เนื่องจากชีวมวลมีสารอันตรายน้อยกว่า เช่น เถ้า ไนโตรเจน และกำมะถัน เมื่อเทียบกับพลังงานจากแร่ จึงมีคุณสมบัติเป็นเชื้อเพลิงสำรองขนาดใหญ่ มีกิจกรรมของคาร์บอนที่ดี เผาไหม้ง่าย และมีองค์ประกอบที่ระเหยง่าย ดังนั้น ชีวมวลจึงเป็นเชื้อเพลิงพลังงานที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการแปลงและนำไปใช้ประโยชน์จากการเผาไหม้ เถ้าที่เหลือจากการเผาไหม้ชีวมวลอุดมไปด้วยสารอาหารที่พืชต้องการ เช่น ฟอสฟอรัส แคลเซียม โพแทสเซียม และแมกนีเซียม จึงสามารถใช้เป็นปุ๋ยสำหรับนำกลับคืนสู่ไร่นาได้ ด้วยทรัพยากรสำรองมหาศาลและข้อได้เปรียบด้านพลังงานหมุนเวียนที่เป็นเอกลักษณ์ของพลังงานชีวมวล ปัจจุบันชีวมวลจึงเป็นตัวเลือกที่สำคัญสำหรับการพัฒนาพลังงานใหม่ระดับชาติของประเทศต่างๆ ทั่วโลก คณะกรรมการพัฒนาและปฏิรูปแห่งชาติจีนได้ระบุไว้อย่างชัดเจนใน "แผนปฏิบัติการการใช้ประโยชน์จากฟางพืชอย่างครอบคลุมในช่วงแผนพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติฉบับที่ 12" ว่าอัตราการใช้ประโยชน์ฟางอย่างครอบคลุมจะสูงถึง 75% ภายในปี 2556 และมุ่งมั่นที่จะสูงกว่า 80% ภายในปี 2558
การแปลงพลังงานชีวมวลให้เป็นพลังงานคุณภาพสูง สะอาด และสะดวกสบายกลายเป็นปัญหาเร่งด่วนที่ต้องแก้ไข เทคโนโลยีการเพิ่มความหนาแน่นของชีวมวลเป็นหนึ่งในวิธีที่มีประสิทธิภาพในการปรับปรุงประสิทธิภาพการเผาไหม้พลังงานชีวมวลและอำนวยความสะดวกในการขนส่ง ปัจจุบันมีอุปกรณ์ขึ้นรูปหนาแน่นสี่ประเภทที่นิยมใช้กันทั้งในตลาดภายในประเทศและต่างประเทศ ได้แก่ เครื่องอัดเม็ดแบบเกลียว เครื่องปั๊มอนุภาคแบบลูกสูบ เครื่องอัดเม็ดแบบแม่พิมพ์แบน และเครื่องอัดเม็ดแบบแม่พิมพ์วงแหวน ในบรรดาเครื่องอัดเม็ดแบบแม่พิมพ์วงแหวนนั้น เครื่องอัดเม็ดแบบแม่พิมพ์วงแหวนได้รับความนิยมอย่างแพร่หลาย เนื่องจากคุณสมบัติต่างๆ เช่น ไม่จำเป็นต้องให้ความร้อนระหว่างการทำงาน ความต้องการความชื้นของวัตถุดิบสูง (10% ถึง 30%) ผลผลิตของเครื่องจักรแต่ละเครื่องสูง ความหนาแน่นของการบีบอัดสูง และประสิทธิภาพการขึ้นรูปที่ดี อย่างไรก็ตาม เครื่องอัดเม็ดประเภทนี้มักมีข้อเสีย เช่น แม่พิมพ์สึกหรอง่าย อายุการใช้งานสั้น ค่าบำรุงรักษาสูง และการเปลี่ยนถ่ายวัสดุที่ไม่สะดวก เพื่อแก้ไขข้อบกพร่องข้างต้นของเครื่องอัดเม็ดแบบแหวน ผู้เขียนจึงได้ออกแบบโครงสร้างแม่พิมพ์ขึ้นรูปใหม่ทั้งหมด และออกแบบแม่พิมพ์ขึ้นรูปแบบเซ็ตที่มีอายุการใช้งานยาวนาน ต้นทุนการบำรุงรักษาต่ำ และการบำรุงรักษาที่สะดวก บทความนี้ได้ทำการวิเคราะห์เชิงกลของแม่พิมพ์ขึ้นรูปในระหว่างกระบวนการทำงาน
1. การออกแบบการปรับปรุงโครงสร้างแม่พิมพ์ขึ้นรูปสำหรับเครื่องบดแบบแม่พิมพ์วงแหวน
1.1 บทนำสู่กระบวนการขึ้นรูปด้วยการอัดรีด:เครื่องอัดเม็ดแบบวงแหวนสามารถแบ่งได้เป็นสองประเภท คือ แนวตั้งและแนวนอน ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของแม่พิมพ์วงแหวน สามารถแบ่งการเคลื่อนที่ได้สองแบบตามรูปแบบการเคลื่อนที่ ได้แก่ ลูกกลิ้งอัดแบบแอคทีฟที่มีแม่พิมพ์วงแหวนคงที่ และลูกกลิ้งอัดแบบแอคทีฟที่มีแม่พิมพ์วงแหวนขับเคลื่อน การออกแบบที่ได้รับการปรับปรุงนี้มุ่งเน้นไปที่เครื่องอัดเม็ดแบบวงแหวนที่มีลูกกลิ้งอัดแบบแอคทีฟและแม่พิมพ์วงแหวนคงที่เป็นแม่พิมพ์แบบเคลื่อนที่ เครื่องอัดเม็ดแบบวงแหวนประกอบด้วยสองส่วนหลัก ได้แก่ กลไกการลำเลียงและกลไกอนุภาคของแม่พิมพ์วงแหวน แม่พิมพ์วงแหวนและลูกกลิ้งอัดเป็นส่วนประกอบหลักสองส่วนของเครื่องอัดเม็ดแบบวงแหวน โดยมีรูสำหรับขึ้นรูปจำนวนมากกระจายอยู่รอบแม่พิมพ์วงแหวน และลูกกลิ้งอัดติดตั้งอยู่ภายในแม่พิมพ์วงแหวน ลูกกลิ้งอัดเชื่อมต่อกับแกนส่งกำลัง และแม่พิมพ์วงแหวนติดตั้งอยู่บนตัวยึดแบบคงที่ เมื่อแกนหมุนหมุน ลูกกลิ้งอัดจะขับเคลื่อนให้ลูกกลิ้งอัดหมุน หลักการทำงาน: ขั้นแรก กลไกการลำเลียงจะลำเลียงวัสดุชีวมวลที่บดแล้วให้มีขนาดอนุภาคตามที่กำหนด (3-5 มม.) เข้าไปในห้องอัด จากนั้นมอเตอร์จะขับเคลื่อนเพลาหลักเพื่อขับเคลื่อนลูกกลิ้งแรงดันให้หมุน และลูกกลิ้งแรงดันจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่เพื่อกระจายวัสดุระหว่างลูกกลิ้งแรงดันและแม่พิมพ์วงแหวนอย่างสม่ำเสมอ ทำให้แม่พิมพ์วงแหวนเกิดการบีบอัดและเสียดสีกับวัสดุ ลูกกลิ้งแรงดันกับวัสดุ และวัสดุกับวัสดุ ระหว่างกระบวนการบีบแรงเสียดทาน เซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลสในวัสดุจะรวมตัวเข้าด้วยกัน ขณะเดียวกัน ความร้อนที่เกิดจากแรงเสียดทานจะทำให้ลิกนินอ่อนตัวลงและกลายเป็นสารยึดเกาะตามธรรมชาติ ซึ่งทำให้เซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส และส่วนประกอบอื่นๆ ยึดติดกันแน่นขึ้น เมื่อวัสดุชีวมวลถูกอัดอย่างต่อเนื่อง ปริมาณวัสดุที่ถูกอัดและเสียดสีในรูแม่พิมพ์ขึ้นรูปก็จะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ในขณะเดียวกัน แรงบีบระหว่างชีวมวลก็เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ทำให้มีความหนาแน่นและก่อตัวขึ้นในรูแม่พิมพ์อย่างต่อเนื่อง เมื่อแรงดันการอัดรีดมีค่ามากกว่าแรงเสียดทาน ชีวมวลจะถูกอัดรีดออกมาจากรูขึ้นรูปรอบๆ แม่พิมพ์วงแหวนอย่างต่อเนื่อง ทำให้เกิดเชื้อเพลิงชีวมวลขึ้นรูปที่มีความหนาแน่นในการขึ้นรูปประมาณ 1 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร
1.2 การสึกหรอของแม่พิมพ์ขึ้นรูป:เครื่องอัดเม็ดแบบวงแหวนมีกำลังการผลิตสูง มีระบบอัตโนมัติที่ค่อนข้างสูงและสามารถปรับใช้กับวัตถุดิบได้อย่างมีประสิทธิภาพ สามารถนำไปใช้แปรรูปวัตถุดิบชีวมวลได้หลากหลายชนิด เหมาะสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงชีวมวลอัดแน่นในปริมาณมาก และตอบสนองความต้องการด้านการพัฒนาอุตสาหกรรมเชื้อเพลิงชีวมวลอัดแน่นในอนาคต ด้วยเหตุนี้ เครื่องอัดเม็ดแบบวงแหวนจึงได้รับความนิยมอย่างแพร่หลาย เนื่องจากวัสดุชีวมวลที่ผ่านการแปรรูปอาจมีทรายและสิ่งเจือปนอื่นๆ ที่ไม่ใช่ชีวมวลปะปนอยู่บ้าง จึงมีโอกาสสูงที่จะทำให้แม่พิมพ์วงแหวนของเครื่องอัดเม็ดสึกหรอได้ อายุการใช้งานของแม่พิมพ์วงแหวนคำนวณจากกำลังการผลิต ปัจจุบัน แม่พิมพ์วงแหวนในประเทศจีนมีอายุการใช้งานเพียง 100-1,000 ตันเท่านั้น
ความล้มเหลวของแม่พิมพ์แหวนส่วนใหญ่เกิดขึ้นในสี่ปรากฏการณ์ต่อไปนี้: ① หลังจากที่แม่พิมพ์แหวนทำงานเป็นระยะเวลาหนึ่ง ผนังด้านในของรูแม่พิมพ์ขึ้นรูปจะสึกหรอและช่องเปิดจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เชื้อเพลิงที่ขึ้นรูปแล้วเกิดการเสียรูปอย่างมีนัยสำคัญ; ② ความลาดเอียงในการป้อนของรูแม่พิมพ์ขึ้นรูปของแม่พิมพ์แหวนจะสึกหรอ ส่งผลให้ปริมาณวัสดุชีวมวลที่ถูกบีบเข้าไปในรูแม่พิมพ์ลดลง แรงดันในการอัดรีดลดลง และรูแม่พิมพ์ขึ้นรูปอุดตันได้ง่าย นำไปสู่ความล้มเหลวของแม่พิมพ์แหวน (รูปที่ 2); ③ หลังจากวัสดุผนังด้านในลดลงอย่างรวดเร็วและลดปริมาณการปล่อยออก (รูปที่ 3);
④ หลังจากการสึกหรอของรูด้านในของแม่พิมพ์แหวน ความหนาของผนังระหว่างชิ้นส่วนแม่พิมพ์ L ที่อยู่ติดกันจะบางลง ส่งผลให้ความแข็งแรงของโครงสร้างของแม่พิมพ์แหวนลดลง รอยแตกร้าวมักเกิดขึ้นในบริเวณที่อันตรายที่สุด และเมื่อรอยแตกร้าวขยายออกไปเรื่อยๆ แม่พิมพ์แหวนก็จะแตก สาเหตุหลักของการสึกหรอง่ายและอายุการใช้งานสั้นของแม่พิมพ์แหวนคือโครงสร้างแม่พิมพ์แหวนขึ้นรูปที่ไม่สมเหตุสมผล (แม่พิมพ์แหวนถูกรวมเข้ากับรูของแม่พิมพ์ขึ้นรูป) โครงสร้างที่ผสานกันของทั้งสองอย่างนี้มีแนวโน้มที่จะเกิดผลดังกล่าว บางครั้งเมื่อรูแม่พิมพ์แหวนของแม่พิมพ์แหวนสึกหรอเพียงไม่กี่รูจนใช้งานไม่ได้ แม่พิมพ์แหวนทั้งหมดจำเป็นต้องเปลี่ยน ซึ่งไม่เพียงแต่ทำให้งานเปลี่ยนไม่สะดวกสบายเท่านั้น แต่ยังก่อให้เกิดความสูญเสียทางเศรษฐกิจและต้นทุนการบำรุงรักษาที่สูงขึ้นอีกด้วย
1.3 การออกแบบปรับปรุงโครงสร้างของแม่พิมพ์ขึ้นรูปเพื่อยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์วงแหวนของเครื่องอัดเม็ด ลดการสึกหรอ อำนวยความสะดวกในการเปลี่ยน และลดต้นทุนการบำรุงรักษา จำเป็นต้องออกแบบโครงสร้างแม่พิมพ์วงแหวนใหม่ทั้งหมด แม่พิมพ์แบบฝังถูกนำมาใช้ในการออกแบบ และโครงสร้างห้องอัดที่ได้รับการปรับปรุงใหม่แสดงในรูปที่ 4 รูปที่ 5 แสดงภาพตัดขวางของแม่พิมพ์ที่ได้รับการปรับปรุง
การออกแบบที่ได้รับการปรับปรุงนี้มุ่งเน้นไปที่เครื่องอัดอนุภาคแบบวงแหวนที่มีรูปแบบการเคลื่อนที่ของลูกกลิ้งแรงดันแบบแอคทีฟและแม่พิมพ์วงแหวนแบบคงที่ แม่พิมพ์วงแหวนด้านล่างถูกยึดเข้ากับตัวเครื่อง และลูกกลิ้งแรงดันทั้งสองเชื่อมต่อกับเพลาหลักผ่านแผ่นเชื่อมต่อ แม่พิมพ์ขึ้นรูปถูกฝังอยู่บนแม่พิมพ์วงแหวนด้านล่าง (โดยใช้อุปกรณ์ป้องกันการแทรกสอด) ส่วนแม่พิมพ์วงแหวนด้านบนถูกยึดเข้ากับแม่พิมพ์วงแหวนด้านล่างด้วยสลักเกลียวและยึดเข้ากับแม่พิมพ์ขึ้นรูป ขณะเดียวกัน เพื่อป้องกันไม่ให้แม่พิมพ์ขึ้นรูปกระดอนกลับเนื่องจากแรงหลังจากที่ลูกกลิ้งแรงดันกลิ้งและเคลื่อนที่ตามแนวรัศมีไปตามแม่พิมพ์วงแหวน จึงใช้สกรูหัวจมยึดแม่พิมพ์ขึ้นรูปเข้ากับแม่พิมพ์วงแหวนด้านบนและด้านล่างตามลำดับ เพื่อลดความต้านทานของวัสดุที่เข้าสู่รูและทำให้การเข้าสู่รูแม่พิมพ์สะดวกยิ่งขึ้น มุมกรวยของรูป้อนของแม่พิมพ์ขึ้นรูปที่ออกแบบไว้คือ 60° ถึง 120°
การออกแบบโครงสร้างของแม่พิมพ์ขึ้นรูปที่ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นนั้นมีคุณสมบัติคือมีรอบการทำงานหลายรอบและมีอายุการใช้งานยาวนาน เมื่อเครื่องอนุภาคทำงานเป็นระยะเวลาหนึ่ง การสูญเสียแรงเสียดทานจะทำให้ช่องเปิดของแม่พิมพ์ขึ้นรูปมีขนาดใหญ่ขึ้นและเกิดการพาสซีฟ เมื่อแม่พิมพ์ขึ้นรูปที่สึกหรอถูกถอดออกและขยายออก ก็สามารถนำไปใช้ผลิตอนุภาคขึ้นรูปชนิดอื่นๆ ได้ ซึ่งช่วยให้สามารถนำแม่พิมพ์กลับมาใช้ใหม่ได้ และประหยัดต้นทุนการบำรุงรักษาและการเปลี่ยนใหม่
เพื่อยืดอายุการใช้งานของเครื่องบดย่อยและลดต้นทุนการผลิต ลูกกลิ้งแรงดันจึงใช้เหล็กกล้าคาร์บอนสูงแมงกานีสสูงที่มีความทนทานต่อการสึกหรอสูง เช่น 65Mn แม่พิมพ์ขึ้นรูปควรทำจากเหล็กกล้าผสมคาร์บูไรซ์หรือโลหะผสมนิกเกิลโครเมียมคาร์บอนต่ำ เช่น โครเมียม แมงกานีส ไททาเนียม เป็นต้น เนื่องจากห้องอัดได้รับการปรับปรุง แรงเสียดทานที่แม่พิมพ์วงแหวนด้านบนและด้านล่างได้รับระหว่างการทำงานจึงค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับแม่พิมพ์ขึ้นรูป ดังนั้นจึงสามารถใช้เหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา เช่น เหล็ก 45 เป็นวัสดุสำหรับห้องอัดได้ เมื่อเทียบกับแม่พิมพ์วงแหวนขึ้นรูปแบบบูรณาการแบบดั้งเดิม สามารถลดการใช้เหล็กกล้าผสมที่มีราคาแพงได้ จึงช่วยลดต้นทุนการผลิต
2. การวิเคราะห์เชิงกลของแม่พิมพ์ขึ้นรูปของเครื่องอัดเม็ดแม่พิมพ์แหวนในระหว่างกระบวนการทำงานของแม่พิมพ์ขึ้นรูป
ในระหว่างกระบวนการขึ้นรูป ลิกนินในวัสดุจะอ่อนตัวลงอย่างสมบูรณ์เนื่องจากสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันสูงและอุณหภูมิสูงที่เกิดขึ้นในแม่พิมพ์ เมื่อแรงดันในการอัดขึ้นรูปไม่เพิ่มขึ้น วัสดุจะเข้าสู่กระบวนการพลาสติก วัสดุจะไหลได้ดีหลังจากกระบวนการพลาสติก ดังนั้นจึงสามารถกำหนดความยาวได้เป็น d แม่พิมพ์ขึ้นรูปถือเป็นภาชนะรับแรงดัน และลดแรงเค้นที่กระทำต่อแม่พิมพ์ขึ้นรูป
จากการวิเคราะห์การคำนวณเชิงกลข้างต้น สามารถสรุปได้ว่า เพื่อให้ได้ความดัน ณ จุดใดๆ ภายในแม่พิมพ์ขึ้นรูป จำเป็นต้องหาค่าความเครียดรอบทิศทาง ณ จุดนั้นภายในแม่พิมพ์ขึ้นรูป จากนั้นจึงสามารถคำนวณแรงเสียดทานและความดัน ณ ตำแหน่งนั้นได้
3. บทสรุป
บทความนี้เสนอการออกแบบปรับปรุงโครงสร้างใหม่สำหรับแม่พิมพ์ขึ้นรูปของเครื่องอัดเม็ดแบบแม่พิมพ์วงแหวน การใช้แม่พิมพ์ขึ้นรูปแบบฝังจะช่วยลดการสึกหรอของแม่พิมพ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ อำนวยความสะดวกในการเปลี่ยนและบำรุงรักษา และลดต้นทุนการผลิต ขณะเดียวกัน ได้มีการวิเคราะห์เชิงกลของแม่พิมพ์ขึ้นรูปในระหว่างกระบวนการทำงาน ซึ่งเป็นพื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการวิจัยเพิ่มเติมในอนาคต
เวลาโพสต์: 22 ก.พ. 2567