Как изготовить машину для производства древесных гранул

Создание функционального машина для производства древесных гранул требует создания среды высокого давления, в которой рыхлая биомасса продавливается через металлическую матрицу для формирования плотных топливных цилиндров. Процесс полностью основан на трении и давлении, которые нагревают лигнин, естественно содержащийся в древесине, до температуры примерно 80–100 °C. При этой температуре лигнин образует естественный клей, который связывает опилки без использования внешних адгезивов. Чтобы добиться этого в домашних условиях или в промышленных условиях, необходимо построить систему передачи, способную обеспечить высокий крутящий момент при низких скоростях, в сочетании с матрицей и роликовым узлом, изготовленными из закаленной легированной стали. Решающим фактором является не только мощность двигателя, но и степень сжатия матрицы, которая должна соответствовать удельной плотности вашего сырья. Если степень сжатия неправильная, машина будет производить рыхлую пыль или сжигать древесину вместо формирования гранул.

Понимание инженерной анатомии гранулятора

Перед тем как резать металл или сваривать рамы, необходимо понять взаимодействие между приводной системой и камерой гранулирования. Гранулятор — это не просто измельчитель. Это устройство для уплотнения.

Система передачи

Сердцем машины является трансмиссия. Нельзя подключать двигатель напрямую к валу гранулятора, поскольку скорость слишком высока, а крутящий момент слишком низкий.

Для плоской грануляторной машины вам понадобится редуктор или редукторный привод. Стандартный двигатель с частотой вращения 1450 об/мин необходимо снизить до скорости вала примерно 100–200 об/мин. Это снижение увеличивает крутящий момент. Высокий крутящий момент необходим для того, чтобы проталкивать вальцы через сырье и продавливать его через отверстия матрицы. Многие любители самодельных изделий используют задний дифференциал из списанного грузовика или автомобиля. Он действует как прочная 90-градусная коробка передач, способная выдерживать значительные нагрузки.

Камера гранулирования

Эта область содержит матрицу (плоскую металлическую пластину с отверстиями) и ролики. Ролики расположены на матрице. Когда центральный вал вращается, ролики вращаются вокруг поверхности матрицы. Трение между роликом и матрицей захватывает сырье. Геометрия здесь имеет решающее значение. Зазор между роликом и матрицей должен быть регулируемым, обычно в диапазоне от 0,1 мм до 0,3 мм. Зазор, превышающий этот размер, препятствует нарастанию давления. Зазор меньше этого значения приводит к износу металла о металл.

Материалы и металлургия

Для изготовления матрицы нельзя использовать мягкую сталь. Абразивные свойства опилок в сочетании с высокой температурой разрушат мягкую сталь за считанные часы.

Lanson использует легированную сталь 20CrMnTi или 40Cr для изготовления матриц, которые затем подвергаются вакуумной термообработке. Для изготовления в домашних условиях следует использовать высокоуглеродистую сталь. Сверление тысяч отверстий требует высокой точности. Отверстия должны быть зенкованы со стороны входа, чтобы материал попадал внутрь. Внутренняя поверхность отверстия должна иметь зеркальную полировку для уменьшения сопротивления.

Критическая важность степени сжатия (CR)

Большинство самодельных грануляторов выходят из строя из-за того, что изготовитель игнорирует коэффициент сжатия. Коэффициент сжатия — это соотношение между эффективной длиной отверстия в матрице и диаметром отверстия.

Формула:

Если вы хотите изготовить гранулы диаметром 6 мм, а ваша древесина является мягкой (например, сосна), вам может понадобиться CR 1:5. Это означает, что толщина отверстия должна составлять 30 мм. Твердые породы дерева, такие как дуб, требуют более высокого коэффициента сжатия, часто около 1:6 или 1:7, чтобы выделить достаточно тепла для активации лигнина.

Расчет правильного соотношения

Если матрица слишком тонкая, древесина проходит через нее слишком быстро. Она не нагревается. В результате получается рыхлая куча пыли.

Если матрица слишком толстая, сопротивление будет слишком высоким. Древесина будет гореть внутри отверстия и блокировать работу машины. Это называется “закупоркой”.”

Промышленные производители, такие как Lanson, настраивают CR в соответствии с конкретным сырьем клиента. При самостоятельной сборке обычно приходится гадать или пробовать несколько матриц, что дорого и отнимает много времени.

Пошаговый процесс строительства

В этом разделе описывается изготовление плоского гранулятора из доступных деталей.

Шаг 1: Изготовление рамы и основания

Стабильность имеет первостепенное значение. Вибрация, возникающая во время гранулирования, является интенсивной.

1. Для основной рамы используйте прочную сталь C-образного сечения.

2. Убедитесь, что точки крепления двигателя и редуктора идеально выровнены.

3. Любое несоосность здесь приведет к разрушению муфты под нагрузкой.

4. Сваривайте все соединения полностью. Приварочные швы могут отскочить во время эксплуатации.

Шаг 2: Модификация заднего дифференциала

При использовании автомобильного дифференциала:

1. Заблокируйте дифференциальные шестерни. Необходимо, чтобы входной вал вращал оси напрямую, без действия дифференциала.

2. Установите дифференциал вертикально. Входной вал соединяется с двигателем (через шкивы). Одна ось направлена вверх для привода агрегата гранулирования. Другая ось должна быть отрезана или закрыта заглушкой.

3. Уплотните корпус, чтобы предотвратить утечку масла в вертикальном положении.

Шаг 3: Изготовление роликового узла

На корпусе ролика должны быть канавки для захвата биомассы. Гладкие ролики будут скользить по опилкам.

1. Сделайте прорези или углубления на поверхности ролика.

2. Установите высокопрочные конические роликоподшипники внутри роликовых обойм. Эти подшипники выдерживают как радиальные, так и осевые нагрузки.

3. Вал, удерживающий ролики, должен оставаться неподвижным (в некоторых конструкциях) или вращаться (в других). В стандартной конструкции плоской матрицы для самостоятельного изготовления матрица обычно остается неподвижной, а ролики вращаются.

Шаг 4: Бункер и резак

1. Изготовьте воронкообразный бункер из листового металла. Он должен подавать материал непосредственно в центр матрицы.

2. Установите “резак” или режущий нож под матрицей. Когда гранулы выдавливаются, они свисают вниз. Вращающийся нож разрезает их на куски нужной длины. Без ножа гранулы становятся слишком длинными и ломаются неровно.

Подготовка сырья: скрытая переменная

Вы можете построить идеальную машину с механической точки зрения, но все равно не сможете производить гранулы. Химический состав древесины является переменной величиной.

Контроль влажности

Биомасса должна содержать влагу в пределах от 12% до 15%.

• Ниже 10%: Материал слишком сухой. Это создает чрезмерное трение и блокирует матрицу.

• Выше 18%: Материал слишком влажный. Влага превращается в пар внутри отверстия матрицы. Этот пар расширяется и “разрывает” гранулу при выходе из матрицы.

Однородность размера частиц

Опилки, поступающие в машину, должны быть меньше диаметра гранул, которые вы собираетесь производить. Если вы производите гранулы диаметром 6 мм, частицы опилок должны быть 5 мм или меньше. Крупные опилки нарушают зону сжатия. Для измельчения древесины перед гранулированием вам понадобится молотковая дробилка.

Сравнение: самодельные устройства и профессиональные машины Lanson

Очень важно понимать разницу между гаражным проектом и производственным активом.

Таблица 1: Сравнение стандартов DIY и Lanson Industrial

Характеристика	Сделай сам / Самодельная установка	Серия Lanson Professional
Материал штампа	Мягкая сталь или ломовая сталь	Легированная сталь (20CrMnTi) + вакуумная термообработка
Допуски	+/- 1,0 мм (измерено вручную)	+/- 0,02 мм (обработка на станках с ЧПУ)
Срок службы двигателя	В зависимости от используемых деталей	Двигатели промышленного класса Siemens/WEG
Смазка	Ручной смазочный шприц	Автоматическая система циркуляции масла
Выход	10–50 кг/час (нестабильно)	500 кг–20 тонн/час (непрерывный режим)
Безопасность	Минимальный	Защита от перегрузки и аварийные остановки

Lanson В наших усовершенствованных моделях используются вертикальные кольцевые матрицы. Это позволяет равномерно подавать материал под действием силы тяжести. Машины для самостоятельной сборки почти исключительно оснащены плоскими матрицами, поскольку кольцевые матрицы невозможно изготовить без 5-осевого ЧПУ-центра.

Пример из практики: переход от самостоятельного производства к промышленному

Профиль клиента: GreenEco Biomass Ltd.

Местонахождение: Орегон, США

Срок реализации: февраль 2023 г. – август 2023 г.

Задача:

Основатель GreenEco попытался нарастить производство, используя четыре самодельные гранулятора. Эти установки были построены с использованием дифференциалов грузовиков и сварных рам. К февралю 2023 года затраты на техническое обслуживание стали непосильными. Каждые 40 часов работы машины требовали замены подшипников. Кроме того, плотность гранул значительно колебалась. Клиенты жаловались, что гранулы крошились во время транспортировки.

Решение Lanson:

GreenEco связалась с Lanson в марте 2023 года. Мы проанализировали их сырье, которое представляло собой смесь опилок дугласовой пихты и красного кедра. Высокое содержание смолы в мягкой древесине требовало определенной степени сжатия, которую самодельные матрицы не могли обеспечить.

Мы установили одну грануляторную машину Lanson L-508 Ring Die Pellet Mill. Эта установка заменила все четыре самодельные машины.

Результаты (данные за август 2023 г.):

1. Вывод: Увеличение с 300 кг/час (комбинированный DIY) до 1,5 тонн/час.

2. Энергия: Потребление электроэнергии сократилось на 351 ТП3Т на тонну произведенных гранул.

3. Труд: Число операторов, наблюдающих за работой машин, сокращено с двух штатных до одного внештатного супервайзера.

4. Качество: Индекс прочности гранул (PDI) вырос с 88% до 97,5%.

Этот случай показывает, что хотя понимание того, как изготовить машину для производства древесных гранул, является познавательным, коммерческая жизнеспособность требует промышленной точности.

Совместимость материалов и соотношения

Различные породы дерева требуют разных характеристик матрицы. В следующей таблице приведены данные для выбора правильной настройки.

Таблица 2: Рекомендации по сжатию биомассы

Сырье	Твердость	Рекомендуемый коэффициент сжатия	Примечания
Сосна / Ель	Мягкий	1:5 – 1:5,5	Высокое содержание лигнина облегчает связывание.
Дуб / Бук	Трудно	1:6 – 1:7	Требует более высокого давления для склеивания.
Солома / Трава	Очень мягкий	1:8 – 1:9	Часто требуется добавление связующего вещества (масла или крахмала).
Бамбук	Очень сложно	1:6.5	Чрезвычайно абразивный для матрицы.

Устранение распространенных проблем при изготовлении

Когда вы собираете свой собственный компьютер, вы становитесь ремонтником. Вот наиболее частые неисправности и способы их устранения.

Таблица 3: Руководство по устранению неисправностей

Симптом	Вероятная причина	Корректирующие меры
Гранулы не выходят	Матрица забита или новая матрица не обкатана.	Просверлите отверстия. Отполируйте отверстия смесью масла, песка и опилок.
Гранулы крошатся	Слишком низкое содержание влаги или недостаточное давление.	Добавьте воду в смесь. Проверьте зазор между роликом и матрицей.
Гранулы вздуты/растрескались	Слишком высокое содержание влаги.	Высушите сырье. Сведите влажность до уровня ниже 15%.
Машина сильно вибрирует	Подшипники изношены или сборка не сбалансирована.	Сбалансируйте главный вал. Проверьте сварные швы базовой рамы.
Двигатель глохнет	Слишком высокая нагрузка или засорение.	Уменьшите скорость подачи. Проверьте, не попали ли металлические обломки в камеру.

Роль термообработки в долговечности штампов

Один из процессов, который невозможно легко повторить в домашнем гараже, — это термообработка.

Когда Lanson изготавливает матрицу, мы обрабатываем ее, пока сталь еще “мягкая”. После того, как просверлены тысячи отверстий, матрица попадает в печь. Она нагревается до экстремальных температур, а затем закаливается. Это изменяет молекулярную структуру стали, делая ее невероятно твердой.

Самодельная матрица из стандартной стали изнашивает отверстия за считанные дни. Отверстия приобретают овальную форму. Такая потеря геометрии разрушает степень сжатия. Машина перестает производить гранулы и начинает производить пыль. Если вы собираетесь изготовить машину, то покупка готового, термообработанного набора матриц и роликов у поставщика часто является более разумным решением, чем попытка изготовить их самостоятельно.

Соображения безопасности

Грануляторы опасны. Они включают в себя тяжелые вращающиеся грузы и высокий крутящий момент.

• Срезные штифты: Установите срезной штифт в приводной линии. Если болт или камень попадет в матрицу, машина заклинит. Без срезного штифта крутящий момент скрутит главный вал или перегорит двигатель. Штифт ломается, чтобы спасти машину.

• Тепло: Температура головки матрицы превышает 90 °C. Не прикасайтесь к ней во время работы.

• Пыль: Древесная пыль является взрывоопасной. Обеспечьте надлежащую вентиляцию рабочего помещения.

Заключение и дальнейшие шаги

Конструирование машины для производства древесных гранул — сложная инженерная задача, требующая знаний в области металлургии, механики передач и термодинамики. Хотя для небольших любительских проектов возможен подход «сделай сам», ограничения по допуском и твердости материалов часто ограничивают производительность и долговечность. Для предприятий, желающих производить топливо для продажи или крупномасштабного отопления, использование профессионального оборудования гарантирует стабильность.

Lanson специализируется на преобразовании отходов биомассы в ценные ресурсы. Мы понимаем нюансы степеней сжатия и долговечности привода.

Хотите, чтобы наша команда инженеров рассчитала точную степень сжатия, необходимую для вашего конкретного сырья? Свяжитесь с нами сегодня, чтобы получить бесплатный анализ материала.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Можно ли использовать двигатель стиральной машины для гранулятора?

Нет. Двигатели стиральных машин, как правило, не обладают крутящим моментом, необходимым для гранулирования. Они рассчитаны на высокую скорость и низкое сопротивление. Для гранулятора требуется промышленный двигатель с высоким крутящим моментом, как правило, трехфазный, мощностью от 5 до 50 л.с. в зависимости от размера.

2. Нужно ли добавлять к дереву клей или связующие вещества?

Как правило, нет. Древесина содержит лигнин. При сжатии и нагревании лигнин становится жидким и действует как природный клей. Однако для материалов с низким содержанием лигнина (таких как солома или старая сухая древесина) добавление небольшого количества растительного масла или крахмала может помочь в этом процессе.

3. Как долго служит самодельный штамп?

Если штамп изготовлен из мягкой стали без термообработки, его срок службы может составить от 10 до 50 часов. Профессиональный штамп из легированной стали с термообработкой от Lanson может прослужить от 800 до 2000 часов в зависимости от абразивности сырья.

4. Почему мои гранулы рассыпаются?

Обычно это проблема влажности. Если древесина слишком сухая, она не будет склеиваться. Если степень сжатия вашей матрицы слишком низкая для данного вида древесины, не создается достаточное давление для активации лигнина.

5. Какова оптимальная частота вращения для гранулятора с плоской матрицей?

Скорость вращения матрицы или ролика обычно должна составлять от 100 до 300 оборотов в минуту. Более высокие скорости приводят к образованию чрезмерной центробежной силы и тепла, которые могут сжечь гранулы до их формирования.

6. Можно ли гранулировать влажную древесную щепу?

Нет. Сначала необходимо высушить древесную щепу. Влажность должна быть ниже 15%. Влажная древесина создаст давление пара внутри матрицы, в результате чего гранулы взорвутся и превратятся в сыпучий материал при выходе.

7. Сколько стоит построить пеллетную машину своими руками?

Если вы собираете запчасти (металолом, подержанный дифференциал автомобиля, подержанный двигатель), вы можете построить его за $500–$1000. Однако покупка новых компонентов, особенно матрицы и роликов, увеличит стоимость до более чем $2000, и в этом случае покупка небольшой машины начального уровня станет более целесообразной.

8. В чем разница между плоской матрицей и кольцевой матрицей?

Машина с плоской матрицей прессует материал вертикально через горизонтальную пластину. Она проще и подходит для небольших объемов производства. Машина с кольцевой матрицей вращает вертикальное кольцо, а ролики прессуют материал наружу. Машины с кольцевой матрицей (такие как Lanson промышленные модели) являются более энергоэффективными и долговечными для крупносерийного коммерческого производства.

9. Как приработать новый штамп?

Новая матрица имеет грубые микроскопические царапины внутри отверстий. Необходимо пропустить через машину смесь масла, мелкого песка и опилок в течение 30–60 минут. Это позволит отполировать отверстия. Если пропустить этот этап, машина, скорее всего, сразу же заклинит.

10. Можно ли смешивать разные породы дерева?

Да, но нужно быть осторожным. Смешивание твердого дуба с мягкой сосной изменяет среднюю плотность. Их следует тщательно смешать до этапа дробилки, чтобы обеспечить поступление однородной смеси в гранулятор. Неоднородные смеси приводят к неравномерной длине гранул и скачкам нагрузки на двигатель.