丁 寧 李海濤,2 閆 安 李守忠 韓魯佳 魏文軍

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

我國(guó)農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量大，秸稈資源豐富。但由于存在秸稈資源分散及秸稈容重小、儲(chǔ)運(yùn)不方便等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了大規(guī)模應(yīng)用，導(dǎo)致秸稈資源浪費(fèi)[1-4]。機(jī)械壓實(shí)是縮小生物質(zhì)秸稈體積最有效的方法[5-6]。密度提高、體積減小使壓實(shí)的生物質(zhì)秸稈在運(yùn)輸和儲(chǔ)存方面具有很大優(yōu)勢(shì)[7-8]。

成型技術(shù)包括高密度成型、中低密度成型和低密度成型。模輥式生物質(zhì)材料壓縮成型屬于高密度成型，但目前此種壓縮成型模式普遍存在能耗高、關(guān)鍵部件磨損快等問(wèn)題[9-13]。方捆打捆機(jī)屬于中低密度成型，其活塞往復(fù)沖壓影響效率，且設(shè)備投資成本高。圓捆打捆機(jī)屬于低密度成型，其間歇式作業(yè)導(dǎo)致生產(chǎn)率低，且圓捆密度均勻性差[14-15]。為了實(shí)現(xiàn)秸稈連續(xù)壓縮成型，并降低能耗、提升效率、降低成本，基于連續(xù)輥壓方法及秸稈壓縮成型原理[16-18]，提出一種秸稈多級(jí)連續(xù)冷輥壓成型方法，該方法屬于中密度成型[19-20]。

為了研究秸稈多級(jí)連續(xù)冷輥壓成型方法的可行性，本文設(shè)計(jì)并試制樣機(jī)，采用四因素三水平正交試驗(yàn)方法，研究玉米秸稈含水率、破碎方式、破碎長(zhǎng)度、喂料方式四因素對(duì)成型塊回彈率、密度、堅(jiān)實(shí)度等指標(biāo)的影響，以得到較優(yōu)成型參數(shù)，為生物質(zhì)秸稈產(chǎn)地高效工業(yè)化生產(chǎn)利用提供理論依據(jù)。

1 秸稈多級(jí)輥壓成型機(jī)設(shè)計(jì)與理論分析

1.1 秸稈多級(jí)輥壓成型原理

為了解決活塞沖壓式成型機(jī)等大尺寸成型穩(wěn)定性差、壓縮不連續(xù)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)秸稈物料高效率、中密度成型，探索秸稈物料單向壓縮，板、條式連續(xù)壓縮成型原理，提出秸稈多級(jí)連續(xù)冷輥壓成型方法。在該成型方法中，假設(shè)成型塊質(zhì)量不變，使成型物料在受壓方向尺寸大幅度減小，保證物料在壓縮過(guò)程中各個(gè)部分受力均勻，獲得較高的成型壓力，圖1所示為秸稈多級(jí)輥壓成型機(jī)工作原理圖(以3級(jí)壓縮為例)，秸稈從一端的喂料口喂入，經(jīng)過(guò)多級(jí)對(duì)稱布置的壓縮輥連續(xù)輥壓后從另一端出料口出料，對(duì)破碎后的玉米秸稈進(jìn)行連續(xù)輥壓成型，提高壓縮成型生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)玉米秸稈的高效連續(xù)壓縮成型；壓縮輥在工作過(guò)程中與秸稈物料作用方式為滾動(dòng)摩擦，同時(shí)秸稈物料為冷壓縮成型，可減少機(jī)器的能耗；對(duì)稱布置壓縮輥可抵消軸向力，提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，減小各工作部件磨損，提高整機(jī)壽命。

1.2 秸稈多級(jí)輥壓成型理論分析

1.2.1單級(jí)壓縮條件

如圖2，以第i級(jí)(i≥1)壓縮為例，確定設(shè)計(jì)過(guò)程中的部分參數(shù)。

其中，第i級(jí)壓縮輥進(jìn)入物料厚度為si-1，壓出物料厚度為si，壓縮比為εi，壓縮輥直徑為di，壓縮輥半徑為ri，其中ri=di/2，壓縮輥喂入角為αi，其中喂入角是指物料開始接觸壓縮輥處與壓縮輥圓心連線和物料離開壓縮輥處與壓縮輥圓心連線之間的夾角，壓強(qiáng)為pi，密度為ρi，第i級(jí)壓縮輥采用對(duì)稱布置安裝，兩壓縮輥長(zhǎng)度、直徑、喂入角及承受壓強(qiáng)等均相等。

根據(jù)圖2可知，第i級(jí)壓縮存在幾何關(guān)系

si-1=si+2ri(1-cosαi)

(1)

同時(shí)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，壓縮輥進(jìn)入物料質(zhì)量等于擠出物料質(zhì)量，假設(shè)壓縮過(guò)程連續(xù)，物料流動(dòng)速度為v，則可以得到

ρi-1si-1bvt=ρisibvt

(2)

式中b——物料寬度，mm

t——物料流動(dòng)時(shí)間，s

根據(jù)式(2)得出

(3)

根據(jù)以上分析可得出

(4)

根據(jù)式(1)、(4)可得到第i級(jí)壓縮輥中各個(gè)參數(shù)之間關(guān)系的通用公式為

(5)

(6)

根據(jù)式(4)、(5)可得第i級(jí)壓縮輥壓出物料所受壓強(qiáng)pi的通用公式為

(7)

1.2.2總輥壓比與壓縮級(jí)數(shù)、壓縮輥半徑關(guān)系

假設(shè)輥壓成型機(jī)總輥壓比為ε，壓縮級(jí)數(shù)為n(n≥1)，易知

(8)

根據(jù)式(1)可得

(9)

由式(8)、(9)可得

(10)

假設(shè)各級(jí)壓縮輥半徑均為r，各級(jí)喂入角相等并取臨界喂入角α0=26.6°[21]，根據(jù)式(10)用Matlab 6.0數(shù)值模擬方式可分別得到總輥壓比ε、壓縮級(jí)數(shù)n和壓縮輥半徑r三者之間的關(guān)系，如圖3所示。

當(dāng)末級(jí)出口處物料厚度sn一定，各級(jí)壓縮輥半徑相等、各級(jí)喂入角相等并取為臨界喂入角的情況下，總輥壓比ε和壓縮級(jí)數(shù)n呈線性關(guān)系，并且總輥壓比ε隨著壓縮級(jí)數(shù)n的增加而增加；在末級(jí)出口處物料厚度sn一定，整機(jī)輥壓比一定，各級(jí)喂入角相等并取為臨界喂入角α0的情況下，壓縮輥半徑r和壓縮級(jí)數(shù)n呈反比關(guān)系，壓縮輥半徑r隨著壓縮級(jí)數(shù)n的增加而減?。辉谌「骷?jí)壓縮輥半徑相等，喂入角相等并取為臨界喂入角α0的情況下，壓縮輥半徑r和總輥壓比ε呈線性關(guān)系，總輥壓比ε隨著壓縮輥半徑r的增加而增加。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮三者之間關(guān)系，使各參數(shù)滿足設(shè)計(jì)功能要求。

2 試驗(yàn)樣機(jī)

2.1 參數(shù)確定

根據(jù)總輥壓比ε、壓縮級(jí)數(shù)n和壓縮輥半徑r三者關(guān)系，遵循玉米秸稈輥壓成型原理及特性[20-21]、玉米秸稈開式壓縮特性[22-24]，同時(shí)參考軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)方法[16]，驗(yàn)證試驗(yàn)樣機(jī)在滿足總輥壓比的前提下，為了節(jié)省試驗(yàn)樣機(jī)耗材，減小試驗(yàn)樣機(jī)尺寸，方便試驗(yàn)，樣機(jī)只試制3級(jí)壓縮成型，前端的喂料、預(yù)壓縮部分由預(yù)壓縮裝置完成，本試驗(yàn)用成型機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 秸稈多級(jí)輥壓成型機(jī)參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[21]，當(dāng)各級(jí)壓縮輥喂入角大于臨界喂入角時(shí)，可以通過(guò)提高外摩擦因數(shù)的方式提高喂入能力，因此為了保證喂料順暢，在各壓縮輥表面進(jìn)行了機(jī)加工壓紋處理，以增大外摩擦因數(shù)抵消喂入角過(guò)大對(duì)喂料的影響，保證壓縮過(guò)程喂料順暢。

2.2 樣機(jī)試制

根據(jù)秸稈多級(jí)輥壓成型原理設(shè)計(jì)壓縮裝置，在SolidWorks中對(duì)壓縮輥等主要零部件進(jìn)行建模，并完成虛擬裝配；確定傳動(dòng)方式，選擇減速機(jī)及電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)選用四級(jí)交流異步電機(jī)，且研究發(fā)現(xiàn)在非超高壓條件下，成型時(shí)間對(duì)成型產(chǎn)品質(zhì)量有較大影響[25]，同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)[20]仿真計(jì)算分析方法及結(jié)果，確定本試驗(yàn)樣機(jī)的總扭矩，選配減速機(jī)減速比為1∶1 000，電動(dòng)機(jī)功率為1 500 W，最終完成各零部件加工生產(chǎn)，樣機(jī)裝配試制，如圖4所示。

3 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證秸稈多級(jí)連續(xù)冷輥壓成型方法的可行性，同時(shí)為了得到適應(yīng)成型機(jī)的較優(yōu)成型參數(shù)，進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)，如圖5所示。

3.1 試驗(yàn)原料與儀器

試驗(yàn)于2020年5月在河北農(nóng)樂(lè)新能源科技有限公司進(jìn)行。

試驗(yàn)原料為玉米秸稈，2019年9月收獲于河北省石家莊市藁城區(qū)。試驗(yàn)設(shè)備與儀器主要包括秸稈多級(jí)輥壓成型機(jī)、預(yù)壓縮裝置、OHAUS MB23型水分分析儀、ZF-C10002型電子天平、3 000 mL燒杯、塑料密封袋、噴水壺、刻度尺等。

通過(guò)秸稈多級(jí)輥壓成型機(jī)工作原理可知，為了保證壓縮成型塊品質(zhì)，需要保證成型時(shí)秸稈物料受到足夠壓力，因此喂料裝置需連續(xù)供應(yīng)足夠秸稈物料供其壓縮[26]。為了節(jié)約成本，同時(shí)保證樣機(jī)試驗(yàn)順利進(jìn)行，設(shè)計(jì)并制作了預(yù)壓縮裝置，對(duì)秸稈物料進(jìn)行預(yù)壓縮初步定型，目的是代替連續(xù)喂料裝置及前端的預(yù)壓縮工作，提供短時(shí)間內(nèi)的連續(xù)喂料過(guò)程，預(yù)壓縮裝置如圖6所示。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用四因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，試驗(yàn)因素水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素水平

除含水率、破碎方式、破碎長(zhǎng)度影響成型外，喂料方式同樣影響成型，故設(shè)置自然排序、交叉鉚固、橫縱編排3水平[27-28]，在預(yù)壓縮時(shí)對(duì)秸稈物料進(jìn)行相應(yīng)處理，其中交叉鉚固、橫縱編排處理方式及效果如圖7所示。

考慮玉米秸稈壓縮成型塊品質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)解決玉米秸稈快速離田、運(yùn)輸?shù)葐?wèn)題，本試驗(yàn)研究目的為驗(yàn)證多級(jí)連續(xù)冷輥壓成型方法的可行性，因此暫不考慮功耗指標(biāo)。確定考核試驗(yàn)指標(biāo)如下：

回彈率：成型塊的回彈對(duì)運(yùn)輸影響較大，壓縮成型機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，在成型機(jī)出口處隨機(jī)選取3組成型塊，每5 min檢測(cè)一次成型塊厚度，直到成型塊厚度不再變化結(jié)束檢測(cè)，回彈率計(jì)算式為

(11)

式中λ——秸稈壓縮成型塊回彈率，%

s″——回彈結(jié)束后成型塊厚度，mm

s′——壓縮結(jié)束后成型塊厚度，mm

密度：壓縮成型機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，隨機(jī)選取3組回彈穩(wěn)定的成型塊，對(duì)其進(jìn)行邊角修剪，留取密度均勻部分進(jìn)行稱量，同時(shí)測(cè)量其長(zhǎng)、寬、高進(jìn)行體積計(jì)算，密度計(jì)算式為

(12)

式中ρ——秸稈壓縮成型塊密度，kg/m3

m——成型塊樣品質(zhì)量，kg

V——成型塊樣品體積，m3

堅(jiān)實(shí)度：壓縮成型機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，隨機(jī)選取3組回彈穩(wěn)定的成型塊，對(duì)其進(jìn)行邊角修剪，留取密度均勻部分進(jìn)行稱量，使成型塊從1 m高處自由下落，重復(fù)3次，堅(jiān)實(shí)度計(jì)算式為

(13)

式中X——秸稈壓縮成型塊堅(jiān)實(shí)度，%

m1——落地后成型塊樣品質(zhì)量，kg

m0——落地前成型塊樣品質(zhì)量，kg

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1試驗(yàn)結(jié)果

圖8為不同破碎方式、破碎長(zhǎng)度玉米秸稈原料及9組正交試驗(yàn)壓縮結(jié)束回彈穩(wěn)定后樣品。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表3所示，A、B、C、D為各因素水平值。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

3.3.2結(jié)果分析

由表4可知，秸稈物料含水率、破碎方式、破碎長(zhǎng)度、喂料方式對(duì)壓縮成型塊的回彈率、密度及堅(jiān)實(shí)度均有不同程度的影響。極差反映各因素對(duì)指標(biāo)影響，由極差分析可知，各因素在各種水平下，喂料方式對(duì)壓縮成型塊回彈率影響顯著，秸稈物料破碎方式對(duì)壓縮成型塊密度和堅(jiān)實(shí)度均有顯著影響。利用極差分析法分析四因素對(duì)壓縮成型塊回彈率、密度及堅(jiān)實(shí)度指標(biāo)的影響。

表4 極差分析結(jié)果

由表4中回彈率的極差可以看出，喂料方式對(duì)壓縮成型塊回彈率的影響最大；秸稈物料含水率的影響次之；然后是物料破碎長(zhǎng)度；破碎方式影響最小。獲得最低回彈率的工藝條件為A1B2C2D2。

由表4中密度的極差可以看出，破碎方式對(duì)壓縮成型塊密度的影響最大；秸稈物料破碎長(zhǎng)度的影響次之；然后是喂料方式；含水率影響最小。獲得最高密度的工藝條件為A3B3C1D1。

由表4中堅(jiān)實(shí)度的極差可以看出，破碎方式對(duì)壓縮成型塊堅(jiān)實(shí)度的影響最大；秸稈物料含水率的影響次之；然后是喂料方式；破碎長(zhǎng)度影響最小。獲得最高堅(jiān)實(shí)度的工藝條件為A3B3C3D3。

3.3.3較優(yōu)成型參數(shù)確定

密度是玉米秸稈機(jī)械壓縮利用最重要指標(biāo)，針對(duì)本秸稈多級(jí)輥壓成型機(jī)，揉搓破碎可最大限度提升成型塊密度，因此破碎方式因素確定為揉搓破碎，即B3。當(dāng)破碎方式確定后，破碎長(zhǎng)度對(duì)密度影響不大，但試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，物料破碎長(zhǎng)度越大，其在輥壓過(guò)程中越順利，不會(huì)發(fā)生物料在輥間“滯留”現(xiàn)象，初步分析原因，物料長(zhǎng)度越大越能建立起上下級(jí)壓縮輥之間的“推拉作用”，同時(shí)為了節(jié)約破碎成本，綜合選取破碎長(zhǎng)度為80 mm，即C3。

堅(jiān)實(shí)度是考量秸稈壓縮成型的重要指標(biāo)，揉搓破碎的秸稈物料可獲得最高的堅(jiān)實(shí)度，因此破碎方式因素水平確定為揉搓破碎，即B3，同時(shí)含水率對(duì)堅(jiān)實(shí)度影響較大，含水率確定為20%，即A3。通過(guò)結(jié)果分析還發(fā)現(xiàn)，橫縱編排布置的玉米秸稈原料壓縮成型后有較高的堅(jiān)實(shí)度，穩(wěn)定性更強(qiáng)。

回彈率指標(biāo)主要影響玉米秸稈離田運(yùn)輸過(guò)程，交叉鉚固的喂料方式最能限制成型塊回彈，原因是此種處理方式可以使秸稈物料之間發(fā)生物理編織、鉚接，此原理已被研究證實(shí)，因此喂料方式選取為交叉鉚固，即D2。

綜上，秸稈多級(jí)輥壓成型機(jī)在預(yù)設(shè)條件下的較優(yōu)成型工藝條件為A3B3C3D2，即成型參數(shù)為：含水率20%，破碎方式為揉搓破碎，破碎長(zhǎng)度80 mm，喂料方式為交叉鉚固。

3.4 較優(yōu)成型參數(shù)下成型塊各性能指標(biāo)

為了驗(yàn)證分析結(jié)果的可靠性，在較優(yōu)成型工藝條件組合下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，自然堆積狀態(tài)下密度為50.15 kg/m3，成型后回彈率為7.26%，密度為363.28 kg/m3，堅(jiān)實(shí)度為90.23%。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)并試制了秸稈多級(jí)輥壓成型樣機(jī)，研究了秸稈多級(jí)連續(xù)冷輥壓成型方法的可行性，為生物質(zhì)常溫致密成型技術(shù)及其設(shè)備的研發(fā)提供了參考。

(2)試驗(yàn)表明，交叉鉚固的喂料方式最能限制成型塊的回彈；成型塊密度主要受破碎方式的影響，受破碎長(zhǎng)度的影響較??；成型塊堅(jiān)實(shí)度主要受破碎方式影響，受秸稈含水率的影響較小。

(3)在較優(yōu)成型參數(shù)下，即玉米秸稈含水率20%，揉搓破碎方式，破碎長(zhǎng)度80 mm，采用交叉鉚固的喂料方式，成型塊回彈率可達(dá)7.26%，成型密度達(dá)363.28 kg/m3，同時(shí)堅(jiān)實(shí)度達(dá)90.23%。