玉米秸稈撿拾制粒機(jī)的成型裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)
2022-04-19 04:33孫喜月白雪衛(wèi)宮元娟
邱 碩，孫喜月，白雪衛(wèi)，宮元娟
（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110161）
2017年，中國(guó)農(nóng)作物秸稈年可收集資源量為8.27×10t，但供給的階段性、結(jié)構(gòu)性和區(qū)域性過?，F(xiàn)象亦客觀存在。秸稈生物質(zhì)多途徑合理利用，是降低農(nóng)田焚燒壓力、實(shí)現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)的有效途徑。生物質(zhì)致密成型技術(shù)將松散秸稈壓制成規(guī)則塊狀、棒狀或顆粒狀物料，提高其密度和熱值，是實(shí)現(xiàn)“能源化”和“飼料化”利用的關(guān)鍵技術(shù)。環(huán)模輥壓設(shè)備將秸稈生物質(zhì)?；尚?，因其原料適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)效率較高，已漸成行業(yè)主流。
立式環(huán)模壓塊機(jī)多采用拼接式模盤，?？兹肟诙嗣嬉啄p，模盤壽命短、更換成本高。但從業(yè)人員終極追求的是以最低的成本獲得高耐久度的產(chǎn)品，優(yōu)化成型裝置是必要手段。JI等指出環(huán)模制粒的物料喂入角應(yīng)小于26°，建立了結(jié)構(gòu)參數(shù)（模盤半徑與厚度、壓輥半徑與轉(zhuǎn)速）與產(chǎn)量的數(shù)學(xué)模型。NIELSEN等指出模盤與模具是設(shè)計(jì)的核心，模具整體分運(yùn)動(dòng)和靜止2個(gè)區(qū)域，區(qū)域內(nèi)物料的運(yùn)動(dòng)特性各異，有對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。HU等發(fā)現(xiàn)4個(gè)參數(shù)（模具錐入角、模具長(zhǎng)徑比、壓縮速率和物料含水率）中模具錐入角對(duì)水稻秸稈制粒能耗的影響最小，得出最小能耗的對(duì)應(yīng)值。與單層環(huán)模成型機(jī)相比，雙層孔環(huán)模生物質(zhì)壓塊機(jī)的生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量均有提高。德雪紅等的內(nèi)嚙合行星輪柱塞式生物質(zhì)環(huán)模成型機(jī)，同規(guī)格下能耗比環(huán)模成型機(jī)降低25.4%，比螺旋擠壓成型機(jī)降低50%，且樣機(jī)關(guān)鍵部件磨損降低。以上研究針對(duì)固定設(shè)備，能兼顧理論研究與試驗(yàn)驗(yàn)證，顯著改善了環(huán)模制粒機(jī)的綜合性能。田間秸稈工廠成型前需經(jīng)收集、打捆、運(yùn)輸、破包、粉碎、除塵等多道預(yù)處理工序，這增加了人力與物力成本，利潤(rùn)空間隨之降低。將制粒全程田間化，縮短處理鏈，開發(fā)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合的撿拾制粒機(jī)勢(shì)在必行。
東北區(qū)秸稈能源化和飼料化利用潛力巨大，但綜合利用率僅為63.43%，為全國(guó)各區(qū)域中最低，仍是重點(diǎn)和難點(diǎn)區(qū)域。課題組研發(fā)了玉米秸稈撿拾制粒機(jī)，實(shí)現(xiàn)收集-粉碎-輸送-除塵-制粒5個(gè)環(huán)節(jié)的在田化。環(huán)模成型裝置輕簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)可減少工作故障、延長(zhǎng)使用壽命、保證田間制粒品質(zhì)，本研究基于組合嵌入式設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)分體式模具，優(yōu)化成型裝置；以成型顆粒品質(zhì)（成型率、抗破壞強(qiáng)度、密度）為考核指標(biāo)，分析物料特性（含水率、粉碎粒徑）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、模具長(zhǎng)徑比）的影響規(guī)律，優(yōu)化移動(dòng)制粒的工藝參數(shù)。
1 撿拾制粒機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)
1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)
玉米秸稈撿拾制粒機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1，動(dòng)力源柴油機(jī)功率117kW。成型裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)為：模盤內(nèi)徑917mm、直徑366mm的壓輥2個(gè)、模盤外沿均勻分布模孔72個(gè)、組合式模具內(nèi)徑32mm或10mm。工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的撿拾軸帶動(dòng)錘爪，將田間秸稈撿起并粉碎；粉碎秸稈通過下方設(shè)有篩片的螺旋輸送裝置，去除沙土及其他雜質(zhì)并輸送秸稈到風(fēng)機(jī)入口；風(fēng)機(jī)將秸稈拋至儲(chǔ)料倉(cāng)，再次除塵凈化秸稈；潔凈秸稈進(jìn)入環(huán)模成型腔內(nèi)，在擠壓輥的作用下，完成擠壓制粒；成型顆粒經(jīng)過出料裝置提升傳送帶，最后進(jìn)入收儲(chǔ)倉(cāng)。
圖1 玉米秸稈撿拾制粒機(jī)Figure 1 Corn stalk picking and pelleting machine
1.2 組合嵌入式成型裝置設(shè)計(jì)
組合嵌入式成型裝置如圖2。組合模盤作為外形支撐框架，由上壓蓋、環(huán)模支架、下壓蓋組成。環(huán)模支架中間均勻分布?？?，將分體式模具安裝至模孔內(nèi)。上下壓蓋與環(huán)模支架接觸處設(shè)有凹面，通過螺栓固定。
圖2 組合嵌入式成型裝置Figure 2 Combined-nested molding device
撿拾制粒機(jī)工作時(shí)，成型裝置主軸公轉(zhuǎn)帶動(dòng)壓輥?zhàn)赞D(zhuǎn)，成型腔內(nèi)的玉米秸稈不斷壓入組合模具內(nèi)，完成制粒作業(yè)。根據(jù)GB/T 26552-2011的技術(shù)要求為：粉碎秸稈粒徑10~40mm，制品生產(chǎn)率>1.5t·h，成型率>95%，密度0.8~1.2g·cm，抗破壞強(qiáng)度>95%。
1.3 分體式模具設(shè)計(jì)
模具是環(huán)模成型裝置的核心部件，對(duì)成型秸稈的品質(zhì)指標(biāo)影響很大。在壓輥?zhàn)饔孟?，模盤供料區(qū)的粉碎秸稈依次進(jìn)入壓緊區(qū)、擠壓區(qū)和成型區(qū)，最后進(jìn)入模具內(nèi)成型。?？變?nèi)的物料受力大小與所處位置密切相關(guān)，成型過程可分為成型和保壓兩階段。本研究采取分體式設(shè)計(jì)理念，模具分為成型座和保壓筒兩部分（圖3）。成型座靠近壓輥，物料在此受力較大，完成初步成型但密度較?。槐和餐怀鲇谀１P外沿，在此區(qū)域時(shí)物料的密度逐漸增大。成型座比保壓筒更易磨損，分體式設(shè)計(jì)便于更換。
圖3 分體式模具的三維模型Figure 3 3D models of integral mould
1.4 模盤與壓輥設(shè)計(jì)
根據(jù)分體式模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)72孔環(huán)模支架，由式（1）計(jì)算環(huán)模支架內(nèi)徑尺寸。
d
為環(huán)模內(nèi)徑（mm）；m
為模孔個(gè)數(shù)；l
為成型座安裝時(shí)的橫向?qū)挾龋╩m）。采用雙壓輥能兼顧制粒效果和生產(chǎn)效率，壓輥表面為平行齒槽。由于壓輥與分體式模具嚙合，壓輥寬度要略大于入口邊，使粉碎秸稈全部擠入模具。組合嵌入式環(huán)模成型裝置實(shí)物見圖4。
圖4 環(huán)模成型裝置Figure 4 Ring die roller molding device
2 性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析
2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法
2.1.1 單因素試驗(yàn) 供試材料為2019年遼寧省錦州市黑山縣產(chǎn)的玉米秸稈，含水率為10%~30%。啟動(dòng)撿拾制粒機(jī)，對(duì)玉米秸稈進(jìn)行收集到制粒的連續(xù)作業(yè)。供試物料處理完畢后，從收儲(chǔ)倉(cāng)取樣，測(cè)定相應(yīng)品質(zhì)指標(biāo)。以秸稈含水率、粉碎粒徑、成型裝置的主軸轉(zhuǎn)速和模具長(zhǎng)徑比為試驗(yàn)因素，以制粒生產(chǎn)率、成型率、顆粒密度和抗破壞強(qiáng)度為性能指標(biāo)，單因素試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案見表1。
表1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案
Table 1 Single factor experimental plan
試驗(yàn)1中，玉米秸稈初始含水率為9.5%，加濕法制備不同含水率的樣本；試驗(yàn)2中，撿拾制粒機(jī)撿拾的玉米秸稈經(jīng)不同級(jí)別粉碎裝置，制備不同粉碎粒徑的樣本。
In test 1,the initial moisture contents of corn stalks were 9.5%,and samples with different target moisture contents were prepared using the re-wet?ting method.In test 2,the corn stalk picked up by a picking and pelleting machine was ground with different levels of grinding device,and samples with varied particle sizes were prepared.
?
2.1.2 工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用L（3）正交表安排優(yōu)化試驗(yàn)，成型裝置主軸轉(zhuǎn)速固定在130r·min。以含水率、粉碎粒徑和模具長(zhǎng)徑比為試驗(yàn)因素，以成型率為試驗(yàn)指標(biāo)。各因素的水平范圍參照預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，見表2。
表2 優(yōu)化試驗(yàn)的因素水平
Table 2 Factors and levels of the optimization experiment
?
2.1.3 性能指標(biāo)測(cè)定 依據(jù)NY/T 1883-2010測(cè)定生產(chǎn)率和成型率，依據(jù)GB/T 26552-2011測(cè)定抗破壞強(qiáng)度和密度，見式（2）~式（5）。
2.1.3.1 生產(chǎn)率和成型率 制粒結(jié)束后，收儲(chǔ)倉(cāng)內(nèi)的混合物由圓柱顆粒和粉體顆粒組成。記錄制粒時(shí)間，并稱量此時(shí)段內(nèi)收儲(chǔ)倉(cāng)內(nèi)混合物質(zhì)量，計(jì)算生產(chǎn)率Q
。從收儲(chǔ)倉(cāng)內(nèi)隨機(jī)取混合物樣本（1~2kg），分別稱量樣本和圓柱顆粒的質(zhì)量，計(jì)算成型率C
。式中：Q
為生產(chǎn)率（t·h）；C
為成型率（%）；T
為制粒時(shí)間（min）；m
為收儲(chǔ)倉(cāng)內(nèi)混合物質(zhì)量（kg）；m
為取樣樣本的圓柱顆粒質(zhì)量（kg）；m
為取樣樣本的質(zhì)量（kg）。
S
。收儲(chǔ)倉(cāng)內(nèi)5個(gè)不同位置各取圓柱顆粒1個(gè)，自然風(fēng)干后依次稱重、測(cè)量尺寸與計(jì)算體積，得出密度ρ
。
S
為抗破壞強(qiáng)度（%）；ρ
為密度（g·cm）；m
為鋼板上形狀完整顆粒的總質(zhì)量（kg）；m
為取樣樣本質(zhì)量（kg）；m
為圓柱顆粒質(zhì)量（g）；V
為圓柱顆粒體積（cm）。2.2 結(jié)果與分析
2.2.1 物料特性對(duì)制粒性能的影響
2.2.1.1 對(duì)含水率的影響 由圖5可知，生產(chǎn)率、成型率和顆粒密度隨著含水率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，抗破壞強(qiáng)度的變化不顯著。含水率小于12.4%時(shí)，生產(chǎn)率和成型率低，制粒過程有煙塵產(chǎn)生，部分制品表面焦化。含水率大于24.3%時(shí)，顆粒密度下降明顯，制品表面有裂紋，顆粒間長(zhǎng)短不一致。
圖5 含水率對(duì)制粒性能影響Figure 5 Effect of moisture content on pelleting performances
物料中自由水含量影響制粒性能，能起粘結(jié)和潤(rùn)滑作用。制粒過程中蛋白質(zhì)和木質(zhì)素等微觀粒子間的聯(lián)結(jié)力鏈經(jīng)歷破裂到重構(gòu)的過程，適宜含水量會(huì)增加粒子間吸附的范德華力，并影響木質(zhì)素的熔融溫度。自由水含量過少，粒子間潤(rùn)滑性降低，打破與重構(gòu)力鏈的動(dòng)能均不足。自有水含量過多，多余部分在粒子壁面間流動(dòng)，粒子層間的摩擦增加、結(jié)合度低。
2.2.1.2 對(duì)粉碎粒徑的影響 粉碎是生物質(zhì)制粒前十分耗能的預(yù)處理環(huán)節(jié)，但能改善物料的粒徑分布。物料粒徑與制粒時(shí)微觀粒子的粘性特性密切相關(guān)，對(duì)制品的密度和耐久性的影響極大。
由表3可知，生產(chǎn)率隨粉碎粒徑的減小而逐漸降低。采油機(jī)的總動(dòng)力不變，提高撿拾軸轉(zhuǎn)速才能減少粉碎粒徑，成型裝置的主軸轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低，影響出料速度。抗破壞強(qiáng)度隨粉碎粒徑的變化略有提高，均滿足生產(chǎn)需求。粉碎粒徑由26~36mm減小到18~26mm時(shí)，成型率和密度顯著提高，顆粒粒徑減小后表面積增大，擴(kuò)大粒子層間結(jié)合面積，提高層間結(jié)合強(qiáng)度，成型效果較好。繼續(xù)提高撿拾軸轉(zhuǎn)速，加大物料粉碎程度，二者變化卻不明顯。因此，粉碎粒徑為10~36mm時(shí)制粒效果較好。
表3 粉碎粒徑對(duì)制粒性能的影響
Table 3 Effect of grinding particle size on pelleting performances
?
2.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)制粒性能的影響
2.2.2.1 對(duì)主軸轉(zhuǎn)速的影響 由圖6可知，主軸轉(zhuǎn)速低于110r·min時(shí)，成型率和抗破壞強(qiáng)度同時(shí)低于90.0%。提高轉(zhuǎn)速至130r·min后，4項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到或接近峰值，制粒效果佳。適宜轉(zhuǎn)速下，壓輥給模盤成型區(qū)內(nèi)物料足夠擠壓力，使其在模具成型座內(nèi)時(shí)間縮短，在保壓筒內(nèi)時(shí)間延長(zhǎng)，粒子間緊實(shí)度提高。轉(zhuǎn)速增至150r·min過程中，生產(chǎn)率和成型率繼續(xù)增大后降低，生產(chǎn)率和抗破壞強(qiáng)度則明顯降低。轉(zhuǎn)速過大，壓輥與環(huán)模接觸較頻繁，過量物料進(jìn)入模具。這增大了模具內(nèi)壁摩擦力，成型座內(nèi)物料極易堵塞，且保壓過程相應(yīng)縮短，降低密度。
圖6 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)性能指標(biāo)的影響Figure 6 Effect of mainshaft rotating speed on pelleting performances
2.2.2.2 對(duì)模具長(zhǎng)徑比的影響 模具長(zhǎng)度對(duì)顆粒品質(zhì)的影響顯而易見。模具變長(zhǎng)，物料所受摩擦力增大，擠壓效果更好，有助于提高密度與耐久性。由表4可知，模具長(zhǎng)徑比增大后，生產(chǎn)率逐漸降低，密度和抗破壞強(qiáng)度逐漸增大，成型率則先增大后減小。模具中物料發(fā)生彈塑性變形，需要一定擠壓距離以積累形變和提高致密程度。模具過長(zhǎng)時(shí)，能延長(zhǎng)擠壓距離，但保型過程也消耗更多能量。模具長(zhǎng)徑比由3.5變成4.0時(shí)，成型率剛過90.0%。繼續(xù)提高到到4.5時(shí)，生產(chǎn)率的降低尤其明顯，成型率提高3.7%。取最大值（5.0）時(shí)，成型率反而下降2.2%。物料保型時(shí)與模具內(nèi)壁的摩擦加劇，一部分會(huì)殘留其上。這降低制粒速度，取樣質(zhì)量略有減少且表面焦化嚴(yán)重。因此，模具長(zhǎng)徑比為4.0~5.0時(shí)制粒效果令人滿意。
表4 模具長(zhǎng)徑比對(duì)制粒性能的影響
Table 4 Effect of mould length-diameter ratio on pelleting performances
?
2.2.3 工藝參數(shù)的優(yōu)化組合 試驗(yàn)方案和結(jié)果見表5，方差分析結(jié)果見表6。由表6可知，空白列的極差小于其余各列的極差，各因素間不存在不可忽略的交互作用，試驗(yàn)結(jié)果可信。查F
分布表可知，F
(2,2)=99，且F
(2,2)=19。因此，F
>F
(2,2)，秸稈含水率的影響極顯著；F
(2,2)F
(2,2)，模具長(zhǎng)徑比的影響顯著；F
<F
(2,2)，秸稈粉碎粒徑的影響不顯著。表5 成型試驗(yàn)的結(jié)果及極差分析
Table 5 Results and range analysis of molding experiment
?
表6 正交試驗(yàn)方差分析
Table 6 Variance analysis result of orthogonal test
?
2.2.4 驗(yàn)證試驗(yàn) 由極差分析可知，工藝參數(shù)組合的優(yōu)方案為ACB。2020年10月，驗(yàn)證試驗(yàn)在錦州市黑山縣龐河經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)試驗(yàn)田進(jìn)行。當(dāng)季玉米9月20日收獲，地表殘留秸稈自然風(fēng)干。每天監(jiān)測(cè)殘留秸稈的含水率，待降至21.5%時(shí)撿拾制粒機(jī)作業(yè)開始。調(diào)節(jié)撿拾軸轉(zhuǎn)速，粉碎秸稈粒徑至18~26mm。設(shè)定成型裝置主軸轉(zhuǎn)速為120r·min，安裝長(zhǎng)徑比為4.5的模具，完成制粒全過程。試驗(yàn)重復(fù)3次，于收儲(chǔ)倉(cāng)內(nèi)取樣。評(píng)價(jià)制粒性能，各參數(shù)的測(cè)定值見表7。在工藝參數(shù)的優(yōu)化組合下，生產(chǎn)率、成型率和密度處于合格范圍內(nèi)，可連續(xù)穩(wěn)定地生產(chǎn)顆粒。
表7 性能測(cè)試結(jié)果
Table 7 Results of performance test
?
3 討論與結(jié)論
不同于谷物收獲機(jī)，撿拾制粒機(jī)作業(yè)速度慢，允許超調(diào)量小，王偉等設(shè)計(jì)了由喂入量檢測(cè)系統(tǒng)與作業(yè)速度控制器組成的作業(yè)速度自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，均勻秸稈條件下，作業(yè)速度在3m內(nèi)達(dá)到最佳狀態(tài)，超調(diào)量小于5%，之后保持平穩(wěn)運(yùn)行，制粒機(jī)以最佳喂入量工作；非均勻秸稈條件下，作業(yè)速度以不大于5%的超調(diào)量跟蹤喂入量的變化。不同于工業(yè)揚(yáng)塵，撿拾秸稈過程中的灰塵濃度高、粒徑大、擴(kuò)散區(qū)域廣，WANG等采用歐拉多相流模型，探究出口區(qū)結(jié)構(gòu)、出口流速、環(huán)境風(fēng)速與粒徑對(duì)粒子的流動(dòng)特性（分布、軌跡與重疊）影響機(jī)理，并提出出口區(qū)域結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。王國(guó)峰等發(fā)現(xiàn)撿拾制粒機(jī)的行駛速度增強(qiáng)流動(dòng)區(qū)域氣流擾動(dòng)，提高空氣的流動(dòng)速度，擴(kuò)大灰塵影響范圍。環(huán)境風(fēng)速等級(jí)增大，灰塵顆粒吹拂距離增大，風(fēng)速方向上擴(kuò)散距離增長(zhǎng)，灰塵對(duì)環(huán)境影響范圍擴(kuò)大。以上研究理論與實(shí)踐相結(jié)合，優(yōu)化撿拾制粒機(jī)結(jié)構(gòu)，對(duì)于促使秸稈撿拾制粒機(jī)的推廣應(yīng)用意義重大。
針對(duì)玉米秋收后殘留秸稈利用率低的現(xiàn)狀，本研究設(shè)計(jì)的基于組合嵌入式成型裝置的撿拾制粒機(jī)，實(shí)現(xiàn)了田間玉米秸稈由撿拾到制粒一體化作業(yè)。機(jī)具在優(yōu)化工藝參數(shù)組合下工作時(shí)，制粒性能（生產(chǎn)率、成型率、顆粒密度）滿足生產(chǎn)需要，為田間全程資源化利用裝備研發(fā)提供依據(jù)。
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