農(nóng)業(yè)類顆粒體物料蓬松機(jī)構(gòu)設(shè)計與試驗*

劉健，張園，劉璨，韋麗嬌，郭昌進(jìn)，劉智強(qiáng)

(1. 廣東海洋大學(xué)，廣東湛江，524091； 2. 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東湛江，524091；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，廣東湛江，524091)

0 引言

類顆粒體農(nóng)業(yè)物料是指具有顆粒體特性的、在養(yǎng)殖、種植及其作物生長過程中涉及的各種有機(jī)物，類顆粒體物料的存在狀態(tài)一般是粉末狀、微型顆粒體、球形、橢球形、扁圓形等。其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的表現(xiàn)形式可大致概括為土壤顆粒、作物種子、固態(tài)肥料、霧化滴狀農(nóng)藥、水果果實等。在農(nóng)產(chǎn)品加工中，類顆粒體形態(tài)的農(nóng)業(yè)物料通常會因為低溫、潮濕、密閉、陰暗等環(huán)境的影響而粘結(jié)成團(tuán)或塊狀，有些物料甚至有很強(qiáng)的吸水粘附性[1-2]，極易形成巨型塊體，這種形態(tài)下的物料不能直接使用，同樣也不方便貯存運輸或是下一道加工工序。因此，急需設(shè)計一種能夠產(chǎn)生合格粒度的蓬松機(jī)構(gòu)。

方梅等[3]以秸稈為研究對象，建立動力學(xué)模型，基于盤刀式鍘草機(jī)對農(nóng)業(yè)物料粉碎過程的運動規(guī)律進(jìn)行了試驗，為機(jī)構(gòu)的設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)；曹麗英等[4]通過數(shù)值模擬對粉碎機(jī)的分離裝置進(jìn)行仿真試驗，得到了顆粒農(nóng)業(yè)物料在分離裝置內(nèi)的運動狀態(tài)，這對于后續(xù)類顆粒體農(nóng)業(yè)物料與分離機(jī)構(gòu)的接觸分析有了理論參考；英國皇家學(xué)會會刊[5]中指出，將可粉碎顆粒連續(xù)體理想化，即不規(guī)則顆粒類球體化，應(yīng)用于沙粒顆粒中可探索其斷裂力學(xué)特性，如此便給很多非球體農(nóng)業(yè)物料的研究提供了新思路；徐云峰針對傳統(tǒng)的錘片式顆粒物料粉碎機(jī)功耗大、效率低、以及噪聲大等缺點，基于黃瓜秸稈物料提出了經(jīng)預(yù)先切割到破碎再粉碎的多級蓬松機(jī)構(gòu)設(shè)計理念，雖然效果理想，但機(jī)構(gòu)復(fù)雜，不能實現(xiàn)機(jī)械一體化操作。

目前國內(nèi)外對于農(nóng)業(yè)類顆粒體物料的蓬松機(jī)械研究多集中在如何提高類顆粒體在分級破碎機(jī)械中的工作效率和作業(yè)質(zhì)量，無法滿足當(dāng)今機(jī)械自動化時代結(jié)構(gòu)簡單化、作業(yè)一體化的要求。為緩解農(nóng)業(yè)類顆粒體物料粘結(jié)造成的后續(xù)加工難問題，本文設(shè)計了一種操作簡便、安全高效的農(nóng)業(yè)類顆粒體物料蓬松裝置，采用仿真設(shè)計和試驗驗證的方式以了解農(nóng)業(yè)類顆粒體物料加工領(lǐng)域蓬松化共性技術(shù)理論，并對試制樣機(jī)進(jìn)行了室內(nèi)試驗工作，以期為農(nóng)業(yè)類顆粒體的蓬松技術(shù)提供新的思路。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

本次設(shè)計的思路是在一個機(jī)構(gòu)中即可實現(xiàn)塊狀農(nóng)業(yè)物料從初級到最終達(dá)到蓬松狀態(tài)的目的，粘結(jié)物料可在一個密閉空間中持續(xù)作業(yè)，直至蓬松狀態(tài)良好，再依據(jù)實際需求釋放合適粒徑物料。該機(jī)構(gòu)的工作主要滿足以下3個方面的要求：一是能適用于多種顆粒體農(nóng)業(yè)物料的破碎與蓬松；二是能適應(yīng)工廠、農(nóng)戶等實際生產(chǎn)環(huán)境；三是能大大降低人工勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)機(jī)械一體化，裝備安全可靠。

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

農(nóng)業(yè)類顆粒體蓬松機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動電機(jī)、傳動帶輪、操作面板、側(cè)板(粉體隔絕板)、螺旋葉片、物料桶和支撐架組成，如圖1所示。物料桶由4根高強(qiáng)度的支架所支撐，桶中心處置有一根主軸，可使螺旋葉片同步轉(zhuǎn)動，側(cè)面設(shè)置有30 cm高的側(cè)板用于隔絕大部分粉塵顆粒，短型支架上設(shè)置一塊操縱板，除啟停外還有一個保險按鈕，以保證整機(jī)安全工作，操縱板下部懸掛一個電機(jī)，驅(qū)動機(jī)構(gòu)持續(xù)作業(yè)。

(a) 總體結(jié)構(gòu)圖

工作原理：接上電源，在操縱面板上按下啟動電源，電機(jī)開始工作，通過鍵軸帶動電機(jī)端帶輪轉(zhuǎn)動，再由皮帶傳動，此時螺旋葉片開始同步旋轉(zhuǎn)。將塊狀顆粒體農(nóng)業(yè)物料倒入料桶中，體積大的物料將經(jīng)過上層葉片進(jìn)行初級破碎成小塊掉落，螺旋葉片為反螺旋旋轉(zhuǎn)，即自底部向頂部螺旋旋轉(zhuǎn)。由于錐形料桶的設(shè)計，摩擦力大大減小，向下的分力增大，未加工物料不會滯留在桶中上部。與螺旋葉片不斷接觸的過程中，物料的運動是自底部向上迫動，如此往復(fù)，團(tuán)狀或塊狀的顆粒體農(nóng)業(yè)物料受到巨大的剪切應(yīng)力將變得蓬松，恢復(fù)為顆粒體形態(tài)，被打碎成粉末或顆粒狀的物料將沉積于可調(diào)排料口排出，剩余的塊體物料則將繼續(xù)掉落粉碎，直至完成作業(yè)。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

顆粒體農(nóng)業(yè)物料蓬松機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 整機(jī)主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of the whole machine

2 主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

該蓬松機(jī)構(gòu)主要由物料桶、電機(jī)、操縱面板和螺旋葉片等關(guān)鍵部件組成，為使其在實際生產(chǎn)中高效、穩(wěn)定地運行，需要對機(jī)構(gòu)主要的部件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及試驗校核。

2.1 物料桶容積計算

物料桶承載著整個類顆粒體蓬松工作的區(qū)域，其容積決定了單次工作量以及工作效率問題，因此，本次設(shè)計利用以下公式計算物料桶的容積。

圖2 物料桶部分參數(shù)示意圖

(1)

(2)

h2=H-h1

(3)

V=V1+V2

(4)

式中：V——物料桶容積，mm3；

H——物料桶高度，本次取800 mm；

h1——柱體高度，本次取500 mm；

h2——圓臺體高度，mm；

r1——上底半徑，本次取350 mm；

r2——下底半徑，本次取120 mm；

v1——柱體體積，mm3；

v2——圓臺體積，mm3。

根據(jù)設(shè)定參數(shù)由式(1)～式(4)可計算出物料桶的容積V=(1.92+0.56)×108=2.48×108mm3。

2.2 螺旋葉片參數(shù)設(shè)計

置于物料桶中的螺旋葉片是本文設(shè)計的農(nóng)業(yè)類顆粒體蓬松機(jī)構(gòu)的核心部件，主要承擔(dān)著大塊體物料的初級破碎、攪動打散以及最終蓬松的任務(wù)。由于粘結(jié)成塊的顆粒體農(nóng)業(yè)物料形狀體積大小不一，同時要將它們破碎成同一粒徑標(biāo)準(zhǔn)，采用反螺旋旋轉(zhuǎn)的葉片能夠提供較大的擠壓和剪切應(yīng)力，也能兼顧占用體積小、不影響蓬松物料的流動等特點。葉片參數(shù)設(shè)計的基本原則是在保證機(jī)構(gòu)穩(wěn)定工作的前提下實現(xiàn)最佳的作業(yè)質(zhì)量[6]，即蓬松率最高。

(a) 螺旋葉片縱截面參數(shù) (b) 螺旋葉片整體參數(shù)

2.2.1 單個螺距螺旋線長

螺旋葉片的厚度及螺旋主軸等參數(shù)決定了作業(yè)強(qiáng)度，直接影響機(jī)構(gòu)作業(yè)效率。相關(guān)參數(shù)可在單個螺旋線長已知的情況下計算得知，其計算方法是將纏繞螺旋主軸的螺旋線近似為一個直角三角形[7]，如圖3(a)所示，兩直角邊分別為螺距s和主軸橫截面周長，斜邊則是螺距s形成的螺旋線l和L，螺旋線長與葉片內(nèi)外徑關(guān)系如圖3(b)所示。本次設(shè)計利用式(5)～式(6)對葉片外徑相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算。

(5)

(6)

式中：l——內(nèi)徑螺旋線長，mm；

L——外徑螺旋線長，mm。

依據(jù)式(5)～式(6)設(shè)定的葉片外徑D=350 mm，內(nèi)徑d=95 mm，單個螺距s=280 mm，計算可得l=409 mm，L=1 134 mm，則葉片寬度c=(D-d)/2=127.5 mm。

2.2.2 螺旋葉片主軸

螺旋葉片主軸有帶式螺旋軸和軸式螺旋軸[8]，帶式螺旋軸由于核心無軸，強(qiáng)度無法支撐長時間作業(yè)，故本次設(shè)計采用軸式螺旋軸。螺旋主軸的設(shè)計思路是將其與螺旋葉片無縫焊接在一起，減少了二次粘連的同時，還可使塊體物料與葉片工作區(qū)域充分接觸，因此主軸直徑和葉片內(nèi)徑在數(shù)值上保持一致。作業(yè)時不僅受到扭轉(zhuǎn)載荷還受到少量的彎曲載荷，因此需要對其進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計算。

如圖4所示，根據(jù)強(qiáng)度條件，空心螺旋軸最大切應(yīng)力計算如式(7)～式(10)所示。

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：T——傳遞的扭矩，N·m；

wp——抗扭截面系數(shù)，mm3；

d1——空心軸內(nèi)徑，mm；

d2——空心軸外徑，mm。

代入數(shù)據(jù)可得τmax=48.3 MPa。

(a) 主軸縱向截面圖 (b) 主軸法向截面圖

根據(jù)剛度條件，最大撓度計算如式(11)～式(13)所示。

(11)

(12)

q=qt+qd

(13)

式中：q——軸的均布載荷集度，kN/m；

qt——縱截面的載荷集度，kN/m；

qd——橫截面的載荷集度，kN/m；

t——軸兩端距離，mm；

E——彈性模量，E=2.06×105MPa；

Ip——截面慣矩，mm4。

代入數(shù)據(jù)可得Ymax=2.60 mm。

2.2.3 葉片厚度

螺旋葉片對機(jī)構(gòu)的抗彎能力影響很小，可以近似忽略，但是它的質(zhì)量會影響主軸的撓度[9]，故葉片厚度設(shè)計要合理，不宜太厚?？紤]到剛度條件并且兼顧效率問題，本次設(shè)計對葉片厚度“徑心外緣漸薄化”處理，即靠近主軸端因受較大載荷且要支撐葉片旋轉(zhuǎn)故采取加厚措施，參照物料桶的高度H=800 mm，螺距s=280 mm，葉片數(shù)量設(shè)置為3個，因此軸端厚度取k1=20 mm。外緣厚度則是要參照最大工作剪切應(yīng)力τmax以及葉片外徑與物料桶直徑的尺寸關(guān)系，小尺寸容積機(jī)構(gòu)設(shè)計時，其外緣厚度一般不超過軸端的一半，故本次設(shè)計外緣厚度取k2=10 mm以滿足工作要求。

2.3 整機(jī)減震設(shè)計

葉片是依靠螺旋主軸工作的，所以必須保證主軸的可靠性。首先是考慮到機(jī)構(gòu)自身重量對于電機(jī)功耗的影響，螺旋體材料選擇高強(qiáng)度的碳鋼，結(jié)構(gòu)上充分利用空心降耗的優(yōu)勢與葉片焊接在一起；其次，主軸需要固定點以支撐它的旋轉(zhuǎn)，水東莉[10]在挖坑機(jī)的減震設(shè)計中提到，核心部件會隨著驅(qū)動電機(jī)的工作而震動并把這種震動傳遞到機(jī)體其他部位，這種“消極震動”不利于生產(chǎn)作業(yè)，若采用一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)就能有效地減弱這種震動傳遞。利用這個思路，本次設(shè)計中只需在料桶中上部設(shè)計了一個“三角支撐”型徑向柱以獲得較好的穩(wěn)定性，如圖5所示，同時皮帶傳輸導(dǎo)致的震動也能通過主軸分散到整個機(jī)身，達(dá)到“自身減震”[11]的效果。

圖5 主軸固定示意圖

2.4 操縱面板設(shè)計

為進(jìn)一步降低農(nóng)戶或企業(yè)人工操作機(jī)械的上手難度，該機(jī)構(gòu)采用的是一鍵啟動和一鍵停止按鈕的設(shè)計，并且配合一塊可有效阻擋粉塵顆粒的側(cè)板共同組合成一個可操作性強(qiáng)、簡潔實用的操縱面板。在實際生產(chǎn)中，時常有體積不明的來料，為了提高效率一般不做專門區(qū)分工序，因此前人所研制的破碎機(jī)、粉碎機(jī)會遇到葉片“卡刀”的情況，若是任由其多次發(fā)生則極易導(dǎo)致電機(jī)燒壞[12]。本文在設(shè)計中加入了保險按鈕，即當(dāng)檢測到卡刀，電流會瞬間變大，從而觸發(fā)熱繼電器[13]，瞬時切斷電源，達(dá)到保護(hù)電機(jī)的目的。

2.5 電機(jī)調(diào)速及功耗計算

三相異步交流電機(jī)是一種能將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的電力拖動裝置，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、成本低廉、運行效率高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械中[14]。該機(jī)構(gòu)的設(shè)計選用的是額定功率為3.0 kW、額定電壓為220 V的三相異步電機(jī)。

三相異步電機(jī)有多種調(diào)速方式，如串電阻調(diào)速、串級調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、變頻調(diào)速等。其中，變頻調(diào)速的原理是依據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比的關(guān)系，通過改變電動機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。由于變頻調(diào)速效率高、調(diào)速范圍廣、能實現(xiàn)平滑調(diào)速以及過程中無附加損耗，是當(dāng)前應(yīng)用最廣、效果最理想的調(diào)速方式[15]。

由于自身“徑向柱”結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以起到減少震動的效果，一定程度上降低了能耗。核心部件螺旋葉片的轉(zhuǎn)速是由電機(jī)進(jìn)行調(diào)速調(diào)節(jié)的，為體現(xiàn)機(jī)構(gòu)工作效率程度，本文從機(jī)構(gòu)主要功率輸出——電機(jī)進(jìn)行了功耗的計算。其基本思路是功耗的分配、測定及公式計算。

1) 電機(jī)接入家庭(或工業(yè))電源后其輸出功率走向是絕大部分用于帶動與主軸焊接在一起的螺旋葉片轉(zhuǎn)動，小部分用于電機(jī)和皮帶傳動自身發(fā)熱，只有極小部分是震動和摩擦損耗。工作功耗作為主要計算部分，發(fā)熱損耗不可直接忽視，但由于不好直接測定本文用電機(jī)95%的效率記入，而震動和摩擦的損耗很小，可忽略不計。

2) 電機(jī)所輸出的電功率通過電能表來進(jìn)行測定，具體方法如下：實時連接的電能表顯示每轉(zhuǎn)過4 500 r，所耗電能為1 kW·h，換算成能量計算單位為3 600 kJ，電機(jī)起動后開始計時，測定時間節(jié)點為15 min。測試時間段內(nèi)記下電能表轉(zhuǎn)盤數(shù)據(jù)，并將最終所得功耗乘上電機(jī)效率，用三相電源提供的功率減去作業(yè)功率即得電機(jī)功耗。

(14)

P2=U·I

(15)

P=P2-P1

(16)

式中：P1——電機(jī)作業(yè)功率，w；

P2——輸出總功率，w；

P——機(jī)構(gòu)功耗，w；

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

η——電機(jī)輸出效率。

通過式(14)～式(16)計算可得該測試時間段電機(jī)功耗為8.44 kW。

3 螺旋葉片的建模與分析

顆粒體農(nóng)業(yè)物料蓬松機(jī)構(gòu)工作與否以及可靠性都是由料桶內(nèi)最為關(guān)鍵的工作部件——螺旋葉片來決定的，如圖6所示，因此，分析它的力學(xué)參數(shù)是必要的。SolidWorks是一套基于Windows的桌面集成系統(tǒng)，是一款能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械三維圖繪制的軟件[16]，它能從仿真的角度校核可靠性，本文采用其中的simulation插件來輔助應(yīng)力分析。

圖6 螺旋葉片示意圖

3.1 顆粒體運動規(guī)律

類顆粒體農(nóng)業(yè)物料在進(jìn)入到機(jī)構(gòu)物料桶內(nèi)時，首先會由其自身重力作用掉落并與葉片以及桶內(nèi)壁發(fā)生擠壓作用，待電機(jī)啟動后，葉片開始反螺旋轉(zhuǎn)動，農(nóng)業(yè)物料發(fā)生迫動響應(yīng)，在此過程中受到重力、摩擦力、擠壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力和軸向力等作用，使得塊體破碎直至整體蓬松[17]。

物料塊進(jìn)入到機(jī)構(gòu)內(nèi)會因為螺旋葉片的轉(zhuǎn)動而形成層流模型，而蓬松后的顆粒物料則由于較大的屈服應(yīng)力處于懸浮狀態(tài)，除了一些不規(guī)則塊體顆粒掉落底部，其余物料將不會出現(xiàn)明顯的沉降現(xiàn)象?；诖艘?guī)律，待蓬松物料進(jìn)一步加大受剪幾率，從而提高蓬松率。為進(jìn)一步明晰顆粒物料塊的運動規(guī)律，從宏觀角度上可以將整個蓬松過程待加工物料和已加工物料大致劃分為3個區(qū)域，即受剪流動區(qū)、非剪切流動區(qū)以及懸浮區(qū)。處在螺旋葉片邊緣與料桶內(nèi)壁之間的區(qū)域?qū)偈芗袅鲃訁^(qū)，處在葉片之間且隨葉片呈螺旋上升運動屬非剪切流動區(qū)，而已被蓬松的顆粒物料則是受體積影響先掉落到底部，后隨葉片上升運動，最終受氣流壓力作用下小粒徑物料懸浮于葉片上空，這塊區(qū)域為懸浮區(qū)。

顆粒物料蓬松過程如圖7所示，通過非剪切流動區(qū)與受剪流動區(qū)的相互作用，導(dǎo)致懸浮區(qū)物料的不斷更新，最終使所有物料都被蓬松化。

圖7 顆粒物料蓬松過程示意圖

3.2 物料體積和葉片轉(zhuǎn)速對蓬松率影響

在探明顆粒物料進(jìn)入機(jī)構(gòu)內(nèi)的運動規(guī)律后，本文設(shè)定了幾個影響蓬松率的關(guān)鍵因素：顆粒間的運動摩擦阻力、料桶內(nèi)壁面的摩擦阻力、物料體積以及葉片轉(zhuǎn)速。顆粒間的運動摩擦阻力雖然一定程度上有影響，但是從機(jī)構(gòu)的其他部分要素來說，基本可以忽略不計。料桶內(nèi)壁其實某種程度上說，它自身所帶有的摩擦力是有利于塊體顆粒化的，但是在蓬松化作業(yè)時其作用并不凸顯，故亦做忽略處理。

物料體積直接影響著工作時間以及可能會發(fā)生的“卡刀”現(xiàn)象，而葉片轉(zhuǎn)速則是直接影響著工作效率以及蓬松效果，故應(yīng)探討這兩個因素對蓬松率的影響。理論上，物料體積越大，機(jī)構(gòu)越難將其顆?；馁M的時間也越長，最終的蓬松率也略有降低，同樣的，葉片作為機(jī)構(gòu)核心工作部件，其轉(zhuǎn)速也直接影響作業(yè)效果，轉(zhuǎn)速越高，一定程度上物料受到的剪切力就越大，作業(yè)時間相應(yīng)縮短，最終呈現(xiàn)的蓬松率也顯著提高。為證明這一觀點，通過控制轉(zhuǎn)速和體積兩個變量進(jìn)行多因素驗證試驗，其中實測6組數(shù)據(jù)制成曲線圖如圖8所示。

圖8 體積和轉(zhuǎn)速對蓬松率的影響關(guān)系曲線

從圖8可知，塊體物料的體積大小和葉片轉(zhuǎn)速對于蓬松率直接相關(guān)。通過試驗數(shù)據(jù)分析并取平均值發(fā)現(xiàn)，機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速x與物料顆粒體積X兩大影響因素均大致呈拋物線走向，其擬合公式如式(17)～式(18)所示。

(17)

(18)

如圖8所示曲線趨勢，塊體物料體積越大，實際顯示效果越差，反之則越好。另外，葉片轉(zhuǎn)速也同樣直接影響著物料的蓬松率，一般情況下轉(zhuǎn)速越大效果越顯著，而本次試驗則發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速上升到一定值時不僅容易卡刀，電機(jī)發(fā)熱也快，并且蓬松率并無顯著提高。

3.3 應(yīng)力分析

在進(jìn)行應(yīng)力分析前，首先要確定其制備加工材料。為保證葉片具有足夠的強(qiáng)度、剛度、耐腐蝕、長壽命等性能，同時考慮到加工的難易程度、性價比高等特點，葉片的材料一般選用鋁合金、不銹鋼以及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等制造。目前由于不銹鋼具有耐腐蝕、耐高溫、耐酸性介質(zhì)和抗高溫氧化等優(yōu)點[18]，已經(jīng)螺旋葉片設(shè)計的主流材料。本研究采用304不銹鋼材料加工制作葉片，主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 不銹鋼性能參數(shù)Tab. 2 Stainless steel performance parameters

其次是在simulation插件中先創(chuàng)建一個新算例，然后添加夾具，由于在實際機(jī)構(gòu)設(shè)計中，螺旋葉片是跟隨心軸同步轉(zhuǎn)動的，則夾具添加至內(nèi)徑表面以固定旋轉(zhuǎn)。然后是添加載荷階段，為校核葉片表面的抗彎能力，其原理是應(yīng)用最大法向應(yīng)力值以模擬農(nóng)業(yè)物料在進(jìn)入到桶內(nèi)所產(chǎn)生的力，得到葉片的應(yīng)變以及屈服強(qiáng)度[19]。為了真實模擬以及方便計算這里選擇300 N作為其模擬載荷，如圖9所示。

圖9 給葉片添加載荷

在輸入模擬數(shù)值后就能開始生成網(wǎng)格，在劃分網(wǎng)格之前，首先要了解有限單元的類型[20]，在SolidWorks中，共有5種單元類型：一階三角形殼單元、實體四面體單元；二階三角形單元、橫梁單元和實體四面體單元。對于解決葉片這類實體結(jié)構(gòu)的分析問題，應(yīng)該選擇實體單元，而一階單元網(wǎng)格屬品質(zhì)粗糙，僅用于判斷力與反作用力等，本文選擇的是二階高品質(zhì)單元，網(wǎng)格化后模型如圖10所示。

圖10 生成網(wǎng)格

3.4 仿真結(jié)果分析

在先前設(shè)置的基礎(chǔ)參數(shù)的情況下，即可運行算例，得到Von Mises應(yīng)力圖像，如圖11所示。

圖11 法向應(yīng)力分布圖

結(jié)合上述仿真數(shù)值及應(yīng)力分布圖可以得知，法向應(yīng)力的最小值為1.429×105，最大值為1.762×108。Von Mises應(yīng)力是基于剪切應(yīng)變能的一種等效效應(yīng)力[21]，該應(yīng)力計算遵循第四強(qiáng)度理論，依據(jù)式(19)計算屈服應(yīng)力。

(19)

其中?1,?2,?3分別指第一、二、三主應(yīng)力，而應(yīng)力去除時能產(chǎn)生永久變形的最小應(yīng)力值就稱為屈服應(yīng)力[22]。從運算結(jié)果可以看出，葉片的屈服應(yīng)力是2.068×108，而最大應(yīng)力是1.762×108，小于屈服力，說明葉片無論是在材料的選擇上還是結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，都是安全可靠的。另外，由于靠近主軸部分應(yīng)力較大，因而在葉片厚度設(shè)計方面應(yīng)當(dāng)設(shè)置為“內(nèi)厚外薄”才較為合理。

4 試驗驗證

顆粒蓬松率是檢驗蓬松機(jī)構(gòu)的重要指標(biāo)，利用本文所設(shè)計的蓬松機(jī)構(gòu)樣機(jī)對實際塊體農(nóng)業(yè)物料進(jìn)行試驗研究，同時與企業(yè)現(xiàn)行加工裝備效果進(jìn)行比對，以驗證該機(jī)構(gòu)的實用性。

4.1 試驗條件

對于農(nóng)業(yè)物料，尤其是飼料領(lǐng)域的蓬松有實際需求，因此，本試驗選取廣東省湛江市飼料生產(chǎn)部作為試驗場地。2021年6月針對塊體硫酸銨進(jìn)行樣機(jī)試驗。試驗對象為每包凈重25 kg的硫酸銨顆粒，分別在三種電機(jī)轉(zhuǎn)速下工作并計時，最后人工抽取經(jīng)蓬松后的顆粒驗證其粒度占比。

4.2 試驗方法

本次試驗依據(jù)GB/T 16765[23]分級取樣方法對粒度小于1.4 mm質(zhì)量進(jìn)行百分比抽樣檢測的方法，并根據(jù)GB/T 6971—2007[24]飼料粉碎試驗方法、GB/T 12729.4—2008[25]磨碎細(xì)度的測定(手篩法)，對飼料蓬松率進(jìn)行測定。

4.3 試驗結(jié)果

在室內(nèi)環(huán)境下，通過調(diào)節(jié)三檔電機(jī)轉(zhuǎn)速和兩種重量大小硫酸銨對試制樣機(jī)進(jìn)行試驗，每次試驗均計時進(jìn)行。機(jī)構(gòu)的工作效率計算如式(20)所示。

(20)

式中：η——工作效率；

V——物料桶容積，mm3；

ε——物料填充系數(shù)，一般取85%；

r——單次工作量，kg/m3；

∑t——單次工作耗時，min。

試驗結(jié)束后整理計算結(jié)果記下，并將每次試驗計算所得效率取算術(shù)平均值作為機(jī)構(gòu)的最終平均工作效率。

同一轉(zhuǎn)速下選取不同質(zhì)量規(guī)格的兩種飼料計時試驗，完成后進(jìn)行清理并調(diào)節(jié)不同轉(zhuǎn)速作業(yè)，每次試驗工作結(jié)束都進(jìn)行采樣，各稱取3份重量為500 g的樣品，這樣每個轉(zhuǎn)速都對應(yīng)6份樣品。將稱取好的樣品貼上對應(yīng)標(biāo)簽以免混淆，然后分別倒入自制篩分器具中，篩分器是由兩級篩孔(分別為2.8 mm和1.4 mm)和敞口容器組成，充分手動過篩后記錄數(shù)據(jù)，蓬松率計算如式(21)所示。

(21)

式中：m2——樣品經(jīng)二級篩分后的質(zhì)量，kg；

m1——樣品初始質(zhì)量，kg。

多次試驗結(jié)束后，將測得的主要數(shù)據(jù)記入表3中，其中蓬松率以算術(shù)平均值數(shù)據(jù)記入。

電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，(在合理的范圍內(nèi))單次工作量越大，蓬松率越高；而隨著轉(zhuǎn)速小幅量的提升，相應(yīng)地工作耗時減少即工作效率顯著提高，平均工作效率可達(dá)80.55%。郝波等[26]在粉碎機(jī)間嵌入一個高壓噴管，導(dǎo)入高壓氣體，打破物料環(huán)流層，來達(dá)到提高工作效率的目的，但是這種方法的引入，會增大投入極大的成本，其中包括電力成本、安裝及維護(hù)成本等；曹麗英等[27]在錘片式粉碎機(jī)的研究中通過正交試驗得出，當(dāng)喂入量為6 kg時，篩分效率可達(dá)88.63%，但其機(jī)構(gòu)體積小，以致單次工作量小，總體效率降低；李恒栓[28]通過優(yōu)化葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)，可將立軸沖擊式粉碎機(jī)的產(chǎn)率提高至80.35%，按單位時間折算其工作效率不足七成，并且由于體積大，顆粒粒度難以保證，功耗也高。本文設(shè)計的蓬松機(jī)構(gòu)隨著單次工作量的增加會由于增大機(jī)構(gòu)與物料的接觸，也能有效地提高蓬松率，并且工作量少時不出現(xiàn)“卡刀”現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)“卡刀”時，保險按鈕能及時切斷電源，形成自我保護(hù)機(jī)制。

表3 試驗數(shù)據(jù)Tab. 3 Test data

4.4 試驗分析

影響蓬松率的因素主要有2點：在實際投產(chǎn)中，單次工作量以及塊體體積須適應(yīng)機(jī)構(gòu)容積，盲目追求工作效率反而容易“卡刀”適得其反；其次是要依據(jù)生產(chǎn)環(huán)境以及生產(chǎn)量來選擇合適的電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到耗時最短、蓬松率最大化的效果。

曹麗英等[29]設(shè)計的粉碎機(jī)分離裝置對顆粒體的粉碎雖然有功耗低、工作效率高的優(yōu)點，但是相對而言，本文設(shè)計的蓬松機(jī)構(gòu)可以在較低轉(zhuǎn)速下耗時短且兼顧生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢；褚斌等[30]研究設(shè)計的秸稈粉碎機(jī)耗電量控制到最佳，并且粒度合格率可達(dá)92.8%；張大斌等在煙稈拔稈改進(jìn)設(shè)計中對關(guān)鍵部件刀輥進(jìn)行了功耗計算，實際功耗只有3.02 kW；張峻霞等[31]對1 250 雙齒輥進(jìn)行了樣機(jī)分析并推導(dǎo)了功耗計算公式，最終經(jīng)過試驗的驗證發(fā)現(xiàn)功耗在5.47～6.84 kW之間。本文對類顆粒體的粒度合格率上已經(jīng)達(dá)標(biāo)，但是功耗以及后續(xù)的設(shè)備維護(hù)仍需進(jìn)一步優(yōu)化；相比于該企業(yè)現(xiàn)行的飼料加工機(jī)械裝備，本文設(shè)計的蓬松機(jī)構(gòu)具有顯著的人工成本低、工作效率和蓬松率高的優(yōu)勢。

5 結(jié)論

1) 本文針對易粘結(jié)成塊的類顆粒體農(nóng)業(yè)物料，設(shè)計了一種可使其恢復(fù)生產(chǎn)狀態(tài)的蓬松機(jī)構(gòu)，為國內(nèi)外對類顆粒體蓬松機(jī)構(gòu)的研制提供了參考。

2) 對關(guān)鍵工作部件螺旋葉片進(jìn)行了參數(shù)的設(shè)計，并闡述了顆粒體進(jìn)入蓬松機(jī)構(gòu)的運動規(guī)律，即通過非剪切流動區(qū)與受剪流動區(qū)的相互作用，從而讓懸浮區(qū)不斷更新來達(dá)到蓬松顆粒體的目的；從顆粒塊體的體積和葉片轉(zhuǎn)速兩個因素分析了其對蓬松率的影響程度，通過現(xiàn)場試驗表明，塊體體積越大則蓬松率越低，葉片轉(zhuǎn)速越高則蓬松率越高。

3) 采用SolidWorks進(jìn)行螺旋葉片建模并利用Simulation插件對其外表面的主要作業(yè)受力面進(jìn)行應(yīng)力仿真分析，校核最大應(yīng)力值，從仿真結(jié)果可知該機(jī)構(gòu)具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。

4) 類顆粒體農(nóng)業(yè)物料蓬松機(jī)構(gòu)應(yīng)用于硫酸銨飼料顆粒的試驗結(jié)果表明，保險按鈕的存在能有效地保護(hù)電機(jī)，延長使用壽命；當(dāng)機(jī)構(gòu)設(shè)置為電機(jī)轉(zhuǎn)速1 000～1 200 r/min 工作時，蓬松率能達(dá)到98.23%以上，符合預(yù)期效果。