秸稈纖維制取機(jī)配套強(qiáng)制喂料裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

陳海濤，董冰哲，柴譽(yù)鐸，劉環(huán)宇

秸稈纖維制取機(jī)配套強(qiáng)制喂料裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

陳海濤，董冰哲，柴譽(yù)鐸，劉環(huán)宇

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030）

為輔助秸稈纖維制取機(jī)高效制取秸稈粗纖維，解決喂料過(guò)程中因人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、喂料不連續(xù)造成粗纖維加工質(zhì)量下降等問(wèn)題，設(shè)計(jì)豎直向下螺旋強(qiáng)制喂料裝置。在喂料裝置結(jié)構(gòu)及工作原理分析基礎(chǔ)上，以秸稈長(zhǎng)度、螺旋軸轉(zhuǎn)速和秸稈含水率為試驗(yàn)因素，以輸送量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用3因素5水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合方法實(shí)施試驗(yàn)。結(jié)果表明，①各因素對(duì)大豆秸稈輸送量貢獻(xiàn)率主次關(guān)系為：秸稈長(zhǎng)度、螺旋軸轉(zhuǎn)速、秸稈含水率；②當(dāng)參數(shù)組合為秸稈長(zhǎng)度60～120 mm、螺旋軸轉(zhuǎn)速160 r·min-1、秸稈含水率78%～90%時(shí)，滿足纖維制取機(jī)1 000 kg·h-1喂入量要求。研究為D200型桔桿纖維制取機(jī)高效生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)纖維奠定基礎(chǔ)。

纖維制取機(jī)；大豆秸稈；強(qiáng)制喂料裝置；螺旋輸送；試驗(yàn)優(yōu)化

D200型秸稈纖維制取機(jī)是新型、清潔、高效、無(wú)污染纖維制取裝置，為保障秸稈穩(wěn)定連續(xù)進(jìn)料，纖維具有膨化和分枝帚化效果，與其配套進(jìn)料裝置尤為重要[1-4]。由于農(nóng)作物秸稈物理性質(zhì)和秸稈纖維制取機(jī)特殊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，單純依靠螺桿和秸稈自重難以達(dá)到連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)料技術(shù)要求。因此秸稈纖維制取機(jī)配套進(jìn)料裝置需保證其進(jìn)料連續(xù)性，并強(qiáng)制進(jìn)料[5]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于螺旋喂料裝置研究較多。Owen等利用離散元分析軟件（DEM）模擬分析螺旋輸送過(guò)程中不同輸送狀態(tài)顆粒運(yùn)動(dòng)情況[6]。Zhang等研究螺旋進(jìn)料裝置進(jìn)料口形狀對(duì)輸送效果影響，并改進(jìn)設(shè)計(jì)螺旋進(jìn)料裝置進(jìn)料口形狀，提高喂料裝置對(duì)秸稈等長(zhǎng)纖維原料輸送能力[7]。金保升等研究生物質(zhì)秸稈在加料斗內(nèi)流動(dòng)規(guī)律，通過(guò)可視化觀察加料過(guò)程，總結(jié)生物質(zhì)秸稈在加料斗內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律[8]。周勇等設(shè)計(jì)一種斜置式甘蔗切割進(jìn)料裝置，利用左、右螺旋進(jìn)料共同作用完成物料進(jìn)料[9]。彭飛等模擬喂料器工作過(guò)程，探討主軸直徑、螺距和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)出料穩(wěn)定性影響關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型[10]。尹忠俊等以開(kāi)式螺旋輸送機(jī)為研究對(duì)象，探討輸送機(jī)理，分析物料在螺旋輸送過(guò)程中輸送速度及其影響因素，推導(dǎo)開(kāi)式螺旋輸送機(jī)主要參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[11]。目前針對(duì)農(nóng)作物秸稈喂料裝置研究較少，缺少滿足秸稈纖維制取機(jī)進(jìn)料工藝研究。

因此，本文設(shè)計(jì)垂直向下螺旋輸送裝置，壓縮農(nóng)作物秸稈物料，在秸稈自重和螺旋推力作用下強(qiáng)制進(jìn)料。采用正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法，以大豆秸稈為研究對(duì)象，探尋秸稈纖維制取機(jī)器系統(tǒng)強(qiáng)制進(jìn)料裝置最佳工作參數(shù)組合。

1 強(qiáng)制喂料裝置系統(tǒng)分析

1.1強(qiáng)制喂料裝置整體結(jié)構(gòu)及工作原理

強(qiáng)制進(jìn)料裝置采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，主要由帶輪、螺旋料斗、螺旋軸、螺旋葉片構(gòu)成，如圖1所示。

喂料裝置作業(yè)時(shí)，電機(jī)通過(guò)皮帶將動(dòng)力傳遞給螺旋軸，以一定轉(zhuǎn)速帶動(dòng)螺旋葉片順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，預(yù)處理后秸稈原料經(jīng)帶式輸送機(jī)從螺旋機(jī)構(gòu)側(cè)向進(jìn)料口進(jìn)入料斗，秸稈原料在離心力作用下，沿著螺旋葉片向邊緣移動(dòng)，秸稈原料與斗壁產(chǎn)生較大摩擦力，阻礙秸稈隨葉片圓周運(yùn)動(dòng)，隨轉(zhuǎn)速和秸稈原料進(jìn)料量增加，秸稈圓周運(yùn)動(dòng)消失，在螺旋向下分力作用下輸送，變徑螺旋壓縮秸稈，實(shí)現(xiàn)原料強(qiáng)制連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)料[12-14]。

圖1 強(qiáng)制喂料裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of forced feeding device

1.2強(qiáng)制喂料裝置內(nèi)秸稈物料力學(xué)分析

為研究秸稈物料在強(qiáng)制喂料螺旋和料斗作用下運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將物料簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)，對(duì)喂料裝置內(nèi)物料作力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。當(dāng)螺旋面升角α展開(kāi)時(shí)，螺旋線可用直線表示，此時(shí)秸稈物料受螺旋葉片對(duì)其向前推力F，在推力作用下秸稈物料與螺旋面間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力f1，秸稈物料受力分析如圖2所示。

圖2 秸稈物料受力分析Fig.2 Force analysis of straw

由圖2可知，螺旋葉片對(duì)秸稈物料作用力合力F與葉片法向夾角為β，可分解為與螺旋軸軸線方向相平行軸向力Fn和垂直軸線方向徑向力Ft。

式中：α—法向力T與軸線夾角（°）；

β—法向力T與螺旋葉片對(duì)秸稈物料作用力合力F軸線夾角（°）；

S—螺距（m）；

μ—秸稈物料與螺旋葉片間摩擦系數(shù)。

其中，

為保證秸稈物料向前輸送則切向摩擦力應(yīng)大于物料運(yùn)動(dòng)阻力，應(yīng)滿足，

帶入后可得

整理后可得

1.3強(qiáng)制喂料裝置內(nèi)秸稈物料運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

由力學(xué)分析可知，在螺旋葉片對(duì)秸稈物料有摩擦力作用下，秸稈物料產(chǎn)生沿軸向方向速度vz和徑向方向速度vt，秸稈物料在復(fù)合運(yùn)動(dòng)中前進(jìn)，秸稈物料運(yùn)動(dòng)學(xué)分析如圖3所示。

圖3 秸稈物料運(yùn)動(dòng)學(xué)分析Fig.3 Kinematics analysis of straw

基于速度矢量三角形方法，對(duì)秸稈物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析求解，可得

式中：vt—秸稈原料徑向速度（m·s-1）；vz—秸稈原料軸向速度（m·s-1）。

其中，

式中：R—秸稈物料到軸線距離（m）；

ω—螺旋葉片轉(zhuǎn)動(dòng)角速度（rad·s-1）；

n—螺旋葉片轉(zhuǎn)速（r·s-1）。

根據(jù)三角函數(shù)公式可得，

聯(lián)立公式（8）～（11）可得，料沿軸線方向速度越大，造成波動(dòng)越大，結(jié)合式13可知，螺旋軸轉(zhuǎn)速n過(guò)小則不能滿足輸送效率，為滿足供料穩(wěn)定性，螺旋軸轉(zhuǎn)速n應(yīng)在合理范圍內(nèi)取值。

2 材料與方法

式中：Q—螺旋加料裝置輸送量（kg·h-1）；

D—螺旋葉片外徑（m）；

d—螺旋葉片內(nèi)徑（m）；

?—物料充滿系數(shù)；

γ—物料堆積密度（t·m-3）；

C—傾角系數(shù)。

由式（12）可知，軸向速度vz隨著螺旋軸轉(zhuǎn)速增加而增大，分析可知，在供料量一定情況下，秸稈物

2.1材料及儀器

材料：2015年收獲綏豆26大豆秸稈，初始含水率為18%，按試驗(yàn)要求切段處理秸稈，使其平均秸稈長(zhǎng)度分別為40、60、90、120和140 mm；對(duì)處理后秸稈噴水，使其達(dá)到要求含水率。

儀器：游標(biāo)卡尺；WGL-45B型電熱鼓風(fēng)干燥箱，購(gòu)自天津泰斯特儀器有限公司，控溫范圍1～300℃；電子秤，購(gòu)自樺利泰電子衡器有限公司，量程0～300 kg；自制螺旋強(qiáng)制進(jìn)料裝置，非接觸式轉(zhuǎn)速計(jì)，購(gòu)自優(yōu)利德電子有限公司，量程0～9999 r·min-1；ATV312HU75N4型變頻器，購(gòu)自施耐德電氣有限公司，變頻范圍：0～50 Hz；帶式輸送機(jī)；秒表等。強(qiáng)制進(jìn)料裝置如圖4所示。

圖4 螺旋強(qiáng)制喂入系統(tǒng)Fig.4 Screw forced feeding system

2.2試驗(yàn)方法

采用3因素5水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合優(yōu)化試驗(yàn)方法，以大豆秸稈為試驗(yàn)對(duì)象，以強(qiáng)制進(jìn)料裝置輸送量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選擇螺旋軸轉(zhuǎn)速、秸稈長(zhǎng)度和秸稈含水率為影響因素。通過(guò)預(yù)試驗(yàn)及前期研究確定各因素上下限（見(jiàn)表1）。

秸稈長(zhǎng)度平均值均達(dá)到各水平要求值，變頻器調(diào)節(jié)螺旋軸轉(zhuǎn)速，秸稈噴水控制含水率。通過(guò)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)制取機(jī)內(nèi)部及從制取機(jī)出口排出秸稈量計(jì)算輸送量。共計(jì)實(shí)施23組試驗(yàn)，應(yīng)用Design-expert 6.0.10軟件作數(shù)據(jù)處理和分析。試驗(yàn)因素水平編碼見(jiàn)表1。

3 結(jié)果與分析

3.1結(jié)果回歸分析

結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)因素水平及其編碼Table 1 Experimental values and coded level of factors

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results

方差分析結(jié)果如表3所示。

由表3可知，大豆秸稈輸送量二次項(xiàng)模型有意義（P＜0.0001）。在信度α=0.05下，F(xiàn)檢驗(yàn)，剔除不顯著項(xiàng)后，得到回歸模型，如式（14）所示。

式中，x1—秸稈長(zhǎng)度（mm）；x2—螺旋軸轉(zhuǎn)速（r·min-1）；x3—秸稈含水率（%）。

表3 方差分析Table 3 Variances analysis

3.2各因素對(duì)輸送量性能指標(biāo)影響主次分析

參照多元二次回歸中各因素重要性計(jì)算方法[15]，建立試驗(yàn)數(shù)據(jù)二次回歸方程，利用二次方程系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果，判斷因素對(duì)y作用程度。

二次回歸模型判定各影響因素對(duì)響應(yīng)值影響：

求出各回歸系數(shù)方差比F（j）、F（jj）、F（ij），令

則對(duì)于第j個(gè)因素指標(biāo)貢獻(xiàn)率為；

式中δj，δjj分別表示第j個(gè)因素一次項(xiàng)，二次項(xiàng)中貢獻(xiàn)，δij表示交互項(xiàng)中貢獻(xiàn)。

通過(guò)計(jì)算每個(gè)因素貢獻(xiàn)率Δj，判別各因素對(duì)指標(biāo)影響。各因素對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)貢獻(xiàn)率為x1（2.31702）＞x2（2.306627）＞x3（0.994874）。

3.3各因素對(duì)大豆秸稈輸送量影響分析

螺旋軸轉(zhuǎn)速和秸稈長(zhǎng)度對(duì)輸送量影響如圖5a所示。當(dāng)秸稈含水率固定在75%時(shí)，輸送量隨著轉(zhuǎn)速增加而增加；當(dāng)秸稈長(zhǎng)度增加時(shí)，輸送量受轉(zhuǎn)速影響顯著。輸送量與秸稈長(zhǎng)度呈負(fù)相關(guān)，隨著秸稈長(zhǎng)度減小而增加。

含水率和秸稈長(zhǎng)度對(duì)輸送量影響如圖5b所示。當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)讀固定在180 r·min-1時(shí)，輸送量隨含水率增加而穩(wěn)定增加，隨著秸稈長(zhǎng)度增加而減小，當(dāng)秸稈長(zhǎng)度＜90 mm時(shí)，輸送量受秸稈長(zhǎng)度變化影響較小。

含水率和螺旋軸轉(zhuǎn)速對(duì)輸送量影響如圖5c所示。當(dāng)秸稈長(zhǎng)度固定在90 mm時(shí)，輸送量均隨含水率和螺旋軸轉(zhuǎn)速增加而增加，且隨螺旋軸轉(zhuǎn)速增加，含水率對(duì)輸送量影響強(qiáng)度逐漸變小，但含水率對(duì)輸送量影響明顯大于螺旋軸轉(zhuǎn)速。

大豆秸稈相對(duì)于其他農(nóng)作秸稈，莖稈硬度較大，不易纏繞，含水率增加時(shí)，秸稈間摩擦力減小，因此輸送量隨含水率增加而增加，不易發(fā)生堵塞、纏繞等影響輸送量現(xiàn)象；但當(dāng)大豆秸稈長(zhǎng)度增加時(shí)，秸稈間空間增大，堆積密度減小，因此輸送量隨之降低。反之，隨著秸稈長(zhǎng)度減小、堆積密度增大，輸送量增加；當(dāng)大豆秸稈長(zhǎng)度較小時(shí)，流動(dòng)性相對(duì)較好，輸送狀態(tài)接近規(guī)則顆粒物料輸送，輸送量隨著螺旋軸轉(zhuǎn)速增加而增加，但影響強(qiáng)度相對(duì)較小，當(dāng)大豆秸稈長(zhǎng)度增加時(shí)，秸稈之間易發(fā)生架空現(xiàn)象，此時(shí)螺旋軸轉(zhuǎn)速對(duì)輸送量影響相對(duì)較大[16-18]。

圖5 各因素對(duì)大豆秸稈輸送量影響Fig.5 Response surface for the effects of factors on the conveying efficiency of soybean straw

3.4參數(shù)優(yōu)化分析

為保證秸稈纖維制取機(jī)生產(chǎn)能力，按照輸送量1 000 kg·h-1原則，在秸稈長(zhǎng)度40～140 mm，螺旋軸轉(zhuǎn)速120～240 r·min-1，含水率60%～90%約束條件下，利用Design expert 6.0.10對(duì)數(shù)據(jù)優(yōu)化求解，大豆秸稈在秸稈長(zhǎng)度60～120 mm、螺旋軸轉(zhuǎn)速160 r·min-1、含水率78%～90%參數(shù)組合下大豆秸稈可以滿足1 000 kg·h-1輸送量要求。

圖6 工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Fig.6 Optimum analysis of technology parameters

3.5驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，在保證秸稈平均長(zhǎng)度在60～120 mm、含水率在78%～90%、螺旋軸轉(zhuǎn)速160 r·min-1條件下，為消除隨機(jī)誤差影響，10次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果中輸送量最大值為1 034 kg·h-1，最小值為1 000 kg·h-1，平均值為1 011.3 kg· h-1。結(jié)果表明，最佳工作參數(shù)組合滿足纖維制取機(jī)進(jìn)料量要求。

4 結(jié)論

a.設(shè)計(jì)滿足秸稈纖維制取機(jī)技術(shù)要求的豎直向下輸送螺旋強(qiáng)制進(jìn)料裝置。

b.各因素對(duì)大豆秸稈輸送量因素貢獻(xiàn)量主次關(guān)系依次為秸稈長(zhǎng)度、螺旋軸轉(zhuǎn)速、秸稈含水率。

c.為保證秸稈纖維制取機(jī)生產(chǎn)能力，按照輸送量 1 000 kg·h-1輸送原則，優(yōu)化確定滿足大豆秸稈輸送量最有參數(shù)組合為：大豆秸稈長(zhǎng)度60～120 mm、螺旋軸轉(zhuǎn)速160 r·min-1、含水率78%～90%。

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Design and optimization of forced feeding device for straw fiber extruder/

CHEN Haitao,DONG Bingzhe,CHAI Yuduo,LIU Huanyu
(School of Engineering, NortheastAgriculturalUniversity,Harbin 150030,China)

In order to improve the efficiency of straw fiber preparation,solve the problems of the artificial labor intensity and the discontinuous feeding process in the feed process.A vertical downward spiral forced feeding device was designed.Based on the analysis of the structure and working principle of the feeding device,the straw length,rotating speed of screw and water content were supposed to be the main influence factors.Transport efficiency were chosen as the evaluating indicator.Experimental investigations were carried out with the method of quadratic orthogonal rotation combination design to obtain the optimal parameter combination.The results showed that∶①The order of the influence extent on transport efficiency of soybean straw is the length of the straw,the rotating speed of the screw shaft, water content of the straw.②The optimal combination of parameters occurred with that the straw length was 60-120 mm,the rotating speed of screw is 160 r·min-1,the water content was 78%-90%,meet the requirements of feeding efficiency of 1000 kg·h-1for fiber preparation machine.This research provides a reference for the design of forced feeding device.

straw fiber extruder;soybean straw;forced feeding device;screw conveying; optimization experiment

TH237+.1

A

1005-9369（2017）07-0083-08

時(shí)間2017-7-12 11:20:17[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170712.1120.020.html

陳海濤,董冰哲,柴譽(yù)鐸,等.秸稈纖維制取機(jī)配套強(qiáng)制喂料裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,48(7):83-90.

Chen Haitao,Dong Bingzhe,Chai Yuduo,et al.Design and optimization of forced feeding device for straw fiber extruder[J]. Journalof NortheastAgriculturalUniversity,2017,48(7):83-90.(in Chinese with English abstract)

2016-04-14

十二五國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2012BAD32B02-5）

陳海濤（1962-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)材料和農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程。E-mail:htchen@neau.edu.cn