錘片式粉碎機(jī)粉碎玉米秸稈機(jī)理分析與參數(shù)優(yōu)化

王德福 王 沫 李利橋

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.農(nóng)業(yè)部生豬養(yǎng)殖設(shè)施工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030)

錘片式粉碎機(jī)粉碎玉米秸稈機(jī)理分析與參數(shù)優(yōu)化

王德福1,2王 沫1,2李利橋1,2

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.農(nóng)業(yè)部生豬養(yǎng)殖設(shè)施工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030)

對(duì)錘片式粉碎機(jī)粉碎玉米秸稈過程進(jìn)行分析，并對(duì)其粉碎性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。借助高速攝像技術(shù)，得出玉米秸稈主要粉碎形式為：打擊粉碎、撞擊粉碎、搓擦粉碎，且在粉碎過程中打擊粉碎與搓擦粉碎影響較大，并得出錘片末端線速度(主軸轉(zhuǎn)速)、玉米秸稈含水率對(duì)錘片式粉碎機(jī)粉碎性能影響較大。在此基礎(chǔ)上，以影響錘片式粉碎機(jī)粉碎性能的主要因素——主軸轉(zhuǎn)速、含水率、篩孔直徑為試驗(yàn)因素，以度電產(chǎn)量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，各因素對(duì)度電產(chǎn)量影響由大到小順序?yàn)楹Y孔直徑、含水率、主軸轉(zhuǎn)速。選取篩孔直徑6 mm、含水率10%～50%、主軸轉(zhuǎn)速2 000～3 500 r/min，以度電產(chǎn)量最大為目標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)表明：當(dāng)含水率10%～32%時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速宜2 000 r/min；當(dāng)含水率33%～50%時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速宜2 020～2 452 r/min，且隨著含水率的增大而增大。

玉米秸稈； 錘片式粉碎機(jī)； 機(jī)理分析； 參數(shù)優(yōu)化

引言

我國玉米秸稈年產(chǎn)量已達(dá)約2.4億t[1-3]，目前其主要利用技術(shù)包括飼料化技術(shù)、固化成型燃料技術(shù)、氣化技術(shù)和干餾炭化技術(shù)等[4-5]，玉米秸稈利用時(shí)都需要進(jìn)行粉碎加工[6]，因此，研究玉米秸稈的粉碎性能非常必要。

國外學(xué)者主要是對(duì)錘片式粉碎機(jī)粉碎理論及粉碎性能進(jìn)行研究[7-8]，其中ZASELSKII等[9]利用高速攝像等技術(shù)研究在粉碎室內(nèi)錘片對(duì)物料粉碎作用過程，結(jié)果表明，物料受到的并非正面打擊而是偏心打擊，因此物料在粉碎過程中粉碎機(jī)耗能較高。而國內(nèi)學(xué)者對(duì)錘片式粉碎機(jī)的研究以結(jié)構(gòu)改進(jìn)及其應(yīng)用試驗(yàn)居多[10-14]，其中田海清等[15]設(shè)計(jì)分段圓弧篩片代替環(huán)形平篩，使錘篩間隙不斷變化，破壞物料環(huán)流層，改善錘片式粉碎機(jī)性能，過度粉碎也得到了改善。然而，國內(nèi)外的研究主要是針對(duì)粉碎谷物類物料進(jìn)行的，對(duì)錘片式粉碎機(jī)粉碎玉米秸稈的機(jī)理研究較少。鑒于錘片式粉碎機(jī)粉碎玉米秸稈時(shí)存在動(dòng)力消耗大、濕秸稈加工性能差等問題，玉米秸稈粉碎機(jī)理及粉碎性能研究亟待開展。

本文利用自行設(shè)計(jì)的玉米秸稈錘片式粉碎機(jī)，借助高速攝像技術(shù)對(duì)其粉碎機(jī)理進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上開展玉米秸稈粉碎性能試驗(yàn)，以確定主要因素對(duì)錘片式粉碎機(jī)粉碎性能的影響規(guī)律及其優(yōu)化參數(shù)組合，為玉米秸稈粉碎機(jī)的研發(fā)提供理論與技術(shù)支持。

1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

玉米秸稈錘片式粉碎機(jī)主要由進(jìn)料口、粉碎室、出料口、電動(dòng)機(jī)等組成，如圖1所示，其總體結(jié)構(gòu)尺寸為560 mm×530 mm×1 300 mm，配套動(dòng)力為4 kW。粉碎室由轉(zhuǎn)子、篩片、齒板等組成，粉碎室寬度為100 mm，篩片包角為270°，齒板包角為70°(加強(qiáng)撞擊與搓擦作用)，轉(zhuǎn)子的直徑為360 mm。轉(zhuǎn)子主要由錘片、錘架體、銷軸等組成，錘片通過銷軸鉸接在錘架體上，錘片設(shè)計(jì)為階梯型結(jié)構(gòu)(材質(zhì)為65Mn，加強(qiáng)打擊作用)，如圖2所示。粉碎機(jī)前擋板采用透明PVC材料制成，以利于觀測(cè)玉米秸稈的粉碎過程。

工作時(shí)，玉米秸稈由進(jìn)料口進(jìn)入粉碎室，首先由高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)錘片對(duì)其進(jìn)行打擊、搓擦，而后進(jìn)一步受到圍繞粉碎室設(shè)置的篩片、齒板的撞擊與搓擦作用，實(shí)現(xiàn)粉碎加工，當(dāng)玉米秸稈的粒度小于篩片篩孔直徑時(shí)透過篩片由出料口排出。

圖1 錘片式粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of hammer mill1.機(jī)架 2.粉碎室 3.篩片 4.進(jìn)料口 5.齒板 6.轉(zhuǎn)子 7.出料口 8.電動(dòng)機(jī) 9.進(jìn)風(fēng)口

圖2 轉(zhuǎn)子示意圖Fig.2 Diagram of rotor1.錘架體 2.階梯型錘片 3.銷軸

2 玉米秸稈粉碎機(jī)理分析

通過高速攝像(美國Vision Research公司生產(chǎn)的Phantom V5.1-4G型高速攝像機(jī)，本文選擇1 200幀/s)分析，玉米秸稈的主要粉碎形式歸納為打擊粉碎、撞擊粉碎與搓擦粉碎3種。打擊粉碎是指高速旋轉(zhuǎn)的錘片打擊玉米秸稈而發(fā)生的粉碎形式，撞擊粉碎是指玉米秸稈被錘片打擊后撞擊到篩片、齒板上而發(fā)生的粉碎形式，搓擦粉碎是指玉米秸稈與篩片、錘片、齒板之間搓擦而發(fā)生的粉碎形式。

2.1 打擊粉碎

玉米秸稈由進(jìn)料口進(jìn)入粉碎室，受到高速旋轉(zhuǎn)的錘片打擊，如圖3所示。不考慮錘片自重和氣流阻力等的影響，根據(jù)沖量-動(dòng)量定理可知

PΔt=m(v1-v2)

(1)

即

(2)

式中P——錘片對(duì)玉米秸稈單元的打擊力，N

Δt——打擊作用時(shí)間，s

m——玉米秸稈單元質(zhì)量，kg

v1——錘片末端線速度，m/s

v2——玉米秸稈單元受打擊前的速度，m/s

圖3 打擊作用示意圖Fig.3 Diagram of impact smashing

由式(2)可知，當(dāng)玉米秸稈單元質(zhì)量m一定時(shí)，錘片對(duì)玉米秸稈單元的相對(duì)速度越大，則其受到的打擊力越大；打擊作用時(shí)間Δt越小，玉米秸稈受到的打擊力越大；而打擊作用時(shí)間Δt取決于玉米秸稈的硬度，硬度高則打擊時(shí)間短；硬度低則打擊時(shí)間長(zhǎng)。當(dāng)打擊力超過玉米秸稈的內(nèi)聚力時(shí)，玉米秸稈發(fā)生破碎。

圖4 打擊形式高速攝像Fig.4 High-speed images of impact type

玉米秸稈受錘片打擊的形式如圖4所示(圖中K表示錘片，下文同)，主軸轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，含水率為10%。玉米秸稈受錘片打擊形式有垂直正心打擊(圖4a)、垂直偏心打擊(圖4b)、平行打擊(圖4c)、傾斜打擊(圖4d)。垂直正心打擊的粉碎效果最好，但是在粉碎過程中大部分是垂直偏心打擊或傾斜打擊形式。當(dāng)發(fā)生垂直偏心打擊或傾斜打擊時(shí)，錘片的動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)換成玉米秸稈自轉(zhuǎn)的能量，降低了玉米秸稈有效打擊作用。

玉米秸稈受打擊粉碎的效果與其含水率密切相關(guān)。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為2 500 r/min、含水率為10%、錘片傾斜打擊時(shí)，玉米秸稈粉碎成細(xì)小顆粒，如圖5a所示；當(dāng)含水率為50%、錘片傾斜打擊時(shí)，玉米秸稈只是裂開并沒有粉碎，如圖5b所示。這是由于玉米秸稈的內(nèi)聚力與其物料特性有關(guān)，根據(jù)文獻(xiàn)[16-17]，彈性模量是玉米秸稈機(jī)械特性的關(guān)鍵指標(biāo)，隨著含水率的增大，其彈性模量變小，玉米秸稈的彈性提高，其內(nèi)聚力提高，不容易破碎。

2.2 撞擊粉碎

玉米秸稈受錘片打擊之后，以較高的速度向篩片或齒板撞擊，當(dāng)撞擊力大于其內(nèi)聚力時(shí)產(chǎn)生進(jìn)一步粉碎。玉米秸稈單元撞擊力學(xué)分析如圖6所示。根據(jù)沖量-動(dòng)量定理，玉米秸稈單元與撞擊面的撞擊力為

(3)

式中N1——玉米秸稈單元與撞擊面的撞擊力，N

vn——玉米秸稈單元撞擊前的速度，m/s

m′——玉米秸稈單元撞擊前的質(zhì)量，kg

Δt1——撞擊作用時(shí)間，s

λ——玉米秸稈彈性恢復(fù)系數(shù)

α——玉米秸稈對(duì)撞擊面的入射角，(°)

由式(3)可知，在錘片式粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)不變的情況下，玉米秸稈單元與撞擊面的平均正撞擊力主要受到撞擊前的速度vn和玉米秸稈的彈性恢復(fù)系數(shù)λ的影響。而玉米秸稈的彈性恢復(fù)系數(shù)λ與其含水率有關(guān)。由于玉米秸稈屬于纖維性物料，彈塑性變形較大，其與撞擊面撞擊后大部分反彈出去，只有少部分得到粉碎，因此，撞擊粉碎不是玉米秸稈的主要粉碎形式。

圖5 不同含水率玉米秸稈打擊粉碎過程Fig.5 Impact process for different moisture contents of corn stalk

圖6 玉米秸稈單元撞擊力學(xué)分析Fig.6 Force analysis of corn stalk in hit smashing

2.3 搓擦粉碎

由于玉米秸稈與錘片、篩片、齒板都存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由此受到搓擦撕扯作用而進(jìn)一步粉碎。搓擦粉碎形式主要有：玉米秸稈分別與錘片、篩片、齒板之間的搓擦粉碎；玉米秸稈與錘片、篩片共同作用的擠壓搓擦。其中，擠壓搓擦粉碎最有效。

玉米秸稈單元擠壓搓擦粉碎受力分析如圖7所示。錘片末端和篩片表面分別對(duì)玉米秸稈單元產(chǎn)生擠壓搓擦作用，其搓擦力分別為

f1=μ1Fn

(4)

(5)

圖8 不同含水率秸稈的擠壓搓擦粉碎過程Fig.8 Rubbing process for corn stalk with different moisture contents

式中f1——玉米秸稈單元與錘片的搓擦力，N

f2——玉米秸稈單元與篩片的搓擦力，N

Fn——錘片對(duì)玉米秸稈單元的擠壓力，N

μ1——玉米秸稈單元與錘片之間的摩擦因數(shù)

μ2——玉米秸稈單元與篩片之間的摩擦因數(shù)

v——玉米秸稈單元的速度，m/s

D——轉(zhuǎn)子直徑，mδ——錘篩間隙，m

圖7 玉米秸稈單元擠壓搓擦受力分析Fig.7 Force analysis of corn stalk under rubbing

玉米秸稈受到搓擦力f1和f2的擠壓搓擦作用，當(dāng)搓擦力大于玉米秸稈內(nèi)聚力時(shí)，玉米秸稈將產(chǎn)生破碎。不同含水率情況下，擠壓搓擦粉碎過程如圖8所示。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為2 500 r/min、含水率為10%時(shí)，玉米秸稈能夠被搓擦成很細(xì)小粒度，如圖8a所示；當(dāng)含水率為50%時(shí)，玉米秸稈大部分先被撕裂，進(jìn)而逐漸粉碎，如圖8b所示。

3 粉碎性能試驗(yàn)與參數(shù)優(yōu)化

3.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用剛收獲的玉米秸稈(含水率60%～70%)，經(jīng)過秸稈揉切機(jī)切碎的粒度為19～22 mm，不同含水率的秸稈通過自然干燥獲得。

3.2 試驗(yàn)方案

由文獻(xiàn)[18]及玉米秸稈粉碎機(jī)理分析可知，影響錘片式粉碎機(jī)粉碎性能的因素主要包括錘片末端線速度、玉米秸稈含水率、篩片孔徑等。由于玉米秸稈粉碎前，一般先經(jīng)揉切機(jī)切碎，粒度通常為19～22 mm，因此，玉米秸稈粒度不作為本文的試驗(yàn)因素。試驗(yàn)因素確定為：玉米秸稈含水率(%)、主軸轉(zhuǎn)速(r/min)、篩孔直徑(mm)，并以度電產(chǎn)量為試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)該錘片式粉碎機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)及實(shí)際生產(chǎn)情況確定試驗(yàn)因素范圍為：玉米秸稈含水率10%～50%、主軸轉(zhuǎn)速2 000～3 500 r/min、篩孔直徑2～10 mm。本試驗(yàn)采用3因素5水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法，各試驗(yàn)因素編碼如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Coding of experimental factors

注：括號(hào)內(nèi)的參數(shù)為試驗(yàn)所取參數(shù)，根據(jù)實(shí)際操作的可行性對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，取括號(hào)內(nèi)的參數(shù)。

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6971—2007《飼料粉碎機(jī) 試驗(yàn)方法》，選取粉碎機(jī)的度電產(chǎn)量為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。在粉碎機(jī)負(fù)荷程度滿足規(guī)定工況條件下，待粉碎機(jī)達(dá)到正常工作狀態(tài)開始測(cè)試，試驗(yàn)時(shí)間為10 min。度電產(chǎn)量的計(jì)算公式為

(6)

式中G——度電產(chǎn)量，kg/(kW·h)

Qc——工作時(shí)間內(nèi)的作業(yè)量，kg

Gn——工作時(shí)間內(nèi)耗電量，kW·h

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，A、B、C表示各因素編碼值。度電產(chǎn)量方差分析結(jié)果如表3所示。

由表3可知，度電產(chǎn)量整體模型為極顯著(Plt;0.01)，失擬項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果為不顯著(Pgt;0.1)，模型決定系數(shù)為R2=0.979 9，表明試驗(yàn)正確有效，對(duì)指標(biāo)有顯著影響的因素均已考慮，可以得到擬合良好、有實(shí)際分析意義的回歸方程[19]。

其中含水率A、主軸轉(zhuǎn)速B和篩孔直徑C對(duì)度電產(chǎn)量的影響強(qiáng)度最大，主軸轉(zhuǎn)速與篩孔直徑的交互項(xiàng)BC、含水率的二次項(xiàng)A2和主軸轉(zhuǎn)速的二次項(xiàng)B2對(duì)度電產(chǎn)量的影響均為極顯著，含水率與主軸轉(zhuǎn)速的交互項(xiàng)AB對(duì)度電產(chǎn)量的影響為顯著，其他各項(xiàng)影響均為不顯著，二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)具有正交性，將不顯著項(xiàng)剔除，經(jīng)Design-Expert 8.0.6軟件重新計(jì)算，得到度電產(chǎn)量G的回歸數(shù)學(xué)模型為

G=24.84-7.60A-5.50B+8.86C+2.06AB-2.19BC+1.99A2-1.51B2 (7)

表3 度電產(chǎn)量回歸模型的方差分析Tab.3 ANOVA on regression equation model

注：*** 表示極顯著(Plt;0.01)；** 表示顯著(0.01lt;Plt;0.05)。

根據(jù)方差分析表3，各因素的一次項(xiàng)F值及回歸數(shù)學(xué)模型中的一次項(xiàng)系數(shù)可知，各影響因素對(duì)度電產(chǎn)量的影響由大到小為篩孔直徑C、含水率A、主軸轉(zhuǎn)速B。為了進(jìn)一步分析各影響因素對(duì)度電產(chǎn)量的影響規(guī)律，兩因素AB、BC的交互作用如圖9、10所示。

圖9 含水率與主軸轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)性能的影響Fig.9 Interact effect of moisture content and rotation speed

圖10 主軸轉(zhuǎn)速與篩孔直徑交互作用對(duì)性能的影響Fig.10 Interact effect of rotation speed and screen size

由圖9可知，當(dāng)篩孔直徑為6 mm時(shí)，度電產(chǎn)量分別與含水率和主軸轉(zhuǎn)速呈二次曲線關(guān)系。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，隨著含水率的增加，度電產(chǎn)量先減小后趨于平緩；這是由于，當(dāng)含水率較低時(shí)(lt;30%)，玉米秸稈脆性變形占主導(dǎo)，在粉碎過程中容易粉碎；當(dāng)含水率升高時(shí)(gt;30%)，玉米秸稈具有一定的彈性，其剪切強(qiáng)度也有所提高，在粉碎過程中相對(duì)不易粉碎；另外玉米秸稈在粉碎時(shí)，由于濕玉米秸稈粉碎出的細(xì)粉易堵塞篩孔，減少排料。當(dāng)含水率較高時(shí)(gt;30%)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，度電產(chǎn)量先增大后減小且變化趨勢(shì)平緩；當(dāng)含水率較低時(shí)(lt;30%)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，度電產(chǎn)量逐漸減小。說明含水率對(duì)粉碎機(jī)度電產(chǎn)量的影響更顯著。

由圖10可知，當(dāng)含水率為30%時(shí)，度電產(chǎn)量分別與篩孔直徑呈線性關(guān)系、與主軸轉(zhuǎn)速呈二次曲線關(guān)系。當(dāng)篩孔直徑較小時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，度電產(chǎn)量先增大后減小且變化趨勢(shì)平緩；這是由于主軸轉(zhuǎn)速的增大，錘片對(duì)玉米秸稈的打擊力變大，玉米秸稈容易被粉碎，但主軸轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大時(shí)，粉碎機(jī)的能耗也隨之變大且變化的趨勢(shì)更顯著；當(dāng)篩孔直徑較大時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，度電產(chǎn)量逐漸減小，這說明篩孔直徑對(duì)粉碎機(jī)度電產(chǎn)量的影響更顯著。

由圖9和圖10對(duì)比分析，篩孔直徑對(duì)粉碎機(jī)度電產(chǎn)量的影響明顯高于另外2個(gè)因素，含水率對(duì)粉碎機(jī)度電產(chǎn)量的影響明顯高于主軸轉(zhuǎn)速的影響。

3.4 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

通過響應(yīng)面分析目標(biāo)參數(shù)可知，粉碎機(jī)達(dá)到較高的度電產(chǎn)量，需要較高主軸轉(zhuǎn)速、較低含水率和較大篩孔直徑。由于各因素對(duì)目標(biāo)參數(shù)影響不一致，因此需要綜合考慮。玉米秸稈粉碎后，為了能滿足后續(xù)的利用要求，固定篩孔直徑為6 mm[20]，以含水率為自變量，度電產(chǎn)量最大為目標(biāo)函數(shù)，求出對(duì)應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速。利用Design-Expert 8.0.6軟件的優(yōu)化模塊，對(duì)回歸模型(式(7))進(jìn)行有約束目標(biāo)優(yōu)化求解，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

目標(biāo)函數(shù)

F=maxG(A,B,C)

(8)

約束函數(shù)

-1.682≤A≤1.682

-1.682≤B≤1.682

C=0

經(jīng)Numerical optimization項(xiàng)目?jī)?yōu)化，得到各因素優(yōu)化參數(shù)組合，如圖11所示。

圖11 優(yōu)化參數(shù)組合Fig.11 Combination of optimized parameters

由圖11可知，當(dāng)含水率為10%～32%時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速宜2 000 r/min；當(dāng)含水率為33%～50%時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速宜2 020～2 452 r/min，且隨著含水率的增大而增大。綜上，可選取含水率18.11%、主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min、篩孔直徑6 mm進(jìn)行粉碎機(jī)粉碎玉米秸稈性能驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)所使用材料如前文所述，試驗(yàn)重復(fù)5次，得到度電產(chǎn)量為42.35 kg/(kW·h)。試驗(yàn)結(jié)果與響應(yīng)面優(yōu)化間的誤差均在5%以內(nèi)，說明試驗(yàn)獲得的參數(shù)模型可靠，優(yōu)化結(jié)果可信度高。

4 結(jié)論

(1)由玉米秸稈粉碎過程分析及高速攝像研究可知，玉米秸稈主要粉碎形式為：打擊粉碎、撞擊粉碎、搓擦粉碎，且在粉碎過程中打擊粉碎與搓擦粉碎影響最大，并確定錘片末端線速度、含水率對(duì)玉米秸稈粉碎性能影響較大。

(2)通過粉碎性能試驗(yàn)研究，確定各因素對(duì)度電產(chǎn)量影響由大到小順序?yàn)楹Y孔直徑、含水率、主軸轉(zhuǎn)速。建立了各因素對(duì)度電產(chǎn)量影響的數(shù)學(xué)模型，分析了各因素的影響規(guī)律。以度電產(chǎn)量最大為目標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)表明：固定篩孔直徑6 mm，當(dāng)含水率10%～32%時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速宜2 000 r/min；當(dāng)含水率33%～50%時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速宜2 020～2 452 r/min，且隨著含水率的增大而增大。

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MechanismAnalysisandParameterOptimizationofHammerMillforCornStalk

WANG Defu1,2WANG Mo1,2LI Liqiao1,2

(1.CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China2.KeyLaboratoryofPig-breedingFacilitiesEngineering,MinistryofAgriculture,Harbin150030,China)

As the important resource of biomas energy convension and feed utilization, corn stalk needs to be smashed to improve the effective utilization rate. In order to study the performance of hammer mill for corn stalk, the process and performance of smashing corn stalk was studied by hammer mill. Based on the analysis of smashing process by high-speed photography, main smashing types of corn stalk were decided as following: impact smashing, hit smashing and rub smashing, and the impact smashing and rub smashing had greater influences, it could be obtained that the linear velocity of the hammer (the rotation speed) and moisture content of corn stalk had greater influences on the smashing performance of the hammer mill. Then, the main factors that affected the smashing performance of hammer mill (the rotation speed, moisture content of corn stalk and screen size) were chosen as the experimental factors, the output per kW·h was decided as the evaluation index, and experiments were conducted. The experimental results showed that the sequence of various factors’ influence on the output per kW·h was screen size, moisture content of corn stalk and the rotation speed. Parameters were optimized based on regression models. With the maximum output per kW·h as the optimization object, the ranges of the factors were chosen as follows: the moisture content of 10%～50%, the rotation speed of 2 000～3 500 r/min and the screen size was 6mm. Parameter optimization results showed that when the moisture content of corn stalk was 10%～32%, the rotation speed was 2 000 r/min, when the moisture content of corn stalk was 33%～50%, the rotation speed was 2 020～2 452 r/min, and the rotation speed was increased with the increase of moisture content of corn stalk. The research can provide theoretical and technical basis for design of hammer mill for corn stalk.

corn stalk; hammer mill; mechanism analysis; parameter optimization

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.020

S817.12

A

1000-1298(2017)11-0165-07

2017-01-17

2017-03-07

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0701300)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405076)

王德福(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事畜牧機(jī)械研究，E-mail： dfwang0203@163.com