玉米秸稈前處理裝置除葉整理機(jī)的設(shè)計(jì)

張佳彬, 張艷紅, 王赫昱, 徐 林

(1.黑龍江省木材科學(xué)研究所,黑龍江 哈爾濱 150081;2.東北林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

當(dāng)前,我國糧食總產(chǎn)量已連續(xù)7年穩(wěn)定在0.65萬億kg以上。2021年,糧食產(chǎn)量創(chuàng)歷史新高,達(dá)到6 828.5億kg[1]。我國已是名副其實(shí)的農(nóng)業(yè)大國。隨之而來的是產(chǎn)生大量的農(nóng)作物秸稈。利用焚燒為手段處理秸稈,會(huì)產(chǎn)生大氣污染,增加碳排放量,僅2015年由秸稈焚燒引發(fā)的碳排放就達(dá)到3 450萬t[2]。為了促使秸稈轉(zhuǎn)化為綠色財(cái)富,國家提倡秸稈“五化”式綜合利用[3],包括肥料化、飼料化、燃料化、基料化及原料化利用。板材加工是秸稈原料化利用的重要途徑,既將秸稈垃圾變廢為寶,又可緩解我國木材資源緊張的現(xiàn)實(shí)問題。

我國農(nóng)作物秸稈資源豐富,大部分品種的秸稈纖維素含量都與木材接近,是理想的代替木材的原料[4]。玉米秸稈由秸稈皮、穰(髓)、葉片、葉鞘、雄穗組成,秸稈皮質(zhì)地堅(jiān)硬,纖維素含量可達(dá)45%左右,是加工人造板材的好原料。而葉片、葉鞘、穰(髓)含纖維素較少,適合加工為飼料。且秸稈表面有SiO2、角質(zhì)蠟狀膜等物質(zhì),會(huì)不同程度地影響水性膠粘劑的潤濕性和滲透性,從而影響膠合強(qiáng)度[5],這些都是制約農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)板材的加工技術(shù)難題。使用機(jī)械前處理方法可高效解決以上難題。機(jī)械處理是依靠高強(qiáng)度的摩擦、撕拉等機(jī)械力的作用,使秸稈表面葉片、葉鞘脫除,并使表面蠟狀物質(zhì)部分脫落、表面粗糙度增加的手段。周定國等[6]開發(fā)了雙鼓輪刨片機(jī)對麥秸和稻草進(jìn)行切斷,錘式再碎機(jī)對原料細(xì)化,環(huán)式打磨機(jī)進(jìn)一步處理原料,處理后的秸稈更利于膠合, Yang等[7]采用固態(tài)剪切銑削工藝為纖維表面改性。該工藝使小麥秸稈具有超細(xì)粒徑。光學(xué)和電子顯微鏡表明,固態(tài)剪切銑削工藝對纖維素納米纖維、半纖維素和木質(zhì)素表現(xiàn)出優(yōu)異的分散性。制備的復(fù)合材料擁有較高的彎曲模量。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一種秸稈前處理裝置—除葉整理機(jī),適合于制備玉米秸稈人造板的原料前處理。

1 總體結(jié)構(gòu)

除葉整理機(jī)是一種秸稈原料前處理裝置,由框架、柔性處理袋、凸輪翻搓機(jī)構(gòu)、鏈刀切割機(jī)構(gòu)、限位輥等主要部件組成?？蚣軆?nèi)開設(shè)有空腔,空腔內(nèi)設(shè)置有U形的柔性處理袋,柔性處理袋上方開設(shè)有進(jìn)料口,柔性處理袋下方設(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)柔性處理袋及袋內(nèi)秸稈的運(yùn)動(dòng)的凸輪組件;框架上方設(shè)置有鏈刀切割機(jī)構(gòu),框架與鏈刀切割機(jī)構(gòu)之間設(shè)置有喂料口。玉米秸稈從喂料口橫向進(jìn)入至柔性處理袋的進(jìn)料口內(nèi),多個(gè)凸輪圍繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng),凸輪組放置在柔性處理袋外部,在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中能夠推動(dòng)柔性處理袋往復(fù)運(yùn)動(dòng),迫使柔性處理袋的秸稈前后及上下翻滾運(yùn)動(dòng),凸輪翻搓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速器型號TR28-Y0.55-4P-39.25-M1-Ⅱ。電機(jī)功率0.55 kW,輸出轉(zhuǎn)速(max)354 rpm,可變頻調(diào)速。在運(yùn)動(dòng)過程中,葉鞘間相互摩擦,通過上拋、自然跌落及秸稈間的摩擦,使葉及葉鞘部分破碎。處理后切落的葉片及葉鞘能夠從長方形孔洞內(nèi)掉落,通過可視窗便于觀察柔性處理袋內(nèi)及腔體內(nèi)的狀態(tài),當(dāng)需要進(jìn)行清理時(shí),打開可視窗便于處理掉落的葉片及葉鞘?？蚣軆?nèi)設(shè)置有限位輥,用于防止柔性處理袋內(nèi)的秸稈發(fā)生水平旋轉(zhuǎn),使其能夠沿限位輥直徑方向拋動(dòng)旋轉(zhuǎn),從而便于鏈刀切割機(jī)構(gòu)切除葉鞘以及使得秸稈能夠順利出料。設(shè)置鏈刀切割機(jī)構(gòu),包括多組平行設(shè)置的切割組件,安裝有多個(gè)齒刀和割刀,通過柔性處理袋上端的鏈條連動(dòng)割刀及齒刀,利用割刀劃開葉鞘,利用齒刀撕裂葉鞘,對秸稈側(cè)面進(jìn)行切削,脫除秸稈葉鞘、葉片。電機(jī)減速器驅(qū)動(dòng)六角形鏈輪組帶動(dòng)鏈排縱向運(yùn)動(dòng), 鏈排上安裝有割刀與齒刀,承載鏈排運(yùn)動(dòng)的的六角形鏈輪組帶動(dòng)鏈條平動(dòng)的同時(shí)還產(chǎn)生鏈條的周期性上下跳動(dòng)。割刀與齒刀在平動(dòng)+跳動(dòng)的復(fù)合作用下,對橫置秸稈產(chǎn)生的切割與刮斷作用更加有效。在平動(dòng)+跳動(dòng)的復(fù)合作用下,秸稈上的枝葉被去除,同時(shí)推送物料前行排向出料口。由于鏈排預(yù)置有較大的懸垂量,對橫置秸稈產(chǎn)生的切割與刮斷作用的縱向長度可調(diào)整到較大范圍,使枝葉被去除的效果增強(qiáng)。鏈排割刀機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速器型號TR28-Y0.55-4P-39.25-M1-Ⅱ3,電機(jī)功率0.55 kW,輸出轉(zhuǎn)速(max)354 rpm, 可變頻調(diào)速。裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 除葉整理機(jī)總體結(jié)構(gòu)

2 機(jī)理分析

2.1 秸稈拉伸試驗(yàn)研究

陳爭光等[8]對玉米秸稈皮的拉伸和剪切特性進(jìn)行了二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分別建立了玉米秸稈皮的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度的二次回歸旋轉(zhuǎn)正交模型。經(jīng)過方差分析得出,含水率、取樣高度兩個(gè)因素對玉米秸稈皮的抗拉強(qiáng)度有顯著的影響。含水率小于30%時(shí),玉米秸稈皮抗拉強(qiáng)度隨含水率增加而增加,拉伸過程以彈性變形為主,含水率為30%時(shí),抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值,含水率大于30%時(shí),拉伸過程以塑性變形為主,抗拉強(qiáng)度隨含水率升高而降低。對于取樣高度單因素效應(yīng)曲線來說,極值點(diǎn)近似位于秸稈下部,也就是說,玉米秸稈皮的抗拉強(qiáng)度隨取樣高度的升高有下降的趨勢。這可能與秸稈皮中木質(zhì)素分布有關(guān)系,玉米秸稈從上到下,木質(zhì)素含量逐漸增加,秸稈下部較高含量的木質(zhì)素提高玉米秸稈的強(qiáng)度,從而起到支撐植株的作用[9]。當(dāng)取樣高度下部稍偏上,含水率約 30%時(shí),玉米秸稈皮的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值 67.2 MPa。為了促使除葉整理機(jī)更高效運(yùn)轉(zhuǎn),提高秸稈葉片、葉鞘的脫除率,可以將原料含水率控制在當(dāng)?shù)仄胶夂噬舷?。另一方?30%的含水率有利于提高玉米秸稈皮穰分離之后秸稈皮的完整性。從剪切試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆治鼋Y(jié)果可以看出,取樣高度對玉米秸稈皮的剪切強(qiáng)度的影響不顯著,含水率和剪切速度對玉米秸稈皮的剪切強(qiáng)度影響較顯著。高含水率時(shí),玉米秸稈皮的剪切強(qiáng)度隨剪切速度的提高而升高,最高值大約 18 MPa。因此,高含水率和適當(dāng)?shù)逆湹肚懈钕到y(tǒng)旋轉(zhuǎn)速度有利于提高玉米秸稈皮穰分離后秸稈皮的完整性和分離效率。

2.2 凸輪翻搓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)玉米秸稈在柔性處理袋中的翻搓運(yùn)動(dòng),設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng),對柔性處理袋推動(dòng),促使處理袋中的秸稈繞限位輥轉(zhuǎn)動(dòng)。凸輪機(jī)構(gòu)是機(jī)械中的一種比較常用的機(jī)構(gòu),由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架組成的高副機(jī)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)控制。本文凸輪是一個(gè)具有曲線輪廓構(gòu)件,為主動(dòng)件,作等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。柔性處理袋與凸輪輪廓接觸,通過凸輪傳遞的動(dòng)力實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,為從動(dòng)件。由盤形凸輪組成凸輪組,只要正確地設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線,就能使從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)任意給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、工作可靠、易于設(shè)計(jì)。由于凸輪機(jī)構(gòu)屬于高副機(jī)構(gòu),故凸輪與從動(dòng)件之間為點(diǎn)或線接觸,不便潤滑、易于磨損。因此,凸輪機(jī)構(gòu)用于傳力不大的控制機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

在確定了從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和一些基本參數(shù)后,需要通過輪廓法或解析法設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線?；驹硎鞘褂梅崔D(zhuǎn)法的原理。即當(dāng)凸輪以ω做逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),給從動(dòng)件連同導(dǎo)路施加一個(gè)-ω的反向運(yùn)動(dòng),使凸輪相對靜止,各構(gòu)件之間的相對運(yùn)動(dòng)不變,而從動(dòng)件一方面隨導(dǎo)路起以角速度-ω順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),一方面又在導(dǎo)路中做相對移動(dòng)。反轉(zhuǎn)法的目的是在圖紙上方便地繪制出凸輪的輪廓曲線。已知凸輪的基圓半徑r0,角速度ω和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律s-ρ,見圖2(a)用圖解法設(shè)計(jì)對心直動(dòng)式盤形凸輪的輪廓曲線。從圖2(a) 中得出,凸輪的推程運(yùn)動(dòng)角為120°,遠(yuǎn)休止角為 60°,回程運(yùn)動(dòng)角為 90°,近休止角為 90°,推程為等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律,回程為等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在圖解法設(shè)計(jì)之前,將已知的從動(dòng)件位移線圖s-ρ曲線按該線圖的橫坐標(biāo)(凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度)分成若干等份 (原則是: 陡密緩疏) ,得分點(diǎn) 1,2,...,并作出數(shù)字標(biāo)記,推程階段 (從動(dòng)件的上升階段) 8等分,回程階段 (從動(dòng)件的下降階段) 8 等分,停程 (從動(dòng)件的靜止階段) 不等分。以凸輪的回轉(zhuǎn)中心為圓心,以r0為半徑作基圓,作徑向輔助線,反向等分各運(yùn)動(dòng)角并與基圓交于各點(diǎn)。自基圓圓周開始沿各徑向輔助線量取從動(dòng)件在各位置上的位移量,將各尖底點(diǎn)的軌跡連接成一條光滑的曲線,圖2(b)為設(shè)計(jì)完成的對心直動(dòng)式盤形凸輪的輪廓曲線。

圖2 圖解法設(shè)計(jì)對心直動(dòng)式盤形凸輪結(jié)構(gòu)

2.3 機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)功能

凸輪翻搓機(jī)構(gòu)的布袋,載物后的實(shí)際形狀會(huì)隨載物量多少即時(shí)變化。當(dāng)凸輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)布袋若不能順利隨動(dòng),可通過移動(dòng)凸輪軸承座縱向位置加以改善。凸輪軸承座縱向位移有三個(gè)工位共選擇。布袋出料端的高度可根椐出料量大小和對物料出凈周期長短的要求確定,出料量大選低位、反之選高位;物料出凈周期長選高位、反之選低位。鏈排割刀機(jī)構(gòu)的鏈條懸垂量初調(diào)可定為60 mm ,使用中可按需要增減鏈節(jié)與割刀。鏈排割刀機(jī)構(gòu)的六角鏈輪組出料端有兩個(gè)工位可選。當(dāng)需要出料量大和對物料出凈周期長時(shí),可選高位、反之選低位。調(diào)整工位高低時(shí),鏈排的長度也可能需要調(diào)整。

3 結(jié)束語

該裝置可實(shí)現(xiàn)高效脫除玉米秸稈葉片、葉鞘的功能,并部分的脫除玉米秸稈表面地表面能物質(zhì),所得原料可用于后續(xù)玉米秸稈人造板材的制備。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力(物料含水率不大于7%) 為280 kg/h,對玉米秸稈的平均糙化率可達(dá)7%～33%。開機(jī)前應(yīng)清理待用工具及雜物,巡視重要部件如凸輪翻搓機(jī)構(gòu)、鏈排割刀機(jī)構(gòu)、后方可開車。鏈條表面,用油N46機(jī)械油使用毛刷局部涂抹保養(yǎng),電機(jī)減速器齒輪箱,用油N46機(jī)械油方法使用油槍壓注保養(yǎng),軸承、鏈條,用油1#鋰基潤滑脂清洗、加油,電機(jī)軸承減速器齒輪箱,用油N46機(jī)械油清洗、加油。