揉碎玉米秸稈螺旋-氣力耦合輸送裝置設(shè)計(jì)

烏蘭圖雅，青 林，王春光

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揉碎玉米秸稈螺旋-氣力耦合輸送裝置設(shè)計(jì)

烏蘭圖雅，青 林，王春光※

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018）

為解決揉碎玉米秸稈螺旋輸送過程中的生產(chǎn)率低、功耗大、易堵塞及機(jī)件磨損嚴(yán)重等問題，該文設(shè)計(jì)了一種螺旋-氣力耦合輸送裝置，并以揉碎玉米秸稈為原料開展了試驗(yàn)研究。螺旋-氣力耦合輸送裝置主要由螺旋輸送裝置和氣力輔助輸送系統(tǒng)組成。其中氣力輔助輸送系統(tǒng)主要由噴射角度可調(diào)的Y型噴嘴座、噴嘴、最大出氣壓力為1.6 MPa的空氣壓縮機(jī)、直徑為10 mm的PPR(polypropylene random)管和15°彎管及壓力表等組成。螺旋輸送裝置主要由機(jī)殼、螺旋葉片和中心軸等組成，其關(guān)鍵參數(shù)為：螺旋葉片外徑為250 mm，中心軸直徑為60 mm，螺距為335 mm，螺旋槽用U型機(jī)殼。以比功耗、軸向推力、螺旋葉片及機(jī)殼各部位所受壓力作為輸送性能指標(biāo)，對(duì)施加氣流前后各部位所受壓力進(jìn)行測試。結(jié)果表明，當(dāng)螺距為335 mm、螺旋軸轉(zhuǎn)速為100 r/min、喂入量為70 kg/min、氣流速度為10～50 m/s時(shí)，隨著氣流速度的增大，輸送裝置的比功耗先減小后增大。當(dāng)氣流速度為20 m/s時(shí)比功耗最小，為10.78 W/kg，比無氣流時(shí)的比功耗減小了8.3%，軸向推力、葉片和機(jī)殼各部位所受壓力隨著氣流速度的增大而減小，且均小于不加氣流時(shí)的值。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；秸稈；螺旋-氣力耦合；輸送

0 引 言

揉碎玉米秸稈呈柔軟、蓬松的絲狀，由于破壞了表面硬質(zhì)與莖節(jié)，且不損失營養(yǎng)成分，成為宜于采食、適口性好、便于消化吸收的牲畜飼喂草料，提高了草料利用率[1-4]。輸送是秸稈飼料化工程中的必要工序之一。

目前，秸稈加工的輸送方式主要有氣力輸送、螺旋輸送、膠帶輸送、刮板輸送、斗式提升和鏈板輸送等[5-8]。其中，螺旋輸送裝置由于其結(jié)構(gòu)緊湊、布置靈活、密封性好、加料量可控等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于揉碎玉米秸稈的加工，但是由于揉碎玉米秸稈密度小、黏性大，流動(dòng)性差輸送性能難以得到保證。目前對(duì)于農(nóng)業(yè)纖維物料螺旋輸送裝置的研究主要集中在農(nóng)作物收獲及加工處理設(shè)備方面[9-14]。課題組前期對(duì)揉碎玉米秸稈的螺旋輸送過程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺旋槽內(nèi)的物料受到螺旋葉片的法向推力和切向摩擦力作用，同時(shí)還會(huì)受到螺旋軸及側(cè)壁軸向和周向摩擦力作用[15-18]。由于揉碎玉米秸稈的特殊性質(zhì)及輸送過程中不斷被擠壓，其密度不斷增大，流動(dòng)性變差，在輸送方向上存在軸向滯后，在螺旋軸與機(jī)殼間大量堆集，使得螺旋軸在輸送物料的同時(shí)承受很大的徑向摩擦力，螺旋葉片與機(jī)殼嚴(yán)重磨損，降低了輸送裝置的生產(chǎn)率，增大功耗，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致堵塞。

因此，設(shè)計(jì)一種防堵塞、高能效的螺旋輸送裝置具有現(xiàn)實(shí)意義。螺旋流輸送是由軸向平直流和渦流合成的一種輸送方式[19]。輸送物料時(shí)，軸向平直流起軸向輸送作用，直接影響物料的輸送速度，渦流對(duì)物料起“旋浮”作用，能有效減少物料的堆積量。農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中，螺旋流輸送廣泛應(yīng)用于固體顆粒的輸送，在農(nóng)業(yè)纖維物料的輸送方面應(yīng)用較少。中國專利公開了一些螺旋氣力復(fù)合輸送裝置[20-23]，但均未見相關(guān)的試驗(yàn)和產(chǎn)品應(yīng)用報(bào)道。

本文針對(duì)螺旋輸送裝置的特性，綜合考慮螺旋流輸送原理，設(shè)計(jì)了一種螺旋-氣力耦合輸送裝置，在螺旋槽內(nèi)流通并與螺旋葉片螺旋升角相適應(yīng)的氣流，一方面可減小物料與機(jī)殼和螺旋葉片之間的摩擦力，降低功耗，另一方面會(huì)給物料施加軸向推力，增強(qiáng)其流動(dòng)性，減少物料的堆積量及軸向滯后，提高輸送裝置的生產(chǎn)率。

1 螺旋-氣力耦合輸送裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 螺旋-氣力耦合輸送裝置總體結(jié)構(gòu)與工作原理

螺旋-氣力耦合輸送裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由螺旋輸送裝置和氣力輔助輸送系統(tǒng)組成。螺旋輸送裝置主要由變頻電動(dòng)機(jī)、彈性聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、喂料器、螺旋軸、U型機(jī)殼等組成，螺旋葉片與機(jī)殼之間的間隙為5～8 mm。輸送氣力輔助輸送系統(tǒng)主要由Y型噴嘴座、噴嘴、空氣壓縮機(jī)、氣管和壓力表等組成。工作時(shí)，由變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋軸，采用空氣壓縮機(jī)在螺旋槽內(nèi)流通氣流。物料由喂料器進(jìn)入螺旋槽內(nèi)，并在螺旋軸和氣流的耦合作用下做螺旋運(yùn)動(dòng)。

1. 電機(jī) 2. 聯(lián)軸器1 3. 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 4. 聯(lián)軸器2 5. 壓力表 6. 氣管7. 空氣壓縮機(jī) 8. 單相直流調(diào)速電機(jī) 9. 喂料器 10. Y型噴嘴座 11. 直管 12. 彎管 13. 螺旋軸 14. 機(jī)殼

表1 螺旋-氣力耦合輸送裝置結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

1.2 螺旋輸送裝置關(guān)鍵參數(shù)確定

1）螺旋葉片外徑。螺旋葉片外徑是決定輸送裝置生產(chǎn)能力的重要參數(shù)之一，與輸送物料的特征有關(guān)。本文根據(jù)《機(jī)械工程手冊(cè)》上的標(biāo)準(zhǔn)系列及現(xiàn)有的試驗(yàn)條件，選擇螺旋葉片外徑250 mm。

2）中心軸直徑。螺旋輸送裝置中心軸的計(jì)算公式[24-27]為

= (0.2～0.35)（1）

式中表示中心軸直徑，mm；表示螺旋葉片外徑，mm。

中心軸直徑過大，螺旋槽內(nèi)的空間變小，揉碎玉米秸稈在狹小的空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)堆積量大，其通過性差，物料間的相互擠壓程度高，物料與物料、物料與螺旋葉片和機(jī)殼之間的摩擦阻力增大，導(dǎo)致生產(chǎn)率、輸送效率降低，功耗增大。中心軸直徑過小，其強(qiáng)度和剛度不能滿足使用需求。綜合考慮，取中心軸直徑=60 mm。

3）螺旋葉片的螺距。螺距的計(jì)算公式[24-27]為

= (0.5～2.2)（2）

式中表示螺旋葉片的螺距，mm；

螺距不僅決定著物料的運(yùn)動(dòng)速度，還決定螺旋葉片和機(jī)殼的受力情況。螺旋葉片的推送速度與螺距間存在以下關(guān)系：

式中表示螺旋軸轉(zhuǎn)速，r/min；表示螺旋葉片的推送速度，r/min。

從式（3）可知，隨著螺距的增大，物料的運(yùn)動(dòng)速度增大，可以提高生產(chǎn)率。同時(shí)，螺距較大時(shí)，螺旋槽內(nèi)的空間變大，揉碎玉米秸稈在松散的狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)，其相互擠壓纏繞程度減弱，有效地減小了葉片和機(jī)殼間物料的積壓程度，但此時(shí)物料的流動(dòng)動(dòng)能較大，所消耗的功耗增大。綜合考慮，螺距取=335 mm。

1.3 氣力輔助輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣力輔助輸送系統(tǒng)主要由噴嘴裝置和空氣壓縮機(jī)、氣管和壓力表等組成，如圖2所示。噴嘴單元主要由噴嘴座和噴嘴2部分組成，如圖3所示。為了能夠產(chǎn)生和螺旋葉片螺旋升角一致的氣流，選擇Y型噴嘴座，噴射方向可調(diào)，其上面固定噴嘴。

1.Y型噴嘴座 2. 螺旋軸 3. 機(jī)殼 4. 噴嘴 5. 彎管 6. 直管

1. Y型噴嘴座 2. 噴嘴

為了減小螺旋槽內(nèi)氣流屏障的重復(fù)區(qū)域以及空白區(qū)域，在整個(gè)輸送長度上每隔335 mm安裝1個(gè)噴嘴，總數(shù)量為7個(gè)。每2個(gè)噴嘴單元中間安裝一段直管和彎管。直管選擇極限工作壓力為1.6 MPa，半徑為10 mm的PPR管子。選擇15°的彎管，用來改變氣流在徑向方向上的噴射位置，從而錯(cuò)開相鄰2個(gè)噴嘴單元的氣流屏障，避免氣流抵消。氣流屏障情況如圖4所示。

1.噴嘴單元 2.直管 3. 彎管 4.氣流

研究發(fā)現(xiàn)[16]，螺旋運(yùn)動(dòng)的揉碎玉米秸稈經(jīng)過機(jī)殼Ⅰ區(qū)（機(jī)殼截面圖如圖5所示）時(shí)被螺旋葉片擠壓到葉片和機(jī)殼的間隙中，不僅增大磨損，還會(huì)導(dǎo)致堵塞。為保證揉碎玉米秸稈能夠順利通過Ⅰ區(qū)，減小物料的堆積量及軸向滯后，減小與螺旋葉片和機(jī)殼間的摩擦力，采用M8螺栓管支架將氣力輔助輸送裝置固定在U型機(jī)殼Ⅰ區(qū)的豎直段，氣嘴的安裝角度與螺旋葉片的螺旋升角一致。

注：ω為螺旋軸角速度，rad·s-1。

為了保證給螺旋輸送機(jī)提供連續(xù)的氣流，選用上海有龍機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的4V-1.05/12.5微型往復(fù)活賽空氣壓縮機(jī)，其功率為7.5 kW，最大出氣壓力為1.25 MPa。

2 螺旋-氣力耦合輸送裝置輸送性能指標(biāo)

揉碎玉米秸稈螺旋-氣力耦合輸送的基本要求，生產(chǎn)率高，功耗低。降低輸送功耗的主要方法是通過減小螺旋葉片、機(jī)殼受到的壓力，減小軸向推力。提高生產(chǎn)率的主要方法是，增加物料的運(yùn)動(dòng)速度。

2.1 揉碎玉米秸稈受力分析

物料單元體在螺旋-氣力耦合作用下的受力如圖6所示。由圖6可知，前進(jìn)方向上后續(xù)物料的推力1為

前方物料的阻力2為

機(jī)殼表面的摩擦力3為

處于微元體上面物料的摩擦力4為

螺旋葉片承壓面的正壓力5為

螺旋葉片承壓面的摩擦力6為

螺旋葉片背面的正壓力7為

螺旋葉片背面的摩擦力8為

推進(jìn)面對(duì)微元體上的正推力為

與下面物料間的摩擦力9為

氣流力為

氣流的壓強(qiáng)與速度的關(guān)系為

式（4）～（15）中為物料所受壓強(qiáng)，Pa；為物料的高度，mm；為物料的輸送長度，mm；為物料的密度，kg/m3；a為物料的加速度，m/s2；為物料與機(jī)殼間的摩擦系數(shù)；為物料與螺旋葉片、中心軸間的摩擦系數(shù)；為物料之間的內(nèi)摩擦系數(shù)；P為氣流的壓強(qiáng)，Pa；ρ為氣流的密度，kg/m3；為氣流速度，m/s。

注：D為螺旋葉片外徑，m；d為中心軸直徑，m；S為螺距，m；F1為后面物料的推力，N；F2為前面物料的阻力，N；F3為機(jī)殼的摩擦力，N；F4為上面物料的摩擦力，N；F5為推進(jìn)面對(duì)物料的正壓力，N；F6為推進(jìn)面的摩擦力，N；F7為葉片背面對(duì)物料的正壓力，N；F8為葉片背面的摩擦力，N；下面物料的摩擦力，N；F9下面物料的摩擦力，N；Ft為氣流力，N。

2.2 功耗計(jì)算

螺旋-氣力耦合輸送裝置工作時(shí)所消耗的功率主要有：

1）物料與機(jī)殼表面摩擦所消耗的功率：

2）物料與螺旋葉片（推進(jìn)面和后面葉片背面）間摩擦所消耗的功率：

3）物料與中心軸摩擦所消耗的功率：

4）氣泵所消耗的功率4

5）物料間的摩擦擠壓所消耗的功率

揉碎玉米秸稈之間相互纏繞、擠壓、摩擦等所消耗的功率0。由于揉碎后玉米秸稈松散、易纏繞、當(dāng)外界給施加物料的壓力達(dá)到一定值時(shí)產(chǎn)生聚集抱團(tuán)等現(xiàn)象，因此，其在螺旋槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，所以對(duì)0無法作數(shù)學(xué)上的精確計(jì)算，通常以修正系數(shù)的方式來考慮。螺旋-氣力耦合輸送裝置所消耗的總功率為

式（16）～（19）中為螺旋輸送裝置的總功率，W；為功率的修正系數(shù)；1為物料微元體與機(jī)殼間摩擦所消耗的功率，W；2為物料與螺旋葉片（推進(jìn)面和后面葉片背面）間摩擦所消耗的功率，W；3為物料微元體與中心軸表面摩擦所消耗的功率，W；4為氣泵所消耗的功率，W；為螺旋葉片的輸送長度，m；為螺旋葉片的高度，m。

2.3 比功耗計(jì)算

生產(chǎn)率和輸送功耗是衡量揉碎玉米秸稈輸送性能的主要指標(biāo)。在實(shí)際生產(chǎn)中，兩者之間存在一定的關(guān)系，應(yīng)將2個(gè)指標(biāo)結(jié)合起來考慮。因此，本文引入比功耗的概念，即輸送單位質(zhì)量物料所消耗的功率，是衡量輸送裝置輸送效率的重要指標(biāo)。計(jì)算式為

式中為螺旋-氣力耦合輸送裝置的比功耗，W/kg；Q為螺旋-氣力耦合輸送裝置的生產(chǎn)率，kg/min，其表達(dá)式為

[16]（21）

3 螺旋-氣力耦合輸送性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

以經(jīng)過9R-60型揉碎機(jī)揉碎后的玉米秸稈為試驗(yàn)物料，揉碎后的玉米秸稈長度小于100 mm，其形態(tài)符合中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T509-2002《秸稈揉絲機(jī)》要求，平均含水率在38%左右。

3.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

試驗(yàn)所用主要儀器設(shè)備有北京新宇航測控科技股份有限公司生產(chǎn)的JN338-500AE型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，樂清市艾德保儀器有限公司的HP-2K型數(shù)顯式推拉力計(jì)，天津宏諾儀器有限公司生產(chǎn)的202-005型電熱恒溫干燥箱，C3300型秒表，西門子公司生產(chǎn)的6SL3210-5BE23-0CV0型V20變頻器，上海浦春計(jì)量儀器有限公司生產(chǎn)的電子天平（精度0.01 g），蘇州長顯光電科技有限公司研制的CX402型8通道薄膜壓力傳感器（無線系統(tǒng)，含采集儀和軟件，薄膜傳感器直徑為32和20 mm ，量程為200 N，靈敏度為0.5 N），北京龍鼎金陸測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的LDCZL-FK型環(huán)形測力傳感器（量程為1 000 N，精度為0.01 N）以及LDCHB型數(shù)字顯示控制儀。

3.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

由于揉碎玉米秸稈的特殊性質(zhì)，無法采用現(xiàn)有的公式來計(jì)算螺旋輸送裝置的極限轉(zhuǎn)速及喂入量。前期研究發(fā)現(xiàn)，在螺旋軸轉(zhuǎn)速28.5～148.96 r/min、喂入量30～70 kg/min時(shí)，輸送裝置運(yùn)行穩(wěn)定，生產(chǎn)率和功耗隨轉(zhuǎn)速的變化較平穩(wěn)[15,28]，故本文取螺旋軸轉(zhuǎn)速100 r/min，喂入量70 kg/min。

將螺旋-氣力耦合輸送裝置和揉碎玉米秸稈的相關(guān)參數(shù)代入式（20），得出氣流速度與比功耗的關(guān)系，如圖7所示。

從圖7可知，氣流速度在10～50 m/s范圍內(nèi)，隨著氣流速度的增加，螺旋-氣力耦合輸送裝置的比功耗緩慢增大。當(dāng)氣流速度大于50 m/s時(shí)，比功耗隨著氣流速度的增大而急劇增大，最大值達(dá)到29 W/kg。同時(shí)，在實(shí)踐中氣流速度過大會(huì)導(dǎo)致功耗增大，噪聲大。綜合考慮，氣流速度選擇10～50 m/s。

圖7 不同氣流速度下的比功耗

3.4 測試系統(tǒng)

揉碎玉米秸稈進(jìn)入螺旋槽后受到螺旋葉片的擠壓、剪切和摩擦等作用，同時(shí)會(huì)給螺旋槽和螺旋葉片施加一定的反作用力，對(duì)螺旋軸產(chǎn)生阻力和力矩。本文主要研究不同氣流速度下輸送裝置的軸向推力、葉片和機(jī)殼各部位所受壓力及比功耗，探究氣流速度對(duì)揉碎玉米秸稈輸送性能的影響。軸向推力、功耗和葉片及機(jī)殼壓力測試系統(tǒng)如圖8所示。

軸向推力的測試：將環(huán)形測力傳感器安裝在螺旋輸送裝置的推力軸承處，如圖9所示。安裝時(shí)將傳感器的感應(yīng)區(qū)朝向推力軸承，測試推力軸承受到的軸向推力。

螺旋葉片與機(jī)殼受力測試：試驗(yàn)前，利用數(shù)顯式推拉力計(jì)對(duì)薄膜傳感器進(jìn)行標(biāo)定。將標(biāo)定好的傳感器貼在選定的螺旋葉片和機(jī)殼表面上。

圖8 壓力及功耗測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖9 軸向推力測試系統(tǒng)

葉片受力測試的傳感器布置如圖10a。分別在螺旋輸送裝置喂料端、中間端和出料口處3個(gè)位置，螺旋葉片內(nèi)緣處（距中心軸40 mm）、平均直徑處（距中心軸77.5 mm）和外緣處（距中心軸109 mm）各布置4個(gè)傳感器，對(duì)葉片所受壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)測試。機(jī)殼受力測試的傳感器布置如圖10b。分別在螺旋輸送裝置喂料端、中間端和出料口處3個(gè)位置，U形機(jī)殼Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的豎直和圓弧段分別布置感應(yīng)區(qū)直徑為30 mm的2個(gè)傳感器，取平均值作為最終的結(jié)果。

圖10 葉片和機(jī)殼上的傳感器布置

采用扭矩轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)輸送裝置的功耗進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，采用電子天平和秒表測量生產(chǎn)率，從而計(jì)算比功耗。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

當(dāng)螺距335 mm、螺旋軸轉(zhuǎn)速100 r/min、喂入量70 kg/min時(shí)分別對(duì)不加氣流和施加不同氣流速度的比功耗、軸向推力和螺旋葉片及機(jī)殼各部位所受壓力進(jìn)行測試。由于揉碎玉米秸稈松散、不連續(xù)，因此測得的壓力值不集中，分散程度高，分布在0～50 N之間。為了真實(shí)反映實(shí)際壓力分布情況，本文將0～50 N之間的壓力數(shù)據(jù)平均分為0～10、11～20、21～30、31～40和41～50 N共5個(gè)區(qū)間段，并計(jì)算每個(gè)區(qū)間段的數(shù)據(jù)占所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的百分比。通過壓力分布百分比說明壓力的大小及分布情況。

無氣流狀態(tài)下螺旋輸送裝置的比功耗為11.76 W/kg，軸向推力為69.4 N，螺旋葉片與機(jī)殼各部位所受壓力如表2～表5所示。由表2、表4可知，在螺距、螺旋軸轉(zhuǎn)速和喂入量一定的條件下，越靠近外緣，螺旋葉片受到較大壓力的比例越高。同一螺旋輸送裝置不同位置的螺旋葉片壓力也不同，越接近出料口，葉片各部位受到的壓力越大。由表3、表5可知，對(duì)于機(jī)殼，同一個(gè)區(qū)內(nèi)圓弧段所受壓力比豎直段大；Ⅰ區(qū)內(nèi)豎直段和圓弧段所受壓力分別比Ⅱ區(qū)的大。同一螺旋輸送裝置不同位置的機(jī)殼壓力也不同，越接近出料口，機(jī)殼各部位所受壓力越大。這主要是由于摩擦力的存在使揉碎玉米秸稈的實(shí)際前移速度與理論速度產(chǎn)生一定的差異，導(dǎo)致物料產(chǎn)生軸向滯后，從而在輸送方向上逐漸堆積。物料的堆積量越大，螺旋槽內(nèi)物料的密度越大，不僅增大了軸向推力，同時(shí)也增大了螺旋葉片和機(jī)殼的壓力，導(dǎo)致螺旋輸送裝置的生產(chǎn)率降低，功耗增大。

圖11為不同氣流速度下的比功耗和軸向推力測試結(jié)果。

圖11 不同氣流速度下的比功耗和軸向推力

從圖11可知，氣流速度在10～50 m/s的范圍內(nèi)變化時(shí)，隨著氣流速度的增大，輸送裝置的比功耗先減小后增大。主要原因在于：根據(jù)式（19）可知，工作中螺旋葉片、機(jī)殼及中心軸均對(duì)物料產(chǎn)生摩擦力，因此較小的氣流與螺旋的耦合作用對(duì)揉碎玉米秸稈的運(yùn)動(dòng)影響不明顯，只是增大螺旋-氣力耦合輸送裝置的功耗，而當(dāng)氣流速度達(dá)到一定值時(shí)，螺旋和氣力的耦合作用在螺旋槽內(nèi)產(chǎn)生螺旋流。當(dāng)氣流速度為20 m/s時(shí)比功耗最小，為10.78 W/kg，比無氣流時(shí)的比功耗減小了8.3%，軸向推力隨著氣流速度的增大而減小。這主要是由于螺旋和氣力的耦合作用在螺旋槽內(nèi)形成螺旋流。而螺旋流主要由軸向平直流和渦流構(gòu)成。輸送物料時(shí)，軸向平直流起軸向輸送作用，給揉碎玉米秸稈施加推力，增大物料沿螺槽的運(yùn)動(dòng)速度，減小軸向滯后和軸向推力，提高生產(chǎn)率。另一方面，隨著氣流速度的增大，相同位置處螺旋葉片、機(jī)殼各個(gè)面和不同位置處螺旋葉片、機(jī)殼受到較大壓力所占百分比減小，但葉片及機(jī)殼上的壓力分布規(guī)律基本一致。這主要是由于渦流對(duì)揉碎玉米秸稈起“旋浮”作用，使螺旋槽內(nèi)的物料變得松散，有效減少了物料的堆積量，減小了物料間的相互擠壓力，避免了抱團(tuán)聚集現(xiàn)象，物料不容易做圓周運(yùn)動(dòng)，因此提高了輸送效率，同時(shí)減小了物料對(duì)螺旋葉片及機(jī)殼的摩擦力，降低了功耗。

表2 不同氣流速度下葉片所受壓力

表3 不同氣流速度下機(jī)殼所受壓力

表4 無氣流時(shí)葉片所受壓力

表5 無氣流時(shí)機(jī)殼所受壓力

5 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了一種螺旋-氣力耦合輸送裝置，包括螺旋輸送裝置和氣力輔助輸送系統(tǒng)2部分。螺旋輸送裝置的螺旋葉片外徑為250 mm，中心軸直徑為60 mm，螺距為335 mm，螺旋槽用U型機(jī)殼。氣力輔助輸送系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、噴嘴裝置和氣管組成。氣力輔助輸送系統(tǒng)安裝在螺旋輸送裝置U型機(jī)殼Ⅰ區(qū)的豎直段，氣嘴的安裝角度與螺旋葉片的螺旋升角一致。

2）對(duì)施加氣流前后輸送裝置的比功耗、軸向推力、螺旋葉片及機(jī)殼各部位所受壓力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，當(dāng)螺距為335 mm、螺旋軸轉(zhuǎn)速為100 r/min、喂入量為70 kg/min、氣流速度10～50 m/s時(shí)，隨著氣流速度的增大，輸送裝置的比功耗先減小后增大。當(dāng)氣流速度為20 m/s時(shí)比功耗最小，為10.78 W/kg，比無氣流時(shí)的比功耗減小了8.3%。軸向推力、葉片和機(jī)殼各部位所受壓力隨著氣流速度的增大而減小，且均小于不加氣流時(shí)的值。

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Design of screw-pneumatic coupling conveying device for crushed corn straw

Wulantuya, Qing Lin, Wang Chunguang※

(,010018,)

The main ways of crushed corn straw conveying are pneumatic conveying, screw conveying, belt conveying, scraper conveying, bucket lifting and chain conveying. Screw conveyor is widely used in the processing of rubbing and breaking corn straw due to its advantages of compact structure, flexible arrangement, good sealing and controllable feeding amount. However, due to the small density, viscosity and poor fluidity of crushed corn straw, the conveying performance is difficult to be guaranteed. There are some problems such as low productivity, high power consumption, easy jammed and seriousabrasion in the process of conveying the agricultural fiber materials. In order to solve these problems, the theoretical analysis of conveying process about screw-pneumatic conveying device was carried out in this paper. The force of crushed corn straw during the conveying was analyzed. On this basis, the productivity model, power consumption model and specific power consumption were built. The screw flow transmission principle was considered, and the screw-pneumatic coupling conveying device was designed. The experimental platform was mainly composed of screw conveying device and pneumatic auxiliary conveying system. The parameters of the experimental platform were as follows: the conveying gap length was 2 500 mm, the diameter of the screw blade was 250 mm, the diameter of the center shaft was 60 mm, the screw pitch was 335 mm respectively, and the space between the screw blade and the shell was 5 to 8 mm. The pneumatic auxiliary conveying system was mainly composed of Y-shape nozzle holder with adjustable injection angle, nozzle, air compressor with maximum outlet pressure of 1.6 MPa, polypropylene random straight pipe with 10 mm diameter, 15° bending pipe and pressure gauge. The experiment materials were the corn straw after crushing through 9R-60 rubber and with less than 100 mm long, 2 to 8 mm wide, and 38% moisture content. Based on the performance index of specific power consumption, axial thrust, pressure on the screw blade and shell, the impacts of airflow velocity on transportation performance were analysed. The results showed that: When the screw pitch was 335 mm, the rotation speed was 100 r/min, and the feeding amount was 70 kg/min, within the range of airflow velocity 10～50 m/s, the greater the pressure on the outer edge, the greater the pressure on the screw blade. the pressure was different at different points of screw blade, the closer to the outlet, the greater the pressure was on all parts of the blade. On the same area of the shell, the pressure on the arc segment was greater than that of the vertical section. For different area of the shell, the pressure on the arc segment and vertical section of areaⅠwas greater than that of the areaⅡ. The pressure was different at different points of shell, the closer to the outlet, the greater the pressure was on all parts of the shell. The specific power consumption of the screw-pneumatic coupling conveying device first decreased and then increased with the increase of airflow velocity, when the airflow velocity was 20 m/s, the specific power consumption was the minimum, which was 10.78 W/kg, which was 8.3% lower than that of without airflow. The axial thrust, pressure on blade and shell decreased with the increase of airflow velocity, and was all less than that of without airflow.

agricultural machinery; design; straw; screw-pneumatic coupling; conveying

2018-10-12

2019-01-17

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)高層次人才引進(jìn)科研啟動(dòng)項(xiàng)目（205-206050）

烏蘭圖雅，講師，博士生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化工程。 Email：wltyjdy@163.com。

王春光，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)牧業(yè)機(jī)械智能化研究。 Email：jdwcg@imau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.004

TH132.1

A

1002-6819(2019)-06-0029-10

烏蘭圖雅，青 林，王春光. 揉碎玉米秸稈螺旋-氣力耦合輸送裝置設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(6)：29－38. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.004 http://www.tcsae.org

Wulantuya, Qing Lin, Wang Chunguang. Design of screw-pneumatic coupling conveying device for crushed corn straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(6): 29－38. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.004 http://www.tcsae.org