陳玉華，宋占華，閆銀發(fā)，田富洋，李法德，張忠良

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院/山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；2.肥城市畜豐農(nóng)牧機(jī)械有限公司，山東 泰安 271608)

0 引言

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，每年農(nóng)作物生產(chǎn)的秸稈達(dá)7億t多，占世界秸稈總產(chǎn)量的20%～30%[1-10]。自2000年以來，由于秸稈收集整理與運(yùn)輸成本等因素，出現(xiàn)了秸稈綜合利用經(jīng)濟(jì)效益差、商品化和產(chǎn)業(yè)化程度低等問題。在糧食主產(chǎn)區(qū)，農(nóng)民為搶農(nóng)時(shí)播種，焚燒秸稈現(xiàn)象屢禁不止，不僅污染了環(huán)境，而且資源嚴(yán)重浪費(fèi)，已成為一個(gè)嚴(yán)重的社會(huì)生態(tài)問題[11-18]。

目前，作物秸稈綜合利用的途徑主要是秸稈飼料、生物質(zhì)能源、粉碎還田、秸稈生物有機(jī)肥料、生物基料及工業(yè)原料等，這首先要涉及到秸稈切碎。針對畜牧養(yǎng)殖業(yè)飼料青貯，研制生產(chǎn)的鍘草機(jī)存在著結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠性、安全性差，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，以及適應(yīng)范圍窄、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)。為了提高作物秸稈的加工效率，達(dá)到一機(jī)多用、高效低耗、安全環(huán)保即經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的，本文提出的全自動(dòng)高效多功能秸稈切碎機(jī)對適應(yīng)社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的需要具有一定的積極意義。

全自動(dòng)高效多功能秸稈切碎機(jī)通過在作物秸稈切碎過程中的高效喂料、切碎分絲帚化、自動(dòng)調(diào)節(jié)喂入量和作業(yè)負(fù)荷等特點(diǎn)，顯著提高秸稈切碎機(jī)的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度。

1 主要構(gòu)造及工作原理

1.1 主要構(gòu)造

全自動(dòng)高效多功能秸稈切碎機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

全自動(dòng)高效多功能秸稈切碎機(jī)主要由喂料、碎草系統(tǒng)組成：喂料系統(tǒng)能夠接收不同幾何尺寸的麥草、棉稈、木片、蘆葦、樹枝、樹皮、玉米秸稈及青秸稈等物料，按切碎長度進(jìn)給提供給碎草系統(tǒng)；碎草系統(tǒng)主要完成秸稈切碎，具有高速錘打和切割的功能及高產(chǎn)效率。自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)、速度和進(jìn)料調(diào)節(jié)及相關(guān)傳感器等部分組成，整機(jī)系統(tǒng)達(dá)到高效上料、自動(dòng)調(diào)節(jié)喂入量及自動(dòng)檢測作業(yè)負(fù)荷等功能。

1.2 工作原理

全自動(dòng)高效多功能秸稈切碎機(jī)采用自動(dòng)化、智能化技術(shù)設(shè)計(jì)，可對直徑3cm以下棉稈、樹枝，厚度2cm以下樹皮等植物秸稈進(jìn)行破碎，也可用于各種農(nóng)作物秸稈、牧草、玉米芯及糧食的破碎加工，均可實(shí)現(xiàn)軟硬兼“撕”，粉碎效果均勻，不破壞秸稈纖維，迎“韌”而解。工作時(shí)，通過抓草機(jī)或裝載機(jī)將物料投放在旋轉(zhuǎn)柱形喂料倉內(nèi)，料倉側(cè)壁上裝有推草板，推草板撥動(dòng)物料隨料倉一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)的柱形儲(chǔ)料倉、固定在倉壁上的推草板和物料的自重壓力的作用下，可將物料源源不斷地送往下方的碎草系統(tǒng)；碎草系統(tǒng)裝置在一輥軸上安裝數(shù)片錘片，高速旋轉(zhuǎn)的錘片與上方送來的物料產(chǎn)生相對撞擊、撕裂，從而完成對物料的粉碎加工。該機(jī)可采用PLC編程控制，當(dāng)負(fù)荷加重時(shí)，電機(jī)會(huì)自動(dòng)減慢轉(zhuǎn)速，待負(fù)荷正常時(shí)電機(jī)自動(dòng)返回到額定工作轉(zhuǎn)速,可分別與喂料異步電動(dòng)機(jī)和碎草異步電動(dòng)機(jī)相連接；在整機(jī)4個(gè)支架上還增裝4個(gè)稱重傳感器，當(dāng)料倉內(nèi)破碎物質(zhì)少于規(guī)定質(zhì)量時(shí)，報(bào)警器會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒上料人員及時(shí)上料。

(a) 主視圖

(b) 側(cè)視圖

項(xiàng)目單位參數(shù)外形尺寸(L×W×H)mm3800×3420×2870切料長度mm2040刀盤直徑mm680

續(xù)表1

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 喂料系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)

喂料系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)柱形喂料倉、鏈條、限位輪、支撐輪、推草板、斜圓弧翻草塊,以及喂料三相異步電動(dòng)機(jī)等組成。作物秸稈由抓草機(jī)或裝載機(jī)放入無軸旋轉(zhuǎn)喂料倉內(nèi)，靠惰輪機(jī)構(gòu)來支撐和定向的旋轉(zhuǎn)式喂料倉，通過裝在旋轉(zhuǎn)喂料倉的內(nèi)側(cè)壁上的推草斜板、倉底板上的斜圓弧翻草塊并依靠秸稈原料的自重壓力，將原料源源不斷地送往下方的碎草系統(tǒng)，完成自動(dòng)喂料；旋轉(zhuǎn)喂料倉為無軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，懸空掛置在支撐輪上，由數(shù)件定位輪定位，摩擦小，能耗低，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

旋轉(zhuǎn)柱形喂料倉是無軸旋轉(zhuǎn),由若干個(gè)支撐輪來支撐，在旋轉(zhuǎn)柱形喂料倉的外側(cè)裝有鏈條，喂料三相異步電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳給減速機(jī)，減速機(jī)的鏈輪與鏈條相嚙合，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)柱形喂料倉旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)柱形喂料倉的內(nèi)側(cè)壁上裝有推草板，作用在于將飼草料推向格柵的入口位置。在喂料倉底板上裝有斜圓弧翻草塊，斜圓弧翻草塊的上表面是一個(gè)斜面結(jié)構(gòu)，所以農(nóng)作物秸稈很容易會(huì)被甩至喂料倉底部的出料口，不易在喂料倉內(nèi)抱團(tuán)打結(jié)，斜圓弧翻草塊起到翻草的作用。喂料系統(tǒng)裝置實(shí)物圖如圖2所示。

2.2 碎草系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)

碎草系統(tǒng)由輥軸、合金錘片、刀盤、銷軸、碎草變頻電動(dòng)機(jī)，以及格柵等組成。合金錘片、刀盤及銷軸組成環(huán)錘轉(zhuǎn)子安裝在輥軸上，在三相異步電機(jī)的帶動(dòng)下做高速旋轉(zhuǎn)，與上方喂料系統(tǒng)輸送來的物料產(chǎn)生相對撞擊與撕裂，從而完成對秸稈原料碎解；錘片可在180°范圍內(nèi)擺動(dòng)，當(dāng)遇到硬物或難破碎的物料時(shí)，擺動(dòng)受阻，錘片反彈，從而起到對錘片的緩沖和保護(hù)的作用。格柵安裝在輥軸的上方與倉底板的開口處，經(jīng)格柵的移動(dòng)與升降,可實(shí)時(shí)調(diào)整秸稈喂料量的大小，破碎以后的秸稈碎料可經(jīng)底部的皮帶輸送機(jī)送往后續(xù)設(shè)備進(jìn)一步處理。

圖2 喂料系統(tǒng)

刀盤安裝在輥軸上，錘片通過銷軸與刀盤相連接，該碎草系統(tǒng)裝置的內(nèi)腔不是封閉的，而是在輥軸的上方與柱形喂料倉底板的開口處增裝了格柵，輥軸的側(cè)部還裝有底篩，輥軸的下方是出料口。格柵使錘片與秸稈原料隔離，秸稈原料被錘片撞擊后，從格柵的長型孔再次進(jìn)入，然后與錘片進(jìn)行二次撞擊、拉扯與撕裂，最終達(dá)到高效破捆和碎草的目的。其中，格柵在機(jī)架上的位置可做調(diào)整，實(shí)現(xiàn)格柵與輥軸錘片間距的調(diào)整，進(jìn)而可調(diào)整農(nóng)作物秸稈的粉碎長度，調(diào)節(jié)格柵的位置可控制錘片與秸稈原料接觸的深度，以便控制秸稈出草量的多少。此外，碎草三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是可以改變的，可調(diào)整秸稈物料碎草度，以適應(yīng)不同秸稈原料和不同用戶的要求。碎草系統(tǒng)裝置實(shí)物圖如圖3所示。

(a) 仰視圖

(b) 俯視圖

2.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用自動(dòng)報(bào)警和實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)喂料、自動(dòng)潤滑、自動(dòng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)、自動(dòng)計(jì)量及自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警。通過格柵的移動(dòng)與升降可自動(dòng)調(diào)整秸稈喂料量的大小；借助封閉式內(nèi)部潤滑泵裝置，控制各潤滑點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)加油、定時(shí)加油，完成鏈條等構(gòu)件的自動(dòng)潤滑。

格柵的一端與位移傳感器相連，當(dāng)達(dá)到設(shè)定位移大小數(shù)值時(shí)，直角連桿帶動(dòng)位移傳感器的拉桿產(chǎn)生的位移變化，以電變量形式，傳到信號放大器和可編程邏輯控制器，與設(shè)定的定位移大小數(shù)值對比，若相等，立即使步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，定位移大小的調(diào)整完成。在輥軸下方的一側(cè)裝有速度傳感器，當(dāng)要調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)速時(shí)，可通過智能顯示器面板上“設(shè)置”“輸入”按鈕，輸入要調(diào)整的轉(zhuǎn)速值，并按“確認(rèn)”按鈕，使正在工作的刀盤的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，當(dāng)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，速度傳感器會(huì)將轉(zhuǎn)速變化引起的電變量傳到信號放大器和可編程邏輯控制器。與設(shè)定的轉(zhuǎn)速值對比，若相等，會(huì)立即使刀盤繼續(xù)保持恒速旋轉(zhuǎn)。此外，當(dāng)輥軸負(fù)荷超載,電流升高(轉(zhuǎn)速下降時(shí),碎草度降低,影響切碎質(zhì)量) 時(shí)，反饋到PLC控制中心經(jīng)過程序分析后,可自動(dòng)控制喂料量的酌量添加,待輥軸轉(zhuǎn)速升高后,喂料即可恢復(fù)正常,確保機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn),碎草度保持一致，從而實(shí)現(xiàn)秸稈切碎機(jī)設(shè)備的自動(dòng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

當(dāng)然，稱重控制模塊可從現(xiàn)場檢測皮帶秤的質(zhì)量信號和速度信號,經(jīng)過程序控制中心分析計(jì)算,得出輸出物料的質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)量；通過智能模塊采集機(jī)器設(shè)備各運(yùn)行點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)，按照預(yù)先設(shè)定的參數(shù)值，對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，出現(xiàn)異常狀態(tài)能夠及時(shí)報(bào)警。旋轉(zhuǎn)柱形喂料倉在變頻電機(jī)、支撐輪和限位輪的作用下，實(shí)現(xiàn)無軸周向轉(zhuǎn)動(dòng)，促使農(nóng)作物秸稈物料產(chǎn)生周向運(yùn)動(dòng)慣性，配合破捆碎草裝置在豎直方向上產(chǎn)生的切割力，實(shí)現(xiàn)秸稈的高效切割斷裂，顯著提高農(nóng)作物秸稈的破碎效果，明顯降低農(nóng)作物秸稈易于纏繞和堵塞的不利影響。

3 機(jī)器的試驗(yàn)

2017年10-11月，在山東省肥城市進(jìn)行了全自動(dòng)高效多功能秸稈切碎機(jī)的性能測試試驗(yàn)。試驗(yàn)對象為小麥秸稈，試驗(yàn)儀器包括：烘干箱、成套測功儀表、轉(zhuǎn)速表、秒表、磅秤、米尺、天平(感量0.1)、游標(biāo)卡尺，以及聲級計(jì)等。從待碎小麥秸稈物料中不同位置處取樣次，每次抽樣100g左右，烘干到質(zhì)量不再變化為止，然后再稱其質(zhì)量。按式(1)計(jì)算并取平均值，即

(1)

其中，Hr為物料相對含水率(%)；Gb為烘干前樣品質(zhì)量(g)；Ga為烘干后樣品質(zhì)量(g)。

將待切碎物料稱重，從喂入開始至喂入結(jié)束時(shí)停止，記錄凈工作時(shí)間，按式(2)計(jì)算凈工作小時(shí)生產(chǎn)率，即

(2)

其中，En為凈工作小時(shí)生產(chǎn)率(kg/h)；G為切碎物料質(zhì)量(kg)；tn為凈工作時(shí)間(h)；H為物料標(biāo)準(zhǔn)含水率，16.5%。

測定凈工作小時(shí)生產(chǎn)率的同時(shí)，測定耗電量，按式(3)計(jì)算千瓦小時(shí)產(chǎn)量，即

(3)

其中，Pc為千瓦小時(shí)產(chǎn)量(kg/kW·h)；W為切碎時(shí)間內(nèi)的電能消耗(kW·h)。

以秸稈樣品中帶節(jié)飼草為測定對象，在測試的始、中、末階段，從切碎機(jī)出料口處各取樣3次，混合后依照十字交叉法取出樣品200g，按照式(4)計(jì)算秸稈物料始、中、末階段各自的破節(jié)率并最后取平均值,即

(4)

其中，Cs為秸稈飼草各階段破節(jié)率(%)；Ms為樣品被破碎成兩節(jié)以上或壓扁的帶節(jié)飼草的總質(zhì)量(g)；Mt為秸稈物料樣品中帶節(jié)飼草總質(zhì)量(g)。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到小麥秸稈物料相對含水率平均值為22.5%，凈工作小時(shí)生產(chǎn)率為16 800kg/h，千瓦小時(shí)產(chǎn)量為186.7kg/(kW·h)，物料秸稈破節(jié)率平均值達(dá)96%。試驗(yàn)所得秸稈的切段長度及生產(chǎn)率符合秸稈破碎機(jī)相關(guān)驗(yàn)收要求。樣機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 樣機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場

4 結(jié)論

1)全自動(dòng)高效多功能秸稈切碎機(jī)集高效喂料與物料破碎作業(yè)于一身，提高了工作效率和秸稈綜合利用率，同時(shí)減少了不必要的人工成本浪費(fèi)，廣泛適用于再生能源、造紙廠、生物質(zhì)發(fā)電廠、養(yǎng)殖場，以及人造板等眾多粉碎加工領(lǐng)域。

2)全自動(dòng)高效多功能秸稈切碎機(jī)確保秸稈物料喂入通暢、不發(fā)生堵塞，顯著提高了秸稈的粉碎效率，切料長度為20～40mm，物料秸稈破節(jié)率平均值達(dá)96%。

3)本機(jī)能夠粉碎多種秸稈物料，通用性強(qiáng)，設(shè)計(jì)合理，作業(yè)效率高，生產(chǎn)能力可達(dá)10～30t/h，操作簡便，自動(dòng)化程度高，省時(shí)省力，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，安全可靠。