新型玉米秸稈揉絲機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

馬彩龍，王麗娟，王保愛，張琴，辛尚龍，董海龍，張雪坤，張鋒偉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院，甘肅 蘭州 730101；3.甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006)

秸稈揉絲機(jī)是一種將農(nóng)作物秸稈采用機(jī)械加工的方法使其變?yōu)閯?dòng)物飼料的機(jī)械設(shè)備，在國(guó)內(nèi)主要以小型揉絲機(jī)為主.目前，秸稈揉絲機(jī)在我國(guó)部分地區(qū)的推廣應(yīng)用力度不夠，在西北少數(shù)地區(qū)還存在收獲后期秸稈的田間焚燒問題，這不僅造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，同時(shí)也浪費(fèi)了畜牧業(yè)緊缺的大量生物質(zhì)能源[1-3].針對(duì)我國(guó)西北地區(qū)玉米旱作農(nóng)業(yè)種植模式下的玉米秸稈，現(xiàn)有的秸稈柔絲機(jī)的適應(yīng)性較差.因此，研制一種針對(duì)我國(guó)旱作農(nóng)業(yè)種植模式的秸稈揉絲機(jī)，對(duì)玉米秸稈的飼料化生產(chǎn)及其推廣使用有著重要意義.

近年來，我國(guó)的秸稈揉絲加工機(jī)械發(fā)展速度較快.丁保江等[4]研制生產(chǎn)了9ZR-50型秸稈斷頭機(jī)，集斷頭臺(tái)的切割、揉捏、氨化于一體，克服了普通硬連接及不等飼料長(zhǎng)度的切割機(jī)切割玉米秸稈的缺點(diǎn).張國(guó)鋒[4]研制的9RC-30粗飼料破碎機(jī)加工后的飼料有效的提高了家畜的適口性.沈衛(wèi)強(qiáng)等[6]研制的9RSZ-540型秸稈破碎機(jī)，將傳統(tǒng)粉碎機(jī)的粉碎室與拋撒室結(jié)合起來，大大提高了拋撒能力.蘇宏煜等[7]針對(duì)秸稈(特別是綠色秸稈)營(yíng)養(yǎng)成分的流失問題設(shè)計(jì)了9LRC-6型立式秸稈捏合機(jī)，將微生態(tài)殺菌劑與機(jī)械捏合起來，設(shè)計(jì)了9LRC-6型立式秸稈揉絲機(jī)，較好地滿足了牛、羊、鵝等畜禽的飼料要求.尚坦[8]設(shè)計(jì)了9RSZ-3型秸稈揉絲機(jī)，有效的提高了揉搓機(jī)構(gòu)對(duì)絲狀秸稈物料揉搓拋送的作業(yè)要求.張偉[9]利用秸稈抖動(dòng)進(jìn)料板進(jìn)料工藝設(shè)計(jì)了9RS-3型秸稈揉絲機(jī)，提髙了秸稈的進(jìn)料速率和秸稈絲化率.以上研究雖然對(duì)機(jī)械部件或機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，但是不能滿足我國(guó)西北旱作農(nóng)業(yè)種植模式下玉米秸稈的揉絲質(zhì)量和飼料加工的農(nóng)藝要求.本文以國(guó)內(nèi)秸稈后處理現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)秸稈揉絲機(jī)發(fā)展水平為背景，結(jié)合飼料加工的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了1種新型玉米秸稈揉絲機(jī)，其目的是設(shè)計(jì)1款符合我國(guó)北方旱區(qū)的玉米秸稈揉絲機(jī)，在提高秸稈切斷率和絲化率的同時(shí)提高飼料的適口性.

1 農(nóng)藝加工要求

從反芻動(dòng)物的適口性和營(yíng)養(yǎng)角度分析，飼料加工后的長(zhǎng)度大約在20～30 mm，并具有一定的柔軟性[10-11].因此，為了保證切碎后秸稈絲長(zhǎng)度的均勻性，選擇玉米秸稈切碎形式為切刀滾筒式布置，并選取動(dòng)力傳遞方式為帶傳動(dòng).同時(shí)，根據(jù)飼料適口性和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值最佳，其含水率為50%～70%，也就是其秸稈收割之后的45 d內(nèi)為最優(yōu)加工期[10].由于水分較大，玉米秸稈在揉搓時(shí)粘堵現(xiàn)象會(huì)對(duì)該機(jī)的效率產(chǎn)生影響.因此，設(shè)計(jì)的錐輥壓扁裝置的紋桿采用導(dǎo)向槽的方式，并在軸上加裝彈簧和揉搓間隙控制螺桿，從而防止秸稈在揉搓時(shí)發(fā)生堵塞.

從玉米秸稈的生物特性和物理特性來說，秸稈在徑向和軸向上的結(jié)構(gòu)組織明顯不同，在2種方向上表現(xiàn)出不同的力學(xué)性質(zhì).因此，秸稈在壓縮、切割粉碎和揉搓等加工過程中受力不同而體現(xiàn)出各種特性，如抗壓(擠)、抗拉和抗剪切等[12-14].吳子岳等[15]對(duì)玉米秸稈切斷速度進(jìn)行了極差分析，結(jié)果表明，切割方式對(duì)切斷速度的影響最大，采用滑切所需的切斷速度比砍切低約4.34 m/s.因此，刀具的設(shè)計(jì)、切割方式以及刀具的布置對(duì)玉米秸稈的切斷力有重要影響，張晉國(guó)[16]研究表明，滑切線速度為34 m/s時(shí)切斷率最佳.

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1為新型玉米秸稈揉絲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，樣機(jī)由機(jī)架、動(dòng)力裝置、壓扁劃絲機(jī)構(gòu)、切割裝置和揉搓機(jī)構(gòu)組成.其中，傳動(dòng)裝置由帶輪、齒輪等部件組成；壓扁劃絲機(jī)構(gòu)由喂料斗、劃絲輥、壓扁輥等組成；切割機(jī)構(gòu)的主要部件是滾筒式切碎刀；揉搓機(jī)構(gòu)由集料口、揉搓外壁、紋桿、花鍵以及用于傳動(dòng)的斜齒輪組成.所選電動(dòng)機(jī)的額定功率為18.5 kW.

新型玉米秸稈揉絲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.

1：喂料斗；2：壓扁劃絲機(jī)構(gòu)；3：切割裝置；4：機(jī)架；5：揉搓裝置；6：地輪；7：電動(dòng)機(jī)；8：皮帶.1：feed hopper;2：flattening shredding device;3：cutting device;4：frame;5：kneading device;6：wheel;7：motion;8：belt.圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure diagram of the machine

表1 整機(jī)主要性能參數(shù)

2.2 工作原理

圖2所示為該新型玉米秸稈揉絲機(jī)工作示意圖.電動(dòng)機(jī)輸出的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力通過帶輪傳送機(jī)構(gòu)分別傳至壓扁劃絲機(jī)構(gòu)、切割裝置和揉搓機(jī)構(gòu).玉米秸稈在壓扁輥和劃絲輥的共同作用下將其壓扁并進(jìn)行劃絲，隨后由高速旋轉(zhuǎn)的割刀切割絲狀秸稈長(zhǎng)度約為20～30 mm，隨后在自身重力的作用下經(jīng)導(dǎo)向板落入集料口并進(jìn)入揉絲腔，物料在紋桿作用下，一邊沿內(nèi)圓臺(tái)作徑向圓周運(yùn)動(dòng)，另一邊沿圓臺(tái)母線方向斜向下運(yùn)動(dòng)，在此過程中，物料與紋桿及揉搓外壁之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生摩擦，從而完成揉搓作業(yè).

1：電動(dòng)機(jī)；2：皮帶輪；3：皮帶；4：壓扁輥；5：劃絲輥；6：齒輪；7：導(dǎo)流板；8：動(dòng)刀架；9：動(dòng)刀片；10：揉搓室；11：錐形齒輪.1：motor;2：pulley;3：belt;4：flattening roll;5：shredding roller;6：gear;7：guide plate;8：frame of cutter;9：knife;10：rubbing room;11：conical gear.圖2 傳動(dòng)方案Figure 2 Transmission scheme

3 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 壓扁滑絲機(jī)構(gòu)

如圖3-A所示為壓扁劃絲機(jī)構(gòu)軸測(cè)示意圖，該機(jī)構(gòu)借鑒王紅提[17]報(bào)道的秸稈揉絲機(jī)設(shè)計(jì)了壓扁化絲機(jī)構(gòu)，壓扁輥和劃絲輥對(duì)玉米秸稈的作用力包括正壓力F和摩擦力f.工作時(shí)秸稈受力分析如圖3-B所示.f與F垂直，兩輥軸心連線與F間的夾角為α.其中，壓扁輥與劃絲輥的直徑相同.該機(jī)構(gòu)工作時(shí)滿足：

2fcosα≥2Fsinα

(1)

式中，f為玉米與兩輥之間摩擦力(N)；F為兩輥對(duì)玉米秸稈正壓力(N)；α為兩輥軸心連線與F間的夾角(°).兩輥的半徑滿足：

(2)

式中，r為兩輥半徑(mm)；h為被輥α壓縮后的物料厚度(mm)，一般取值5～10 mm；H為被輥?zhàn)訅嚎s前的厚度(mm)，一般取值10～30 mm.

1：帶輪；2：支架；3：調(diào)節(jié)螺栓；4：連桿；5：壓扁輥；6：齒輪；7：化絲輥.1：belt wheel;2：bracket;3：adjusting bolts;4：link rod;5：flattening roll;6：gear;7：shredding roller.圖3 壓扁劃絲機(jī)構(gòu)Figure 3 The device of straw compressed and cutting silk

兩輥線速度可根據(jù)下式計(jì)算：

(3)

式中，L0為切割后秸稈絲長(zhǎng)度(mm)，一般取值20～40 mm；T為刀片切割周期(s).

兩輥轉(zhuǎn)速為

(4)

式中，d為兩輥直徑(mm).

由式(1)、(2)可得，兩輥半徑滿足r≥56 mm，取r=80 mm.由式(3)、(4)可得，兩輥的轉(zhuǎn)速近似為413 r/min，取n=450 r/min.

3.2 切割機(jī)構(gòu)

如圖4所示，切割機(jī)構(gòu)借鑒9ZS-4飼草揉碎機(jī)和盤刀式鍘草機(jī)切碎器的切割機(jī)構(gòu)結(jié)合本機(jī)改進(jìn)為滾筒式切碎刀[18-19].該裝置主要由主軸、刀架、動(dòng)刀片和定刀片組成，動(dòng)刀架固定在主軸上，動(dòng)刀片刀刃所在直線與過主軸平面的夾角為15°，定刀片固定在定刀架上.固定在動(dòng)刀架上的動(dòng)刀片做圓周運(yùn)動(dòng)，將壓扁劃絲機(jī)構(gòu)輸出的玉米秸稈進(jìn)行循環(huán)切割.動(dòng)刀片刀刃處的線速度v為34 m/s.取該機(jī)的動(dòng)刀的圓周直徑D為500 mm，并按等間距6刀布置.則切割裝置的主軸轉(zhuǎn)速：

1：主軸；2：動(dòng)刀片；3：刀架；4：軸承座.1：shaft；2：knife；3：cutter frame；4：bearing seat.圖4 切割裝置Figure 4 Cutting device

(5)

刀片切割的周期為：

(6)

式中，D為動(dòng)刀圓周直徑(mm)，一般取值500 mm；N為動(dòng)刀片數(shù)目(個(gè))，一般取值6個(gè)；v為動(dòng)刀線速

度(mm)，一般取值34 m/s.

3.3 錐輥式揉搓裝置

該裝置如圖5所示，內(nèi)圓臺(tái)裝有紋桿，內(nèi)圓臺(tái)的錐角為α，紋桿形成平面與圓臺(tái)的底面的夾角為β，圓臺(tái)的高度為h，圓臺(tái)的底面半徑為R，頂面半徑為r.

1：內(nèi)圓臺(tái)；2：紋桿；3：外殼.1：inner circle;2：rasp bar;3：shell.

3.3.1 紋桿形成原理及形成曲面 如圖5所示，紋桿曲線的成形可以看成是通過圓臺(tái)中心線的平面繞該平面與頂面圓的交線偏轉(zhuǎn)β角度后，該平面(紋桿成形平面)與圓臺(tái)的角線[20].通過計(jì)算可得紋桿的平面曲線方程為：

(7)

式中，s=R2-h2cos2β；m=|cos2β-cot2α|；n=hcosβcotβ-Rcotα

3.3.2 運(yùn)動(dòng)分析 通過物料的運(yùn)動(dòng)軌跡分析，曲面上一點(diǎn)為(X，Y，Z)，則物料從圓臺(tái)到該點(diǎn)在圓周方向上的轉(zhuǎn)角為：

(8)

式中，t為曲線上的點(diǎn)到交線AB的距離；v(t)為物料運(yùn)動(dòng)方向與圓周切線方向的夾角.

則曲線上任意一點(diǎn)(X，Y，Z)的參數(shù)方程為：

(9)

4 性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料

新型玉米秸稈揉絲機(jī)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械中心完成了樣機(jī)的研制，并進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn).試驗(yàn)材料為試驗(yàn)田收割打捆后自然狀態(tài)下20 d的玉米秸稈(富農(nóng)1號(hào))，根部直經(jīng)為18～34 mm，中部直徑為12～27 mm，梢部直徑為6～11 mm.秸稈的平均含水率為63%.

4.2 秸稈絲化率、噸料電耗及單位生產(chǎn)率的測(cè)定

試驗(yàn)按照NY/T509-2015《秸稈揉絲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》的要求進(jìn)行[21].用磅秤稱出試驗(yàn)秸稈質(zhì)量G.試驗(yàn)過程中用智能電表測(cè)定耗電量N.秸稈絲化率參照公式(10)計(jì)算，噸料電耗參照公式(11)計(jì)算，單位功率生產(chǎn)率參照公式(12)計(jì)算，試驗(yàn)所用時(shí)長(zhǎng)為35 min.

(10)

式中，S為秸稈絲化率(%)；m1為秸稈絲質(zhì)量(g)；m2為樣品質(zhì)量(g).

(11)

式中，Q為噸料電耗(kW·h/t)；G為秸稈質(zhì)量(kg)；N為耗電量(kW·h)；Cb為秸稈標(biāo)準(zhǔn)含水率(%)，一般取值60%；C為試驗(yàn)秸稈含水率(%).

(12)

式中，E為單位功率生產(chǎn)率(kg/(kW·h))；T為試驗(yàn)時(shí)間(min)；P為配套動(dòng)力總功率(kW/h).

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

新型玉米秸稈揉絲機(jī)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.該新型玉米秸稈揉絲機(jī)作業(yè)時(shí)，秸稈絲化率為95%，秸稈絲切割長(zhǎng)度為20～40 mm，噸料電耗為2.4 kW/(h·t)，單位功率生產(chǎn)率為417 kg/(kW·h).試驗(yàn)結(jié)果符合NY/T509-2015《秸稈揉絲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》的設(shè)計(jì)要求[16].工作時(shí)，機(jī)具運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，生產(chǎn)率高，符合玉米秸稈揉絲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范要求.

表2 整機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果

5 討論

通過理論分析與室內(nèi)試驗(yàn)，可以得到影響玉米秸稈揉絲絲化質(zhì)量的因素主要有玉米秸稈節(jié)處產(chǎn)生的抗壓性、玉米秸稈的直徑以及玉米秸稈的含水率.為了消除玉米秸稈節(jié)處產(chǎn)生的抗壓性，本研究采用了壓扁輥徑向三角齒和劃絲輥軸向三角齒的設(shè)計(jì)，兩輥之間通過齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞，并利用手柄與彈簧實(shí)現(xiàn)兩輥間距的調(diào)節(jié)以適應(yīng)玉米秸稈的直徑，使玉米秸稈在劃絲過程中在有節(jié)處與秸稈根部和稍部的揉絲質(zhì)量都得到了極大的改善.且在對(duì)不同含水率的玉米秸稈進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，所得到的物料均滿足玉米秸稈揉絲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范要求.

玉米秸稈的揉絲長(zhǎng)度主要受切割機(jī)構(gòu)動(dòng)刀的轉(zhuǎn)速、揉搓裝置錐輥與外殼間距及錐輥轉(zhuǎn)速的影響.當(dāng)切割機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 200 r/min時(shí)，秸稈絲的長(zhǎng)度可以控制在30 mm左右；切割后的秸稈絲通過揉搓裝置產(chǎn)生的物料長(zhǎng)度為17～42 mm，符合青貯飼料加工的要求，通過行走地輪可移動(dòng)機(jī)具，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的收集作業(yè)，在后續(xù)樣機(jī)的改進(jìn)中應(yīng)在出料口加裝物料的收集裝置，以提高生產(chǎn)作業(yè)效率.另外，噸料電耗及單位功率生產(chǎn)率是秸稈揉絲機(jī)的主要生產(chǎn)率指標(biāo)之一，該機(jī)通過參數(shù)優(yōu)化和合理配置動(dòng)力，使得各項(xiàng)指標(biāo)均符合NY/T509-2015《秸稈揉絲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》的設(shè)計(jì)要求[16].

6 結(jié)論

對(duì)設(shè)計(jì)的新型玉米秸稈揉絲機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了優(yōu)化分析和參數(shù)計(jì)算，得出了各個(gè)部件的最優(yōu)參數(shù).壓扁機(jī)構(gòu)中壓扁輥和劃絲輥的直徑為160 mm，轉(zhuǎn)速為450 r/min；切割機(jī)構(gòu)中，動(dòng)刀的圓周直徑為500 mm，主軸轉(zhuǎn)速為1200 r/min；揉搓裝置中內(nèi)圓臺(tái)錐角為66°，轉(zhuǎn)速為450 r/min.

室內(nèi)試驗(yàn)表明，玉米秸稈含水率為63%時(shí)，該機(jī)的秸稈絲化率可達(dá)95%以上，秸稈絲切割長(zhǎng)度可精確到20～35 mm，噸料電耗為2.4 kW/(h·t)，單位功率生產(chǎn)率為417 kg/(kW·h).有效提高了飼料質(zhì)量.試驗(yàn)證明，該新型玉米秸稈揉絲機(jī)能夠滿足我國(guó)北方旱區(qū)玉米全膜雙壟溝播種植模式下的玉米秸稈的揉絲作業(yè)，該機(jī)具可為后續(xù)玉米秸稈揉絲機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化改進(jìn)提供參考依據(jù).