馬彩龍，王麗娟，王保愛，張琴，辛尚龍，董海龍，張雪坤，張鋒偉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院，甘肅 蘭州 730101；3.甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006)

秸稈揉絲機(jī)是一種將農(nóng)作物秸稈采用機(jī)械加工的方法使其變?yōu)閯游镲暳系臋C(jī)械設(shè)備，在國內(nèi)主要以小型揉絲機(jī)為主.目前，秸稈揉絲機(jī)在我國部分地區(qū)的推廣應(yīng)用力度不夠，在西北少數(shù)地區(qū)還存在收獲后期秸稈的田間焚燒問題，這不僅造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，同時也浪費(fèi)了畜牧業(yè)緊缺的大量生物質(zhì)能源[1-3].針對我國西北地區(qū)玉米旱作農(nóng)業(yè)種植模式下的玉米秸稈，現(xiàn)有的秸稈柔絲機(jī)的適應(yīng)性較差.因此，研制一種針對我國旱作農(nóng)業(yè)種植模式的秸稈揉絲機(jī)，對玉米秸稈的飼料化生產(chǎn)及其推廣使用有著重要意義.

近年來，我國的秸稈揉絲加工機(jī)械發(fā)展速度較快.丁保江等[4]研制生產(chǎn)了9ZR-50型秸稈斷頭機(jī)，集斷頭臺的切割、揉捏、氨化于一體，克服了普通硬連接及不等飼料長度的切割機(jī)切割玉米秸稈的缺點(diǎn).張國鋒[4]研制的9RC-30粗飼料破碎機(jī)加工后的飼料有效的提高了家畜的適口性.沈衛(wèi)強(qiáng)等[6]研制的9RSZ-540型秸稈破碎機(jī)，將傳統(tǒng)粉碎機(jī)的粉碎室與拋撒室結(jié)合起來，大大提高了拋撒能力.蘇宏煜等[7]針對秸稈(特別是綠色秸稈)營養(yǎng)成分的流失問題設(shè)計(jì)了9LRC-6型立式秸稈捏合機(jī)，將微生態(tài)殺菌劑與機(jī)械捏合起來，設(shè)計(jì)了9LRC-6型立式秸稈揉絲機(jī)，較好地滿足了牛、羊、鵝等畜禽的飼料要求.尚坦[8]設(shè)計(jì)了9RSZ-3型秸稈揉絲機(jī)，有效的提高了揉搓機(jī)構(gòu)對絲狀秸稈物料揉搓拋送的作業(yè)要求.張偉[9]利用秸稈抖動進(jìn)料板進(jìn)料工藝設(shè)計(jì)了9RS-3型秸稈揉絲機(jī)，提髙了秸稈的進(jìn)料速率和秸稈絲化率.以上研究雖然對機(jī)械部件或機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，但是不能滿足我國西北旱作農(nóng)業(yè)種植模式下玉米秸稈的揉絲質(zhì)量和飼料加工的農(nóng)藝要求.本文以國內(nèi)秸稈后處理現(xiàn)狀及國內(nèi)秸稈揉絲機(jī)發(fā)展水平為背景，結(jié)合飼料加工的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了1種新型玉米秸稈揉絲機(jī)，其目的是設(shè)計(jì)1款符合我國北方旱區(qū)的玉米秸稈揉絲機(jī)，在提高秸稈切斷率和絲化率的同時提高飼料的適口性.

1 農(nóng)藝加工要求

從反芻動物的適口性和營養(yǎng)角度分析，飼料加工后的長度大約在20～30 mm，并具有一定的柔軟性[10-11].因此，為了保證切碎后秸稈絲長度的均勻性，選擇玉米秸稈切碎形式為切刀滾筒式布置，并選取動力傳遞方式為帶傳動.同時，根據(jù)飼料適口性和營養(yǎng)價值最佳，其含水率為50%～70%，也就是其秸稈收割之后的45 d內(nèi)為最優(yōu)加工期[10].由于水分較大，玉米秸稈在揉搓時粘堵現(xiàn)象會對該機(jī)的效率產(chǎn)生影響.因此，設(shè)計(jì)的錐輥壓扁裝置的紋桿采用導(dǎo)向槽的方式，并在軸上加裝彈簧和揉搓間隙控制螺桿，從而防止秸稈在揉搓時發(fā)生堵塞.

從玉米秸稈的生物特性和物理特性來說，秸稈在徑向和軸向上的結(jié)構(gòu)組織明顯不同，在2種方向上表現(xiàn)出不同的力學(xué)性質(zhì).因此，秸稈在壓縮、切割粉碎和揉搓等加工過程中受力不同而體現(xiàn)出各種特性，如抗壓(擠)、抗拉和抗剪切等[12-14].吳子岳等[15]對玉米秸稈切斷速度進(jìn)行了極差分析，結(jié)果表明，切割方式對切斷速度的影響最大，采用滑切所需的切斷速度比砍切低約4.34 m/s.因此，刀具的設(shè)計(jì)、切割方式以及刀具的布置對玉米秸稈的切斷力有重要影響，張晉國[16]研究表明，滑切線速度為34 m/s時切斷率最佳.

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1為新型玉米秸稈揉絲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，樣機(jī)由機(jī)架、動力裝置、壓扁劃絲機(jī)構(gòu)、切割裝置和揉搓機(jī)構(gòu)組成.其中，傳動裝置由帶輪、齒輪等部件組成；壓扁劃絲機(jī)構(gòu)由喂料斗、劃絲輥、壓扁輥等組成；切割機(jī)構(gòu)的主要部件是滾筒式切碎刀；揉搓機(jī)構(gòu)由集料口、揉搓外壁、紋桿、花鍵以及用于傳動的斜齒輪組成.所選電動機(jī)的額定功率為18.5 kW.

新型玉米秸稈揉絲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.

1：喂料斗；2：壓扁劃絲機(jī)構(gòu)；3：切割裝置；4：機(jī)架；5：揉搓裝置；6：地輪；7：電動機(jī)；8：皮帶.1：feed hopper;2：flattening shredding device;3：cutting device;4：frame;5：kneading device;6：wheel;7：motion;8：belt.圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure diagram of the machine

表1 整機(jī)主要性能參數(shù)

2.2 工作原理

圖2所示為該新型玉米秸稈揉絲機(jī)工作示意圖.電動機(jī)輸出的運(yùn)動及動力通過帶輪傳送機(jī)構(gòu)分別傳至壓扁劃絲機(jī)構(gòu)、切割裝置和揉搓機(jī)構(gòu).玉米秸稈在壓扁輥和劃絲輥的共同作用下將其壓扁并進(jìn)行劃絲，隨后由高速旋轉(zhuǎn)的割刀切割絲狀秸稈長度約為20～30 mm，隨后在自身重力的作用下經(jīng)導(dǎo)向板落入集料口并進(jìn)入揉絲腔，物料在紋桿作用下，一邊沿內(nèi)圓臺作徑向圓周運(yùn)動，另一邊沿圓臺母線方向斜向下運(yùn)動，在此過程中，物料與紋桿及揉搓外壁之間發(fā)生相對運(yùn)動，并產(chǎn)生摩擦，從而完成揉搓作業(yè).

1：電動機(jī)；2：皮帶輪；3：皮帶；4：壓扁輥；5：劃絲輥；6：齒輪；7：導(dǎo)流板；8：動刀架；9：動刀片；10：揉搓室；11：錐形齒輪.1：motor;2：pulley;3：belt;4：flattening roll;5：shredding roller;6：gear;7：guide plate;8：frame of cutter;9：knife;10：rubbing room;11：conical gear.圖2 傳動方案Figure 2 Transmission scheme

3 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 壓扁滑絲機(jī)構(gòu)

如圖3-A所示為壓扁劃絲機(jī)構(gòu)軸測示意圖，該機(jī)構(gòu)借鑒王紅提[17]報(bào)道的秸稈揉絲機(jī)設(shè)計(jì)了壓扁化絲機(jī)構(gòu)，壓扁輥和劃絲輥對玉米秸稈的作用力包括正壓力F和摩擦力f.工作時秸稈受力分析如圖3-B所示.f與F垂直，兩輥軸心連線與F間的夾角為α.其中，壓扁輥與劃絲輥的直徑相同.該機(jī)構(gòu)工作時滿足：

2fcosα≥2Fsinα

(1)

式中，f為玉米與兩輥之間摩擦力(N)；F為兩輥對玉米秸稈正壓力(N)；α為兩輥軸心連線與F間的夾角(°).兩輥的半徑滿足：

(2)

式中，r為兩輥半徑(mm)；h為被輥α壓縮后的物料厚度(mm)，一般取值5～10 mm；H為被輥?zhàn)訅嚎s前的厚度(mm)，一般取值10～30 mm.

1：帶輪；2：支架；3：調(diào)節(jié)螺栓；4：連桿；5：壓扁輥；6：齒輪；7：化絲輥.1：belt wheel;2：bracket;3：adjusting bolts;4：link rod;5：flattening roll;6：gear;7：shredding roller.圖3 壓扁劃絲機(jī)構(gòu)Figure 3 The device of straw compressed and cutting silk

兩輥線速度可根據(jù)下式計(jì)算：

(3)

式中，L0為切割后秸稈絲長度(mm)，一般取值20～40 mm；T為刀片切割周期(s).

兩輥轉(zhuǎn)速為

(4)

式中，d為兩輥直徑(mm).

由式(1)、(2)可得，兩輥半徑滿足r≥56 mm，取r=80 mm.由式(3)、(4)可得，兩輥的轉(zhuǎn)速近似為413 r/min，取n=450 r/min.

3.2 切割機(jī)構(gòu)

如圖4所示，切割機(jī)構(gòu)借鑒9ZS-4飼草揉碎機(jī)和盤刀式鍘草機(jī)切碎器的切割機(jī)構(gòu)結(jié)合本機(jī)改進(jìn)為滾筒式切碎刀[18-19].該裝置主要由主軸、刀架、動刀片和定刀片組成，動刀架固定在主軸上，動刀片刀刃所在直線與過主軸平面的夾角為15°，定刀片固定在定刀架上.固定在動刀架上的動刀片做圓周運(yùn)動，將壓扁劃絲機(jī)構(gòu)輸出的玉米秸稈進(jìn)行循環(huán)切割.動刀片刀刃處的線速度v為34 m/s.取該機(jī)的動刀的圓周直徑D為500 mm，并按等間距6刀布置.則切割裝置的主軸轉(zhuǎn)速：

1：主軸；2：動刀片；3：刀架；4：軸承座.1：shaft；2：knife；3：cutter frame；4：bearing seat.圖4 切割裝置Figure 4 Cutting device

(5)

刀片切割的周期為：

(6)

式中，D為動刀圓周直徑(mm)，一般取值500 mm；N為動刀片數(shù)目(個)，一般取值6個；v為動刀線速

度(mm)，一般取值34 m/s.

3.3 錐輥式揉搓裝置

該裝置如圖5所示，內(nèi)圓臺裝有紋桿，內(nèi)圓臺的錐角為α，紋桿形成平面與圓臺的底面的夾角為β，圓臺的高度為h，圓臺的底面半徑為R，頂面半徑為r.

1：內(nèi)圓臺；2：紋桿；3：外殼.1：inner circle;2：rasp bar;3：shell.

3.3.1 紋桿形成原理及形成曲面 如圖5所示，紋桿曲線的成形可以看成是通過圓臺中心線的平面繞該平面與頂面圓的交線偏轉(zhuǎn)β角度后，該平面(紋桿成形平面)與圓臺的角線[20].通過計(jì)算可得紋桿的平面曲線方程為：

(7)

式中，s=R2-h2cos2β；m=|cos2β-cot2α|；n=hcosβcotβ-Rcotα

3.3.2 運(yùn)動分析 通過物料的運(yùn)動軌跡分析，曲面上一點(diǎn)為(X，Y，Z)，則物料從圓臺到該點(diǎn)在圓周方向上的轉(zhuǎn)角為：

(8)

式中，t為曲線上的點(diǎn)到交線AB的距離；v(t)為物料運(yùn)動方向與圓周切線方向的夾角.

則曲線上任意一點(diǎn)(X，Y，Z)的參數(shù)方程為：

(9)

4 性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料

新型玉米秸稈揉絲機(jī)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械中心完成了樣機(jī)的研制，并進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn).試驗(yàn)材料為試驗(yàn)田收割打捆后自然狀態(tài)下20 d的玉米秸稈(富農(nóng)1號)，根部直經(jīng)為18～34 mm，中部直徑為12～27 mm，梢部直徑為6～11 mm.秸稈的平均含水率為63%.

4.2 秸稈絲化率、噸料電耗及單位生產(chǎn)率的測定

試驗(yàn)按照NY/T509-2015《秸稈揉絲機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》的要求進(jìn)行[21].用磅秤稱出試驗(yàn)秸稈質(zhì)量G.試驗(yàn)過程中用智能電表測定耗電量N.秸稈絲化率參照公式(10)計(jì)算，噸料電耗參照公式(11)計(jì)算，單位功率生產(chǎn)率參照公式(12)計(jì)算，試驗(yàn)所用時長為35 min.

(10)

式中，S為秸稈絲化率(%)；m1為秸稈絲質(zhì)量(g)；m2為樣品質(zhì)量(g).

(11)

式中，Q為噸料電耗(kW·h/t)；G為秸稈質(zhì)量(kg)；N為耗電量(kW·h)；Cb為秸稈標(biāo)準(zhǔn)含水率(%)，一般取值60%；C為試驗(yàn)秸稈含水率(%).

(12)

式中，E為單位功率生產(chǎn)率(kg/(kW·h))；T為試驗(yàn)時間(min)；P為配套動力總功率(kW/h).

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

新型玉米秸稈揉絲機(jī)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.該新型玉米秸稈揉絲機(jī)作業(yè)時，秸稈絲化率為95%，秸稈絲切割長度為20～40 mm，噸料電耗為2.4 kW/(h·t)，單位功率生產(chǎn)率為417 kg/(kW·h).試驗(yàn)結(jié)果符合NY/T509-2015《秸稈揉絲機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》的設(shè)計(jì)要求[16].工作時，機(jī)具運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，生產(chǎn)率高，符合玉米秸稈揉絲機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范要求.

表2 整機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果

5 討論

通過理論分析與室內(nèi)試驗(yàn)，可以得到影響玉米秸稈揉絲絲化質(zhì)量的因素主要有玉米秸稈節(jié)處產(chǎn)生的抗壓性、玉米秸稈的直徑以及玉米秸稈的含水率.為了消除玉米秸稈節(jié)處產(chǎn)生的抗壓性，本研究采用了壓扁輥徑向三角齒和劃絲輥軸向三角齒的設(shè)計(jì)，兩輥之間通過齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)動力傳遞，并利用手柄與彈簧實(shí)現(xiàn)兩輥間距的調(diào)節(jié)以適應(yīng)玉米秸稈的直徑，使玉米秸稈在劃絲過程中在有節(jié)處與秸稈根部和稍部的揉絲質(zhì)量都得到了極大的改善.且在對不同含水率的玉米秸稈進(jìn)行試驗(yàn)時，所得到的物料均滿足玉米秸稈揉絲機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范要求.

玉米秸稈的揉絲長度主要受切割機(jī)構(gòu)動刀的轉(zhuǎn)速、揉搓裝置錐輥與外殼間距及錐輥轉(zhuǎn)速的影響.當(dāng)切割機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 200 r/min時，秸稈絲的長度可以控制在30 mm左右；切割后的秸稈絲通過揉搓裝置產(chǎn)生的物料長度為17～42 mm，符合青貯飼料加工的要求，通過行走地輪可移動機(jī)具，實(shí)現(xiàn)對物料的收集作業(yè)，在后續(xù)樣機(jī)的改進(jìn)中應(yīng)在出料口加裝物料的收集裝置，以提高生產(chǎn)作業(yè)效率.另外，噸料電耗及單位功率生產(chǎn)率是秸稈揉絲機(jī)的主要生產(chǎn)率指標(biāo)之一，該機(jī)通過參數(shù)優(yōu)化和合理配置動力，使得各項(xiàng)指標(biāo)均符合NY/T509-2015《秸稈揉絲機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》的設(shè)計(jì)要求[16].

6 結(jié)論

對設(shè)計(jì)的新型玉米秸稈揉絲機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了優(yōu)化分析和參數(shù)計(jì)算，得出了各個部件的最優(yōu)參數(shù).壓扁機(jī)構(gòu)中壓扁輥和劃絲輥的直徑為160 mm，轉(zhuǎn)速為450 r/min；切割機(jī)構(gòu)中，動刀的圓周直徑為500 mm，主軸轉(zhuǎn)速為1200 r/min；揉搓裝置中內(nèi)圓臺錐角為66°，轉(zhuǎn)速為450 r/min.

室內(nèi)試驗(yàn)表明，玉米秸稈含水率為63%時，該機(jī)的秸稈絲化率可達(dá)95%以上，秸稈絲切割長度可精確到20～35 mm，噸料電耗為2.4 kW/(h·t)，單位功率生產(chǎn)率為417 kg/(kW·h).有效提高了飼料質(zhì)量.試驗(yàn)證明，該新型玉米秸稈揉絲機(jī)能夠滿足我國北方旱區(qū)玉米全膜雙壟溝播種植模式下的玉米秸稈的揉絲作業(yè)，該機(jī)具可為后續(xù)玉米秸稈揉絲機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化改進(jìn)提供參考依據(jù).