เนื่องจากชีวมวลมีสารอันตราย เช่น เถ้า ไนโตรเจน และกำมะถัน น้อยกว่าพลังงานจากแร่ธาตุ อีกทั้งยังมีคุณสมบัติเด่นคือ มีปริมาณสำรองมาก มีกิจกรรมของคาร์บอนสูง จุดติดไฟง่าย และมีส่วนประกอบระเหยสูง ดังนั้น ชีวมวลจึงเป็นเชื้อเพลิงพลังงานที่เหมาะสมอย่างยิ่งและเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการแปลงและใช้ประโยชน์โดยการเผาไหม้ เถ้าที่เหลือจากการเผาไหม้ชีวมวลอุดมไปด้วยสารอาหารที่พืชต้องการ เช่น ฟอสฟอรัส แคลเซียม โพแทสเซียม และแมกนีเซียม จึงสามารถนำไปใช้เป็นปุ๋ยเพื่อคืนสู่ดินได้ ด้วยปริมาณทรัพยากรสำรองมหาศาลและข้อได้เปรียบด้านพลังงานหมุนเวียนที่เป็นเอกลักษณ์ของพลังงานชีวมวล ปัจจุบันจึงถือเป็นทางเลือกที่สำคัญสำหรับการพัฒนาพลังงานใหม่ของประเทศในหลายประเทศทั่วโลก คณะกรรมการพัฒนาและปฏิรูปแห่งชาติของจีนได้ระบุไว้อย่างชัดเจนใน "แผนปฏิบัติการเพื่อการใช้ประโยชน์ฟางข้าวอย่างครบวงจรในแผนพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติฉบับที่ 12" ว่าอัตราการใช้ประโยชน์ฟางข้าวอย่างครบวงจรจะอยู่ที่ 75% ภายในปี 2556 และมุ่งมั่นที่จะให้เกิน 80% ภายในปี 2558
การแปลงพลังงานชีวมวลให้เป็นพลังงานคุณภาพสูง สะอาด และสะดวกสบาย กลายเป็นปัญหาเร่งด่วนที่ต้องแก้ไข เทคโนโลยีการอัดแน่นชีวมวลเป็นหนึ่งในวิธีที่มีประสิทธิภาพในการปรับปรุงประสิทธิภาพการเผาไหม้พลังงานชีวมวลและอำนวยความสะดวกในการขนส่ง ปัจจุบัน มีเครื่องอัดแน่นชีวมวลอยู่ 4 ประเภทที่ใช้กันทั่วไปในตลาดภายในประเทศและต่างประเทศ ได้แก่ เครื่องอัดเม็ดแบบเกลียว เครื่องอัดเม็ดแบบลูกสูบ เครื่องอัดเม็ดแบบแม่พิมพ์แบน และเครื่องอัดเม็ดแบบแม่พิมพ์วงแหวน ในบรรดาเครื่องเหล่านี้ เครื่องอัดเม็ดแบบแม่พิมพ์วงแหวนเป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีคุณสมบัติ เช่น ไม่จำเป็นต้องใช้ความร้อนระหว่างการทำงาน วัตถุดิบมีความต้องการความชื้นสูง (10% ถึง 30%) กำลังการผลิตต่อเครื่องสูง ความหนาแน่นในการอัดสูง และผลการขึ้นรูปที่ดี อย่างไรก็ตาม เครื่องอัดเม็ดประเภทนี้มักมีข้อเสีย เช่น แม่พิมพ์สึกหรอง่าย อายุการใช้งานสั้น ค่าบำรุงรักษาสูง และการเปลี่ยนชิ้นส่วนไม่สะดวก เพื่อแก้ไขข้อเสียข้างต้นของเครื่องอัดเม็ดแบบแม่พิมพ์วงแหวน ผู้เขียนจึงได้ออกแบบปรับปรุงโครงสร้างของแม่พิมพ์ขึ้นรูปใหม่ และออกแบบแม่พิมพ์ขึ้นรูปชนิดชุดที่มีอายุการใช้งานยาวนาน ค่าบำรุงรักษาต่ำ และบำรุงรักษาได้สะดวก ในขณะเดียวกัน บทความนี้ได้ทำการวิเคราะห์เชิงกลของแม่พิมพ์ในระหว่างกระบวนการทำงาน
1. การปรับปรุงการออกแบบโครงสร้างแม่พิมพ์ขึ้นรูปสำหรับเครื่องอัดเม็ดแบบวงแหวน
1.1 บทนำเกี่ยวกับกระบวนการขึ้นรูปด้วยการอัดรีด:เครื่องอัดเม็ดแบบวงแหวนสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท คือ แนวตั้งและแนวนอน ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของวงแหวนแม่พิมพ์ และตามรูปแบบการเคลื่อนที่ สามารถแบ่งออกได้เป็นสองรูปแบบที่แตกต่างกัน คือ ลูกกลิ้งกดแบบเคลื่อนที่โดยมีวงแหวนแม่พิมพ์คงที่ และลูกกลิ้งกดแบบเคลื่อนที่โดยมีวงแหวนแม่พิมพ์ขับเคลื่อน การออกแบบที่ได้รับการปรับปรุงนี้มุ่งเน้นไปที่เครื่องอัดเม็ดแบบวงแหวนแม่พิมพ์ที่มีลูกกลิ้งกดแบบเคลื่อนที่และวงแหวนแม่พิมพ์คงที่เป็นรูปแบบการเคลื่อนที่ โดยประกอบด้วยสองส่วนหลัก คือ กลไกการลำเลียงและกลไกการอัดเม็ดแบบวงแหวน วงแหวนแม่พิมพ์และลูกกลิ้งกดเป็นส่วนประกอบหลักสองส่วนของเครื่องอัดเม็ดแบบวงแหวนแม่พิมพ์ โดยมีรูแม่พิมพ์จำนวนมากกระจายอยู่รอบวงแหวนแม่พิมพ์ และติดตั้งลูกกลิ้งกดไว้ภายในวงแหวนแม่พิมพ์ ลูกกลิ้งกดเชื่อมต่อกับแกนส่งกำลัง และวงแหวนแม่พิมพ์ติดตั้งอยู่บนตัวยึด เมื่อแกนหมุนหมุน จะทำให้ลูกกลิ้งกดหมุนตามไปด้วย หลักการทำงาน: ขั้นแรก กลไกการลำเลียงจะลำเลียงวัสดุชีวมวลที่บดแล้วให้มีขนาดอนุภาคที่กำหนด (3-5 มม.) เข้าสู่ห้องอัด จากนั้น มอเตอร์จะขับเคลื่อนเพลาหลักเพื่อขับลูกกลิ้งกดให้หมุน และลูกกลิ้งกดจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่เพื่อกระจายวัสดุอย่างสม่ำเสมอระหว่างลูกกลิ้งกดและแม่พิมพ์วงแหวน ทำให้แม่พิมพ์วงแหวนถูกบีบอัดและเสียดสีกับวัสดุ ลูกกลิ้งกดเสียดสีกับวัสดุ และวัสดุเสียดสีกับวัสดุ ในระหว่างกระบวนการบีบอัดและเสียดสี เซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลสในวัสดุจะรวมตัวกัน ในขณะเดียวกัน ความร้อนที่เกิดจากการบีบอัดและเสียดสีจะทำให้ลิกนินอ่อนตัวลงกลายเป็นสารยึดเกาะตามธรรมชาติ ซึ่งทำให้เซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส และส่วนประกอบอื่นๆ ยึดติดกันแน่นยิ่งขึ้น เมื่อเติมวัสดุชีวมวลอย่างต่อเนื่อง ปริมาณวัสดุที่ถูกบีบอัดและเสียดสีในรูแม่พิมพ์ก็จะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ในขณะเดียวกัน แรงบีบอัดระหว่างชีวมวลก็จะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และทำให้วัสดุมีความหนาแน่นและขึ้นรูปในรูแม่พิมพ์มากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อแรงดันในการอัดรีดมีมากกว่าแรงเสียดทาน ชีวมวลจะถูกอัดรีดอย่างต่อเนื่องจากรูหล่อรอบแม่พิมพ์วงแหวน ทำให้เกิดเชื้อเพลิงชีวมวลขึ้นรูปที่มีความหนาแน่นในการขึ้นรูปประมาณ 1 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร
1.2 การสึกหรอของแม่พิมพ์:เครื่องอัดเม็ดเชื้อเพลิงแบบวงแหวนมีกำลังการผลิตสูง มีระบบอัตโนมัติค่อนข้างสูง และปรับตัวได้ดีกับวัตถุดิบต่างๆ สามารถใช้แปรรูปวัตถุดิบชีวมวลหลากหลายชนิด เหมาะสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงชีวมวลแบบขึ้นรูปหนาแน่นในระดับใหญ่ และตอบสนองความต้องการในการพัฒนาอุตสาหกรรมเชื้อเพลิงชีวมวลแบบขึ้นรูปหนาแน่นในอนาคต ดังนั้น เครื่องอัดเม็ดเชื้อเพลิงแบบวงแหวนจึงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลาย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอาจมีทรายและสิ่งเจือปนอื่นๆ ที่ไม่ใช่ชีวมวลปะปนอยู่ในวัตถุดิบชีวมวลที่แปรรูป ซึ่งอาจทำให้วงแหวนของเครื่องอัดเม็ดเชื้อเพลิงสึกหรออย่างมาก อายุการใช้งานของวงแหวนคำนวณจากกำลังการผลิต ปัจจุบัน อายุการใช้งานของวงแหวนในประเทศจีนอยู่ที่เพียง 100-1000 ตันเท่านั้น
ความเสียหายของแม่พิมพ์วงแหวนส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากปรากฏการณ์สี่ประการต่อไปนี้: ① หลังจากใช้งานแม่พิมพ์วงแหวนไประยะหนึ่ง ผนังด้านในของรูแม่พิมพ์จะสึกหรอและรูจะขยายใหญ่ขึ้น ส่งผลให้เชื้อเพลิงที่ขึ้นรูปเกิดการเสียรูปอย่างมาก ② ความลาดเอียงในการป้อนวัสดุของรูแม่พิมพ์วงแหวนสึกหรอ ส่งผลให้ปริมาณวัสดุชีวมวลที่ถูกบีบเข้าไปในรูแม่พิมพ์ลดลง แรงดันการอัดรีดลดลง และรูแม่พิมพ์อุดตันได้ง่าย นำไปสู่ความเสียหายของแม่พิมพ์วงแหวน (รูปที่ 2) ③ หลังจากวัสดุผนังด้านในสึกหรอ ปริมาณการระบายออกจะลดลงอย่างรวดเร็ว (รูปที่ 3)
④ หลังจากที่รูด้านในของแม่พิมพ์วงแหวนสึกหรอ ความหนาของผนังระหว่างชิ้นส่วนแม่พิมพ์ที่อยู่ติดกัน L จะบางลง ส่งผลให้ความแข็งแรงของโครงสร้างของแม่พิมพ์วงแหวนลดลง มีแนวโน้มที่จะเกิดรอยแตกในส่วนที่อันตรายที่สุด และเมื่อรอยแตกขยายตัวต่อไป จะทำให้เกิดปรากฏการณ์แม่พิมพ์วงแหวนแตกหัก สาเหตุหลักของการสึกหรอง่ายและอายุการใช้งานสั้นของแม่พิมพ์วงแหวนคือโครงสร้างที่ไม่เหมาะสมของแม่พิมพ์วงแหวนขึ้นรูป (แม่พิมพ์วงแหวนรวมเข้ากับรูแม่พิมพ์ขึ้นรูป) โครงสร้างแบบรวมของทั้งสองส่วนนี้มีแนวโน้มที่จะเกิดผลลัพธ์เช่นนี้: บางครั้งเมื่อรูแม่พิมพ์ขึ้นรูปเพียงไม่กี่รูของแม่พิมพ์วงแหวนสึกหรอและใช้งานไม่ได้ แม่พิมพ์วงแหวนทั้งหมดจำเป็นต้องเปลี่ยน ซึ่งไม่เพียงแต่ทำให้การเปลี่ยนชิ้นส่วนไม่สะดวก แต่ยังก่อให้เกิดความสิ้นเปลืองทางเศรษฐกิจอย่างมากและเพิ่มต้นทุนการบำรุงรักษาอีกด้วย
1.3 การออกแบบปรับปรุงโครงสร้างของแม่พิมพ์ขึ้นรูปเพื่อยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์วงแหวนของเครื่องอัดเม็ด ลดการสึกหรอ อำนวยความสะดวกในการเปลี่ยนชิ้นส่วน และลดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา จำเป็นต้องออกแบบปรับปรุงโครงสร้างของแม่พิมพ์วงแหวนใหม่ทั้งหมด ในการออกแบบนี้ได้ใช้แม่พิมพ์แบบฝังตัว และโครงสร้างห้องอัดที่ได้รับการปรับปรุงแสดงในรูปที่ 4 รูปที่ 5 แสดงภาพตัดขวางของแม่พิมพ์ที่ได้รับการปรับปรุง
การออกแบบที่ได้รับการปรับปรุงนี้มีจุดมุ่งหมายหลักไปที่เครื่องขึ้นรูปอนุภาคแบบวงแหวนที่มีรูปแบบการเคลื่อนที่แบบลูกกลิ้งแรงดันแบบแอคทีฟและวงแหวนแม่พิมพ์แบบคงที่ วงแหวนแม่พิมพ์ด้านล่างยึดติดกับตัวเครื่อง และลูกกลิ้งแรงดันทั้งสองเชื่อมต่อกับเพลาหลักผ่านแผ่นเชื่อมต่อ แม่พิมพ์ขึ้นรูปฝังอยู่ในวงแหวนแม่พิมพ์ด้านล่าง (โดยใช้การประกอบแบบแน่น) และวงแหวนแม่พิมพ์ด้านบนยึดติดกับวงแหวนแม่พิมพ์ด้านล่างด้วยสลักเกลียวและหนีบเข้ากับแม่พิมพ์ขึ้นรูป ในขณะเดียวกัน เพื่อป้องกันไม่ให้แม่พิมพ์ขึ้นรูปกระดอนกลับเนื่องจากแรงหลังจากที่ลูกกลิ้งแรงดันหมุนและเคลื่อนที่ไปตามวงแหวนแม่พิมพ์ จึงใช้สกรูหัวจมในการยึดแม่พิมพ์ขึ้นรูปเข้ากับวงแหวนแม่พิมพ์ด้านบนและด้านล่างตามลำดับ เพื่อลดแรงต้านของวัสดุที่เข้าสู่รูและทำให้การเข้าสู่รูแม่พิมพ์สะดวกยิ่งขึ้น มุมกรวยของรูป้อนวัสดุของแม่พิมพ์ขึ้นรูปที่ออกแบบไว้จึงอยู่ระหว่าง 60° ถึง 120°
การออกแบบโครงสร้างแม่พิมพ์ขึ้นรูปที่ได้รับการปรับปรุงมีคุณสมบัติในการใช้งานซ้ำได้หลายครั้งและมีอายุการใช้งานยาวนาน เมื่อเครื่องขึ้นรูปอนุภาคทำงานไประยะหนึ่ง แรงเสียดทานจะทำให้รูของแม่พิมพ์ขึ้นรูปขยายใหญ่ขึ้นและเกิดการเคลือบป้องกัน เมื่อถอดแม่พิมพ์ขึ้นรูปที่สึกหรอออกและขยายแล้ว ก็สามารถนำไปใช้ในการผลิตอนุภาคขึ้นรูปขนาดอื่นๆ ได้ ซึ่งจะช่วยให้สามารถนำแม่พิมพ์กลับมาใช้ใหม่ได้ และประหยัดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาและการเปลี่ยนชิ้นส่วน
เพื่อยืดอายุการใช้งานของเครื่องบดเม็ดและลดต้นทุนการผลิต ลูกกลิ้งกดจึงใช้เหล็กกล้าคาร์บอนสูงแมงกานีสสูงที่มีความทนทานต่อการสึกหรอดี เช่น เหล็กกล้า 65Mn ส่วนแม่พิมพ์ควรทำจากเหล็กกล้าผสมคาร์บอนสูงหรือโลหะผสมนิกเกิลโครเมียมคาร์บอนต่ำ เช่น ที่มี Cr, Mn, Ti เป็นต้น เนื่องจากการปรับปรุงห้องอัด ทำให้แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างแม่พิมพ์วงแหวนบนและล่างขณะใช้งานค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับแม่พิมพ์ขึ้นรูป ดังนั้น เหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา เช่น เหล็กกล้า 45 จึงสามารถใช้เป็นวัสดุสำหรับห้องอัดได้ เมื่อเทียบกับแม่พิมพ์วงแหวนขึ้นรูปแบบรวมแบบดั้งเดิมแล้ว จะช่วยลดการใช้เหล็กกล้าผสมราคาแพงลงได้ จึงช่วยลดต้นทุนการผลิตลงได้
2. การวิเคราะห์เชิงกลของแม่พิมพ์ขึ้นรูปของเครื่องอัดเม็ดแบบวงแหวนระหว่างกระบวนการทำงานของแม่พิมพ์ขึ้นรูป
ในระหว่างกระบวนการขึ้นรูป ลิกนินในวัสดุจะอ่อนตัวลงอย่างสมบูรณ์เนื่องจากสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันสูงและอุณหภูมิสูงที่เกิดขึ้นในแม่พิมพ์ เมื่อแรงดันในการอัดขึ้นรูปไม่เพิ่มขึ้น วัสดุจะเกิดการอ่อนตัว (plasticization) วัสดุจะไหลได้ดีหลังจากอ่อนตัวแล้ว ดังนั้นจึงสามารถกำหนดความยาวเป็น d ได้ แม่พิมพ์ขึ้นรูปถือเป็นภาชนะรับแรงดัน และความเค้นบนแม่พิมพ์ขึ้นรูปจึงถูกทำให้ง่ายขึ้น
จากผลการวิเคราะห์คำนวณทางกลข้างต้น สรุปได้ว่า เพื่อให้ได้ค่าความดัน ณ จุดใดๆ ภายในแม่พิมพ์ จำเป็นต้องหาค่าความเครียดตามแนวเส้นรอบวง ณ จุดนั้นก่อน จากนั้นจึงสามารถคำนวณแรงเสียดทานและความดัน ณ ตำแหน่งนั้นได้
3. บทสรุป
บทความนี้เสนอการออกแบบปรับปรุงโครงสร้างใหม่สำหรับแม่พิมพ์ขึ้นรูปของเครื่องอัดเม็ดแบบวงแหวน การใช้แม่พิมพ์ขึ้นรูปฝังตัวสามารถลดการสึกหรอของแม่พิมพ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ อำนวยความสะดวกในการเปลี่ยนและบำรุงรักษา และลดต้นทุนการผลิต ในขณะเดียวกัน ได้มีการวิเคราะห์ทางกลของแม่พิมพ์ขึ้นรูปในระหว่างกระบวนการทำงาน ซึ่งเป็นพื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการวิจัยเพิ่มเติมในอนาคต
วันที่เผยแพร่: 22 กุมภาพันธ์ 2567