生物质能发电储运设备玉米秸秆大方捆打捆机的设计分析

邢蕾，王慧，姜文龙，李剑英，肖应辉，刘向东＊

（1.佳木斯大学机械工程学院，黑龙江 佳木斯 154007;2.佳木斯市潜兴农业机械研发有限公司，黑龙江 佳木斯 154000）

我国是农业发展大国，秸秆资源非常丰富。秸秆作为一种低碳量及含硫量非常低的清洁燃料，成为了仅次于煤炭、石油的重要能源之一。生物质能发电储运技术可以满足农村用电需求，是充分利用可再生质能的有效手段。生物质能发电的前提是将其进行压缩成大型方捆。基于生物质能秸秆发电的需求，我国需要加速对玉米秸秆大方捆打捆机设备进行研制。

1 秸秆打捆技术现状

该项技术在欧美等一些发达国家起步早，不管是配套设备还是处理技术等都比较先进，尤其是自动捆打扎成套设备工作效率高，具有很大的技术经济价值。目前，我国秸秆发电相关设备还需要从国外引进。随着我国科学技术水平的不断提高，秸秆发电项目的有效实施，对于玉米秸秆等一些生物质能，国内也对已有的卧式打捆技术进行了研究，用新型的液压机构替代了传统的曲柄连杆机构，但是目前，国内秸秆打捆技术还存在着工作安全稳定性不强、打捆效果差等问题，还无法达到秸秆发电的实际要求。

2 生物质能发电储运设备玉米秸秆大方捆打捆机的技术依据

2.1 技术设计依据

同其他的生物质能相比，玉米秸秆具有特殊的物理特性，也是其得到推广的优势。由于玉米秸秆中空，所以堆放密度小，且反弹性强。玉米秸秆压缩，实质上是从低密度向高密度转化，转化中对压力要求非常高。通过有限元数据分析和实验表明，压力会随着物料密度的增大而增大，同时，玉米秸秆经过压缩之后，在超过屈服极限的条件下，反弹力依然很大，因此，秸秆压缩很难一次完成。虽然机械机构运行速度很快，但是压力不高；液压系统运行速度较慢，但可以提供很大的压力，持久耐用，因此，需要将两者有效结合起来，采用压扁、主压等工艺，或者通过液压组合等方式来压缩，提高压缩效率。

2.2 技术指标

①配套动力是110-145kW；②生产率是4～7t/h。③捆绑的尺寸长为1.5m、宽为1.3m、高为1.2m。④秸秆捆绑重量是350～450kg。

3 生物质能发电储运设备玉米秸秆大方捆打捆机的总体设计

3.1 玉米秸秆设计方案分析

（1）玉米秸秆压缩变形规律分析。玉米秸秆压缩和其他农业物料压缩有很大的区别，其压缩时具有变形与变形恢复大等特点。根据秸秆变形恢复的规律，使用闭压式压缩一次后，秸秆内应力难以全部消除，且具有很大的的反弹力，这就会加大功耗，压缩后的捆绑工作难以有效进行；而通过开式压缩方式，经过一次压缩之后，变形大，但会逐渐减少，整体压缩变形曲线呈递减趋势，应力比较松弛，导致压缩变形减小。但是，若持续增加压缩时长度，就会加大秸秆压缩时的摩擦力，导致压缩效率低。所以，将秸秆压缩变形恢复减少，是减少能源消耗，提高生产效率的有效手段。

（2）压缩力、压缩量即压缩密度关系。根据压缩动力学原理，物料应力也就是应变关系，是非线性的，加载和卸载曲线也存在很大的差异，其卸载线难以回到原点。当压缩玉米秸秆到80kg/m，压缩力曲线比较平缓；当成形捆压缩截面积变大时，密度能够达到220kg/m3，且压缩力曲线变陡。随压缩室截面变大，比应力为先减后增的规律；比密度是压缩室面积越大，比密度是先减后增，因此，设计开式压缩方式时，功耗和捆绑效果是由压缩室长度决定的。

（3）现有打捆机应用分析。①使用液压技术，一次性闭式打捆。该种打捆方式具有安全可靠性，能够使用各种秸秆物料，但只可以打小捆，针对较大的玉米秸秆捆，基于松散物料容重比较小的特点，必须多次添加完成打捆，因而，性价比低，生产效率不高。②使用液压技术，进行开式打捆。使用这一技术进行打捆稳定性强，与节本稻苗打捆具有相似性，冲破了压缩力的限制，但是，不足之处是，体积过大，初始物料容积大，压缩量大，不能自动完成捆扎，生产率低。③小型打捆设备。这种设备对原有的小型方捆进行了合理利用，并二次压缩，形成大型方捆。该设备主要利用了小型草捆容重大等特点来二次加工，这就加大了秸秆压缩的成本。④机械预压及液压主压结合技术。该技术主要是将机械预压及液压主压优点相结合应用的技术，在能耗不大的基础上，通过液压致密技术进行二次压缩，减少能源消耗，并能连续进行工作，但是，预压与主压的连续衔接存在问题，难以自动进行捆扎。图1中1代表输送装置；2代表压扁装置；3代表预压缩装置；4代表主压缩装置；5代表穿绳装置。

3.2 结构与工作基本原理

目前，国内使用最普遍的是小型打捆设备，其可以分为机械和液压两种。虽然，也尝试使用大型打捆机，但是，打捆效果不佳；国外运用比较多的是液压系统致密成型技术，技术含量非常高。本设备主要采用逐级分解压力设计方案。玉米秸秆捆打机是由输送、压扁、预压缩等装置工程。如图1所示。主要原理：玉米秸秆在输送带进行水平方向移动，经过压扁装置后成扁平状，在机械预压和液压主压结构相互作用下，使物料进行高密度大方捆绑，然后借助压缩液压设备，设定打捆的具体参数，将玉米秸秆方捆成设定尺寸。

图1 玉米秸秆打捆设备结构图

3.3 主要参数和结构设计

（1）输送机结构设计。依据设备的指标做理论分析与试验，含水率约20%的秸秆容量为0.029t/m3，秸秆的平均长度为2.2m，最长不也能超过2.4m，若料槽宽度为2.4m，按照压扁机初估高度，将其设计为可调节式的高度，调节范围控制在2.5～3.5m之间，倾角取0值为0.72。秸秆输送机产量料槽宽、高度关系为：Q=3600B·h·V·γ·η·Kc。关系式中：Q表示输送机产量；B表示料槽的宽度；h表示料槽高度；V表示的链条速度；γ表示物料容重；η表示输送效率；Kc表示倾斜输送数。

（2）压扁机结构设计。压扁机中核心部件是压扁辊，因此，确保压扁辊的安全稳定性非常重要。经过相应的力学分析，初选外径D=245mm，长L=2480mm的压扁辊，通过对外力实验测定，P-5×104，压扁辊重C-1709.96N。经过力学分析计算， 校 核：该式子中：T表示的是轴所受扭矩；P表示的是轴传递功率大小；n表示的是轴的转动速度。抗弯截面系数W=0.1D3（1-ɑ4）=598469mm3，合成弯矩表示：，材料强度符合使用要求。

（3）主压缩结构设计。支撑和压缩是其核心的构成部分，其中支撑是由桁架构成。使用有限元分析法对桁架的强度进行设计，并按照对应力与应变图分析桁架。通过有限元分析的相关数据，在保证桁架经济稳定性的前提下，可推算出材料横截面计算公式为：

上式中：δfalse表示工件应力；A表示工件的横截面积；[σ]表示工件许用应力；N表示在工件上作用的力。计算得出：理论横截面A1=1797mm2；A2=1037.1mm2，所以，桁架选择的是100×100×6、80×80×4的方钢管，经过试验材料强度满足使用的实际要求。

4 结语

经相关实验表明，机械和液压组合运用，具有很强的安全可靠性，其捆打机结构符合机械功能的要求，是我国技术科研成果的一项重大创新，其推广和应用具有重要意义。其设备应用优势具体表现为：①结构十分紧凑，操作比较方便，安全性高；②使用该设备进行玉米秸秆捆绑尺寸十分规整，且重量很稳定；③机械要和液压主压相结合，比较适应北方玉米高强度的特点，且产出比非常高。

参考文献：

[1]赵涛,王浩宇.大方捆打机滚筒动刀排列布置研究[J].农业机械 ,2016，(20):567-578.

[2]刘宏文,徐浩.纽荷兰大方捆打捆机在生物质发电领域的应用[J].现代化农业 ,2014，(12):318-326.