施曉佳,王自強(qiáng),梁 棟,李 粵，張喜瑞

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，?？?570228 )

0 引言

香蕉作為世界著名的熱帶經(jīng)濟(jì)作物,在我國(guó)主要分布在廣東、廣西、海南、福建等地區(qū)，而香蕉秸稈作為香蕉產(chǎn)區(qū)的主要副產(chǎn)物,全國(guó)年生產(chǎn)量將近3 000多萬(wàn)t[1-2]。香蕉在收獲的同時(shí)也會(huì)生出大量香蕉秸稈，在我國(guó)熱帶區(qū)域，長(zhǎng)期以來(lái)香蕉秸稈都被當(dāng)?shù)亟掇r(nóng)視作廢棄物，大量堆積在香蕉地中，等待自然分解。香蕉秸稈可作為一種豐富的植物資源，有著較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和開(kāi)發(fā)價(jià)值，若經(jīng)過(guò)合理的加工處理，在青貯飼料、制藥、生物質(zhì)能源、食用菌栽培及造紙業(yè)都有著巨大的應(yīng)用潛力[2-3]。

當(dāng)前,大部分香蕉種植生產(chǎn)區(qū)仍然采用著傳統(tǒng)的人工砍伐搬運(yùn)、自然腐爛及干枯焚燒等方式來(lái)處理香蕉秸稈，不但勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高,而且會(huì)造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)[3-4]。目前，我國(guó)香蕉秸稈處理技術(shù)仍然不成熟，在采用現(xiàn)有機(jī)械作業(yè)時(shí)仍要付出很大的人力勞動(dòng)，粉碎效率比較低，粉碎后的秸稈依然需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完全腐爛，且由于香蕉秸稈富含大量纖維，在粉碎香蕉秸稈時(shí)會(huì)造成纖維纏繞刀軸現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)器不能正常運(yùn)作[5-6]。同時(shí)，香蕉秸稈富含大量水分，若單純地粉碎香蕉秸稈，粉碎后的香蕉秸稈仍然含有大量水分，會(huì)造成運(yùn)輸成本的增加[7-8]。

目前，我國(guó)對(duì)于香蕉秸稈粉碎機(jī)的研究，仍然停留在初始階段[9]。朱德榮等[10]設(shè)計(jì)了一種能一次性將香蕉的假莖、葉、根茬同時(shí)粉碎還田的還田機(jī)具，避免了拖拉機(jī)多次進(jìn)地，降低了作業(yè)成本；但存在粉碎刀易磨損、機(jī)器振動(dòng)過(guò)大等問(wèn)題，需進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。針對(duì)喂入困難、粉碎不徹底等問(wèn)題，海南大學(xué)教授李粵等[11]研發(fā)的粉碎還田機(jī)，可連續(xù)執(zhí)行香蕉秸稈推倒、鏟斷、喂入、粉碎和還田等系列動(dòng)作，粉碎率達(dá)到了94.9%；但由于采用了徑向切割的方式去粉碎香蕉秸稈，粉碎過(guò)程中甩刀會(huì)對(duì)秸稈產(chǎn)生一個(gè)很大的橫向擺力，從而對(duì)還田機(jī)喂入輥的夾持有很高的要求；另外，在壓輥擠壓輸送香蕉假莖的過(guò)程中壓輥輥齒易產(chǎn)生纏繞。張喜瑞等[12]研發(fā)的滾割喂入式臥軸甩刀香蕉假莖粉碎還田機(jī)，能較流暢完成香蕉秸稈喂入、粉碎和還田等作業(yè)。該樣機(jī)工作性能穩(wěn)定、油耗低、振動(dòng)小，實(shí)驗(yàn)顯示香蕉秸稈的切碎長(zhǎng)度為平均56mm，粉碎合格率甚至高達(dá)96.6%，優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；但存在螺旋刀片易產(chǎn)生形變影響喂入效果、錘爪式粉碎刀易磨損、更換成本高及臥式還田機(jī)易纏繞等問(wèn)題，需進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

針對(duì)現(xiàn)如今香蕉秸稈粉碎機(jī)械普遍存在粉碎效果不佳、使用不方便、及工作性能不穩(wěn)定等問(wèn)題，研制了擠壓喂入式香蕉秸稈脫水粉碎機(jī)[13]，將脫水和粉碎結(jié)合一體，并有效避免作業(yè)過(guò)程中因機(jī)具纖維纏繞而導(dǎo)致能耗增加及效率降低等問(wèn)題[13-14]。該香蕉秸稈脫水粉碎機(jī)能有效地脫去香蕉秸稈的大量水分，且在脫去水分的同時(shí)擠壓輥破壞了香蕉秸稈的纖維組織，使得在粉碎刀對(duì)秸稈進(jìn)行切削粉碎時(shí)秸稈粉碎得更徹底。香蕉秸稈經(jīng)過(guò)擠壓脫水以及被有序地向粉碎裝置輸送，粉碎后的秸稈不僅長(zhǎng)度一致，而且長(zhǎng)度較短，含水量較低，便于制作加工青貯飼料。整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，可以在香蕉田間直接處理香蕉秸桿，粉碎效率高，粉碎后的秸稈可用作青貯飼料及生物質(zhì)能源，有效促進(jìn)了香蕉秸稈的綜合利用，促進(jìn)香蕉種植戶的增收，具有積極的推廣意義[13-16]。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

擠壓喂入式香蕉秸稈脫水粉碎機(jī)，主要由機(jī)架、擠壓脫水裝置、秸稈切碎裝置、動(dòng)力傳遞系統(tǒng)和行走裝置組成，如圖1所示。整機(jī)性能指標(biāo)及技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.喂料斗 2.缺口矩形板 3.收集槽 4.第1支柱 5.行走輪 6.第2支柱 7.V帶 8.粉碎帶輪 9.擠壓下輥 10.擠壓上輥

項(xiàng)目單位設(shè)計(jì)參數(shù)外形尺寸mm1000×800×800配套動(dòng)力kW4喂入量kg/s1.5

續(xù)表1

1.2 工作原理

香蕉秸稈通過(guò)喂料斗進(jìn)入擠壓裝置，此時(shí)表面上均分布有在軸向上錯(cuò)位排列擠牙齒的擠壓上輥和擠壓下輥邊通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始作業(yè)；滾軋擠壓脫水結(jié)束后，秸稈有序地傳送到粉碎裝置，橫截面為矩形、刀刃呈鋸齒形的粉碎刀片便開(kāi)始作業(yè)，對(duì)秸稈進(jìn)行徹底、深入的粉碎，粉碎出長(zhǎng)度一致且較短、含水量較低的秸稈，保證了秸稈纖維纏繞情況較少；最后，粉碎好的香蕉秸稈通過(guò)收集槽排出還田。

2 主要工作部件及參數(shù)

2.1 擠壓喂入裝置

喂料裝置由喂料斗、螺栓、擠壓輥安裝架組成，如圖2所示。喂料斗水平放置時(shí)，從上往下看為上窄下寬狀梯形，通過(guò)螺栓固連在擠壓輥安裝架上，通過(guò)拆解螺栓即可調(diào)節(jié)喂料斗相對(duì)于擠壓輥安裝架的角度；擠壓輥安裝架通過(guò)其底部4個(gè)安裝支座與機(jī)架螺栓連接。

1.鏈輪 2.傳動(dòng)軸 3.鏟刀刃口 4.鋸齒式壓輥 5.軸承座 6.喂入壓輥軸

擠壓裝置由表面均分布有擠壓齒的擠壓上輥、擠壓下輥及擠壓鏈輪、擠壓齒輪組成。擠壓齒縱截面形狀為等腰三角形，擠壓齒在同一徑向平面內(nèi)等角度排列，相鄰兩擠壓齒夾角為36°。擠壓上輥的橫向轉(zhuǎn)動(dòng)連接由兩端的軸及擠壓輥安裝架上的軸承構(gòu)成，擠壓鏈輪固結(jié)在擠壓上輥右端軸的端部，擠壓下輥通過(guò)兩端的軸及擠壓輥安裝架上的軸承構(gòu)成橫向轉(zhuǎn)動(dòng)連接，擠壓齒輪固結(jié)在擠壓下輥?zhàn)蠖溯S的端部，擠壓上輥的中心線與擠壓下輥的中心線在同一豎直面內(nèi)，擠壓上輥的中心線與擠壓下輥的中心線之間有10cm間隙。所述粉碎刀片橫截面為矩形，刀刃呈鋸齒形，刀刃厚度為2～4mm，通過(guò)螺栓與刀座連接，在單一刀片磨損后，可通過(guò)拆卸螺栓對(duì)受損的刀片進(jìn)行更換。滾動(dòng)喂入裝置如圖3所示。

圖3 滾動(dòng)喂入裝置結(jié)構(gòu)示意圖

香蕉秸稈脫水粉碎機(jī)的喂入裝置上方布置壓輥，起到抓取并且喂入秸稈的作用。裝置選擇使用鋸齒式壓輥，便于秸稈順利喂入。壓輥主要工作參數(shù)有輥筒直徑D(mm)、支撐鋼板和壓輥軸線距離h1(mm)及壓輥轉(zhuǎn)速n1(r/min)。

由公式(1)[17]可得壓輥輥筒的直徑為

(1)

其中，Dmin為輥筒最小直徑(mm)；qn為壓延比，取qn=50%；A為香蕉秸稈壓縮前截面直徑，取值范圍為[250,350]mm；F為壓輥與秸稈之間的摩擦力(N)；P為壓輥?zhàn)饔糜诮斩挼恼龎?N)；β為摩擦角(°)。

由庫(kù)倫定律，可得摩擦因數(shù)u=F/P，進(jìn)一步可得u=tanβ或u≈β。試驗(yàn)測(cè)定u的范圍為 [0.7,0.87]，計(jì)算可得β值在40°～50°之間，代入(1)式，取整后得Dmin為106～202 mm。若輥筒直徑取值太小，則不易抓取莖細(xì)的香蕉秸稈；若輥筒直徑取值太大，對(duì)香蕉秸稈的抓取效果提高的同時(shí)卻加大了拖拉機(jī)的能耗[18]。考慮到以上兩個(gè)因素，則壓輥輥筒直徑D確定為120mm。

為了提高喂入輥?zhàn)ト∠憬督斩挼挠行?，進(jìn)一步根據(jù)公式[11]h1

影響香蕉秸稈粉碎效果的因素很多，其中壓輥轉(zhuǎn)速尤為重要。該機(jī)器的行進(jìn)速度v(m/s)定義為：壓輥?zhàn)ト∠憬督斩捛昂筠D(zhuǎn)速差。若壓輥轉(zhuǎn)速過(guò)大，則機(jī)具功率消耗過(guò)多,導(dǎo)致能源浪費(fèi)；若轉(zhuǎn)速過(guò)小,秸稈將在機(jī)具作用下被迫推進(jìn)，相應(yīng)功率消耗增大。當(dāng)壓輥的線速度等于秸稈的相對(duì)速度(即v線=v相時(shí)，不僅能夠使秸稈穩(wěn)定地喂入粉碎室，同時(shí)整機(jī)消耗功率也最小。因此，取v線=v相=v=0.5～0.8 m/s。[19]。壓輥轉(zhuǎn)速與壓輥線速度滿足的公式為

(2)

其中，n1為壓輥轉(zhuǎn)速(r/min)；v線為壓輥的線速度(m/s)。

由前面可知：v線=0.5～0.8 m/s，D=120 mm。代入(2)式，計(jì)算得壓輥的轉(zhuǎn)速n1范圍為 79.62～ 127.39 r/min。當(dāng)進(jìn)料速度小于機(jī)具行走速度時(shí)，秸稈的喂入與被迫向前推進(jìn)將一起進(jìn)行，相應(yīng)的機(jī)具功率消耗增大,粉碎效果降低。其中，l為香蕉秸稈切碎長(zhǎng)度(mm)；ε為打滑系數(shù)，一般取ε=0.05～0.07。因此，v線取最大值時(shí)，對(duì)應(yīng)取n1=127.39 r/min。

2.2 粉碎裝置

粉碎裝置由粉碎刀軸、刀座、刀片、粉碎帶輪組成。粉碎刀軸通過(guò)與軸承支座上的軸承配合與機(jī)架構(gòu)成橫向轉(zhuǎn)動(dòng)連接，刀片通過(guò)螺栓連接在夾角為180°的刀座上，刀座又固結(jié)在粉碎刀軸上，粉碎帶輪固結(jié)在粉碎刀軸左端部，弧形秸稈收集槽置于粉碎刀軸的正下方，收集槽兩端與機(jī)架上層縱向梁通過(guò)螺栓連接。刀片示意圖如圖4所示。

圖4 刀片示意圖Fig.4 The schematic diagram of blades

當(dāng)保持動(dòng)、定刀間隙不變時(shí)，秸稈切碎長(zhǎng)度與喂入壓輥轉(zhuǎn)速、動(dòng)刀片數(shù)量及動(dòng)刀輥轉(zhuǎn)速相關(guān)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，當(dāng)香蕉秸稈的切碎長(zhǎng)度小于150 mm時(shí)，滿足切碎要求，合格率大于90%。已知擠壓輥轉(zhuǎn)速為[319,478]r/min，秸稈粉碎刀輥轉(zhuǎn)速為 [765,1095]r/min，由喂入壓輥夾取秸稈送入粉碎裝置時(shí)的速度即為喂入壓輥速度v線。根據(jù)公式(3)計(jì)算可得

(3)

其中，v線為喂入壓輥速度(m/s)；D為喂入壓輥直徑，D=120mm；n1為喂入壓輥轉(zhuǎn)速(r/min)。動(dòng)刀片每秒對(duì)香蕉秸稈的切削次數(shù)L為

(4)

其中，Kd為動(dòng)刀數(shù)，Kd=4；nq為動(dòng)刀轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速(r/min)。切碎長(zhǎng)度l的計(jì)算公式為

(5)

由式(3)～式(5)可得秸稈切碎長(zhǎng)度l為

(6)

由式(6)可知：秸稈切碎長(zhǎng)度正相關(guān)于喂入壓輥轉(zhuǎn)速和喂入壓輥直徑，負(fù)相關(guān)于動(dòng)刀數(shù)量和動(dòng)刀輥轉(zhuǎn)速。因此，保持動(dòng)刀數(shù)量和喂入壓輥直徑不變時(shí)，取喂入壓輥轉(zhuǎn)速最小、動(dòng)刀輥轉(zhuǎn)速最大，可得秸稈切碎長(zhǎng)度最小值lmin；取喂入壓輥轉(zhuǎn)速最大、動(dòng)刀輥轉(zhuǎn)速最小，可得秸稈切碎長(zhǎng)度最大值lmax。由式(6)可得，秸稈切碎長(zhǎng)度取值范圍為[50,80]mm。試驗(yàn)測(cè)得粉碎后秸稈長(zhǎng)度均小于100 mm，故所設(shè)計(jì)的喂入輥轉(zhuǎn)速、秸稈粉碎刀輥轉(zhuǎn)速值均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2017年9月16日，在海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院農(nóng)機(jī)試驗(yàn)基地，利用人工砍伐的香蕉秸稈，對(duì)擠壓喂入式香蕉秸稈脫水粉碎機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)。該香蕉地收獲后的香蕉樹(shù)秸稈平均高度為1 500mm。

3.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)在秸稈脫水粉碎作業(yè)完成后進(jìn)行了5次測(cè)量。依據(jù)試驗(yàn)?zāi)康拇_定該試驗(yàn)的試驗(yàn)指標(biāo)，包括秸稈脫水粉碎機(jī)工作效率及香蕉秸稈粉碎合格率。秸稈粉碎長(zhǎng)度不大于100mm為合格。

3.2.1 工作效率

通過(guò)稱重儀將人工砍伐的香蕉莖稈均分為5組，每組質(zhì)量為m，用秒表測(cè)定機(jī)器粉碎m1，香蕉秸稈所用的時(shí)間t0。試驗(yàn)測(cè)取5組數(shù)據(jù)，然后求平均值。粉碎機(jī)在正常工作時(shí)的工作效率Q如公式(7)所示，即

(7)

其中，Q為工作效率(kg/h)；m1為每組香蕉秸稈質(zhì)量(kg)；t0為秸稈粉碎機(jī)粉碎質(zhì)量為m1香蕉秸稈的工作時(shí)間(s)。

3.2.2 香蕉秸稈粉碎合格率

將粉碎后香蕉秸稈均分為5組，每組質(zhì)量為M；然后測(cè)定每組長(zhǎng)度小于或等于100mm 香蕉秸稈的質(zhì)量m；香蕉秸稈粉碎合格率ρ通過(guò)式(8)可以求出，最后求得5組香蕉秸稈粉碎合格率的平均值。

(8)

其中，ρ為香蕉秸稈切碎率(%)；M為區(qū)域內(nèi)所有香蕉秸稈的質(zhì)量(kg)；m為粉碎完成以后香蕉秸稈長(zhǎng)度小于或等于100mm(合格)的香蕉秸稈質(zhì)量(kg)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

擠壓喂入式香蕉秸稈脫水粉碎機(jī)的主要性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 主要性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

續(xù)表2

樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明：樣機(jī)作業(yè)工作效率的平均值為0.43hm2/h，香蕉秸稈粉碎合格率平均值達(dá)到96.98%，已達(dá)到香蕉秸稈粉碎合格率的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

1)基于海南熱區(qū)香蕉種植模式，結(jié)合香蕉秸稈物理機(jī)械特性及現(xiàn)有香蕉秸稈粉碎機(jī)所存在的問(wèn)題，提出了一種針對(duì)香蕉秸稈進(jìn)行脫水粉碎的處理方案，進(jìn)而研制出擠壓喂入式香蕉秸稈脫水粉碎機(jī)。

2)基于理論研究和經(jīng)驗(yàn)分析，分別確定了擠壓喂入式香蕉秸稈脫水粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)。采用理論建模，建立喂入裝置輸送速度與秸稈粉碎裝置切削速度之間的曲線模型，從而實(shí)現(xiàn)喂入裝置定速送入和秸稈粉碎刀徑向垂直切割的有效配合，進(jìn)而將香蕉秸稈徹底粉碎。

3)擠壓喂入式香蕉秸稈脫水粉碎機(jī)的成功研制，避免了香蕉秸稈資源的浪費(fèi)，降低了熱區(qū)蕉農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度。香蕉秸稈的粉碎還田一定程度上提升了熱帶地區(qū)土壤肥力，進(jìn)而提高了熱區(qū)熱帶作物的產(chǎn)量，最終促進(jìn)了地方農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。