玉米秸稈皮穰分離機定量喂入裝置研究

王德福，單瑞霞，何袁，李利橋，張美玲，歷雪

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，鄭州 450002）

玉米秸稈皮穰分離機定量喂入裝置研究

王德福1,2，單瑞霞1，何袁1，李利橋1，張美玲1，歷雪1

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，鄭州 450002）

為提高玉米秸稈皮穰分離機喂入效率，設(shè)計定量喂入裝置并進行試驗研究。利用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計方法對影響該裝置喂入性能主要因素（輸出輥轉(zhuǎn)速、輸出輥與限料輥速比、輸送輥與輸出輥速比、輸出口間隙）進行4因子試驗，以通過率和重疊率作為評價指標。結(jié)果表明，定量喂入裝置的主要結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)較優(yōu)組合為：輸出輥轉(zhuǎn)速360～380 r·min-1，輸出輥與限料輥速比0.8～0.9，輸送輥與輸出輥速比0.8～0.9，輸出口間隙約45 mm。經(jīng)試驗驗證，在此參數(shù)組合下，通過率可達99%以上，重疊率低于1%。

玉米秸稈；分離加工；定量喂入；結(jié)構(gòu)；試驗

近年來，玉米秸稈回收利用研究廣泛[1]。由于玉米秸稈皮穰葉的化學(xué)成分相差較大，質(zhì)量各占一定比例（葉51.2%、皮32.9%、穰15.9%），為提高秸稈利用率及利用價值，實現(xiàn)玉米秸稈皮穰葉分離研究具有重要意義[2]。

目前，常見玉米秸稈皮穰分離設(shè)備主要有機械分離式和氣流分選式。我國對機械分離式玉米秸稈皮穰分離機研發(fā)和應(yīng)用較多[3-5]，該機喂入裝置主要采用人工喂入方式，但對玉米秸稈自動定量喂入設(shè)備的研究很少；而氣流分選式皮穰分離設(shè)備，分離效果較好，但成本高。自行研制的機械分離式玉米秸稈皮穰分離機械，為提高其喂入效率、減少人工成本，需要研制自動定量喂入裝置。本文對自行研制的玉米秸稈定量喂入裝置進行試驗研究。

1 試驗設(shè)備

1.1 定量喂入裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計玉米秸稈皮穰分離機定量喂入試驗臺（1 900 mm×800 mm×970 mm），如圖1所示。試驗臺主要由喂入臺、分料板、輸送輥（V型齒槽直徑130 mm）、導(dǎo)向板、斜擋板、輸出輥（U型齒槽直徑112 mm）、限料輥（擋板旋轉(zhuǎn)外徑120 mm）等組成，輸送輥、限料輥及輸出輥間采用鏈傳動。

圖1 玉米秸稈定量喂入裝置試驗臺Fig.1 Configuration of feeding device of corn stalk

玉米秸稈由喂入臺送入（根部向前），經(jīng)過分料板分成4道；再通過輸送輥（輸送輥上配置4個間隔90°配置的V型齒板）向前傳送；位于定量喂入裝置出口端導(dǎo)向板呈喇叭口型，防止秸稈左右竄動，保證秸稈順利進入輸出口；位于導(dǎo)向板前方斜擋板阻攔大部分上層秸稈；輸出口處配置的限料輥繼續(xù)阻擋多余的上層秸稈向前輸送，最底層秸稈則由輸出輥輸出（至玉米秸稈皮穰分離機）。

1.2 輸出口結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

本文設(shè)計配置限料輥和輸出輥的輸出口如圖2所示。

輸出口配置同向旋轉(zhuǎn)的輸出輥和限料輥，輸出輥為U型槽輥（U型槽表面有斜齒），對秸稈施加一個向前的穩(wěn)定作用力，限料輥采用擋板輥，其上間隔90°配置的4個擋板間歇作用于上層秸稈的端部，沒有被斜擋板阻攔的剩余秸稈輸送至輸出口時，由限料輥的擋板阻攔上層秸稈，當輸出輥槽最底層秸稈輸出后，上層秸稈依次下落繼續(xù)輸出，實現(xiàn)秸稈排隊輸出。

圖2 輸出口配置Fig.2 Configuration of outlet

2 材料與方法

2.1 材料

采用根部最大直徑25～38 mm、稈長2 200 mm以上秸稈作為試驗材料，含水率10%。

2.2 試驗設(shè)計

經(jīng)預(yù)試驗，本文選取影響定量喂入裝置喂入性能輸出輥轉(zhuǎn)速（A）、輸出輥與限料輥速比（B）、輸送輥與輸出輥速比（C）、輸出口間隙（D）作為試驗因素進行4因素5水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，其因素水平編碼如表1所示。

表1 試驗因素編碼Table1Experimental factors and levels

2.3 評價指標

本試驗選取通過率和重疊率作為評價指標。

2.3.1 通過率

在1次試驗中，連續(xù)通過輸出口的秸稈數(shù)量占試驗秸稈總數(shù)的百分比稱為通過率。每組試驗重復(fù)4次，每次試驗取10根秸稈，取試驗結(jié)果平均值。其計算公式為

式中，X1為通過率（%）；x1為通過輸出口秸稈數(shù)量（根）；X為試驗秸稈總數(shù)量（根）。

2.3.2 重疊率

在1次試驗中，兩個以上秸稈端部同時從輸出口輸出的秸稈數(shù)量占通過輸出口的秸稈數(shù)量的百分比稱為重疊率。每組試驗重復(fù)4次，每次試驗取10根秸稈，取試驗結(jié)果平均值。其計算公式為

式中，X2為重疊率（%）；x2為兩個以上秸稈端部同時從輸出口輸出的秸稈數(shù)量（根）。

3 結(jié)果與分析

3.1 通過率分析

3.1.1 通過率回歸方程的建立及參數(shù)分析

通過Design Expert軟件對試驗結(jié)果分析，獲得通過率與試驗因素的回歸方程：

由回歸方程的方差分析可知，F(xiàn)Lf1=2.20＜F0.05(10,11)=2.85，F(xiàn)Lf1不顯著，說明本試驗?zāi)Ｐ褪呛线m的；F1=5.96＞F0.05(14,21)=2.21，F(xiàn)1在0.05水平上顯著，說明試驗所選4因子對秸稈通過率有顯著影響。

通過對回歸系數(shù)絕對值的大小比較可知，各因素一次項對通過率影響的主次順序為輸送輥與輸出輥速比（C）＞輸出輥轉(zhuǎn)速（A）＞輸出口間隙（D）＞輸出輥與限料輥速比（B），且輸送輥與輸出輥速比和輸出輥轉(zhuǎn)速對通過率的影響達到極顯著水平。

3.1.2 單因素對通過率的影響

將回歸模型（3）中4個因素的3個固定在零水平上，可得單因素對通過率的影響曲線，如圖3所示。

圖3 各單因素不同水平對通過率的影響Fig.3 Effect of single factors on pass rate

從圖3可知，通過率隨輸出輥轉(zhuǎn)速的增加而提高，這是因為輸出輥和輸送輥對玉米秸稈的推送作用增強；隨輸出輥與限料輥速比增加，通過率先增加后減少，這是因為輸出輥與限料輥速比大時，輸出輥對秸稈推送作用強，而速比過大時，限料輥對秸稈阻擋強度減弱，易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象；通過率隨輸送輥與輸出輥速比的增加呈先增加后減少趨勢；輸出口間隙對通過率影響呈較平緩曲線變化，這是因為輸送輥和輸出輥對秸稈推送力大，而限料輥阻擋作用較強。

3.1.3 兩因素對通過率的影響

以影響顯著的輸出輥轉(zhuǎn)速和輸出口間隙兩因素為例，其對通過率影響的響應(yīng)曲面如圖4所示。由圖4可知，隨著輸出輥轉(zhuǎn)速增加，秸稈通過率逐漸升高，這是因為秸稈所受推送力增強。通過率隨輸出口間隙增大而提高，這是因為輸出口間隙越大，秸稈進入輸出口越順利。

圖4 輸出輥轉(zhuǎn)速和輸出口間隙對通過率的影響Fig.4 Effect of outlet-roll rotation speed and outlet distance on pass rate

3.2 重疊率分析

3.2.1 重疊率回歸方程的建立及參數(shù)分析

通過試驗分析，獲得重疊率的回歸方程（見式4），其分析結(jié)果如表2所示。

由表2可知，本試驗無其他因素的顯著影響，模型是合適的。從表2中P值可知，輸出輥與限料輥速比的一次項（B）和輸送輥與輸出輥速比的一次項（C）對秸稈的重疊率有極顯著影響；輸出輥與限料輥速比和輸出口間隙的互交項（BD）對重疊率有顯著影響；輸出輥轉(zhuǎn)速的二次項（A2）和輸送輥與輸出輥速比的二次項（C2）對重疊率有顯著影響。其他項對重疊率影響不顯著。

3.2.2 單因素對重疊率的影響

將回歸模型（4）中4個因素的3個固定在零水平上，可得單因素對重疊率的影響曲線，如圖5所示。

表2 重疊率試驗數(shù)據(jù)方差分析Table 2 Analysis of mean square of overlap rate

圖5 各單因素不同水平對重疊率的影響Fig.5 Effect of single factors on overlap rate

從圖5可知，重疊率在輸出輥轉(zhuǎn)速較低和較高時都很高，這是因為輸出輥轉(zhuǎn)速較低時，限料輥對秸稈阻擋作用較弱，而輸出輥轉(zhuǎn)速較高時，其對秸稈的帶入輸送能力增強，易造成重疊率升高；當輸出輥與限料輥速比增加時，限料輥對秸稈的阻擋作用減弱造成重疊率增加；當輸送輥與輸出輥速比增加時，輸送輥對秸稈推送力增大，易造成多根秸稈同時沖進輸出口，使重疊率增加；重疊率隨輸出口間隙增大呈增加趨勢，這是因為間隙過大易造成兩根秸稈同時進入輸出口。

3.2.3 兩因素對重疊率的影響

以影響顯著的輸出輥與限料輥速比和輸出口間隙兩因素為例，其對重疊率影響的響應(yīng)曲面如圖6所示。由圖6可知，隨著輸出輥與限料輥速比的減小，重疊率逐漸降低，這是由于限料輥對上層秸稈的阻擋力增強，保證在輸出輥槽最底層秸稈單根輸出。重疊率隨輸出口間隙增大而升高，這是因為間隙增大容易造成多根秸稈同時輸出。

圖6 輸出輥與限料輥速比和輸出口間隙對重疊率的影響Fig.6 Effect of ratio between outlet roll and blocking roll and outlet distance on overlapping rate

3.3 玉米秸稈皮穰分離機定量喂入裝置參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

3.3.1 參數(shù)優(yōu)化

按高通過率和低重疊率原則，以各因素水平區(qū)間為約束條件，對喂入裝置的運動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，當組合參數(shù)為輸出輥轉(zhuǎn)速360～380 r·min-1、輸出輥與限料輥速比0.8～0.9、輸送輥與輸出輥速比0.8～0.9、輸出口間隙約45 mm時，喂入裝置秸稈通過率高于98%，輸出重疊率低于2%。

3.3.2 試驗驗證

依據(jù)上述優(yōu)化參數(shù)組合，本文為前期已研制的（4通道）玉米秸稈皮穰分離機設(shè)計（4道）定量喂入裝置，其具體參數(shù)如下：

①定量喂入裝置尺寸為1 900 mm×800 mm× 970 mm；

②輸送輥確定為5排（間距295 mm），喂入速度從前至后按1.2～2.0 m·s-1進行（均布）取值；輸出輥U型齒槽線速度按2.2 m·s-1（轉(zhuǎn)速370 r·min-1）取值（輸送輥與輸出輥速比約0.9）；限料輥速度按2.4 m·s-1取值（輸出輥與限料輥速比約0.9）；輸出輥與限料輥間隙按45～47 mm進行取值。

本文利用含水率10%的玉米秸稈，對已配備定量喂入裝置的（4通道）玉米秸稈皮穰分離機（圖7）進行試驗驗證。試驗驗證數(shù)據(jù)如表3所示。

圖7 配備定量喂入裝置的玉米秸稈皮穰分離機Fig.7 Separation equipment

表3 配備定量喂入裝置的玉米秸稈皮穰分離機試驗數(shù)據(jù)Table 3 Testing data of separation equipment

4 結(jié)論

a.通過試驗證明，本試驗設(shè)計的玉米秸稈定量喂入裝置能夠有效實現(xiàn)玉米秸稈定量輸出，為后續(xù)秸稈葉、皮、穰的高效分離奠定基礎(chǔ)。

b.通過試驗發(fā)現(xiàn)，運動參數(shù)對秸稈的通過率和重疊率影響較大。本試驗推薦的適宜工作參數(shù)為：輸出輥轉(zhuǎn)速360～380 r·min-1，輸出輥與限料輥速比0.8～0.9，輸送輥與輸出輥速比0.8～0.9，輸出口間隙約45 mm。經(jīng)試驗驗證，通過率可達99%以上，重疊率不到1%。

[1]李捷,郭康權(quán).玉米秸稈髓芯熱壓瓦楞芯紙的試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2005,36(7):89-91.

[2]張紅杰.玉米秸稈皮和瓤的綜合利用[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2012.

[3]劉麗玲,王德福.玉米秸稈皮穰分離機剖穰機構(gòu)試驗研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,42(2):43-47.

[4]朱新華.玉米秸稈莖葉分離特性研究及其分離機研制[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2011.

[5]王德福,陳爭光,于克強.玉米秸稈剝穰機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2012,43(10):90-94.

Study on quantitative feeding device for rind-pith separation equip? ment of corn stalk

WANG Defu1,2,SHAN Ruixia1,HE Yuan1,LI Liqiao1,ZHANG Meiling1,LI Xue1（1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering,HenanAgricultural University,Zhengzhou 450002,China)

Automatic feeding device was needed for improving efficiency of rind-pith separation equipment for corn stalk.Thus,the quantitative feeding device for corn stalk was designed and studied in the paper.Experiment on four factors-rotation speed of outlet roll,ratio between outlet roll and blocking roll,ratio between conveying roll and outlet roll,and outlet distance was carried out by regression of four-factor quadratics rotary orthogonal combination,and the pass rate and overlap rate were chosen as evaluation indexes.By experiments,optimum parameters in structure and motion for the feeding device showed that, rotation speed of output roll 360-380 r·min-1,ratio between output roll and blocking roll 0.8-0.9,ratio between conveying roll and outlet roll 0.8-0.9,outlet distance about 45 mm.According to the parameters,the pass rate was about 99%,the overlap rate was less than 1%.

corn stalk;separation process;quantitative feeding;structure;experiment

S817.19

A

1005-9369（2014）09-0106-05

時間2014-9-18 10:46:53[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140918.1046.010.html

王德福,單瑞霞,何袁,等.玉米秸稈皮穰分離機定量喂入裝置研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014,45(9):106-110.

Wang Defu,Shan Ruixia,He Yuan,et al.Study on quantitative feeding device for rind-pith separation equipment for corn stalk[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(9):106-110.(in Chinese with English abstract)

2013-09-08

高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目（20124105110004）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2009AA043602）；國家科技支撐項目（2011BAD20B08）

王德福（1964-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為畜牧機械化。E-mail：dfwang640203@sohu.com