稻草水洗撕裂機(jī)運(yùn)動(dòng)分析

陳義厚 （長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州434025）

我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源十分豐富，農(nóng)作物秸稈的綜合利用已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)新焦點(diǎn)。以農(nóng)作物秸稈作為食用菌培養(yǎng)料早已在食用菌行業(yè)發(fā)展起來(lái)。為進(jìn)一步提高食用菌的經(jīng)濟(jì)效益，食用菌培養(yǎng)過(guò)程中培養(yǎng)料的制備是一個(gè)關(guān)鍵，備料的經(jīng)濟(jì)效益直接影響食用菌生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益［1］。目前，秸稈作為食用菌培養(yǎng)料其加工方法主要有機(jī)械切斷或粉碎及其他化學(xué)方法。營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究表明，食用菌培養(yǎng)料的制備原料稻草在切斷或粉碎后營(yíng)養(yǎng)成分丟失過(guò)多，這不利于其作為營(yíng)養(yǎng)食用菌培養(yǎng)料的原料。而將稻草撕裂成細(xì)長(zhǎng)絲狀，然后再作為培養(yǎng)料其營(yíng)養(yǎng)損失大大降低，這對(duì)食用菌的培養(yǎng)是很有利的。本研究主要從稻草的物理絲化方法入手設(shè)計(jì)了一種新的稻草加工處理機(jī)械——稻草水洗撕裂機(jī)，其主要作用是完成稻草的物理撕裂作業(yè)，為食用菌培養(yǎng)料的制備做準(zhǔn)備。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

該機(jī)由機(jī)座、電機(jī)、皮帶輪、傳動(dòng)軸、底刀座、底刀、撕裂刀、刀架輥、擋水罩、擋水槽等組成［2］，如圖1所示。

其工作原理如下：電動(dòng)機(jī)7通過(guò)帶傳動(dòng)8將動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)軸4；傳動(dòng)軸4通過(guò)法蘭盤2與刀架輥5連接在一起，這樣傳動(dòng)軸4就帶動(dòng)刀架輥5旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)連接在刀架輥上的撕裂刀1繞軸旋轉(zhuǎn)。稻草從喂入口喂入機(jī)內(nèi)，由于撕裂刀在刀架輥上按特殊的雙線螺紋排列，稻草在撕裂的過(guò)程中將受到撕裂刀對(duì)其的軸向作用力，底刀12是靜止的；因此撕裂刀和底刀之間形成剪切作用，由于撕裂刀制成特殊形狀 （等滑切角），在這個(gè)剪切作用下稻草將被撕裂。

圖1 結(jié)構(gòu)與原理圖

2 撕裂機(jī)理的初步分析

2.1 橫斷切、斜滾切、削切、撕裂的差異比較

由于稻草秸稈主要由纖維素構(gòu)成，其纖維方向與莖稈軸線方向平行。因此切割莖稈的方向與其切割阻力和功率消耗有著密切的關(guān)系。根據(jù)已有的資料，按圖2幾種切割方向 （橫斷切：切割面和切割方向與莖稈的軸線方向垂直；斜切：切割面與莖稈軸線偏斜，但切割方向與莖稈的軸線方向垂直；削切：切割面和切割方向都與莖稈的軸線方向偏斜；撕裂：刀刃切線方向與軸線方向平行）。其切割阻力和功率消耗有較大的差異。

圖2 幾種切割方向

經(jīng)試驗(yàn)可知：橫斷切的切割阻力和功率消耗最大；斜切較橫斷切的切割阻力和功率消耗降低30%～40%；削切較橫斷切的切割阻力降低60%，功率消耗降低30%。而撕裂消耗的功率最小，功率消耗降低50%以上。

切割理論指出：刀刃的運(yùn)動(dòng)方向?qū)η懈钭枇τ绊戄^大，如刀刃沿垂直于刃線方向切入莖稈時(shí)，則切割阻力較大；若刀刃沿刃線的垂線偏一α角方向切入莖稈時(shí) （為滑切），則切割阻力較小［3］。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可歸納為下列經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，P為切割阻力；s為滑切長(zhǎng)度。

對(duì)于撕裂，由于其撕裂過(guò)程與切割過(guò)程有很多相似之處，因此這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式也可以引用到撕裂過(guò)程當(dāng)中。

2.2 稻草材料的力學(xué)行為分析

在切割理論中，為減小功率耗用，切割刀片一般采用等滑切角設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)已大量應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，并且起到很好的經(jīng)濟(jì)效益。而對(duì)于稻草撕裂機(jī)的設(shè)計(jì)，需要建立相應(yīng)的撕裂理論，因撕裂與切割有很大的相似之處，如圖3所示將稻草理想化為帶狀物，則切割過(guò)程實(shí)際上就是要求從帶狀物的ab方向?qū)⑵淝袛?。根?jù)材料力學(xué)原理可知，ab方向的剪切力與ab方向的剪切彈性模量有關(guān)。對(duì)于撕裂過(guò)程，實(shí)際上就是沿帶狀物的長(zhǎng)度方向cd切斷，這個(gè)過(guò)程就是撕裂過(guò)程。同樣根據(jù)材料力學(xué)原理可知，其撕裂力與cd方向的剪切彈性模量有關(guān)。對(duì)于稻草而言，ab方向和cd方向的剪切彈性模量差別是很大的，反映到實(shí)際中就是ab方向 （即將稻草拉斷或切斷）需要較大的力才能將其破壞；而cd方向易與將其撕開(kāi)。

圖3 撕裂切割對(duì)比分析圖

綜上所述，對(duì)于帶狀稻草，切割與撕裂其實(shí)質(zhì)是一樣的，都是稻草在力的作用下破壞而形成碎狀或絲狀。所不同的是，稻草在這2個(gè)方向的破壞其力學(xué)特性不同；也就是說(shuō)2個(gè)方向要將其破壞，只是所需要的力不一樣而已。因此，在撕裂理論還沒(méi)有建立的前提下，借鑒切割理論用來(lái)研究撕裂過(guò)程很有必要，而且在一定范圍是有效的。故后述的研究都是建立在較成熟的切割理論的基礎(chǔ)上來(lái)設(shè)計(jì)的。

2.3 撕裂刀的工作過(guò)程分析

為了分析論證稻草撕裂機(jī)的撕裂效果，有必要對(duì)撕刀的撕裂過(guò)程進(jìn)行分析，圖4是撕刀在機(jī)內(nèi)的安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

由圖4可知，刀架輥與底刀安裝板之間形成一個(gè)狹小的空間。稻草喂入機(jī)內(nèi)后將被限制在刀架輥與底刀安裝板的狹小空間內(nèi)，因此受到刀架輥與底板對(duì)其的擠壓作用，在這個(gè)作用下稻草同時(shí)會(huì)受到底板對(duì)其的摩擦和底刀產(chǎn)生的阻礙作用，由于受多方面的作用，撕刀的絕對(duì)速度將大于稻草在機(jī)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)速度，在這個(gè)速度差的作用下稻草即可被撕裂。

由于稻草撕裂時(shí)撕刀的撕裂方向沿稻草的纖維方向。加之稻草本身的外形較細(xì)，所以撕刀很容易處在2根稻草之間的間隙中，如果稻草排列為理想的整齊狀態(tài)，很顯然撕刀將出現(xiàn)空轉(zhuǎn)而達(dá)不到應(yīng)有的撕裂效果。而實(shí)際上，稻草受到一定的擠壓，還有相連兩底刀的限制作用，撕刀將很容易通過(guò)自身的撕裂齒的掛帶作用將稻草撕裂。但實(shí)際工作過(guò)程比較復(fù)雜，有些可能在一段時(shí)間達(dá)不到撕裂。但只要有足夠的時(shí)間，所有的稻草將被撕裂。所以撕裂機(jī)的工作效果在理論上是行得通的。

圖4 撕裂工作過(guò)程分析圖

2.4 刀片等滑切角幾何模型的建立

任何刀具在完成切割、撕裂等工作都需要耗用一定的功率，不同的刀刃曲線對(duì)功率的耗用是有很大差別的。為了尋求較低的功率耗用，必須從理論上分析和建立設(shè)計(jì)依據(jù)。因撕裂理論還沒(méi)有相關(guān)的理論依據(jù)可供參考，考慮切割與撕裂的對(duì)比的相似之處，因此切割理論對(duì)撕裂理論的建立有很大的參考價(jià)值。下面就等滑切角幾何模型作簡(jiǎn)要分析［4］。如圖5所示，取坐標(biāo)軸OX與刀柄中軸線DE重合，動(dòng)刀片繞其極點(diǎn)O回轉(zhuǎn)進(jìn)行撕裂。當(dāng)?shù)镀@極點(diǎn)O由任意θ角轉(zhuǎn)dθ角時(shí)，其上任意點(diǎn)M變到M′點(diǎn)，矢徑r變到r′，增加dr；若dθ很小，趨近于零，可視為直線，弧與直線MN相等。若以v，vm，vt分別代表M′點(diǎn)的速度、法向速度、切向速度。根據(jù)滑切角的定義，在ΔMM′N 中有：

圖5 等滑切角幾何模型分析圖

若曲線上滑切角為給定常數(shù)，且令tanτ＝k，則上式變?yōu)椋?/p>

等式兩邊積分得：

當(dāng)θ＝0時(shí)，C1＝lnr0（r0為θ＝0時(shí)時(shí)r的值）。由此解得：

該方程即為對(duì)數(shù)螺線方程 （等滑切角曲線方程）。它的幾何意義為經(jīng)過(guò)極點(diǎn)O的各條射線與曲線交點(diǎn)的切線間的夾角均相等，且等于刀片的給定滑切角，這即為等滑切角刀片設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

2.5 稻草在撕裂機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)分析

稻草在撕裂機(jī)內(nèi)主要受到撕裂刀和底刀的相互作用力，撕裂刀可能將稻草牽帶一起作圓周運(yùn)動(dòng)。由于底刀的作用，當(dāng)?shù)静荼坏椎稈鞄Ш蟮静輰⒃诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)完成撕裂工作。稻草撕裂機(jī)的結(jié)構(gòu)原理很簡(jiǎn)單，但是撕裂機(jī)的工作過(guò)程確十分復(fù)雜。稻草即不能視為質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，也不能視為稈件類物體的運(yùn)動(dòng)。因?yàn)榈静菰谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中有可能纏繞一定的時(shí)間，這就說(shuō)明稻草這種材料幾乎不可能將其進(jìn)行簡(jiǎn)化。因?yàn)楹?jiǎn)化后誤差太大，最后得到的結(jié)論將沒(méi)有多大意義。為了較為真實(shí)地了解稻草在機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，最好的辦法是通過(guò)觀察設(shè)備或攝相設(shè)備繪制出稻草在機(jī)內(nèi)的瞬間運(yùn)動(dòng)照片。在通過(guò)一定的分析就可判斷稻草的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。

了解稻草在撕裂機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況主要是為了分析撕裂機(jī)的各部件對(duì)稻草撕裂的影響情況，以便于找到最好的撕裂效果，而且是最經(jīng)濟(jì)的。所以稻草撕裂機(jī)的機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)分析對(duì)于理論研究是十分重要的。

3 小結(jié)

稻草水洗撕裂機(jī)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，使用安全可靠；稻草經(jīng)該機(jī)加工后，被切成100mm左右的半成品，并撕裂開(kāi)來(lái)，有利于微生物吸收養(yǎng)分的需要；該機(jī)使得利用稻草作為栽培食用菌的原料的廣泛應(yīng)用成為可能。稻草原料來(lái)源廣泛，成本低廉。湖北省是全國(guó)水稻集中產(chǎn)區(qū)之一，稻草資源豐富。以湖北監(jiān)利、洪湖等集中產(chǎn)稻區(qū)為例，1kg稻草成本0.2元，經(jīng)該機(jī)加工后，能生產(chǎn)鮮菇類0.5～0.8kg，產(chǎn)值0.9～1.5元，扣除綜合成本0.3～0.4元，1kg稻草經(jīng)濟(jì)效益0.6～1.1元。開(kāi)發(fā)利用稻草資源對(duì)提高產(chǎn)稻區(qū)農(nóng)民的積極性意義重大，且能消除由于焚燒給農(nóng)村農(nóng)田帶來(lái)的環(huán)境污染。

［1］陳啟武.香菇與姬松茸 ［M］.貴陽(yáng)：貴州科學(xué)技術(shù)出版社，2003：19－20.

［2］陳義厚，李定國(guó).稻草水洗撕裂機(jī)的研制 ［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2004，（2）：112－113.

［3］劉德軍.農(nóng)作物秸稈絲化加工特點(diǎn)及機(jī)理分析 ［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2004，（7）：58－60.

［4］郭 艷.盤刀式切碎器刀刃曲線對(duì)切割能耗的影響 ［J］.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，（2）：38－39.