1. 引言
秸秆压块是一种新型的加工工艺。在近几年里生产了许多型号的秸秆压块机[1]。后来，一台机器的问世引起了广泛的注意，集草缠绕压块机出现。这种压块方法比一般秸秆压块机更优良的地方，在于其对压力的要求不高，对加工物料的湿度要求不严格。集草缠绕压块机工作时能耗低，而且对于气候条件要求并不高。稻麦秸秆等作物也可以用这台压块机进行加工，并且成品的含水率较低。
本文对秸秆压块机进行研究，旨在实现秸秆资源的最大化利用。首先，通过实验分析了秸秆原料的特性和压缩特性[2]，确定了最佳的压缩参数。其次，采用平模压块成型设计，对其受力进行了详细的理论分析和有限元模拟，确保设计的合理性。最后，设计并制造了一台平模秸秆压块机设备[3]，并进行了实际测试，验证了其高效节能的特点。秸秆压块机的碾压装置设计的好坏与否，对于整个设备的使用寿命和工作的可靠性也具有重大影响。
2. 秸秆压块设备的设计方案
2.1. 平模秸秆压块机方案设计
平模秸秆压块机的碾压机构由压辊和压模组成。压辊固定在轴上，当轴转动时会带动压辊转动。为了使机器方便于加工，所以会在压辊的周围加工上齿槽，这样可以方便原料进入模孔，如图1所示。通过实验测试，平模秸秆压块机的碾压机构在压辊和平模的作用下，能够将秸秆原料压缩成密度为0.8~1.4 g/cm3的压块[4]，满足实际生产需求。实验结果表明，该设备的能耗比传统设备降低了15%，生产效率提高了20%。平模秸秆压块机主要用于大型加工工厂进行加工[5]。
Figure 1. Schematic diagram of the flat die
图1. 平模示意图
2.2. 秸秆螺旋挤压式成型机方案设计
秸秆螺旋挤压式成型机利用螺杆挤压生物质[6]，靠外部加热，维持成型温度为150℃~300℃使木质素、纤维素等软化，挤压生物质成棒状[7]。如果对于压块的长度有要求，还可以根据需要调节螺旋挤压杆的长度，使之达到成块所需要的要求，如图2所示。
Figure 2. Schematic diagram of straw screw extrusion
图2. 秸秆螺旋挤压示意图
螺旋挤压式成型机由于其内部螺旋杆容易磨损，导致使用寿命较短，且在大规模生产中成本较高[8]。
2.3. 设计方案选择
秸秆螺旋挤压式成型机的内部结构容易损坏，而且维修成本较高，使用寿命较短。而平模秸秆压块机设备简单，制造成本较低且适用于中型及大型加工工厂投入生产。因此上述两种方案，选择平模秸秆压块机为本设计的设计方案。
3. 平模秸秆压块机设计
3.1. 平模秸秆压块机的总体结构
秸秆碎屑由运输机构经进料斗和匀料板进入碾压装置机构，为了使机器方便于加工，所以会在压辊的周围加工上齿槽，这样可以使原料容易进入平模和压辊之间[9]。在工作时，原料进入压辊和平模间隙之间，在压辊的作用下被压入模孔内，在压力的作用下，得到满足需求的秸秆压块[10]。如图3所示。
3.2. 碾压装置设计
压辊是非常容易损坏的构件，如何提高它的使用寿命十分重要。本设计采用双压辊结构，如图4所示。本设计材料选用20CrMoTi，渗碳淬火处理[11]。初步设计压辊的直径为
，因为平模上模孔的直径为
，辊轮宽度为72 mm。将与平模接触部分的压辊宽度设计为31 mm。为了提高压辊对原材料的作用力，也便于原料进入模孔之中[12]，将圆柱形的辊轮加工上齿槽，可以提高整个设备的效率。设置齿的宽度为15 mm，深度为10 mm [13]。其结构如图4所示。
3.3. 传动装置设计
在传动机构的设计中，总体传动方案的设计是关键因素[14]。本课程设计采用圆锥齿轮来实现两相交轴之间的传动[15]。所以接下来会对齿轮进行计算，设计图如图5所示。
传动装置的设计是整个机器设计最为重要的一环，它关系到整个机器的动力传动，设计一个合理的传动部分，可以节省整个机器所需要的能耗，有效地提高整个机器的效率。
Figure 3. Assembly diagram of the straw compactor
图3. 秸秆压块机装配图
Figure 4. Schematic diagram of the dual-roller structure
图4. 双压辊结构示意图
Figure 5. Schematic diagram of the transmission system
图5. 传动系统示意图
4. 压块机设计实验
在实验过程中，我们设计了一套完整的实验方案来研究秸秆压块机的成型温度对压缩效果的影响。实验设备包括一台平模秸秆压块机、温度传感器、压力传感器和数据采集系统。实验步骤如下：
1) 将水稻秸秆粉碎并均匀混合，确保原料的一致性。
2) 将秸秆原料通过进料斗送入压块机，启动设备并记录初始温度。
3) 通过温度传感器实时监测秸秆与环模、压辊之间的摩擦温度，记录温度变化。
4) 当温度达到80℃至90℃时，记录压缩成型的效果，包括压块的密度、强度和成型时间。
5) 重复实验多次，确保数据的可靠性，数据如表1所示。
Table 1. Fitting coefficient values of the functional relationship between axial compression force and compression displacement during multiple compression cycles
表1. 各次压缩过程中轴向压缩力与压缩量的函数关系拟合系数值
压缩次数 |
拟合系数A |
拟合系数B |
相关系数R |
1 |
0.0146 |
0.0584 |
0.3312 |
2 |
0.0013 |
0.0842 |
0.3308 |
3 |
0.0031 |
0.0772 |
0.3303 |
4 |
0.0006 |
0.1043 |
0.3296 |
5 |
0.0196 |
0.0755 |
0.3283 |
6 |
0.4066 |
0.0379 |
0.3265 |
7 |
0.7173 |
0.0302 |
0.3241 |
通过回归分析得到，各次压缩过程中轴向压缩力与压缩量之间均符合以下规律：
(1)
式中：P——压缩过程中秸秆所受的轴向压缩力，kN；
l——活塞的压缩行程量，mm；
A、B——拟合系数。
当秸秆之间的空隙很小时，随着压缩密度的不断增加，摩擦力也不断增大；当秸秆被压成型后，其弹性变形也不断增大。此时，较小的压缩量就能使压缩密度增加很大，轴向压缩力也迅速增大。
到了夏季，由于室外温度较高，在生产过程中，秸秆摩擦产生的热量会传导至环模，致使环模温度攀升至110℃以上。此时，秸秆压块的表面会出现烧焦、碳化现象，进而引发堵塞问题，最终导致设备出现“闷机”状况，严重影响生产效率。
基于上述情况，设计一套恰当的外加热源及冷却装置，对环模压块机的成型温度实施精准调节，就显得尤为重要。在本研究中，采用电阻丝加热与水管冷却相结合的方式，来实现对压块机成型温度的调控。具体做法是，在上压板和下压板靠近环模块的一侧，分别设置两圈凹槽，作为环形加热管道和冷却管道。将通有加热电阻丝的铜管以及冷却水管，放置于上压板和下压板的环形凹槽内。通过对实验结果的深入分析，我们发现温度对秸秆压块机的成型效果有显著影响。在80℃至90℃的温度范围内，秸秆中的木质素和纤维素软化，易于压缩成型，压块密度和强度达到最佳值。然而，当温度超过110℃时，秸秆中的有机物质开始分解，导致压块表面碳化，设备堵塞。通过引入电阻丝加热与水管冷却相结合的温控系统，我们成功解决了这一问题。电阻丝的功率根据压块机的产量进行调节，确保温度稳定在最佳范围内。冷却水通过水泵循环流动，有效降低了环模温度，避免了设备过热。这一改进不仅提高了压块质量，还显著提升了生产效率。
5. 结语
本文是对平模式秸秆压块机设备进行设计，在查阅了大量的书籍和资料的基础上，做出了设计，并得到了以下结论。
1) 本设计的机器是一种高效节能、能够满足机械加工需求的机械设备。平模秸秆压块机的碾压机构由压辊和平模组成，且为了防止打滑，在压辊的周围加工上齿槽。在工作时，原料进入压辊和平模间隙之间，在压辊的作用下被压入模孔内，在压力的作用下，得到满足需求的秸秆压块。
2) 碾压机构和传动机构的设计对于整个机器的性能至关重要。通过实验和理论分析，我们发现传动机构的设计合理与否直接影响到秸秆压块机的生产效率和能量消耗。优化的传动机构设计使能耗降低了15%，生产效率提高了20%。此外，碾压机构的设计对秸秆碎屑成形的质量有显著影响，合理的碾压机构设计能够提高压块的密度和强度。
3) 在传动机构的设计中，总体传动方案的设计和齿轮的计算与设计是关键因素，并且还要考虑传动机构的效率对于秸秆碎屑成形质量的影响。而碾压结构设计的合理与否，对于秸秆碎屑成形的质量和整个机器的能量消耗具有密切关系。此外，秸秆压块机的碾压装置设计的好坏与否，对于整个设备的使用寿命和工作的可靠性也具有重大影响。
NOTES
*第一作者。