秸稈精粉再利用混合機(jī)研究

艾鴻濱，肖智艷

(1.黑龍江省畜牧機(jī)械化研究所，黑龍江 齊齊哈爾 161005;2.廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與汽車技術(shù)系，南寧 530226)

0 引言

黑龍江省是全國(guó)農(nóng)業(yè)大省，玉米秸稈資源豐富，但目前利用率比較低，大部分秸稈都被焚燒或者廢棄，會(huì)造成空氣污染，也破壞了農(nóng)村的生態(tài)環(huán)境。因此，將其合理循環(huán)利用，是將廢棄物資源化處理的一種方式，既降低了對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染，也利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。為此，設(shè)計(jì)了秸稈精粉再利用混合機(jī)，以解決資源浪費(fèi)及環(huán)境污染問(wèn)題。

該機(jī)主要完成精粉后的玉米秸稈、玉米芯與其它有機(jī)物混合后再利用，可制作成燃料、新型有機(jī)肥、飼料、食用菌料、發(fā)酵床用料及覆土材料等，既有效利用廢棄資源，將其變廢為寶，又克服了秸稈亂扔堆放或燃燒對(duì)環(huán)境造成的污染，使玉米種植戶降低了生產(chǎn)成本，增加了經(jīng)濟(jì)收益。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

該機(jī)由手推架、機(jī)架箱體、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、離合機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、螺旋攪拌機(jī)構(gòu)及拋料裝置組成，如圖1所示。工作時(shí)，按下手推架頂部的啟動(dòng)按鈕，動(dòng)力由電機(jī)經(jīng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)到各部件，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)離合機(jī)構(gòu)控制機(jī)器前進(jìn)和后退。作業(yè)時(shí)，將機(jī)器調(diào)整好位置，打開啟動(dòng)按鈕，通過(guò)離合機(jī)構(gòu)控制機(jī)器前進(jìn)，通過(guò)螺旋攪拌機(jī)構(gòu)中的攪拌桿和攪拌葉片在軸向螺旋線方向上的旋轉(zhuǎn)將粉碎的秸稈和有機(jī)肥進(jìn)行混合攪拌；在弧形護(hù)板及底部安裝的柔性擋料板的作用下，將攪拌之后的秸稈混合料向后輸送至螺旋攪拌機(jī)構(gòu)中的送料盤總成處，由送料葉片和橡膠板將混合料送入到集料箱前的集料板，實(shí)現(xiàn)一個(gè)反“L”形的送料路線，完成充分混合攪拌過(guò)程。該機(jī)前進(jìn)時(shí)，在集料板和柔性擋料板作用下，混合料全部進(jìn)入集料箱內(nèi)，在拋料裝置的擋料盤和拋料葉片的高速旋轉(zhuǎn)離心力作用下將混合料從集料箱的拋料口拋出，可通過(guò)調(diào)節(jié)拉桿調(diào)節(jié)擋料罩的角度控制混合料拋出的距離和方向，完成玉米秸稈及玉米芯等有機(jī)物混合、攪拌及翻料等作業(yè)過(guò)程。

1.手推架 2.機(jī)架箱體 3.離合機(jī)構(gòu) 4.電機(jī) 5.行走機(jī)構(gòu) 6.螺旋攪拌機(jī)構(gòu) 7.弧形護(hù)板 8.拋料裝置圖1 秸稈精粉再利用混合機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of mixing machine for reuse of straw powder

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 螺旋攪拌機(jī)構(gòu)的研究

螺旋攪拌主要由軸承座、從動(dòng)鏈輪、軸、送料盤總成、攪拌裝置、連接板及軸承組成，如圖2所示。攪拌裝置由筒體、攪拌桿、攪拌葉片及支持圓盤焊合而成，筒體為一定直徑尺寸長(zhǎng)度的厚壁圓管，在筒體主體外圓表面上，沿其環(huán)繞螺旋線走向，按照一定間距焊合有數(shù)個(gè)攪拌桿[1]，攪拌葉片與筒體軸心線方向呈一定角焊接在攪拌桿頂端。

螺旋攪拌機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要綜合考慮其攪拌裝置螺旋面的選擇、螺旋直徑的計(jì)算、葉片安裝角的計(jì)算、螺距及轉(zhuǎn)速等因素。

2.1.1 螺旋面的選擇

螺旋面的選擇應(yīng)根據(jù)輸送物料的不同，可選擇實(shí)體面型、帶式面型及葉片面型等形式。該機(jī)輸送的混合料主要成分是玉米芯、麩皮及鋸沫等，所以選擇輸送塊狀及粘度中等的物料宜采用如圖2所示的葉片面型螺旋。

1.軸承座 2.從動(dòng)鏈 3.軸 4.送料盤總成 5.攪拌裝置 6.葉片 7.攪拌桿 8.連接板 9.軸承座圖2 螺旋攪拌機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of spiral agitator

2.1.2 攪拌機(jī)構(gòu)直徑的計(jì)算

攪拌機(jī)構(gòu)直徑是該攪拌機(jī)構(gòu)的重要工作參數(shù)，影響著攪拌機(jī)構(gòu)的混合效率、混合比及生產(chǎn)率[2-4]。螺旋攪拌機(jī)構(gòu)的弧形護(hù)板直徑D=600mm,長(zhǎng)度L=1.25D=750mm，本機(jī)設(shè)計(jì)工作效率為4 000kg/h。

該攪拌機(jī)構(gòu)中葉片的大小和數(shù)量成比例[5]，葉片的安裝角度使有效的工作長(zhǎng)度在軸上重疊，既可保證物料的輸送量也能增加其一定的抗疲勞強(qiáng)度，計(jì)算公式為

(1)

式中D1—攪拌葉片回轉(zhuǎn)半徑(mm)；

G—攪拌葉片個(gè)數(shù)；

θ—攪拌葉片在筒體上的投影角度；

L—攪拌筒體長(zhǎng)度(mm)。

取θ=50°代入公式，得

取D1=250mm；螺距S=0.8×2D1=400mm。

因攪拌功率及攪拌均勻度因素的影響，需要計(jì)算出攪拌葉片的安裝角及寬度。

2.1.3 葉片安裝角的計(jì)算

攪拌葉片安裝角α角如圖3所示[6-7]。攪拌機(jī)構(gòu)工作時(shí)，混合料在攪拌葉片沿其右旋螺旋線的走向向后輸送的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)縱向和軸向運(yùn)動(dòng)完成物料的混合。

圖3 物料單元受力圖Fig.3 Materials unit force diagram

當(dāng)α變小時(shí)，混合料輸送量減少；相反，當(dāng)α過(guò)大時(shí)，失去攪拌功能。因此，攪拌葉片一定要相對(duì)于攪拌軸成一定的角度安裝。為了使混合料的縱向和軸向運(yùn)動(dòng)都較大，目前國(guó)內(nèi)外葉片安裝角的常用值為α=45°[8-16]。

可將葉片對(duì)混合料的受力簡(jiǎn)化(見圖3)可以看出：要使混合料能夠沿?cái)嚢栎S縱向和軸向運(yùn)動(dòng)，必須滿足F1-Fj≥0，即F·tanα-F·f≥0，于是得到條件式為[8-16]

α≥arctgf

(2)

式中F—驅(qū)動(dòng)力，可在葉片表面分解為F1=F·tgα和F2=F/cosα；

Fj—玉米秸稈及玉米芯的混合物與葉片表面間的摩擦力，F(xiàn)j=F·f；

f—玉米秸稈及玉米芯與有機(jī)物的混合物對(duì)葉片A3鋼的摩擦因數(shù)，f=0.4。

對(duì)于玉米秸稈及玉米芯與有機(jī)物的混合物，若取f=0.4時(shí)，α≥22°，取α=22.5°。

圖4 物料運(yùn)動(dòng)受力分析簡(jiǎn)圖Fig.4 Brief diagram of force analysis of material motion

寬度K[17]的計(jì)算。根據(jù)葉片寬度在弧形護(hù)板上的投影，即根據(jù)式(3)得

(3)

式中K—攪拌葉片寬度(mm);

D—弧形護(hù)板直徑(mm)，D=600;

φ—葉片安裝角的余角(°),其中，安裝角α=22.5°。因此，φ=90-α=67.5°。

物料運(yùn)動(dòng)時(shí)，受力情況簡(jiǎn)圖，可得

mg·sinβ=m·an+mgf·cosβ

(4)

式中g(shù)—重力加速度(m/s2)；

D1—攪拌葉片中心回轉(zhuǎn)半徑(m)；

β—物料下滑時(shí)的初始水平夾角(°)；

f—物料摩擦因數(shù)。

生產(chǎn)率可以按下列公式估算，即

(5)

式中Qs—生產(chǎn)率(kg/h)；

R—弧形護(hù)板直徑(m)；

r—螺旋軸直徑(m)；

Kd—充滿系數(shù)，Kd=0.4；

Kβ—輸送系數(shù)，Kβ=1；

γ—物料密度(kg/m3)；

S—螺距(m)；

n—螺距每分鐘轉(zhuǎn)速(r/min )。

2.2 拋料裝置的設(shè)計(jì)

拋料裝置主要由錐齒輪、軸承座、主軸、帶輪、主動(dòng)鏈輪及拋料盤總成組成，如圖5所示。需要考慮其拋料盤轉(zhuǎn)速、拋出距離的計(jì)算，且拋送量要大于螺旋攪拌機(jī)構(gòu)的喂入量[18-20]，才能不產(chǎn)生物料的堆積，使整機(jī)正常工作。

1.錐齒輪 2.軸承座 3.帶輪 4.主軸 5.主動(dòng)鏈輪 6.拋料盤總成圖5 拋料裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of throwing device

2.2.1 拋料裝置的轉(zhuǎn)速

根據(jù)設(shè)計(jì)電機(jī)皮帶輪直徑為90mm，與拋料裝置主軸皮帶輪直徑450mm的傳動(dòng)比i=5，電機(jī)選用YL4YZ-4型轉(zhuǎn)速為1 440r/min。

由主軸轉(zhuǎn)速n=288r/min得

(6)

式中n—拋料裝置轉(zhuǎn)速(r/min)；

v0—葉片線速度(m/s)；

r—拋料裝置圓盤半徑(m)，r=0.3m。

2.2.2 拋料裝置的生產(chǎn)率

拋料裝置的拋料葉片在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力的作用下，物料貼向外殼。物料葉片呈楔形分布，拋料器的生產(chǎn)率Q[21-22]可由下式估算(中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，2007)，即

Q=30·n·η·m·γ·a2·b·tgφ

(7)

式中Q—拋料器的生產(chǎn)率(kg/h)；

n—葉片轉(zhuǎn)速(r/min )；

m—葉片個(gè)數(shù)(個(gè))，m=6；

γ—物料密度(kg/m3)，取γ=60;

a—葉片高度(m)，a=0.27；

b—葉片寬度(m)，b=0.12；

φ—物料安息角(°)，一般為30°～40°，取30°；

η—效率系數(shù)，一般取0.3。

代入數(shù)據(jù)，求得：Q=4734.5kg/h。拋送器的生產(chǎn)率遠(yuǎn)大于螺旋輸送器的生產(chǎn)率，可以滿足作業(yè)要求。

圖6 拋料盤總成結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Disc structure diagram of the throwing device

2.2.3 拋料裝置的拋射距離

根據(jù)斜拋運(yùn)動(dòng)的原理，混合料被拋出軌跡的高度和距離與初始速度和拋射角度有關(guān)[23-25](見圖7)，其高度H、距離S計(jì)算公式分別為

(8)

(9)

式中v0—拋射初速度(m/s)，v0=9.04；

θ—拋射角度(°)；

g—重力加速度(m/s)。

圖7 物料運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)圖Fig.7 Sketch map of material motion

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)基本條件

整機(jī)樣機(jī)在黑龍江省齊齊哈爾市梅里斯區(qū)天錦食用菌養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)試驗(yàn)。

1)試驗(yàn)前按使用說(shuō)明書的要求對(duì)被測(cè)樣機(jī)進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)至樣機(jī)達(dá)到正常工作狀態(tài)。

2)試驗(yàn)用物料為玉米秸稈及玉米芯與有機(jī)物，含水率≤40%，試驗(yàn)區(qū)玉米秸稈及玉米芯與有機(jī)物混合物料層疊加堆積，不得提前預(yù)混；高度為100～500mm，物料中不應(yīng)有石塊、鐵塊等雜物。

3)試驗(yàn)用儀器、儀表使用前應(yīng)經(jīng)校驗(yàn)測(cè)定合格。

4)試驗(yàn)場(chǎng)地應(yīng)開闊，地面要求水平，樣機(jī)周圍不應(yīng)放置障礙物。

5)性能試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，樣機(jī)在試驗(yàn)周期內(nèi)不應(yīng)改變工作狀況。

6)設(shè)備運(yùn)行30min，檢查整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是否平穩(wěn)、可靠，有無(wú)異常聲響、撞擊現(xiàn)象，各運(yùn)動(dòng)部件是否運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，有無(wú)卡滯現(xiàn)象。

3.2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

根據(jù)相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(JB/T 9820-2013 臥式飼料混合機(jī))(GB/T 5918-2008 飼料產(chǎn)品混合均勻度的測(cè)定)中規(guī)定的試驗(yàn)方法及樣機(jī)的試驗(yàn)報(bào)告，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，考核其生產(chǎn)率及物料的混合均勻度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。應(yīng)用軟件Design-Expert 8.0.6進(jìn)行分析與優(yōu)化，為了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)進(jìn)行5次，取平均值。

3.3試驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)天錦食用菌養(yǎng)殖場(chǎng)的檢測(cè)人員按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在化驗(yàn)室用化學(xué)方法測(cè)量示蹤劑量值和樣機(jī)的試驗(yàn)報(bào)告對(duì)混合均勻度和生產(chǎn)率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 混合均勻度測(cè)試表Table 1 Mixed uniformity testTable

表2 生產(chǎn)率測(cè)試表Table 2 Productivity testTable

試驗(yàn)結(jié)果表明：在螺旋攪拌機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速45r/min時(shí)，混合均勻度大于設(shè)計(jì)值90%，整機(jī)也達(dá)到生產(chǎn)率要求的設(shè)計(jì)值4 000kg/h，未出現(xiàn)物料的堆積現(xiàn)象，并且運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)任何故障及異響。

4 結(jié)論

1)在關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)中，對(duì)螺旋面型的選擇，攪拌機(jī)構(gòu)及拋料裝置的轉(zhuǎn)速、生產(chǎn)率，以及拋料的高度及距離等多方面進(jìn)行綜合考慮、比較、計(jì)算才能確定，達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)要求。

2)整機(jī)具有操作簡(jiǎn)便、成本較低、易于日常維護(hù)等特點(diǎn),極其具有推廣價(jià)值。隨著黑龍江省玉米秸稈禁燃及資源再利用力度加大的推動(dòng)下，該機(jī)市場(chǎng)前景廣闊。