玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張洪建， 王德福， 孔凡婷， 劉朝賢， 黃會(huì)男

(1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150030； 2. 農(nóng)業(yè)部生豬養(yǎng)殖設(shè)施工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150030)

我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源十分豐富，玉米秸稈年產(chǎn)量超過(guò)2.5億t[1-2].玉米秸稈在農(nóng)村長(zhǎng)期以來(lái)主要用作飼料、燃料等，隨著經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的不斷發(fā)展以及對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益關(guān)注，玉米秸稈作為一種重要的可再生生物質(zhì)資源，其應(yīng)用越來(lái)越受到重視.我國(guó)已經(jīng)將玉米秸稈資源的綜合利用規(guī)劃為“五化”(肥料、能源、飼料、基料和原料化)技術(shù)工程[3-4].但由于玉米秸稈皮瓤葉中各部分營(yíng)養(yǎng)成分含量相差較大，以及物理性質(zhì)的不同[5-6]，其整體混合使用降低了玉米秸稈的應(yīng)用價(jià)值，開(kāi)展玉米秸稈皮瓤葉分離技術(shù)研究是實(shí)現(xiàn)玉米秸稈高值化利用的有效途徑.

國(guó)外關(guān)于秸稈皮瓤葉分離的研究甚少，研究重點(diǎn)集中在分離后各部分組織的應(yīng)用[7-9].我國(guó)專家學(xué)者對(duì)玉米秸稈皮瓤葉分離進(jìn)行了諸多研究，分離方式可分為兩種，一種為切斷或粉碎式分離，經(jīng)分離后各部分均為碎料.王景鋒等[10]進(jìn)行了氣流式分離機(jī)分離不同形態(tài)秸稈碎料試驗(yàn)；任德志等[11]研制的玉米秸稈皮瓤分離碾壓輥，基于玉米秸稈碾壓后皮瓤產(chǎn)生彈塑性變形時(shí)的差異，對(duì)秸稈群碾壓、揭皮、剪切實(shí)現(xiàn)皮瓤分離.另一種為整稈式分離，將整根秸稈直接送入分離機(jī)加工，經(jīng)分離后的秸稈外皮仍然保持完整.高夢(mèng)祥等[12]提出了一種沖擊除葉方法，以排列在主軸上的鋼絲為沖擊構(gòu)件進(jìn)行除葉；朱新華等[13]研制的玉米秸稈除葉裝置采用壓扁搓擦法進(jìn)行秸稈莖葉分離，利用壓輥將秸稈壓扁后使秸稈進(jìn)入具有一定線速差的剝?nèi)~帶中實(shí)現(xiàn)莖葉分離；李利橋等[14]研制的玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)，利用除葉輥上高速旋轉(zhuǎn)的V字齒板對(duì)玉米秸稈進(jìn)行六邊包絡(luò)除葉，并對(duì)除葉后的秸稈切削剝?nèi)?綜上可知，我國(guó)已進(jìn)行了大量的玉米秸稈皮瓤葉分離研究，但仍存在生產(chǎn)率、分離率、可靠性較低以及振動(dòng)、噪音等問(wèn)題，亟待開(kāi)展更深入的理論與試驗(yàn)研究.

因此文中通過(guò)對(duì)分離機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理分析，設(shè)計(jì)一種將整根秸稈一次完成除葉以及剝?nèi)孔鳂I(yè)的玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī).重點(diǎn)運(yùn)用笛卡爾坐標(biāo)系與極坐標(biāo)系相結(jié)合的方式對(duì)除葉機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用三面楔原理對(duì)切展關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以及組合切割剝?nèi)颗c下拋原理對(duì)剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并分別對(duì)除葉裝置與剝?nèi)垦b置進(jìn)行分離性能試驗(yàn)，確定玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，為其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其研究提供支持.

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

文中設(shè)計(jì)的玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)主要由除葉機(jī)構(gòu)、切展機(jī)構(gòu)、剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)等組成，除葉機(jī)構(gòu)分前、后除葉機(jī)構(gòu)，切展機(jī)構(gòu)包括剖切輥組、展開(kāi)總成和碾壓機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.該分離機(jī)可一次完成玉米秸稈除葉、剝?nèi)康茸鳂I(yè)，最終將整株秸稈分離成葉、瓤、皮3部分.

圖1 玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)主要工作機(jī)構(gòu)為除葉機(jī)構(gòu)與剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)，作業(yè)時(shí)，秸稈首先進(jìn)入除葉機(jī)構(gòu)，在喂入輥的夾持作用下進(jìn)行兩級(jí)除葉，在除葉機(jī)構(gòu)中秸稈與安裝在除葉輥上的除葉齒板組(包括定除葉齒板、動(dòng)除葉齒板)接觸，對(duì)秸稈上的葉片、殘留苞葉、葉鞘進(jìn)行打擊、梳刷、搓擦.除葉后的莖稈被輸送到切展機(jī)構(gòu)，被切割輥夾持定位并沿莖稈中部剖切，再由分展器展開(kāi)，而后在碾壓機(jī)構(gòu)中被碾壓輥碾平并夾持輸送入剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)，剝?nèi)枯佈剌S向均布6把切刀，高速旋轉(zhuǎn)的切刀將秸稈皮與瓤分離，隨后秸稈皮被輸出，分離后的秸稈皮完整、瓤為均勻顆粒，分離機(jī)技術(shù)參數(shù)如下：外形尺寸為3.5 m×1.0 m×1.2 m；總質(zhì)量為800 kg；配套動(dòng)力為5.5 kW；同時(shí)加工株數(shù)為4株；除葉率>95%；瓤殘留率<5%；生產(chǎn)率>0.5 t·h-1.

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 除葉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)設(shè)置了兩道除葉工序，由前除葉機(jī)構(gòu)、后除葉機(jī)構(gòu)組成.每道除葉機(jī)構(gòu)分別由上除葉輥、下除葉輥組成，每個(gè)除葉輥上沿軸向布置4個(gè)安裝架，安裝架上沿周向設(shè)置3個(gè)安裝板，每個(gè)安裝板上前后成對(duì)安裝有定除葉齒板、動(dòng)除葉齒板，如圖2所示.

圖2 除葉機(jī)構(gòu)示意圖

除葉齒板是除葉機(jī)構(gòu)的主要工作部件，其結(jié)構(gòu)對(duì)除葉率有較大影響，考慮到秸稈本身物理參數(shù)：通常長(zhǎng)度1 500～2 500 mm、根部平均直徑28 mm，且秸稈直徑自根部至頂部逐漸減小，針對(duì)此特點(diǎn)，提出一種定、動(dòng)除葉齒板組合的除葉齒板結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用笛卡爾坐標(biāo)系與極坐標(biāo)系相結(jié)合的方式對(duì)除葉齒板組進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其能夠完成對(duì)秸稈進(jìn)行定位、除葉作業(yè).

定除葉齒板結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由安裝板以及固定在安裝板上的左右定齒板組成.

圖3 定除葉齒板結(jié)構(gòu)示意圖

文中在笛卡爾坐標(biāo)系上對(duì)定除葉齒板總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)秸稈植株參數(shù)，定除葉齒板中距d1(定齒板工作表面中點(diǎn)的連線)滿足秸稈根部平均直徑d1=28 mm，此時(shí)定除葉齒板與秸稈根部?jī)蓚?cè)接觸，在笛卡爾坐標(biāo)系中該接觸處可用定齒板工作表面上的定點(diǎn)表示.該方法設(shè)計(jì)的定除葉齒板能夠?qū)⒋蟛糠秩~片除掉、將殘留在秸稈上的團(tuán)狀苞葉除去或劃成細(xì)條狀、將節(jié)位處葉鞘劃開(kāi)，由于定除葉齒板能夠承受較大應(yīng)力且中徑較大，遂將定除葉齒板配置在安裝板前，使其首先與秸稈接觸.利用笛卡爾坐標(biāo)系設(shè)計(jì)的定除葉齒板總體結(jié)構(gòu)，其中距為定值，由于秸稈直徑不斷變化，無(wú)法保證秸稈時(shí)刻與雙側(cè)定齒板接觸.根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，確定定齒板的工作表面設(shè)置頂角70°、高度10 mm三角形齒，左右定齒板之間初始夾角20°，定除葉齒板高度50 mm.

為提高除葉適應(yīng)性，文中為定除葉齒板匹配了動(dòng)除葉齒板(定、動(dòng)除葉齒板在安裝板上分別前后安裝)，如圖4所示，主要由安裝板、左右動(dòng)齒板以及與其相連的齒輪、彈簧等組成.為了使除葉齒板更好地隨著秸稈直徑的變化對(duì)秸稈進(jìn)行搓擦除葉，除葉齒板與秸稈的接觸點(diǎn)也應(yīng)不斷變化，將接觸點(diǎn)用極坐標(biāo)系中的極點(diǎn)、極角和極徑表示，以齒輪嚙合點(diǎn)為極點(diǎn)、動(dòng)齒板與秸稈接觸點(diǎn)與極點(diǎn)間的距離為極徑、極徑與x軸的夾角為極角，運(yùn)用極坐標(biāo)系對(duì)動(dòng)除葉齒板總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì).保證工作時(shí)，若秸稈直徑增大則極角減小、極徑增大，左右動(dòng)齒板在齒輪與彈簧的作用下，分別向左右轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度，秸稈中心始終在y軸上，時(shí)刻保持雙側(cè)動(dòng)齒板緊貼秸稈進(jìn)行梳刷、搓擦除葉，使動(dòng)除葉齒板具有一定的仿形功能.根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，取動(dòng)除葉齒板中徑d2=18 mm，左右動(dòng)齒板之間初始夾角15°，動(dòng)齒板齒形工作表面設(shè)置頂角60°、高度5 mm的三角形齒，動(dòng)除葉齒板高度50 mm.

圖4 動(dòng)除葉齒板結(jié)構(gòu)示意圖

將動(dòng)除葉齒板中齒輪的分度圓直徑dc設(shè)計(jì)為25 mm，將左右齒板設(shè)計(jì)成同步轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)比為1，所以兩齒輪的分度圓直徑都是25 mm，故兩齒輪的中心距為

(1)

式中：ac為兩齒輪間中心距，mm；dc1為左齒板齒輪分度圓直徑，mm；dc2為右齒板齒輪分度圓直徑，mm.

將分度圓直徑帶入式(1)得到中心距為ac=25 mm，并利用機(jī)械設(shè)計(jì)軟件根據(jù)以上參數(shù)對(duì)齒輪進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì).

彈簧決定著動(dòng)齒板與秸稈間摩擦力的大小(忽略離心力對(duì)動(dòng)齒板的影響)，因此彈簧的選擇對(duì)除葉率有著重要影響，根據(jù)玉米秸稈莖葉連接力，當(dāng)含水率在10%～20%時(shí)，莖葉連接力一般為0.7～16.0 N，因此除葉齒板對(duì)秸稈的最小摩擦力應(yīng)大于16.0 N.根據(jù)公式：

F=μFN，

(2)

FN=kx，

(3)

(4)

化簡(jiǎn)得

(5)

式中：F為齒板與秸稈間的摩擦力，N；μ為摩擦系數(shù)，取0.8；FN為彈簧彈力，N；K為勁度系數(shù)，N·mm-1；x為彈簧形變量，mm；G為剛性模數(shù)，MPa；d為彈簧線徑，mm；Nc為有效圈數(shù),圈；Dm為彈簧中徑，mm.

根據(jù)整體結(jié)構(gòu)，選擇彈簧內(nèi)徑為8 mm、長(zhǎng)度35 mm，彈簧預(yù)壓縮長(zhǎng)度為10 mm，其材料為65Mn碳素彈簧鋼絲，將已確定的參數(shù)帶入式(5)并與莖葉連接力對(duì)比，初選彈簧線徑為1.0 ，1.2和1.4 mm.

除葉齒板對(duì)玉米秸稈的作用力分析如圖5所示.

圖5 秸稈受力分析

計(jì)算公式如下：

P=ωxT，

(6)

(7)

T=TxR，

(8)

式中：P為除葉輥輸入功率，W；ωx為除葉輥角速度，rad·s-1；T為除葉輥輸入扭矩，N·m；nx為除葉輥轉(zhuǎn)速，r·min-1；Tx為除葉齒板組對(duì)葉片的沖擊力，N；R為除葉輥半徑(除葉齒板組與秸稈接觸點(diǎn)到除葉輥軸心的距離)，m.

化簡(jiǎn)得

(9)

Tx1=Txsinδ，

(10)

Tx2=Txcosδ，

(11)

(12)

式中：Tx1為除葉齒板對(duì)秸稈葉沖擊力的軸向分力，N；Tx2為除葉齒板對(duì)秸稈葉沖擊力的切向分力，N；δ為除葉齒板對(duì)秸稈葉的沖擊力與切向分力之間的夾角，(°)；τ為除葉齒板對(duì)秸稈葉的剪切應(yīng)力，N；S為秸稈葉的橫截面面積，mm2.

工作過(guò)程中，秸稈在喂入輥的夾持作用下勻速向后輸送，由于玉米秸稈葉為生物材料，生物材料屬于正交各向異性材料有5個(gè)基本強(qiáng)度值[15]，在工作過(guò)程中，秸稈葉在秸稈的支撐作用下受到除葉齒板組的作用，主要破壞形式有橫縱向拉伸與剪切，只要葉片上的任何一個(gè)應(yīng)力分量大于葉片相應(yīng)的基本強(qiáng)度值，秸稈葉便被在薄弱處(秸稈葉分為葉片與葉鞘兩部分，葉片與葉鞘的薄弱處在葉片處，葉鞘與秸稈的薄弱處在節(jié)位連接處)被破壞.除葉齒板組對(duì)秸稈葉的作用分為2個(gè)階段：第1個(gè)階段為除葉齒板組剛接觸秸稈時(shí)對(duì)葉片作用沖擊力Tx的過(guò)程，此時(shí)沖擊力的垂向分力Tx2最大且主要對(duì)秸稈葉作用剪切應(yīng)力，由式(9)可知，除葉齒板組對(duì)葉片沖擊力的大小與除葉輥轉(zhuǎn)速、除葉輥半徑以及輸入功率有關(guān)，其中輸入功率與扭矩有關(guān)，因此當(dāng)除葉輥半徑確定后，文中針對(duì)除葉輥轉(zhuǎn)速對(duì)除葉率的影響進(jìn)行研究；第2個(gè)階段為除葉齒板組對(duì)秸稈的梳刷搓擦過(guò)程，當(dāng)除葉齒板繼續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)Tx由沖擊力變?yōu)榇瓴亮y，Ty1，Ty2為搓擦力Ty的分力，且Ty1逐漸增大，除葉齒板對(duì)葉鞘沿纖維絲方向的橫向拉伸力不斷增大，當(dāng)除葉齒板與秸稈軸心垂直時(shí)Ty1達(dá)到最大值，經(jīng)前期測(cè)量，當(dāng)含水率在10%～20%時(shí)，沿纖維絲方向拉伸時(shí)秸稈莖葉連接力為5.0～16.0 N，垂直于纖維絲方向拉伸時(shí)秸稈莖葉連接力為0.7～10.0 N.根據(jù)式(5)，文中所設(shè)計(jì)的動(dòng)除葉齒板對(duì)秸稈的最小搓擦力大于葉片基本強(qiáng)度值，能夠完成除葉工作.由于定除葉齒板的中距較大，主要參與第1個(gè)階段除葉，能夠打擊掉秸稈上的葉片、殘留苞葉等，動(dòng)除葉齒板中距較小，且有仿形功能，主要參與除葉的第2個(gè)階段，能夠?qū)埩舻娜~鞘持續(xù)搓擦.根據(jù)預(yù)試驗(yàn)及式(6)，除葉輥轉(zhuǎn)速較大時(shí)，工作過(guò)程中分離機(jī)振動(dòng)、噪音以及能耗等逐漸增加，對(duì)秸稈梳刷打擊的次數(shù)也不斷增加，除葉輥轉(zhuǎn)速較小時(shí)除葉率較低，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)當(dāng)除葉輥半徑為85 mm時(shí)，初選除葉輥轉(zhuǎn)速為400～780 r·min-1.玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)中喂入機(jī)構(gòu)的喂入線速度決定了生產(chǎn)率，同時(shí)喂入線速度和除葉輥轉(zhuǎn)速對(duì)除葉率均有較大影響，在保證生產(chǎn)率的前提下根據(jù)文獻(xiàn)[14]甘蔗除葉要求以及預(yù)試驗(yàn)，初選喂入機(jī)構(gòu)的喂入線速度為1.0～2.0 m·s-1.

2.2 切展機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

切展機(jī)構(gòu)用于將除葉后的秸稈定位、沿莖稈中部剖切、展開(kāi)并輸送給碾壓機(jī)構(gòu).文中設(shè)計(jì)的切展機(jī)構(gòu)主要由剖切輥組、展開(kāi)總成組成，如圖6所示.

圖6 切展機(jī)構(gòu)示意圖

其中剖切輥組與展開(kāi)總成分別由上下平行設(shè)置的輸送輥、定位切割輥與上壓輥、分展器組成.在切割輥組中秸稈能夠被準(zhǔn)確定位并沿秸稈中心切開(kāi)深度為秸稈直徑的2/3左右；在展開(kāi)總成中分展器能夠準(zhǔn)確沿著秸稈被切開(kāi)的縫隙經(jīng)過(guò)3個(gè)階段將秸稈展開(kāi)，且切開(kāi)深度與展開(kāi)幅度不應(yīng)過(guò)大，因秸稈皮屬于脆性纖維材料，彎曲幅度過(guò)大時(shí)秸稈皮會(huì)沿著纖維絲排列方向出現(xiàn)裂紋，在剝?nèi)窟^(guò)程中會(huì)增大瓤殘留率與外皮破損.分展器是切展機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵部件，利用三面楔原理結(jié)合秸稈的植株參數(shù)對(duì)分展器進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，三面楔原理能夠保證秸稈在切展機(jī)構(gòu)中按階段逐漸展開(kāi)的同時(shí)外皮不會(huì)出現(xiàn)裂痕，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示.

圖7 分展器設(shè)計(jì)示意圖

計(jì)算公式如下：

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

式中：α為載荷角，(°)；β為楔角，(°)；γ為展開(kāi)面傾斜角，(°)；θ為安裝角，(°).

分展器的工作過(guò)程主要分3個(gè)階段，當(dāng)秸稈剛接觸分展器A點(diǎn)時(shí)為定位微展；AO之間為雙側(cè)推稈，當(dāng)秸稈到達(dá)B點(diǎn)時(shí)左右兩部分秸稈之間的夾角已經(jīng)達(dá)到90°；OE之間為雙側(cè)翻稈，由于ED的長(zhǎng)度大于OC的長(zhǎng)度，當(dāng)秸稈運(yùn)動(dòng)到OE之間時(shí)左右兩部分秸稈之間的夾角遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于90°；經(jīng)過(guò)后續(xù)碾壓輥的碾壓，秸稈被完全展開(kāi).根據(jù)秸稈展開(kāi)后的實(shí)際尺寸，選取OA，OB，OC，OE分別為50，40，40和50 mm，根據(jù)上式計(jì)算得到載荷角α、楔角β、展開(kāi)面傾斜角γ、安裝角θ分別為39°，53°，45°和39°.

2.3 剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)資料分析及前期試驗(yàn)研究，文中組合切割剝?nèi)颗c下拋原理設(shè)計(jì)剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)，該剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)主要由剝?nèi)枯仭⑶械?、頂板等組成，用于將碾壓輥夾持喂入的已展開(kāi)的玉米秸稈經(jīng)剝?nèi)枯伾细咚傩D(zhuǎn)切刀的切削作用實(shí)現(xiàn)秸稈瓤向下拋送分離、秸稈皮向后輸送分離.

2.3.1剝?nèi)枯伒慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)與受力分析

經(jīng)前期研究，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)將切刀最大旋轉(zhuǎn)半徑設(shè)計(jì)為90 mm，切刀沿剝?nèi)枯佒芟蚓?，為了使切刀剝?nèi)孔優(yōu)橛兄吻懈?，切刀頂部設(shè)置頂板.工作時(shí)秸稈在剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)的受力如圖8所示.

圖8 剝?nèi)窟^(guò)程分析

計(jì)算公式如下：

F1+F3-f=ma，

(18)

F3=F2cosθ，

(19)

N=F2sinθ，

(20)

式中：F1為碾壓輥對(duì)秸稈的輸送力，N；F2為切刀對(duì)秸稈的作用力，N；F3為切刀對(duì)秸稈作用力的水平分力，N；N為切刀對(duì)秸稈作用力的垂直方向分力，N；f為秸稈運(yùn)動(dòng)總阻力，N；θ為剝?nèi)枯伌怪敝行木€與剝?nèi)枯佒行暮颓械都膺B線的夾角，(°)；η為切刀安裝角，(°).

由于秸稈被展平碾壓后寬度約為60～100 mm，選取切刀長(zhǎng)度110 mm，而剝?nèi)枯伹械兜男D(zhuǎn)半徑為90 mm，根據(jù)剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)將切刀尺寸設(shè)計(jì)為110 mm×45 mm×5 mm，其中刀刃刃角為45°.由拋瓤軌跡可知，采用下拋原理，高速旋轉(zhuǎn)的剝?nèi)枯仌?huì)將剝下的瓤沿拋物線軌跡向下拋送，使之迅速分離，因此采用剝?nèi)枯佅轮媒Y(jié)構(gòu).根據(jù)受力分析可知，切刀的安裝角度η對(duì)剝?nèi)颗c拋瓤效果均有一定影響，且具有一定安裝角可以使剝?nèi)枯伒那邢鞣绞接蓹M切變?yōu)橄髑?，在切割纖維性秸稈時(shí)削切與橫切相比切割阻力下降30%[16]，初步設(shè)定切刀的安裝角度為15°，30°和45°.作業(yè)時(shí)秸稈在剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)中水平運(yùn)動(dòng)，由于秸稈皮的厚度為1～2 mm，切刀與頂板間的間隙不應(yīng)過(guò)小，由預(yù)試驗(yàn)可知切刀與頂板間的間隙對(duì)剝?nèi)啃Ч泻艽笥绊?，初選頂板與切刀間間隙為1.8，2.3和2.8 mm.

2.3.2理論剝?nèi)抗?jié)距的計(jì)算

剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)在工作時(shí)，切刀隨著剝?nèi)枯佔(zhàn)龈咚倩剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將瓤切成顆粒狀與皮分離，剝?nèi)窟^(guò)程屬于有支撐切瓤，秸稈在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相對(duì)穩(wěn)定，因此瓤粒均勻.喂入輥的線速度、剝?nèi)枯伒霓D(zhuǎn)速、切刀的數(shù)量是影響瓤粒長(zhǎng)度的重要參數(shù)，瓤粒的長(zhǎng)度為相鄰的兩把切刀做切割運(yùn)動(dòng)時(shí)秸稈的輸送長(zhǎng)度，故瓤粒的長(zhǎng)度為

(21)

式中：L為瓤粒的理論長(zhǎng)度，m；vm為秸稈的喂入線速度，m·s-1；Nt為剝?nèi)枯伒霓D(zhuǎn)速，r·min-1；Z為切刀數(shù)量.

由式(21)可以看出，當(dāng)剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，影響瓤粒的長(zhǎng)度主要因素為碾壓輥轉(zhuǎn)速與剝?nèi)枯佫D(zhuǎn)速比、切刀數(shù)量，根據(jù)秸稈喂入線速度與預(yù)試驗(yàn)，初步選擇剝?nèi)枯伒霓D(zhuǎn)速為480 ～780 r·min-1，且瓤粒長(zhǎng)度越大，瓤殘留率越高.

2.3.3拋瓤軌跡分析

切刀將秸稈瓤剝離后，秸稈皮被輸送至分離機(jī)后方，瓤粒沿拋物線軌跡向下拋送使皮瓤直接分離，將瓤?？闯少|(zhì)點(diǎn)并忽略空氣阻力的影響，則瓤粒運(yùn)動(dòng)軌跡為

(22)

式中：v1為碾壓輥的喂入速度，m·s-1；t為剝?nèi)枯伒倪\(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；ω為剝?nèi)枯伒男D(zhuǎn)角速度，rad·s-1；R1為剝?nèi)枯伆霃?，m；g為重力加速度，取9.8 m·s-2；κ為起拋角度，即剝?nèi)康杜cx軸夾角，(°).

秸稈在分離機(jī)中保持水平運(yùn)動(dòng)，實(shí)際測(cè)量皮瓤分離后秸稈外皮的彎曲特性，當(dāng)秸稈外皮伸出長(zhǎng)度為350 mm時(shí)，秸稈向下彎曲50 mm，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)當(dāng)秸稈彎曲量小于外皮輸出輥半徑時(shí)，外皮輸出輥能夠完成對(duì)外皮的夾持輸送工作，文中設(shè)計(jì)的外皮輸送輥半徑為50 mm，所以外皮輸出輥組與剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)的軸心距應(yīng)小于350 mm，由式(22)可知，瓤粒在水平方向的運(yùn)動(dòng)距離與喂入輥轉(zhuǎn)速、剝?nèi)枯佫D(zhuǎn)速、切刀安裝角度、剝?nèi)枯伆霃接嘘P(guān)，根據(jù)前面已經(jīng)確定的參數(shù)結(jié)合拋瓤軌跡與外皮的彎曲特性，為避免瓤粒落在外皮輸出輥組上，使瓤粒堆積在分離機(jī)下方的瓤粒收集區(qū)域，以減小整機(jī)尺寸為原則選擇剝?nèi)枯伵c外皮輸出輥之間的軸心距為300 mm.

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

除葉機(jī)構(gòu)與剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)是玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，文中分別進(jìn)行除葉機(jī)構(gòu)與剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)臺(tái)架試驗(yàn).

3.1 試驗(yàn)材料

選取東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校區(qū)試驗(yàn)田成熟且自然風(fēng)干的完整玉米秸稈，試驗(yàn)前隨機(jī)選取30株秸稈進(jìn)行植株參數(shù)測(cè)量，每株測(cè)量3次并取平均值，得到主要植株參數(shù)如下：植株高度2 301.6 mm；平均穗位6節(jié)；秸稈根部平均直徑28.2 mm；秸稈皮厚1.0～2.1 mm；莖稈含水率21.5%；葉片含水率12.9%.試驗(yàn)前將秸稈去掉直徑小于18 mm的稍部并進(jìn)行含水率測(cè)量，測(cè)試儀器設(shè)備主要有FR-F740-45K-CHT1型變頻器(日本三菱公司)，DHG-9410A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)、BSA3202S型電子天平(最大量程3 200 g，精度0.01 g，奧多利斯科學(xué)儀器有限公司)，游標(biāo)卡尺，SW6236C型數(shù)顯轉(zhuǎn)速表等.

3.2 試驗(yàn)方法

文中分別選取L9(34)與L27(313)正交表對(duì)除葉機(jī)構(gòu)與剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，每種處理重復(fù)5次試驗(yàn)并取平均值，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論分析以及預(yù)試驗(yàn)，分別選取對(duì)除葉與剝?nèi)坑绊戄^大的因素做為試驗(yàn)因素，其中除葉試驗(yàn)因素包括彈簧線徑、喂入輥線速度、除葉輥轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)因素水平表如表1所示；剝?nèi)吭囼?yàn)因素包括切刀安裝角度、切刀數(shù)量、切刀與頂板之間的間隙、剝?nèi)枯佫D(zhuǎn)速，試驗(yàn)因素水平表如表2所示.

表1 除葉試驗(yàn)因素與水平

表2 剝?nèi)吭囼?yàn)因素與水平

根據(jù)玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)性能要求，除葉試驗(yàn)選擇除葉率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，剝?nèi)吭囼?yàn)選擇瓤殘留率為評(píng)價(jià)指標(biāo).

除葉率指玉米秸稈經(jīng)除葉作業(yè)后，除掉的葉片的質(zhì)量占本株秸稈葉片總質(zhì)量的百分比，計(jì)算公式如下：

(23)

式中：Y1為除葉率；m1為除掉葉片的質(zhì)量，g；m0為本株秸稈葉片的總質(zhì)量，g.

瓤殘留率指玉米秸稈經(jīng)剝?nèi)孔鳂I(yè)后，未剝掉瓤的質(zhì)量占本株秸稈瓤總質(zhì)量的百分比，計(jì)算公式為

(24)

式中：Y2為瓤殘留率；m3為未剝掉瓤的質(zhì)量，g；m2為本株秸稈瓤的總質(zhì)量，g.

3.3 結(jié)果分析

3.3.1除葉試驗(yàn)結(jié)果分析

除葉試驗(yàn)結(jié)果與極差分析如表3所示，各考察因子的極差值越大，說(shuō)明該因子對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，表中A，B，C為因素水平值.

表3 除葉試驗(yàn)方案與結(jié)果

由極差分析結(jié)果可知，影響除葉率的因數(shù)主次順序?yàn)椋撼~輥轉(zhuǎn)速、喂入輥線速度、彈簧線徑，最佳組合方案是A3B1C3，即當(dāng)彈簧線徑為1.4 mm、喂入輥線速度為1 m·s-1、除葉輥轉(zhuǎn)速為700 r·min-1時(shí)，除葉率可以控制在較優(yōu)范圍.

為了驗(yàn)證上述各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響顯著性的準(zhǔn)確性，運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示，由方差分析結(jié)果可知，除葉輥轉(zhuǎn)速對(duì)除葉率影響極顯著(P<0.01)，喂入輥線速度對(duì)除葉率影響極顯著(P<0.01)，彈簧線徑對(duì)除葉率影響顯著(P<0.05)，表明3個(gè)參數(shù)正確，是影響除葉率的主要因素，符合極差分析規(guī)律.

除葉輥轉(zhuǎn)速、喂入輥線速度對(duì)除葉率均有極顯著影響，由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著除葉輥轉(zhuǎn)速增加除葉率逐漸增大，當(dāng)喂入輥線速度一定時(shí)，除葉輥轉(zhuǎn)速越大，除葉輥上定、動(dòng)除葉齒板對(duì)單位長(zhǎng)度秸稈梳刷、打擊的次數(shù)越多，使除葉率升高.隨著喂入輥線速度增大除葉率逐漸降低，當(dāng)除葉輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，喂入輥線速度越大，單位時(shí)間內(nèi)除葉輥對(duì)秸稈梳刷、打擊的次數(shù)越少，導(dǎo)致除葉率降低.彈簧線徑對(duì)除葉率有顯著影響，隨著彈簧線徑的增加除葉率逐漸增大，彈簧線徑影響彈簧剛度，從而對(duì)除葉齒板與秸稈間摩擦力有直接影響，隨著彈簧線徑的增加彈簧剛度不斷增加，使動(dòng)除葉齒板的預(yù)壓力逐漸增大，在工作過(guò)程中動(dòng)除葉齒板與秸稈貼合更緊密，增加了動(dòng)除葉齒板與秸稈間的搓擦力，使除葉率不斷增加.

表4 除葉試驗(yàn)方差分析結(jié)果

3.3.2剝?nèi)吭囼?yàn)結(jié)果分析

剝?nèi)吭囼?yàn)結(jié)果與極差分析如表5所示，各考察因子的極差值越小，說(shuō)明該因子對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，試驗(yàn)結(jié)果的方差分析如表6所示，表中A，B，C，D為因素水平值.

表5 剝?nèi)吭囼?yàn)方案與結(jié)果

表6 剝?nèi)吭囼?yàn)方差分析結(jié)果

由極差分析可知，影響瓤殘留率的因素主次順序?yàn)椋呵械稊?shù)量、頂板間隙、剝?nèi)枯佫D(zhuǎn)速、切刀安裝角度，最佳組合方案是A3B3C1D3，即當(dāng)切刀安裝角度45°、切刀數(shù)量6把、頂板間隙1.8 mm、剝?nèi)枯佫D(zhuǎn)速780 r·min-1時(shí)，瓤殘留率可控制在較優(yōu)范圍.

為了驗(yàn)證上述各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響顯著性的準(zhǔn)確性，運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表6所示，由方差分析結(jié)果可知，切刀數(shù)量與切刀與頂板間隙對(duì)瓤殘留率影響極顯著(P<0.01)，剝?nèi)枯佫D(zhuǎn)速對(duì)瓤殘留率影響顯著(P<0.05)，切刀安裝角度對(duì)瓤殘留率影響較顯著(P<0.1)，符合極差分析規(guī)律.

切刀數(shù)量與剝?nèi)枯佫D(zhuǎn)速分別對(duì)瓤殘留率有極顯著影響與顯著影響，當(dāng)切刀數(shù)量或剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速增加時(shí)根據(jù)公式(21)，切刀對(duì)單位長(zhǎng)度秸稈的切削次數(shù)逐漸增加，從而降低瓤的殘留率，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)隨著切刀刀數(shù)或剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速增加時(shí)瓤粒尺寸明顯逐漸減小，且瓤粒越小瓤殘留率越低.頂板與切刀間隙對(duì)瓤殘留率有極顯著影響，根據(jù)試驗(yàn)當(dāng)頂板與切刀之間的間隙逐漸增大時(shí)，瓤的殘留率逐漸增加，由于秸稈皮的厚度為1.0～2.1 mm，隨著頂板與切刀之間的距離逐漸增大，切刀對(duì)瓤的切削深度逐漸減小，導(dǎo)致靠近秸稈皮的部分瓤無(wú)法完全被切削掉，致使含瓤率逐漸升高.切刀安裝角度對(duì)瓤殘留率有顯著影響且隨著切刀安裝角度的增加瓤殘留率緩慢降低，根據(jù)公式(20)隨著切刀角度的增加，切刀對(duì)秸稈的切砍作用逐漸減弱，導(dǎo)致秸稈皮的破損減少，而此部分的瓤未被剝掉，因此瓤殘留率緩慢降低.

4 分離機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

依據(jù)上述試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果，研制了玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)與上述分析，考慮到葉片的拋送與纏輥回帶等問(wèn)題，將前除葉機(jī)構(gòu)、喂入機(jī)構(gòu)、后除葉機(jī)構(gòu)、剖切輥組、展開(kāi)總成、碾壓機(jī)構(gòu)、剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)、外皮輸出輥組間軸心距分別設(shè)置為240，240，180，100，140和300 mm，樣機(jī)及分離后所獲得的葉、皮、瓤如圖9所示.對(duì)較優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)地點(diǎn)為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)畜牧機(jī)械實(shí)驗(yàn)室，為減小誤差，重復(fù)5次試驗(yàn)取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，驗(yàn)證試驗(yàn)表明玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)均運(yùn)轉(zhuǎn)正常，性能穩(wěn)定，工作過(guò)程中無(wú)堵塞現(xiàn)象發(fā)生，能夠完成玉米秸稈皮瓤葉分離作業(yè).

表7 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果 %

圖9 分離機(jī)及分離后的樣品

5 結(jié) 論

1) 通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的玉米秸稈除葉機(jī)構(gòu)與剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)試驗(yàn)分析，確定影響除葉的關(guān)鍵因素為彈簧線徑、喂入輥線速度、除葉輥轉(zhuǎn)速；影響剝?nèi)康年P(guān)鍵因素為切刀角度、切刀數(shù)量、頂板與切刀間隙、剝?nèi)枯佫D(zhuǎn)速.運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出影響除葉率的較優(yōu)參數(shù)組合：彈簧線徑1.4 mm、喂入輥線速度1 m·s-1、除葉輥轉(zhuǎn)速700 r·min-1；得出影響瓤殘留率的較優(yōu)參數(shù)組合為切刀數(shù)量6把、頂板間隙1.8 mm、剝?nèi)枯佫D(zhuǎn)速780 r·min-1、切刀安裝角度45°.

2)玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)表明：在以上較優(yōu)組合參數(shù)下，除葉率為97.5%，瓤殘留率為2.8%，外皮完整，瓤粒均勻，各個(gè)機(jī)構(gòu)均運(yùn)轉(zhuǎn)正常，性能穩(wěn)定.