秸稈膨化機關(guān)鍵部件的設(shè)計與研究

丁建梅 遲鵬新 姜鵬 徐海峰 袁洪棟

摘 要：我國是農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源非常豐富，利用好秸稈資源可極大地解決動物飼料緊缺問題，同時也極大地解決焚燒秸稈帶來的環(huán)境問題。本文在分析秸稈膨化機工作機理的基礎(chǔ)上，對秸稈膨化機中的關(guān)鍵部件螺桿及腔體進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。為解決膨化機輸料堵塞問題，在不更換電機的條件下，通過ANSYS Workbench的流體模塊，對螺桿外腔體的速度流場、渦流黏度流場和工作壓力流場等進行有限元流場分析，對比得出螺桿與套筒間隙最佳區(qū)域。根據(jù)標(biāo)定的生產(chǎn)目標(biāo)進行試驗驗證，當(dāng)螺桿與套筒間隙為5 mm時，秸稈膨化機的結(jié)構(gòu)能達到預(yù)期的生產(chǎn)效率，秸稈膨化質(zhì)量良好。本文研究的秸稈膨化機改變了秸稈的適口性，將適口性差的農(nóng)作物秸稈變?yōu)檫m口的飼料。

關(guān)鍵詞：秸稈膨化機;螺桿;腔體;有限元流場分析

中圖分類號：S817.12 ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2021）01-0032-06

Abstract：China is a big agricultural country with rich straw resources. Making good use of straw resources can greatly solve the problem of animal feed shortage， and also greatly solve the environmental problems caused by straw burning. Based on the analysis of the working mechanism of the straw extruder， the key components of the straw extruder screw and cavity are designed. For solving the problem of feeding blockage in extruder， the velocity flow field， eddy viscosity flow field and working pressure flow field of the outer cavity of screw are analyzed by means of ANSYS Workbench fluid module without replacing the motor. According to the calibrated production target， the test verifies that when the gap between screw and sleeve is 5 mm， the structure of straw extruder can achieve the expected production efficiency， and the quality of straw puffing is good. The straw extruder studied in this paper has changed the palatability of straw， and changed the crop straw with poor palatability into palatability feed.

Keywords：Straw extruder; screw; cavity; finite element flow field analysis

0 引言

眾所周知，我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物產(chǎn)量和種類繁多，會產(chǎn)生許多秸稈資源。但秸稈資源僅有15%～20%被用于家畜飼料，其余八成由于技術(shù)的欠缺被作為能源焚燒掉，在資源浪費的同時，對環(huán)境造成了極大的威脅[1-4]。擠壓膨化技術(shù)從第一次使用，到如今廣泛應(yīng)用于食品和飼料行業(yè)已有上百年的歷史。世界上的工業(yè)強國，如美國、德國和法國等最早對擠壓膨化技術(shù)進行了實驗和分析[5-7]。美國在這個領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，美國的溫格公司就是研究擠壓膨化技術(shù)的，其研究在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位[8]。國內(nèi)的擠壓膨化技術(shù)也在不斷地發(fā)展，在發(fā)展過程中存在的主要問題是生產(chǎn)效率低、走料宜堵塞，需不斷地研究分析以解決問題。目前的擠壓膨化機主要用于玉米等擠壓[9]，秸稈膨化方面研究還停留在初級水平，國內(nèi)幾乎沒有專業(yè)生產(chǎn)秸稈膨化機的廠家。

秸稈膨化技術(shù)是新興的飼料加工技術(shù)，其原理是將秸稈加水調(diào)質(zhì)后喂入膨化機的膨化腔，依靠秸稈與膨化腔內(nèi)螺桿外螺紋和套筒內(nèi)螺紋的剪切摩擦作用，產(chǎn)生熱量和壓力，當(dāng)秸稈從出料口進入外界環(huán)境時，壓力驟然下降，從而使秸稈體積膨大實現(xiàn)秸稈膨化的工藝過程。生產(chǎn)膨化秸稈的主要設(shè)備是螺桿式擠壓膨化機。秸稈擠壓膨化加工的工藝流程為：秸稈→清選→粉碎→調(diào)質(zhì)→擠壓膨化→冷卻→包裝[10]。

2 秸稈膨化機關(guān)鍵部件的設(shè)計

螺桿在膨化機中是重要的組成部件，是影響膨化機的最主要因素[11-13]。

2.1 螺桿結(jié)構(gòu)形式的選擇

螺桿的結(jié)構(gòu)形式可以分為整體式和組合式。

整體式的螺桿結(jié)構(gòu)如圖1所示。其較組合式簡單許多，因此在加工時也相對容易。但在使用這種結(jié)構(gòu)形式時，由于螺桿特別是直徑大、長度長的螺桿在工作時的磨損是局部的，此時若再對螺桿進行維修或者更換，會加大使用成本，造成不必要的損失[14]。

相比組合式結(jié)構(gòu)，分段式的螺桿形式則靈活許多，可以根據(jù)不同情況下的要求修改膨化腔尺寸，從而達到改變長徑比的目的。分段式的螺桿結(jié)構(gòu)由一根軸將多節(jié)軸套和套筒串聯(lián)起來，如圖2所示。

根據(jù)研究設(shè)計秸稈膨化機的性質(zhì)，采用組合式螺桿結(jié)構(gòu)，從進料口到出料口采用4節(jié)，其螺距依次遞減的軸套和套筒，使物料在經(jīng)過運輸段、熔融段和擠壓膨化段時的壓力逐漸增大，最終經(jīng)過模頭噴出。

2.2 螺桿螺旋直徑的獲取

螺旋直徑是進行螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它是影響秸稈膨化率最終生產(chǎn)率的因素之一，可由設(shè)定的生產(chǎn)率反推出直徑[15]：

Q=βD3Sn。 ? ?（1）

式中 ： Q為生產(chǎn)率，kg/h;DS為螺旋外徑，cm; n為螺桿轉(zhuǎn)速，r/min; β為經(jīng)驗出料系數(shù)，一般取β=0.003。

2.3 螺桿分段結(jié)構(gòu)的設(shè)計

在確定了組合式結(jié)構(gòu)后，根據(jù)理論研究，一般擠壓膨化機的螺桿主要分為輸料段、熔融段和均化段。如圖3所示。

圖3中L1為輸料段，目的在于更快更多地輸送秸稈原料，其長度L1約為螺桿總長的10%～30%。

L2為熔融段，在這一段膨化原料所受到的壓力會增大，實現(xiàn)其自身的壓縮過程。一般而言這一段的長度L2在整個螺桿結(jié)構(gòu)中最長，約為總長L的50%～60%。

L3為均化段，這一段的技術(shù)參數(shù)比較關(guān)鍵，在槽深的設(shè)計上要盡量淺一些，因為槽深越小，秸稈原料在這一段時所受的剪切應(yīng)力越大，對其均化越有利，但同時槽深過小又會導(dǎo)致膨化原料熱分解的問題。另外，在理論上均化段L3長度越長，秸稈原料在這一段停留的時間越長，越有利于物料的均化過程，最終的產(chǎn)品質(zhì)量也越高，但是與槽深的分析類似，均化段長度過長也會出現(xiàn)原料熱分解的現(xiàn)象，出現(xiàn)反面效果。

螺桿工作時置于腔體中，與腔體一起固定在機架上。

3 螺桿流場分析

螺桿采用45號鋼，表面粗糙度為Ra=0.8 μm。在ANSYS Workbench中，建立Fluid Flow（CFX）新項目，在Geometry中導(dǎo)入通過Solidworks建立好的軸套三維模型。由于物料是在螺桿外表面和機筒內(nèi)表面運輸并剪切，因此在此處通過Enclosure命令在軸套模型外設(shè)置一個新的流域，以尾部螺桿為例，如圖4所示。

網(wǎng)格劃分及設(shè)置集合后，在Workbench工作主界面，進行流體分析前處理。在這一階段由于本次仿真需要劃分流體域和固體域，應(yīng)首先刪除原有的默認(rèn)域，通過Domain命令分別建立Fluid Domain和Solid Domain，隨后進行進出口邊界條件處理，結(jié)果如圖5所示。

經(jīng)過計算處理后返回Workbench主界面，點擊Resault進行流場分析的后處理，分別得出速度流線圖、渦流黏度流線圖和工作壓力圖，如圖6—圖8所示。

在分析套筒和螺桿間隙對上述3個因素的影響時，通過Enclosure命令建立流域來設(shè)置不同的流域距離，并按照上述步驟進行網(wǎng)格劃分、建立集合、設(shè)置流域和進出口條件，并求解。其結(jié)果見表1。

從表1中可知：

（1）在此處考慮螺桿與套筒間隙對物料速度的影響時，根據(jù)具體的建模情況，應(yīng)考慮對物料在z軸方向上的速度影響。由于物料的生產(chǎn)效率與其流動速度是成正比的，因此應(yīng)盡量選擇使物料流速快的間隙。

（2）由于物料黏度過大時，會在膨化機及膛內(nèi)運輸緩慢，容易出現(xiàn)焦糊、黏結(jié)現(xiàn)象，堆積過多后由于工作阻力過大出現(xiàn)發(fā)動機停車現(xiàn)象，因此在此處分析時，應(yīng)盡量選取使物料黏度較小的間隙。

（3）在膨化機工作時，物料是經(jīng)過先增壓后減壓最后達到的膨化產(chǎn)品，因此其工作壓力即螺桿與套筒間機膛的壓力直接影響著膨化效果的好壞。工作壓力越大，物料受到的增壓越多，在機膛內(nèi)剪切揉搓效果也越好，最終的膨化產(chǎn)品質(zhì)量也更高。因此在此處應(yīng)選擇使工作壓力更大的間隙。

綜上對比流場分析結(jié)果可知，螺桿與套筒間隙采用5～6 mm為佳。

4 實驗研究

4.1 實驗?zāi)康募捌鞑?/p>

實驗?zāi)康模禾骄拷斩捙蚧瘷C螺桿與套筒的最佳間隙，結(jié)合仿真結(jié)果選擇最佳。

實驗器材：秸稈膨化機、水桶、秤、秒表、鏟子和扳手工具。

實驗材料：經(jīng)粉碎機處理后的秸稈物料。

實驗次數(shù)：螺桿與套筒間隙為3、4、5、6 mm各3次。

4.2 實驗步驟

（1）安裝好軸套和套筒，使二者間隙為3 mm。

（2）將經(jīng)過粉碎機處理的秸稈物料加水進行調(diào)質(zhì)處理，使調(diào)質(zhì)后物料的含水量約在30%左右。提前分為預(yù)熱物料和實驗物料。

（3）啟動秸稈膨化機，先不加入物料使其空轉(zhuǎn)，排出上次工作時殘留在套筒和軸套螺槽內(nèi)固化的秸稈物料。待機器出口不再有殘余物料排出，徐徐加入準(zhǔn)備好的預(yù)熱物料。

（4）待機器達到工作溫度后，秒表計時，開始加入工作物料。

（5）實驗結(jié)束后，查看膨化效果，并收撿秸稈物料，進行稱重分析。

（6）待機器降溫后拆卸原有軸套和套筒，安裝新的軸套與套筒，使二者間隙為4 mm。

（7）重復(fù)上述步驟，分別測量螺桿與套筒間隙為3、4、5、6 mm時的產(chǎn)物質(zhì)量，觀察膨化效果。

4.3 實驗結(jié)果及分析

（1）當(dāng)螺桿與套筒間隙為3 mm時，實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計見表2。

在實驗過程中多次出現(xiàn)暫時性堵塞、不出料現(xiàn)象，并且機器在工作時會發(fā)出巨大噪音。分析其原因，3 mm的螺桿與套筒間隙輸料空間嚴(yán)重不足，在工作時由于高溫狀態(tài)物料中水分蒸發(fā)又使工作腔內(nèi)的壓力過大，物料焦糊在螺槽和?？變?nèi)，造成出料堵塞的現(xiàn)象。其效率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目標(biāo)生產(chǎn)率。

（2）當(dāng)螺桿與套筒間隙為4 mm時，實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計見表3。

當(dāng)螺桿與套筒的間距為4 mm時，工作平順性有了較好的改善，但是依然出現(xiàn)過一次短暫的不出料，其生產(chǎn)率有所提高，但離預(yù)定產(chǎn)量仍有一定差距。

（3）當(dāng)螺桿與套筒間隙為5 mm時，實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計見表4。

當(dāng)螺桿與套筒的間距為5 mm時，工作狀態(tài)穩(wěn)定，未出現(xiàn)停車、堵塞現(xiàn)象。3次實驗的平均生產(chǎn)率為180.4 kg/h，超過預(yù)期170 kg/h的設(shè)計目標(biāo)，并且最終的膨化產(chǎn)物呈絮狀，質(zhì)量良好。

（4）當(dāng)螺桿與套筒間隙為6 mm時，實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計見表5。

當(dāng)螺桿與套筒的間距為6 mm時，工作狀態(tài)穩(wěn)定，亦未出現(xiàn)停車、堵塞現(xiàn)象。并且與間隙為5 mm時相比，生產(chǎn)效率有了進一步的提高。但膨化產(chǎn)物效果不佳，產(chǎn)物呈大顆粒狀，甚至出現(xiàn)了豎條狀秸稈外皮。究其原因，在螺桿與套筒的間隙取6 mm時，膨化腔空間更大，有利于物料運輸，因此生產(chǎn)率有所提高。但由于膨化腔的空間過大，使得工作壓強降低，在螺桿熔融段和均化段并沒有足夠的剪切揉搓物料，最終導(dǎo)致產(chǎn)物呈大顆粒，膨化效果達不到預(yù)期。當(dāng)螺桿與套筒的間距為6 mm時的膨化產(chǎn)物如圖12所示。

通過實驗可以看出對螺桿流場分析后取得的螺桿與套筒間隙的取值范圍是合理準(zhǔn)確的。根據(jù)試驗比較，螺桿與套筒間隙取5 mm時，秸稈膨化機工作狀態(tài)更穩(wěn)定平順，生產(chǎn)率能達到預(yù)期，且膨化質(zhì)量良好，適合進行進一步處理加工。因此設(shè)定螺桿與套筒間隙為5 mm更適合。

5 結(jié)論

在分析剖析膨化機工作原理基礎(chǔ)上，確定了秸稈膨化機關(guān)鍵部件螺桿的結(jié)構(gòu)形狀。通過標(biāo)定生產(chǎn)目標(biāo)確定螺桿螺旋外徑，確定螺桿每個工作段的長度。根據(jù)螺桿結(jié)構(gòu)，通過ANSYS Workbench中Fluid Flow（CFX）模塊，對螺桿流場的速度、渦流黏度和工作壓力等進行流場分析，對比其結(jié)果可知螺桿與套筒間隙采取5～6 mm為最佳。

將螺桿的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于試驗，在螺桿與套筒間隙為3、4、5、6 mm時進行試驗研究分析，得出螺桿與套筒間最佳的間隙，當(dāng)間隙取5 mm時，秸稈膨化機的結(jié)構(gòu)可以達到預(yù)期的生產(chǎn)效率和良好的生產(chǎn)質(zhì)量。此研究為秸稈膨化機的進一步設(shè)計和研究提供仿真與試驗依據(jù)。

【參 考 文 獻】

[1]李暉，戴明威，戴順利，等.2010—2015年安徽省糧食作物秸稈的時空分布特征和資源評價[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2018，45（2）：282-287.

LI H， DAI M W， DAI S L， et al. A comprehensive analysis of crop straw resources in Anhui Province from 2010 to 2015[J]. Journal of Anhui Agricultural University， 2018， 45（2）： 282-287.

[2]宋柯崢，謝曉航，趙麗婭，等.我國部分省份秸稈利用情況調(diào)查[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（25）：61-64.

SONG K Z， XIE X H， ZHAO L Y， et al. Investigation of utilization of crop residue resources in some provinces of China[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences， 2017， 45（25）： 61-64.

[3]全國農(nóng)作物秸稈資源調(diào)查與評價報告[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（新能源產(chǎn)業(yè)），2011，41（2）：2-5.

National crop straw resources survey and evaluation report[J]. Agriculture Engineering Technology （New Energy Industry）， 2011，41（2）： 2-5.

[4]LIU H， JIANG G M， ZHUANG H Y， et al. Distribution， utilization structure and potential of biomass resources in rural China： With special references of crop residues[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2008， 12（5）： 1402-1418.

[5]馬亮.新型沉性水產(chǎn)飼料擠壓機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與效果研究[D].無錫：江南大學(xué)，2009.

MA L. Structural design and effect of new sinking aquatic feed extruder[D]. Wuxi： Jiangnan University， 2009.

[6]高愛民，張雪坤，王詠梅，等.機械壓實對不同類型苜蓿地土壤結(jié)構(gòu)影響的試驗研究[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備，2019，47（12）：53-58.

GAO A M， ZHANG X K， WANG Y M， et al. Experimental study on effect of mechanical compaction on the soil structure in different types of alfalfa fields[J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment， 2019， 47（12）：53-58.

[7]陳建寶.麥麩的擠壓膨化加工及其對麥麩主要成分的影響研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2008.

CHEN J B. Study on the extrusion of wheat bran and the influence on the main ingredient of wheat bran[D]. Hangzhou： Zhejiang University of Technology， 2008.

[8]解鐵民.擠壓膨化脫皮菜籽浸油的試驗研究[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

XIE T M. Experimental study of extracting oil on extruded de-skinning rapeseeds[D]. Harbin： Northeast Agricultural University， 2005.

[9]高珊，董琦，曹龍奎.膨化雜糧粉對餅干預(yù)混粉品質(zhì)的影響[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報，2015，27（5）：139-145.

GAO S， DONG Q， CAO L K. Effects of puffing coarse cereals flour to quality of biscuits premixed powder[J]. Journal of Heilongjiang Bayi Agricultural University， 2015， 27（5）： 139-145.

[10]張海軍.充分利用合作社資源發(fā)展秸稈膨化飼料產(chǎn)業(yè)[J].現(xiàn)代農(nóng)機，2016，34（5）：24-26.

ZHANG H J. Making full use of cooperative resources to develop straw puffed feed industry[J]. Modern Agricultural Machinery， 2016， 34（5）： 24-26.

[11]劉光富，李愛平.熔融沉積快速成形機的螺旋擠壓機構(gòu)設(shè)計[J].機械設(shè)計，2003，20（9）：23-26.

LIU G F， LI A P. Design of screw extrusion machinery of a fused deposition RP machine[J]. Journal of Machine Design， 2003， 20（9）： 23-26.

[12]劉斌，謝毅.熔融沉積快速成型系統(tǒng)噴頭應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].工程塑料應(yīng)用，2008，36（12）：68-71.

LIU B， XIE Y. Analysis on application status for the spray head of fused deposition modeling system[J]. Engineering Plastics Application， 2008， 36（12）： 68-71.

[13]張永，周天瑞，徐春暉.熔融沉積快速成型工藝成型精度的影響因素及對策[J].南昌大學(xué)學(xué)報（工科版），2007，29（3）：252-255.

ZHANG Y， ZHOU T R， XU C H. Factors and countermeasures influencing the precision in FDM[J]. Journal of Nanchang University （Engineering & Technology）， 2007， 29（3）： 252-255.

[14]朱斌.蓖麻粕脫毒擠壓膨化機的關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計[D].北京：中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，2013.

ZHU B. The key parts optimal design of screw extruder for castor bean meal detoxication[D]. Beijing： Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences， 2013.

[15]鄭賢.單螺桿膨化機中螺桿與機筒的設(shè)計研究[J].安徽農(nóng)學(xué)通報（上半月刊），2010，16（5）：164-165.

ZHENG X. Design and study of screw and barrel in single screw extruder[J]. Anhui Agricultural Science Bulletin， 2010， 16（5）： 164-165.