源生产原料的来源转化工艺及其机械模具工装设备
11、生物能源模制的效果及螺旋压力机结构与受力分析
进行课题的研究应提出论点，给出论据，做出必要的实验并取得相关的数据，经过分析对比，选定其中真实的结果给出明确的结论。

研究中用到的试验装具要求画出机构图，对主要工模装具要画出相应的结构图，给出相应的图表。

毕业设计（论文）主要内容：
通过毕业设计要求学生具备：
1、综合运用理论、基本知识、专业技能的能力；
2、调查研究，收集、整理和使用技术资料的能力；
3、制定研究方案，进行分析、比较、论证、的能力；
4、进行辨析论证的能力；
5、从事科学实验的能力；
6、应用计算机技术、外语和工具书的能力；
7、编辑文献、资料、说明书的能力；
8、绘制工程图表的能力；
9、分析、论证、综述专业知识及课题的能力。

毕业设计要求围绕毕业设计所做的毕业设计说明书、工程计算说明书和产品使用说明书内容完整、计算准确、论述简洁、文理通顺、装订整齐，文字叙述不少于2万字。

毕业设计图纸要求能够正确的表达设计意图，图面布局应合理美观，图形文字要准确清晰，符合制图标准要求与有关规定（计算机绘图应具有相当量）。

毕业设计论述部分的相关论述要求立论合理，数据准确，论据充分，层次清晰，引用文献资料要客观准确，并详细注明来源出处。

电子文件一律用Word撰写，工程制图建议使用AOTOCAD或其兼容软件制图。

在毕业设计过程中要爱护公物、设备及工具，正确使用，精心维护，及时归还。

要注意保持毕业设计论文场所的环境清洁卫生。

学生应交出的设计文件（论文）：
一、调研资料及立论安排计划：（由学生自己拟订）
二、太原理工大学毕业设计资料：
1、太原理工大学毕业论文统一封面；
2、毕业论文中英文摘要：中文摘要300字左右；英文摘要和中文摘要对应，列出主题词；
3、毕业论文目录；
4、毕业论文（含综述报告一份、可行性研究及开题报告一份）；
5、论述相关的实验设计计算说明书；
6、论述相关的实验意义及过程说明；
7、致谢；
8、参考文献；
9、与课题相关的外文参考资料原件及译文（原文不少于2万字符）；
10、附录；
三、毕业设计资料电子版备份及特殊专用必备的软硬件（附以文字说明）；
四、毕业实验用具图（利用计算机绘制的图纸可与毕业设计资料装订在一起不必另附）；
1、研究方案思路方框图；
2、研究方案实验用具简图系列；
3、研究方案试件图片；
4、研究实验示意图；
5、答辩用图；
五、其他论证图表资料及清单；
六、答辩用PPT制件；
七、关于毕业设计的说明（单独用Word制一文件）
主要参考文献（资料）：
1、《材料力学》
2、《锻压手册》
3、《工程制图学与计算机绘图》
4、《机构学》
5、《机械设计》
6、《机械设计手册》
7、《机械原理》
8、《机械制造技术》
9、《计算机绘图技术》
10、《理论力学》
11、《螺旋压力机》
12、《模具制造工艺学》
13、《曲柄压力机》
14、《生物燃料》
15、《压力加工与现代先进加工技术》
关于参考图书文献只给出大类，具体书目应学会利用图书馆、资料室与现代网络技术，查阅后应给出详细目录与出处。

上述毕业论文要求可查阅太原理工大学教务处网颁布的本年度有关毕业设计（论文）相关要求予以补充执行。

专业班级材料成型与控制锻压200902班学生王忠浩
要求设计（论文）工作起止日期～
指导教师签字日期
教研室主任审查签字日期
系主任批准签字日期
玉米秸杆螺杆式压力机设计
[摘要]
一直作为人类消耗的主要能源的化石燃料，是不可再生的，但工业的发展，使得能源问题很严重。

生物质能是可再生能源之一,开发利用生物质能可以明显缓解环境危机和能源危机。

研究生物能转换技术，变废为宝，对保护生态环境有重要意义。

通过挤压成型将生物质（秸秆）挤压成固态燃料是其中方法之一。

成型条件对生物质（秸秆）燃料成型物的质量影响重大。

本文主要通过压制成型实验研究了玉米秸秆在不同含水率、成型温度、成型压力、粒度下的成型状态，最佳的成型条件，为秸秆挤压成型过程的工艺参数的选择提供了依据。

本课题的研究，对生物质（秸秆）燃料的成型机械设计，成型条件和参数确定有一定的指导意义。

主要进行了玉米秸杆螺杆式压力机的设计，压力机主要由电动机、皮带轮、齿轮、螺杆组成。

关键词：生物质，秸秆实验，螺杆，挤压机
ABSTRACT
Fossil fuel is the main energy we use all the time, which is non renewable resource. But with the development of industry, the desire of energy is becoming more and more serious. The biomass energy is a kind of renewable source, and to find and use biomass energy can obviously release the environmental crisis and energy crisis. It is very important for protecting environment to study the conversion technology, recycling waste material. Extruding the biomass (straw) Into solid fuel is one of methods.
The forming conditions are very significant for forming biomass (straw) fuel. By suppression experiment, this article mainly studied the forming state of corn straw at different moisture content, molding temperature, forming degree, molding pressure, forming power and particle size, and the best forming condition, which provided industry parameter for the process of for the corn straw screw presses designed presses mainly by electric motors, pulleys, gears, screw components.
KEY WORDS: biomass，straw experiment，conical screw，extrusion machine
目 录
玉米秸杆螺杆式压力机设计 0
[摘要] ..................................................................................................................................................... 0 ABSTRACT 0
目 录 (1)
1绪论 (3)
玉米秸秆的燃烧性能 (3)
研究目的与意义 (3)
生物能源的转化途径 (5)
玉米秸杆转化为燃料的可能性分析 (5)
存在主要问题及今后看法 (6)
2.研究玉米秸秆可压缩性 (7)
3.玉米秸秆成型机的初步设计构想 (9)
玉米秸秆成型机的初步示意图如下 (9)
动力传动系统的初步设计 (10)
加热套选型 (10)
4.螺杆与机筒的配合方案 (11)
螺杆与机筒的配合方案 (11)
(11)
a. 种机筒 呈圆锥形，因此 ,机筒制造困难，很少采用。

(11)
b. 种螺杆制造较为方便，在单螺杆机上, 应用也较多。

(11)
料筒和螺杆的设计 (12)
料筒的确定 (12)
螺杆 ..................................................................................................................................... 14 22111
sin cos 2s D nh Q πθθ= (15)
222229 1.251sin17cos172
9 1.2510.290.962
138/o o
Q cm s
ππ⨯⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯⨯== ........................................................................................ 15 214D P P ................................................................................................................................. 16 2'22'L p p DL i D S e S ................................................................................................... 16 220.09(10.15)(10.15)500.3744a D p p MP (17)
n D 临
...................................................................................................................... 17 n c D
............................................................................................................................................ 17 机筒校核 .. (20)
5.电动机的选择 (22)
功率的计算 (22)
确定电动机的转速 (23)
成型机传动装置的总体设计 (24)
确定传动装置的总传动比和分配传动比 (24)
传动装置的运动和动力参数的计算 (25)
带的计算 (26)
带型号的选择和带轮直径的计算 (26)
直齿圆柱齿轮的计算 (29)
齿面疲劳强度的计算 (29)
确定传动主要尺寸 (31)
齿根弯曲疲劳强度验算 (32)
几何尺寸计算 (33)
6零件的选择 (34)
7.花键校核 (35)
8.平键连接的校核 (36)
9. 螺钉校核 (36)
结束语 (37)
参考文献 (38)
10外文翻译 (39)
1绪论
玉米秸秆的燃烧性能
我国从20世纪80年代中期起开始了成型燃料的开发研究，生物质固体成型燃料具有易运输、易点火、燃烧效率高、燃烧性能好热值高、火力持久、燃烧时几乎不产生SO2 、不会造成环境污染等特点，可作为工业锅炉、住宅区供热、农业暖房、户用炊事和取暖的燃料。

根据查阅文献可知，玉米秸秆的燃烧分为三个明显的阶段，第一阶段（大致为初始温度为150℃）为水分的蒸发，第二阶段（大致为150—400℃）主要是挥发分的析出燃烧，第三阶段（大致为400—600℃）是固定碳的燃烧。

其燃烧主要发生在挥发分析出燃烧阶段。

玉米秸秆的挥发分含量大，灰分含量较低，易于着火和燃尽。

着火温度为261℃，燃尽温度为535℃[1]。

根据玉米秸秆的燃烧性能可知玉米秸秆压缩成型后适合于做生物燃料。

研究目的与意义
能源从柴草时期到煤炭时期，再到现在的石油时期，在人类社会的发展中扮演重要角色。

人类消耗的主要能源长期以来一直都是石油、天然气、煤炭等化石燃料，它们为人类经济和社会的进步，及生活水平的提高做出了很大的贡献。

人类经济是不断发展的，工业也在迅猛发展，解决能源问题就变得更加的迫切。

据 IEA（国际能源署）发布的《IEA-世界能源展望 2007》预测，全球 2005 年到 2030 年间的一次能源需求将增加 55%，年均增长率为 %
,其中化石燃料占总能源需求增长量的达到 84%。

和其他国家一样，能源安全同样是我国的国家战略安全保障基础之一。

对我国而言，原油产量增长幅度较小，而石油消耗量增长幅度较大，能源短缺表现的日益明显。

由世界能源储备和消费状况，我们可以清楚的意识作为主要能源的矿物资源是不可再生的，有一天会耗竭。

在自然界中不断再生、永续利用的可再生能源，具有取之不尽，用之不竭，循环再生的特点，如太阳能、风能、水能、地热能等。

研究、开发、利用各种可再生资源，借此节约规资源，对人类社会的发展有着重大意义。

在可再生资源中，生物质能是一种值的珍惜利用的资源。

植物可以通过自身的光合作用，把太阳能转化成化学能，并且固定和储藏在其体内，即产生了生物质能。

生物质能在可再生能源中占有重要地位，是第四大能源，其资源也是很广泛的，比如农业废弃物、林业生物质等。

其中因其农作物的品种较多，种植面积大即数量大等特点，农作物秸秆在生物质资源中占很大的比例。

对于秸秆，我国
一直对其进行了合理的利用，比如秸秆被用于烧火取暖做饭，建房避雨遮日，养畜积肥还田。

随着社会、经济的发展，传统农业向现代化农业的转变，农村能源结构的变化，以及农民生活水平的提高，传统的秸秆利用方式已不能适应。

一些农业主生产区秸秆资源大量过剩问题日趋突出，这些废弃物密度小、体积膨松、占地面积大，需要一定的人力、物力进行销毁处理，一部分农民采取就地焚烧秸秆的办法处理，这样会造成气体的污染，烟雾使得高速公路被迫关闭，附近机场的飞机不能下降等严重的社会问题。

研究、开发、利用各种可再生资源，借此节约常规资源，对人类社会的发展有着重大意义。

开发利用生物质能可以明显缓解环境危机和能源危机，因为生物质的燃烧缓解了煤炭等资源的消耗速度，并降低了污染气体的排放量，实现了高效、洁净化。

作为可再生资源的生物质能值得人们合理地去开发、利用。

这样可使能源得到有效利用，改善我国的能源利用和人类的生态环境，实施可持续发展战略。

生物能源的转化途径
目前生物质作为能源利用主要通过以下五个途径:
(1)生物质发酵制取乙醇,利用是甘蔗,小麦,谷类,甜菜,洋姜,秸秆等为原料,通过不同的催化酶作用将淀粉转化为糖,然后用发酵剂将糖转化为乙醇,再通过蒸馏除去水分和其他一些杂质,得到最后浓缩的乙醉"尤其是秸秆乙醇技术最热门,国内有很多高校和科研机构正在科技攻关,降低生产成本"河南省天冠集团已经投入试运行了秸秆乙醇生产线,技术在国内处于领先地位.
(2)生物质产生沼气,生物质通过细菌作用进行生物质的分解"这个过程也是一个发酵过程,产生C践和C02气体混合物"在隔绝空气没有污水或者动物废物存在的条件下,生物质通过腐烂而生成的产物称为生物气(沼气)"这项技术已基本成熟,在我国的很多农村得到了推广利用" (3)生物质气化,是通过生物质在高温(80()~900e)下部分氧化生成CO,C执等可燃气体的混合物的过程.产品气可直接用于燃烧或者作为燃气透平的燃料,也可用作化工原料"我国秸秆气化领域的领军者,当属中国科学院的广州能源研究所和辽宁能源研究所.上述两个单位在生物质能秸秆气化学科,无论从理论还是技术方面都站在国内的前沿"尤其是广州能源所研制的循环流化床技术,已成功进入了实际应用,进而与发电设备配套"
(4)生物质制油,是在低温及高的气体压力下将生物质转化为稳定的液态碳氢化合物"通过直接液化和间接液化将生物质转化成液体燃料"生物质液化技术是最具有发展潜力的生物质能利用技术之一"目前中国科技大学的科研人员已经成功的从秸秆中制取重油,可进一步经过提炼,作为燃油使用,但由于成本太高,目前还没有推向市场"
(5)生物质固化成型,是在一定温度和压力作用下,将各类分散的!没有一定形状的秸秆，农林废弃物等生物质原料千燥!粉碎后压制成规则的!密度较大的棒状!块状或颗粒状等成型燃料,从而提高其运输和贮存能力,改善生物质的燃烧性能,提高利用热利用效率,扩大应用范围"可以取代煤!燃气等作为民用燃料进行炊事!取暖等,也可用于工业锅炉(生物质燃炉，壁炉，茶水炉，发电炉)的燃料"
玉米秸杆转化为燃料的可能性分析
秸秆主要由纤维素,半纤维素和木质素组成"由于植物生理方面的原因造成秸秆的质地疏松"各种农作物秸秆之所以能够在不加粘结剂的情况下热压成型,主要是由于木质素的存在〔,40/8"天然状态的木质素被称为原本木素,是一种白色或接近无色的物质,我们见到的木质素的颜色
是在分离!制备过程中造成的"其密度在一#cm一,之间"木材中木质素的含量为27%一犯%(绝干原料),禾苗类植物木质素含量为14%~25%"由x射线衍射可知木质素属非晶体,目前认为木质素以本丙烷为主体结构,共有三种基本结构(非缩合型结构),即愈创木基结构!紫丁香基结构和对梭苯基结构"十分有意义的是,除了酸木质素和铜氨木质素外,原本木质素和大多数分离木质素为一种热塑性高分子物质,无确定的熔点,但具有玻璃态转化温度,而且较高"这种转化温度与其是处于湿态或者是干态关系很大, 资料表明,当温度在70一110e时木质素开始软化,其粘合力开始增加"当温度达到200一300e时可以熔融,在此温度下给生物质施加一定的外力,原料颗粒开始重新排列位置关系,并发生机械变形和塑性流变"在垂直于最大应力方向上,粒子主要以相互啮合的形式结合,而在垂直于最小应力方向上,粒子主要以相互靠紧的形式结合,从而使生物质的体积大幅度减小,容积密度显著增大,成型棒内部咬合外部融合,并具有一定的形状和强度"在除去外力和恢复常温后,维持既定的形状"
存在主要问题及今后看法
秸秆在农村的传统利用在农村面临很多问题。

秸秆燃料成型机本机是指以农村的玉米秸秆、小麦秸秆、棉花杆、稻草、稻壳、花生壳、玉米芯、树枝、树叶、锯末等农作物、固体废弃物为原料，经过粉碎后加压、增密成型，生产“秸秆燃料”的机器。

秸秆成型的基本原理是利用压模与螺杆间挤压力和秸秆与模壁摩擦力相互作用原理，使物料获得成型。

物料在加工过程中无需加入任何添加剂或粘结剂。

秸秆等物料中含有一定的纤维素和木质素，其木质素是物料中的结构单体，是苯丙烷型的高分子化合物，具有增强细胞壁、粘合纤维素的作用。

木质素属非晶体，在常温下主要部分不溶于任何溶剂，没有熔点，但有软化点。

当温度达到一定值时，木质素软化粘结力增加，并在一定压力作用下，使其纤维素分子团错位、变形、延展，内部相邻的生物质颗粒相互进行啮接，重新组合而压制成型。

本文的设计任务是设计一个占地面积不大的秸秆成型机，即制块部分。

该设备能够实现对秸秆、牧草等进行压缩挤出，作为燃料使用。

我运用计算机绘图软件，进行秸秆饲料成型机的三维设计建模，并对齿轮轴进行应力分析和对齿轮以及轴承进行寿命及强度分析。

2.研究玉米秸秆可压缩性
经查阅资料，得出如下图
结论：
1）粉碎玉米秸秆的可压缩性曲线可表示为指数模型()01ρρ-=b ae K
2）在玉米秸秆品种和压缩室形状等都确定的前提下,当达到相同的压缩密度时,揉碎玉米秸秆的可压缩性可以随压缩速度的增大而改善。

初始的密度出现出差异,同样的压缩速度且达到相同的压缩密度时,粉碎玉米秸秆的体积模量随初始密度的增大而增大,压缩密度越大,这种变化趋势越明显;且当压缩密度大于230kg / m3时,可压缩性趋于减小的速度明显加快。

3在玉米秸秆品种等因素都确定的前提下,随着含水率的增加,可压缩性较好。

4)粉碎以后玉米秸秆的最佳压缩密度为230kg / m3左右。

3.玉米秸秆成型机的初步设计构想
玉米秸秆成型机的初步示意图如下
通过螺杆旋转运动，将破碎后的玉米秸秆经加热加压，从矩形截面的喷嘴挤出成型燃料。

动力传动系统的初步设计
动力传动系统示意图如下：电动机通过皮带传动同时驱动螺杆旋转挤出产品
图
加热套选型
本来设计并没有设计加热料套。

虽然转动的螺杆对物料做功产生一定的热，但并不足够。

为了使物料中的木质素软化熔融，外加热能进行补偿可使挤压更加充分。

4.螺杆与机筒的配合方案
螺杆与机筒的配合方案
为了使物料在机筒内承受逐渐增大的压缩力，常将螺杆与机筒配合为如下三种型式：
a.种机筒呈圆锥形，因此 ,机筒制造困难，很少采用。

b.种螺杆制造较为方便，在单螺杆机上, 应用也较多。

c.种结构结构简单，制造方便、这种配合方式，应用较为广泛。

选用c.种
料筒和螺杆的设计
料筒的确定
料筒的结构形式关系到热量传递的稳定性和均匀性，并影响固体输送效率。

同时，料筒的机械加工性能和使用寿命也影响到整个挤出系统的工作性能。

料筒必须采用优质的耐高温、耐磨损、耐腐蚀和高强度的材料制成。

同时，还应当具备较好的机械加工性能和热处理性能。

常用的材料有45钢、40Cr、38CrMoAl以及铸钢和球墨铸铁。

我们选用45钢或40Cr。

机筒的结构形式关系到热量的传递的稳定性和均匀性；机筒的机械加工和使用寿命也影响到整个挤压系统的性能设计机筒，要考虑到机筒结构形式的选择及机筒上加料口的形式，机筒与机机头的联结形式以及对机简机械加工制造的难易问题。

机头的联结形式以及对机简机械加工制造的难易问题。

螺杆和机筒的两个零件组合质量对物料的塑化，制品的质量和生产效率，都有重要影响。

他们的工作质量与制造精度，装配间隙有关。

整体式机筒，其特点为长度大，加工要求比较高，在加工和装配精度上容易得到保证，也可简化装配工作；在机筒上设置外加热器不易受到限制，机筒受热均匀，但机筒的加工设备要求比较高，机筒内表面磨损难以修复。

分段式机筒，其特点是机械加工容易，便于改变比，只是对中难，法兰连接处影响机筒的加热均匀性。

双金属机筒主要有两种结构形式：一种是衬套式机筒；另一种是在机筒上浇铸一层合金箔层，简称为浇铸式机筒。

对于衬套式机筒而言，它可更换合金衬套，衬套可以做成整体、分段式，可节省贵重金属，衬套磨损后可更换，可提高机筒的使用寿命，但是制造设计复杂，设计时应注意到衬套与机筒的配合，过松时易转动，过紧时装配又难，故在二者之间加上一个止动键。

综上所述，本机选用整体式机筒。

加料段料筒的设计
轴向开槽套筒结构具有几种形式，经考虑多种因素选用如下图的形式：
图5-2轴向开槽套筒结构
自机筒加料口前端至轴向槽结束之处套筒的轴向长度L，一般取L=(3～5)D。

料筒的结构如上图所示,轴向沟槽的数量和螺杆的直径大小有关，一般螺杆直径为120mm，沟槽数目取12，凹槽宽度应大于高聚物颗粒的最长尺寸，同时与螺杆的直径大小有关，取10mm,槽深为4mm。

加料段设置有锥形套筒时，物料在该段的螺槽种能提早形成高的压力，螺杆在有进料套筒和无进料套筒的机筒中，在同样速度下，有进料套筒者能提高生产能力。

加料口的选择
加料口的结构必须与物料的形状相适应，是被加入得物料能从料斗自由流入螺杆而不中断。

加料口的形状及其在料铜上的开设位置对加料性能有很大影响。

加料口应能使物料自由而高效地加入料筒而不产生架桥，设计时还应考虑到加料口是否是与设置加料装置，是否有利于清理，是否便于在此段设置冷却系统。

常见的加料口断面开头很多，如下图所示：
图5-3 加料口断面。