陳海濤，苗乃彪，董冰哲，頓國強，張穎

D200型秸稈纖維制取機結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗研究

陳海濤，苗乃彪，董冰哲，頓國強，張穎

（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱150030）

為進一步完善D200型秸稈纖維制取機，以水稻秸稈為試驗材料，采用五因素兩水平正交試驗方法，選取制取機模頭內(nèi)徑、擠壓段長度、擠壓段螺桿螺距、喂入段螺距型式、升壓環(huán)外徑為影響因子，以秸稈纖維制取機生產(chǎn)率、纖維得率、纖維長寬比、抗張指數(shù)為響應(yīng)函數(shù)，對其進行較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合試驗研究，結(jié)果表明，當結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為模頭內(nèi)徑164 mm、擠壓段長度240 mm、擠壓段螺桿螺距40 mm、喂入段螺桿采用變距螺旋型式、升壓環(huán)外徑195 mm時，各項指標分別達到：生產(chǎn)率762.9 kg·h-1、纖維得率82.5%、纖維長寬比41.3、抗張指數(shù)8 N·m·g-1，滿足設(shè)計目標要求，驗證試驗結(jié)果進一步證明參數(shù)優(yōu)化結(jié)果的合理性?？蔀樵摍C定型設(shè)計提供參考依據(jù)。

秸稈纖維制取機；正交試驗；參數(shù)優(yōu)化；水稻秸稈

陳海濤,苗乃彪,董冰哲,等.D200型秸稈纖維制取機結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2015,46(7)∶90-94.

Chen Haitao,Miao Naibiao,Dong Bingzhe,et al.Structural optimization experimental study on D200 crop straw fiber extruder[J].Journal of Northeast Agricultural University,2015,46(7)∶90-94.(in Chinese with English abstract)

目前，我國秸稈資源主要通過燃料化、肥料化、飼料化、工業(yè)原料化、食用菌基料化等方式加以利用，利用率不足55%[1-4]。其中用于工業(yè)原料等高附加值途徑秸稈資源僅占秸稈總量2%[1]。另外，約有45%秸稈資源被焚燒、遺棄，對環(huán)境造成嚴重污染[1]。清潔、高效、高值化農(nóng)作物秸稈利用技術(shù)已成為研究熱點[5]。秸稈纖維制取，是實現(xiàn)多種作物秸稈粗纖維清潔制取的有效途徑之一[6-8]，可為農(nóng)作物秸稈資源綜合利用提供有效設(shè)備技術(shù)支持。本文旨在以水稻秸稈為原料，通過正交試驗，研究D200型秸稈纖維制取機較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，為該機優(yōu)化設(shè)計定型提供參考依據(jù)。

1 秸稈纖維制取機工作原理

如圖1所示，制取機采用單螺桿結(jié)構(gòu)，主要由電機、減速機、主軸、組合套筒、組合螺桿、模頭及機架組成。其中組合螺桿主要由喂入段螺桿、變螺距螺桿、第一升壓環(huán)、擠壓段螺桿、第二升壓環(huán)、爆破段螺桿組成，如圖2所示。

動力由電機提供、經(jīng)過由皮帶、減速機、聯(lián)軸器組成的傳動系統(tǒng)傳遞給主軸，帶動主軸及組合螺桿進行旋轉(zhuǎn)運動。制取機工作時，經(jīng)預(yù)處理的水稻秸稈通過喂入口進入螺桿與套筒之間，在螺桿與套筒間摩擦力的輸送作用下，具有一定含水率的水稻秸稈樣本，依次經(jīng)過喂入段、擠壓段、爆破段，最終由出料口排出。

在喂入、擠壓、爆破各時間段內(nèi)，水稻秸稈受到不同程度的升溫、擠壓、揉搓作用，發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學變化，致使其纖維素結(jié)晶度提高。在擠出物排出機體的瞬間，高溫高壓的蒸汽驟然減壓，秸稈纖維急劇膨脹產(chǎn)生“爆破”效果[9-10]，將植物纖維撕裂成為細小纖維，從而獲得秸稈粗纖維。

圖1 制取機主機結(jié)構(gòu)Fig.1Host structure of extruder

圖2 組合螺桿總成Fig.2Combination of assembly screw

2 材料與方法

2.1 材料

2.1.1 試驗材料

2013年收獲期采集的東農(nóng)425水稻秸稈，切削成長度10 cm小段，試驗前常溫水浸泡12 h。

2.1.2 設(shè)備和儀器

D200型秸稈纖維制取機樣機（東北農(nóng)業(yè)大學自制），ZBSX 92A型振擊式標準振篩機（浙江市鑫達試驗設(shè)備廠），ZT4-00型打漿機（中通試驗裝備有限公司），ZCX-A型紙頁成型器（長春市月明小型試驗機有限責任公司），Plus V3.5.0型Leica Qwin光學顯微鏡（Made in Germany）等。

2.2 方法

采用正交試驗方法，通過Design-expert 6.0.10，對試驗結(jié)果進行分析。根據(jù)前期相關(guān)試驗研究結(jié)果，設(shè)定機器主軸轉(zhuǎn)速為100 r·min-1，套筒內(nèi)部溫度控制在100℃，喂入量為每組試驗條件下制取機強制喂料的最大值。

2.2.1 試驗因素選取

在制取秸稈粗纖維的過程中，制取機內(nèi)部壓力、溫度以及秸稈樣本在機器內(nèi)部的加工時間和受到的擠壓、揉搓作用，均對制取機工作效率和質(zhì)量有顯著影響。

本研究通過改變模頭內(nèi)徑、升壓環(huán)外徑調(diào)節(jié)機器內(nèi)部壓力和溫度；通過改變喂入段螺距調(diào)節(jié)秸稈樣本在機器內(nèi)部加工時間；通過改變擠壓段螺桿長度和螺距調(diào)整秸稈樣本在機器內(nèi)部受到的擠壓、揉搓作用效果。根據(jù)預(yù)試驗結(jié)果，選取模頭內(nèi)徑（mm）A、擠壓段長度（mm）B、擠壓段螺桿螺距（mm）C、喂入段螺距型式D、升壓環(huán)外徑（mm）E為影響因子，如表1所示。

2.2.2 響應(yīng)函數(shù)及測定

本研究綜合考慮制取機對秸稈的加工能力和加工質(zhì)量，選取生產(chǎn)率y1（kg·h-1）、纖維得率y2（%）、纖維長寬比y3，抗張指數(shù)y4（N·m·g-1）作為機器性能的評價指標。

2.2.2.1 生產(chǎn)率測定

生產(chǎn)率是評價機器加工能力的重要依據(jù)，本研究以制取機每小時粗纖維生產(chǎn)量作為其生產(chǎn)率，計算方法見式（1）。

式中，P-生產(chǎn)率（kg·h-1）；m-粗纖維質(zhì)量（kg）；t-加工時間（h）。

2.2.2.2 纖維得率測定

纖維得率反映秸稈原料的利用率，值越大說明產(chǎn)生的可用纖維越多，機器加工質(zhì)量越好，其計算方法見式（2）。

式中，x-纖維得率（%）；m1-制取機加工所得粗纖維干重（kg）；m2-喂入制取機的秸稈原料干重（kg）；m3-粗纖維篩分除雜后所得纖維干重（kg）。

2.2.2.3 纖維長寬比測定

纖維長寬比是評價纖維形態(tài)的重要參數(shù)指標。本研究采用Leica Qwin光學顯微鏡，依照光學顯微鏡測定法（GB/T 10336—1989），測量和計算纖維長寬比，其計算方法見式（3～4）。

式中，K-單根纖維長寬比；L-纖維長度（mm）；N-纖維寬度（mm）；n-纖維根數(shù)；Kn-纖維平均長寬比。

表1 影響因子及水平Table 1Factors and levels

2.2.2.4 抗張指數(shù)的測定

本研究采用紙和紙板抗張強度測定法（GB/T 453—1989）計算紙膜樣片抗張指數(shù)，表征纖維機械強度。

抗張指數(shù)計算方法見式（5）。

式中，Y-抗張指數(shù)（N·m·g-1）；Fˉ-平均抗張力（N）；LW-式樣寬度（mm）；g-式樣定量（g·m-2）。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表2所示。

在0.1信度下方差分析結(jié)果如表3所示。

由方差分析結(jié)果可知，各響應(yīng)函數(shù)模型項P＜0.1，說明各模型在0.1水平下顯著。

由表3中各因素P值可知，對于生產(chǎn)率y1，各影響因子顯著性排序為：B＞E＞C＞A＞D；對于纖維得率y2，各影響因子顯著性排序為：E＞D＞A＞B＞C；對于纖維長寬比y3，各影響因子顯著性排序為：C＞D＞A＞B＞E；對于抗張指數(shù)y4，各影響因子顯著性排序為：B＞D＞C＞E＞A。

針對表2進行極差分析結(jié)果，如表4所示。

表2 試驗結(jié)果Table 2Result of test

表3 方差分析結(jié)果Table 3Result of variances analysis

表4 極差分析結(jié)果Table 4Result of poor analysis

實際生產(chǎn)中，期望獲得較大生產(chǎn)率、纖維得率、纖維長寬比和抗張指數(shù)。由表4可知，生產(chǎn)率y1，各影響因子較好水平為：模頭內(nèi)徑151 mm、擠壓段長度240 mm、擠壓段螺桿螺距70 mm、喂入段采用等距螺旋型式、升壓環(huán)外徑195 mm。

纖維得率y2，各影響因子較好水平為：模頭內(nèi)徑164 mm、擠壓段長度290 mm、擠壓段螺桿螺距40 mm、喂入段采用變距螺旋型式、升壓環(huán)外徑195 mm。

纖維長寬比y3，各影響因子較好水平為：模頭內(nèi)徑164 mm、擠壓段長度240 mm、擠壓段螺桿螺距40 mm、喂入段采用等距螺旋型式、升壓環(huán)外徑197 mm。

抗張指數(shù)y4，各影響因子較好水平為：模頭內(nèi)徑164 mm、擠壓段長度290 mm、擠壓段螺桿螺距40 mm、喂入段采用變距螺旋型式、升壓環(huán)外徑197 mm。

3.2 優(yōu)化分析

本著優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)植物秸稈纖維的原則，在生產(chǎn)率＞700 kg·h-1，纖維得率＞80%，纖維長寬比＞35和抗張指數(shù)（不添加任何助劑）＞8 N·m·g-1前提下，得到制取機結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方案為：A1B2C2D1E2，即：制取機模頭內(nèi)徑164 mm，擠壓段長度240 mm，擠壓段螺桿螺距40 mm，喂入段采用變距螺旋型式，升壓環(huán)外徑195 mm。

此時，秸稈纖維制取機生產(chǎn)率為762.9 kg·h-1，纖維得率為82.5%，纖維長寬比為41.3，抗張指數(shù)為8 N·m·g-1，各響應(yīng)函數(shù)均可滿足目標要求。

3.3 試驗驗證

按照優(yōu)化結(jié)果給出的參數(shù)組合方案，實施驗證試驗。試驗材料制備、設(shè)備以及性能指標選取與測定方法同前文所述。試驗結(jié)果為生產(chǎn)率854.5 kg·h-1，纖維得率83.4%，纖維長寬比38.7，抗張指數(shù)8.1 N·m·g-1?？梢姡繕撕瘮?shù)均能滿足實際水稻秸稈纖維生產(chǎn)要求，優(yōu)化方案合理。

4 結(jié)論

a.各因子對各響應(yīng)函數(shù)影響顯著性排序為：生產(chǎn)率：B＞E＞C＞A＞D；纖維得率：E＞D＞A＞B＞C；纖維長寬比：C＞D＞A＞B＞E；抗張指數(shù)：B＞D＞C＞E＞A。

b.D200型秸稈纖維制取機較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為A1B2C2D1E2，即制取機模頭內(nèi)徑164 mm、擠壓段長度240 mm、擠壓段螺桿螺距40 mm、喂入段采用變距螺旋、升壓環(huán)外徑195 mm，此時，制取機生產(chǎn)率達854.5 kg·h-1，纖維得率達83.4%，纖維長寬比達38.7，抗張指數(shù)達8.1 N·m·g-1，各項性能指標均達到設(shè)計技術(shù)要求。

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Structural optimization experimental study on D200 crop straw fiber extruder

CHEN Haitao,MIAO Naibiao,DONG Bingzhe,DUN Guoqiang,ZHANG Ying(School of Engineering,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

In order to further improve the D200 crop straw fiber extruder.Selected rice straw as the experimental material,take five factors with two levels of orthogonal test,considered the inner diameter of die head,the length of extrusion section,the pitch of extrusion section screw,the pitch pattern of the feeding section and the external diameter of booster ring as the impact factors,selected the productivity,the fiber yield, the length-width ratio of fiber and the tensile index as the response function and did the more optimized structural parameters experimental study.The results showed that when the structure parameters combination was the inner diameter of die head was 164 mm,the length of extrusion section was 240 mm,the pitch of extrusion section screw was 40 mm,the pitch of feeding section was variable and the external diameter of boosting ring was 195 mm,the indicators were that the productivity was 762.9 kg·h-1,the yield of straw was 82.5%,the length-width ratio of fiber was 41.3,the tensile index was 8 N·m·g-1,could meet the requirement of the design goal.The result of the verification test further proved the correctness of the parameters optimization result.The result of the research provided a reference basis for the finalize design to the machine.

crop straw fiber extruder;orthogonal test;parameter optimization;rice straw

TH237.1

A

1005-9369（2015）07-0090-05

時間2015-7-9 14:42:30[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150709.1442.004.html

2015-03-21

十二五國家科技支撐項目（2012BAD32B02-5）

陳海濤（1962-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為生物質(zhì)材料和農(nóng)業(yè)機械化工程。E-mail:htchen@neau.edu.cn