9RS-60型揉碎機(jī)工作性能試驗(yàn)研究

侯澤華, 崔紅梅,閆 鵬,趙滿全,陳紅星,伊得爾朝倫

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

0 引言

隨著我國(guó)畜牧業(yè)不斷發(fā)展,揉碎機(jī)得到廣泛應(yīng)用[1]。秸稈通過揉碎機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的錘片打擊、齒板的摩擦,以及物料和機(jī)器表面的揉搓作用而破碎成絲[2],便于牲畜更好的消化吸收。但是,目前所用的揉碎機(jī)普遍存在功耗大、堵塞及揉碎質(zhì)量差等問題[3]。

針對(duì)這些問題,國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者陸續(xù)開展了相關(guān)的研究工作。張三強(qiáng)和趙振國(guó)分別在2009、2011年初步完成揉碎機(jī)性能的測(cè)試[4-6],得到主軸轉(zhuǎn)速、錘片形狀、錘片數(shù)量、齒條數(shù)量和錘齒間隙等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)揉碎機(jī)性能指標(biāo)影響的顯著性及主次順序。

王偉等人于2016年通過有限元軟件 ANSYS Workbench ,對(duì)揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子和機(jī)殼進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析[7-8],指出了轉(zhuǎn)子的危險(xiǎn)截面主要集中在主軸鍵槽和軸承頸附近,機(jī)殼的模態(tài)分析確定了其模態(tài)頻率范圍,并對(duì)揉碎機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定優(yōu)化;但未能完全模擬揉碎機(jī)實(shí)際工況,沒有驗(yàn)證轉(zhuǎn)子在受到?jīng)_擊載荷時(shí)是否能滿足強(qiáng)度和剛度的要求。

綜合以上分析,揉碎機(jī)性能研究還存在如下問題：性能試驗(yàn)所考慮的試驗(yàn)因素沒有涉及到喂入質(zhì)量和喂入鏈速度,試驗(yàn)指標(biāo)主要是針對(duì)功耗和度電產(chǎn)量,而絲化率和破節(jié)率沒有考慮。本試驗(yàn)以玉米秸稈為試驗(yàn)對(duì)象,在9RS-60型揉碎機(jī)的基礎(chǔ)上搭建設(shè)計(jì)一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選取各個(gè)因素的較優(yōu)水平,組建正交因素水平表,以功耗、揉碎質(zhì)量(絲化率和破節(jié)率)為試驗(yàn)指標(biāo),開展正交試驗(yàn),通過對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,深入分析各個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著性及較優(yōu)水平組合條件,為降低9R-60型揉碎機(jī)的功耗、提高揉碎質(zhì)量提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)裝置及工作原理

1.1 試驗(yàn)裝置

本文采用9RS-60型揉碎機(jī)試驗(yàn)臺(tái),由喂入裝置、電動(dòng)機(jī)架、扭矩轉(zhuǎn)軸傳感器、電機(jī)、上機(jī)體、下機(jī)體、出料直管及出料導(dǎo)向槽等構(gòu)成,如圖1所示。

1.2 工作原理

揉碎機(jī)工作時(shí),靠人工將適量的玉米秸稈由喂入裝置喂入[9-13],電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶輪在喂入輥預(yù)壓和輸送作用下把秸稈送入揉碎室,高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子上的切刀將喂入的秸稈切割為一定長(zhǎng)度的秸稈段然后輸送到揉碎室;秸稈段通過揉碎機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的錘片打擊、齒板的摩擦及物料和機(jī)器表面的揉搓作用而破碎成絲,在拋送葉片產(chǎn)生的氣流吸力作用下被揉碎的秸稈段向出料口運(yùn)動(dòng);最后被揉碎的秸稈段在風(fēng)扇葉片和氣流產(chǎn)生的拋送作用下通過出料直管和出料導(dǎo)向槽將秸稈拋送出機(jī)外[14-15]。

2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)物料選取玉米秸稈株長(zhǎng)為1 750～1 800mm,株徑平均30mm,玉米秸稈最終含水率為8.8%。玉米秸稈取自于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市賽罕區(qū)什蘭岱村和舍必崖村,如圖2所示。

圖2 玉米秸稈Fig.2 Corn stalks

2.2 試驗(yàn)方法

1)在每次負(fù)載試驗(yàn)開始 5min 后按照單因素水平表中確定的數(shù)值稱取秸稈15組,每次連續(xù)喂入5組,喂入3次,且要求每次喂入秸稈的長(zhǎng)度集中在(175±5)cm,粗度在3～5cm左右,接取樣品不少于200g。

2)每次喂入秸稈時(shí)分別采集功耗數(shù)據(jù),收集揉碎的玉米秸稈,且記錄下從喂入到揉碎這5組秸稈所需的時(shí)間與耗電量。

3)在每個(gè)因素水平下收集的這3次秸稈用密封袋裝好并做標(biāo)記,以便后期用篩子對(duì)揉碎質(zhì)量做進(jìn)一步的分析處理。

4)通過對(duì)單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析,確定正交試驗(yàn)的因素水平表,進(jìn)而選取正交表開展正交試驗(yàn)。

5)對(duì)正交試驗(yàn)獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,分析各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著性及較優(yōu)水平組合條件。

2.3 揉碎機(jī)性能單因素試驗(yàn)

轉(zhuǎn)子主軸轉(zhuǎn)速、單次喂入質(zhì)量和喂入鏈速度對(duì)揉碎機(jī)工作性能有重要的影響,本試驗(yàn)選用這3個(gè)因素對(duì)揉碎機(jī)性能進(jìn)行研究。試驗(yàn)各因素水平設(shè)定如表1所示。

表1 單因素試驗(yàn)因素水平設(shè)定表Table 1 Test factor and its different level table for the single factor experiment

2.4 單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

揉碎機(jī)功耗、秸稈絲化率及破節(jié)率隨主軸轉(zhuǎn)速的變化,如圖3所示。

由圖3可知：揉碎機(jī)功耗隨主軸轉(zhuǎn)速增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),主軸轉(zhuǎn)速越大,揉碎機(jī)功耗越大;秸稈絲化率隨主軸轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),主軸轉(zhuǎn)速越大,秸稈絲化率越大;秸稈破節(jié)率隨主軸轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),主軸轉(zhuǎn)速越大,秸稈破節(jié)率越大。

圖3 不同工況下主軸轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)圖Fig.3 Shows the trend of spindle speed change under different working conditions

揉碎機(jī)功耗、秸稈絲化率及破節(jié)率隨喂入鏈速度的變化如圖4所示。

由圖4可知：揉碎機(jī)功耗隨喂入鏈速度的增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),喂入鏈速度越大;揉碎機(jī)功耗越大。秸稈絲化率隨喂入鏈速度的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),喂入鏈速度較小時(shí)秸稈的絲化率達(dá)到較大,隨著喂入鏈速度的增大秸稈的絲化率開始下降;秸稈破節(jié)率隨喂入鏈速度的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),但整體變化趨勢(shì)不明顯。

圖4 不同工況下喂入鏈速度變化趨勢(shì)圖Fig4 Feed chain speed change trend under different working conditions

揉碎機(jī)功耗、秸稈絲化率及破節(jié)率隨喂入質(zhì)量的變化,如圖5所示。

由圖5可知：揉碎機(jī)功耗隨喂入質(zhì)量的增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),喂入質(zhì)量較少時(shí)揉碎機(jī)功耗達(dá)到較低,隨喂入質(zhì)量的增大,揉碎機(jī)功耗開始上升;秸稈絲化率隨喂入質(zhì)量的增大變化趨勢(shì)幾乎都在95%左右,喂入質(zhì)量較少時(shí)秸稈的絲化率達(dá)到較大,但喂入質(zhì)量超過機(jī)器本身所能承受的最大喂入質(zhì)量時(shí),秸稈的絲化率開始下降;秸稈破節(jié)率隨喂入質(zhì)量的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),喂入質(zhì)量較少時(shí)秸稈的破節(jié)率達(dá)到較大,但喂入質(zhì)量超過機(jī)器本身所能承受的最大喂入質(zhì)量時(shí),秸稈的破節(jié)率開始下降。各因素正交因素水平表如表2所示。

圖5 不同工況下喂入質(zhì)量變化趨勢(shì)圖Fig.5 Feed quality change trend chart under different working conditions

表2 正交試驗(yàn)因素水平表Fig 2 Orthogonal test factor level table

2.5 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果,選取一個(gè)3水平的試驗(yàn),選用正交表L9(34)來安排試驗(yàn)。水平組合按照正交表的各試驗(yàn)號(hào)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,極差和方差分析如圖4、表5所示。

表3 正交性能試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal performance test results

表4 極差分析Table 4 Range analysis

表5 方差分析Table 5 Analysis of variance

3 結(jié)論

1)揉碎機(jī)功耗隨主軸轉(zhuǎn)速、喂入量及喂入速度的增大呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。揉碎機(jī)絲化率隨主軸轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),隨喂入速度的增大呈先下降的趨勢(shì),隨喂入量的增大秸稈絲化率變化趨勢(shì)幾乎都在95%左右。

2)喂入質(zhì)量對(duì)功耗的影響顯著,喂入質(zhì)量和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)絲化率的影響顯著,喂入質(zhì)量和喂入速度對(duì)破節(jié)率的影響顯著。

3)9RS-60型揉碎機(jī)功耗影響性能的主次順序是喂入質(zhì)量、喂入速度、主軸轉(zhuǎn)速。絲化率影響性能的主次順序是喂入質(zhì)量、主軸轉(zhuǎn)速、喂入速度。破節(jié)率影響性能的主次順序是喂入質(zhì)量、喂入速度、主軸轉(zhuǎn)速。綜合考慮,在單次喂入質(zhì)量為0.8kg(約8根),主軸轉(zhuǎn)速為1 600r/min、喂入鏈速度為0.45m/s時(shí),9RS-60型揉碎機(jī)作業(yè)性能最好。