四相曲軸步進(jìn)式秸稈輸送與除雜機(jī)理分析及裝置研制

付鵬強(qiáng)，蔣銀紅，侯國安，韓　豹*，張?jiān)浦?3，葛江華

（1.哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，哈爾濱　150080；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱　150030；3.哈爾濱龍騰盛和科技發(fā)展有限公司，哈爾濱150080）

隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視和秸稈焚燒管制加強(qiáng)，秸稈材料綠色利用成為熱點(diǎn)[1]。將秸稈原料壓制成板材是秸稈資源化利用方法之一[2]。輸送是秸稈利用工程中的必要工序，研究秸稈輸送可為秸稈收集、儲(chǔ)藏及加工等過程輸送設(shè)備選型提供依據(jù)[3]。秸稈輸送能力對(duì)保證板材的致密性與勻質(zhì)性等特性具有重要意義。國內(nèi)外普遍采用氣力輸送[4-5]、螺旋輸送[6]、傳送帶輸送[7-8]、斗式提升[9-10]、管道輸送[11-12]等多種形式實(shí)現(xiàn)秸稈遠(yuǎn)近距離傳輸。張志正等根據(jù)玉米秸稈的性質(zhì)，理論分析并設(shè)計(jì)密相氣力輸送系統(tǒng)[4]。魏飛等設(shè)計(jì)氣力輸送及除雜裝置，可輸送30 mm以內(nèi)長度秸稈并去除砂石等固體顆粒[5]。龍恩深等測(cè)試谷殼、麥麩、玉米粉、鋸末等4種不同粒徑與性質(zhì)的生物質(zhì)原料在螺旋輸送機(jī)上輸料量變化規(guī)律，并給出輸料量的理論預(yù)測(cè)公式[6]。丁永秀等設(shè)計(jì)自走式秸稈帶式輸送機(jī)，可實(shí)現(xiàn)秸稈的輸送、裝載與堆積[7]。任金祥等針對(duì)斗式提升機(jī)在糧食輸送過程中存在破碎率高問題，改進(jìn)相應(yīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，優(yōu)化斗式提升機(jī)輸料量、破碎率等性能[9]。Vaezi Mahdi等將麥秸稈和玉米秸稈顆粒與流體混合后在管道中輸送，用于生物質(zhì)燃料生產(chǎn)[12]?，F(xiàn)有研究較少考慮物料的均勻輸送與除雜問題，且大多針對(duì)粉碎后秸稈等生物質(zhì)顆粒傳輸。成捆整根長秸稈物料含有雜質(zhì)較多，如何在輸送物料同時(shí)實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)去除并滿足輸送均勻性要求是秸稈物料輸送重要課題。工程上廣泛使用單自由度直線往復(fù)振動(dòng)篩與多自由度并聯(lián)振動(dòng)篩除雜與輸送，但對(duì)秸稈物料除雜效果與輸送效率不佳[13-14]，難以實(shí)現(xiàn)多尺度物料與雜質(zhì)的快速分離。本文針對(duì)長秸稈壓制成型板材均勻輸送與除雜問題，設(shè)計(jì)四相曲軸步進(jìn)式輸送與除雜裝置，實(shí)現(xiàn)物料輸送均勻化與除雜。

1　四相曲軸振動(dòng)篩工作原理

四相曲軸振動(dòng)篩輸送與除雜裝置結(jié)構(gòu)見圖1。該裝置由直流電機(jī)提供動(dòng)力，通過帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到四相曲軸上，曲軸帶動(dòng)篩架實(shí)現(xiàn)篩板有規(guī)律振動(dòng)。選擇長度為150～1 000 mm（長度＜150 mm物料數(shù)量應(yīng)＜25%），含水量在8%～18%秸稈或麥草，打成5 kg料捆。工作時(shí)，錘式開束機(jī)將料捆打開，逐束穩(wěn)定地將無規(guī)則原料推入步進(jìn)機(jī)，成堆秸稈在篩板上被輸送同時(shí)，四相曲軸帶動(dòng)振動(dòng)篩板將秸稈鋪平，秸稈形成松散料層，稻殼、稻粒、稻葉、短秸稈及其他雜質(zhì)被分離掉落到廢料輸送機(jī)上。廢料輸送機(jī)上物料被輸送到分離器，混入秸稈清理后重新送到鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)秸稈層上，將雜質(zhì)排出。物料中較短秸稈和夾雜顆粒在運(yùn)動(dòng)中分離，篩板振動(dòng)使成堆秸稈在沿篩板方向和垂直于篩板方向?qū)崿F(xiàn)均勻化，保證后續(xù)壓板過程順利進(jìn)料與板材勻質(zhì)。

圖1　四相曲軸振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of four-phase crankshaft oscillating screen

2　雜質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析

2.1　振動(dòng)篩裝置基本運(yùn)動(dòng)原理

振動(dòng)篩是利用往復(fù)篩面形成篩選物與篩面相互運(yùn)動(dòng)，對(duì)雜質(zhì)篩選分級(jí)[13]。雜質(zhì)機(jī)械特性存在較大差異，因此在運(yùn)動(dòng)過程中雜質(zhì)間存在相互擠壓、碰撞、摩擦和翻滾運(yùn)動(dòng)等狀況[15]，除雜過程隨機(jī)。為簡化分析過程，不考慮雜質(zhì)顆粒間碰撞及翻滾，把雜質(zhì)顆粒視為自由質(zhì)點(diǎn)，通過質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)理論分析雜質(zhì)除雜力學(xué)過程[16]。曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，裝置基本運(yùn)動(dòng)原理如圖2所示。O2表示主動(dòng)曲軸中心，O1表示從動(dòng)曲軸中心，O1O2固定，表示機(jī)架，x軸為篩架方向，O1B、O2A表示曲軸回轉(zhuǎn)半徑，AB表示篩架，篩架上安裝有篩板，C表示篩板上雜質(zhì)。物料沿篩面向x軸正方向輸送，雜質(zhì)在篩板上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物料與雜質(zhì)分離。

圖2　裝置基本運(yùn)動(dòng)原理Fig.2　Movement principle of the device

曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向ω為順時(shí)針方向，為便于計(jì)算，將曲柄運(yùn)動(dòng)范圍劃分為4個(gè)區(qū)域，分別為一、二、三、四運(yùn)動(dòng)區(qū)，將x軸正方向設(shè)置為運(yùn)動(dòng)起始位置，順時(shí)針運(yùn)動(dòng)。

篩板運(yùn)動(dòng)到第四運(yùn)動(dòng)區(qū)時(shí)，轉(zhuǎn)過角度ωt處于0o～90o，篩板上任意一點(diǎn)處沿x方向與沿z方向運(yùn)動(dòng)位移可表示為：

則篩板上任一點(diǎn)處沿x方向與沿z方向加速度可表示為：

式中，R—主動(dòng)曲軸回轉(zhuǎn)半徑；

ω—主動(dòng)曲軸角速度；

t—時(shí)間。

由于曲軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，振動(dòng)篩作簡諧運(yùn)動(dòng)，雜質(zhì)在振動(dòng)篩作用力下沿x方向呈周期性變化。每個(gè)周期內(nèi)，雜質(zhì)存在相對(duì)篩面靜止、相對(duì)篩面沿x軸正向向上滑動(dòng)、沿x軸反向向下運(yùn)動(dòng)和相對(duì)篩面被拋離4種情況。除相對(duì)篩面靜止無法實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)分離外，其余3種相對(duì)運(yùn)動(dòng)均有除雜作用[17]。

2.2　物料中雜質(zhì)顆粒動(dòng)力學(xué)分析

由于篩架隨曲軸運(yùn)動(dòng)，4個(gè)不同區(qū)域內(nèi)沿x、z方向加速度方向隨時(shí)間變化，表1為2個(gè)加速度在4個(gè)區(qū)域內(nèi)加速度方向。表中“正”表示沿坐標(biāo)軸正方向，“負(fù)”表示與坐標(biāo)軸正方向相反。根據(jù)運(yùn)動(dòng)條件，雜質(zhì)顆粒在4個(gè)運(yùn)動(dòng)區(qū)內(nèi)受力不同，因此在4個(gè)運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)分別建立方程討論。

表1　4個(gè)運(yùn)動(dòng)區(qū)內(nèi)沿x，z軸加速度方向Table 1　Acceleration directions of x and z axes in four regions

雜質(zhì)作平行于篩面相對(duì)滑移和跳動(dòng)使雜質(zhì)透過篩孔從而實(shí)現(xiàn)除雜。分析過程中，定義兩個(gè)坐標(biāo)系：絕對(duì)坐標(biāo)系和相對(duì)坐標(biāo)系，將水平方向定義為絕對(duì)坐標(biāo)系x軸，取向右方向?yàn)檎较?，豎直方向定義為絕對(duì)坐標(biāo)系z(mì)軸，取豎直向上方向?yàn)檎较?；將篩板安裝方向定義為相對(duì)坐標(biāo)系x軸，取沿x軸方向向上為正方向，將垂直于篩板方向定義為相對(duì)坐標(biāo)系z(mì)軸，取向上方向?yàn)檎较颍瑑勺鴺?biāo)系x軸之間存在一個(gè)安裝傾角θ。雜質(zhì)顆粒在四個(gè)運(yùn)動(dòng)區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)受力狀態(tài)如圖3所示。當(dāng)雜質(zhì)顆粒處于第一區(qū)時(shí)，其受力狀況如圖3a所示，此時(shí)有

將沿x，z方向加速度公式（2）帶入式（3）中有

當(dāng)雜質(zhì)沿篩面上滑動(dòng)時(shí)必定有條件：

帶入條件（4）整理后得第一運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)沿篩面上滑條件：

同上方法可得其他3個(gè)運(yùn)動(dòng)區(qū)內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件。

其中，G—雜質(zhì)顆粒所受重力；

θ—安裝傾角；

f—雜質(zhì)顆粒與篩面間摩擦力；

N—篩面對(duì)顆粒支持力；

az—顆粒與篩面間垂直相對(duì)加速度；

ax—顆粒與篩面間平行相對(duì)加速度；

μ—雜質(zhì)顆粒與篩面間摩擦角。

由以上推導(dǎo)可知，當(dāng)篩面處于第一、第四運(yùn)動(dòng)區(qū)域時(shí)，雜質(zhì)顆粒相對(duì)篩面上滑，應(yīng)滿足上滑條件為：

當(dāng)篩面處于第二、第三運(yùn)動(dòng)區(qū)域時(shí)，雜質(zhì)顆粒相對(duì)篩面下滑，滿足下滑條件為：

圖3　四個(gè)運(yùn)動(dòng)區(qū)內(nèi)雜質(zhì)顆粒受力分析Fig.3　Force analysis of impurities in four moving areas

由圖3與表1分析得出，雜質(zhì)顆粒處于第一、二運(yùn)動(dòng)區(qū)時(shí)跳起。若雜質(zhì)顆粒在篩面上跳起時(shí)，應(yīng)滿足條件：

當(dāng)滿足條件（9）時(shí)，雜質(zhì)顆粒在篩面上跳起。

物料輸送過程中，滿足產(chǎn)生相對(duì)位移條件時(shí)，雜質(zhì)顆粒在篩板上出現(xiàn)沿篩面滑動(dòng)與跳越動(dòng)作，使雜質(zhì)顆粒在物料輸送過程中被除去。

3　秸稈輸送與均勻化分析

3.1　秸稈輸送原理分析

秸稈輸送過程中，在主動(dòng)曲軸驅(qū)動(dòng)下，并列安裝在曲軸上4個(gè)篩板隨同篩架開始非同步運(yùn)動(dòng)，依靠篩板運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)秸稈運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)過角度為ωt，如圖4所示。圖中O表示曲軸軸心，1～4分別表示曲軸4個(gè)篩架位置。

由圖4a可知，當(dāng)ωt=0o時(shí)，1、4號(hào)篩架與曲軸軸心處于同一平面，2號(hào)篩架處于運(yùn)動(dòng)行程最高點(diǎn)，3號(hào)篩架處于運(yùn)動(dòng)行程最低點(diǎn)；當(dāng)ωt=45o時(shí)，由圖4b可知，1、2號(hào)篩架在z軸方向處于同一平面，3、4號(hào)篩架在z軸方向同一平面；當(dāng)ωt=90o時(shí)，由圖4c可知，2、3號(hào)篩架處于與軸心同一平面位置，1號(hào)篩架處于運(yùn)動(dòng)行程最高點(diǎn)，4號(hào)篩架處于運(yùn)動(dòng)行程最低點(diǎn)。

篩板在篩架上傾斜一定角度安裝，如圖1所示，開始物料輸送時(shí)，由篩板翹升部位拉動(dòng)物料，當(dāng)翹升部位運(yùn)動(dòng)到與曲軸同一平面位置時(shí)，篩板翹升部位向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)篩板翹升部位秸稈被相鄰篩板承接，使篩板翹升部位與秸稈分離，完成長秸稈從一個(gè)篩板至相鄰篩板傳輸，直至篩板翹升部位再次運(yùn)動(dòng)到曲軸中心位置以上，開始再次輸送過程。

曲軸轉(zhuǎn)過角度ωt處于0o～45o時(shí)，秸稈輸送主要依靠篩架1和篩架2實(shí)現(xiàn)，篩架2由最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到z軸方向3 2處，1號(hào)篩架從軸心位置開始運(yùn)動(dòng)到z軸方向3 2處；當(dāng)ωt處于45o～90o時(shí)，1號(hào)篩架從z方向3 2處運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)，2號(hào)篩架從3 2處運(yùn)動(dòng)到與軸心同一平面位置，此過程帶動(dòng)秸稈向前輸送仍是1號(hào)篩架和2號(hào)篩架同時(shí)作用；當(dāng)ωt超過90o時(shí)，3、1號(hào)篩架分別對(duì)應(yīng)1、2號(hào)篩架做在0o～90o過程中同樣運(yùn)動(dòng)，四個(gè)篩架在主動(dòng)曲軸驅(qū)動(dòng)下做連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)秸稈輸送。

圖4　曲軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.4　Movement state of crankshaft

3.2　秸稈均勻化分析

將機(jī)構(gòu)簡化為如圖5所示，秸稈沿x方向輸送。對(duì)簡化過機(jī)構(gòu)ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真，4個(gè)篩板上沿x方向與沿z方向速度曲線如圖6所示。

由圖6可知，在篩板1和篩板2上沿x方向上存在周期性速度差，在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生周期性位移差，從而使1和2號(hào)篩板上秸稈在x方向上產(chǎn)生拉拽作用。物料是長秸稈不規(guī)則纏繞堆狀，因此在運(yùn)動(dòng)中由速度差產(chǎn)生位移差使緊密秸稈團(tuán)沿x方向均勻化。在z方向速度差產(chǎn)生沿z方向位移差，使秸稈堆在z方向上實(shí)現(xiàn)均勻化。由于四個(gè)篩板對(duì)成堆秸稈相互拉拽作用，實(shí)現(xiàn)物料在脫離裝置前均勻化。

圖5　平行安裝篩板Fig.5　Parallel screen frame

圖6　x、z方向速度曲線Fig.6　Velocity curves in x and z

4　秸稈輸送與均勻化試驗(yàn)

4.1　試驗(yàn)條件

自行研制四相曲軸步進(jìn)式輸送與除雜裝置如圖7所示。試驗(yàn)裝置主要有直流電機(jī)、篩架、篩板、曲軸等組成。直流電機(jī)連接主動(dòng)曲軸，主動(dòng)曲軸與篩架通過軸承座連接，篩板安裝在篩架上。試驗(yàn)材料選取長度為150～1 000 mm（長度＜150 mm短物料數(shù)量＜25%），含水量在8%～18%秸稈，將秸稈扎成平均高度300 mm高料捆，將成捆秸稈橫向放置在裝置1、2號(hào)篩架上，主動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為166 r·min-1。

試驗(yàn)方法為：在篩架上設(shè)置高度參照標(biāo)桿，工作過程中，將照片中秸稈層高度與標(biāo)桿對(duì)比，得到秸稈層平均高度，觀察篩分雜質(zhì)以判斷除雜效果。

圖7　實(shí)物結(jié)構(gòu)Fig.7　Physical structure

4.2　試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，成堆秸稈通過該裝置后有明顯均勻化過程。1、2號(hào)篩板上秸稈厚度由300 mm分別降至92和85 mm，3、4號(hào)篩板上秸稈厚度由0 mm分別增至83和74 mm，表明秸稈在裝置出口處基本實(shí)現(xiàn)均勻化過程。多次試驗(yàn)表明，該裝置可將不同篩板上秸稈層高度差控制在40 mm以內(nèi)。且在均勻化過程中，秸稈蓬松化，其中夾雜硬質(zhì)顆粒在秸稈堆蓬松化后經(jīng)裝置振動(dòng)脫離秸稈。篩分出雜質(zhì)中不僅有顆粒狀雜質(zhì)，還有長度＜100 mm短秸稈，說明可有效實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)篩分，整個(gè)過程可一次性實(shí)現(xiàn)秸稈輸送、均勻化與除雜。

圖8　不同篩架上秸稈平均高度Fig.8　Average height of straws on different screens

5　結(jié)　論

a.針對(duì)成捆長秸稈輸送中雜質(zhì)夾雜問題，設(shè)計(jì)一種四相曲軸步進(jìn)式秸稈輸送與除雜裝置。將物料中雜質(zhì)顆粒簡化為質(zhì)點(diǎn)，分析雜質(zhì)顆粒在篩板上運(yùn)動(dòng)過程，確定雜質(zhì)在篩板上4種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

b.裝置ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真，表明四個(gè)并列安裝篩架之間存在速度差，是秸稈在z方向和x方向蓬松、均勻化原因。

c.通過除雜試驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置適用于成捆長秸稈輸送，秸稈在篩面上可實(shí)現(xiàn)蓬松與均勻化，夾雜硬質(zhì)顆粒有效去除，保證后期秸稈板壓制均勻性與力學(xué)性能。