D200型秸稈纖維制取機原料供給系統優化設計與試驗

劉環宇 陳海濤 侯 磊 張 穎

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

D200型秸稈纖維制取機原料供給系統優化設計與試驗

劉環宇 陳海濤 侯 磊 張 穎

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

為提高D200型秸稈纖維制取機工作效率，實現對農作物秸稈物料的浸泡、清洗及連續穩定的輸送，解決人工喂料時勞動強度大、喂料不均勻等問題，設計了與D200型秸稈纖維制取機相配套的原料供給試驗裝置。在對浸泡裝置、攪拌裝置和撈取裝置間配合關系及工作原理分析的基礎上，以單個耙齒為研究對象，分析了耙齒與秸稈的作業過程，建立了撈取量的數學模型，找出了影響撈取量的主要因素。應用L16(45)正交試驗方法，以輸送帶線速度、耙齒齒數、攪拌槳轉速為試驗因素，以撈取效率及其變異系數為評價指標實施試驗。試驗結果表明：輸送帶線速度、耙齒齒數、攪拌槳轉速對撈取效率影響極顯著(P<0.01)；輸送帶線速度對撈取效率變異系數影響極顯著(P<0.01)。同時利用模糊綜合評價方法對試驗指標進行綜合評價，確定影響綜合評價的主次順序為：輸送帶線速度、攪拌槳轉速、耙齒齒數；最優參數組合為：輸送帶線速度0.6 m/s、攪拌槳轉速40 r/min、耙齒齒數8根。此時，單位時間內撈取效率為1 111.2 kg/h，變異系數為0.124，滿足生產要求。

秸稈； 纖維制取機； 原料供給； 優化設計； 正交試驗

引言

D200型秸稈纖維制取機是應用物理方法對農作物秸稈進行加工處理[1-4]，生產出可為植物纖維地膜提供原料的秸稈纖維，實現農作物秸稈纖維清潔、高效和高值化制取的設備[5-7]。為滿足D200型秸稈纖維制取機的工作效率，其配套的原料供給系統尤為重要。但由于纖維制取機加工原料為適度細碎化處理、飽和含水率的農作物秸稈，具有與其他粒狀物料不同的物理特性，因此對其配套的原料供給裝置的要求比較特殊[8-10]。

然而目前針對專門用于農作物秸稈撈取輸送裝置的研究相對較少，同時也缺少以滿足秸稈纖維制取機原料供給為目的的預處理工藝研究。張志正等[11]針對玉米秸稈粉料設計了氣力輸送系統，利用發送罐、高壓旋轉閥、噴射泵和螺旋供料器產生的氣流來實現密閉管道內的秸稈輸送，但該系統在使用過程中存在動力消耗較大、物料適應能力差等問題。田宜水等[12]結合煤炭等礦產資源中常用的帶式輸送機的設計，以農作物秸稈的輸送帶輸運特性為研究對象，選擇秸稈含水率、粒度、輸送傾角和輸送帶速為試驗因素，為農作物秸稈輸送系統的建立及參數選擇提供理論依據。但帶式輸送仍然存在許多問題亟待解決，如控制帶張緊力裝置的設計及如何防止工作過程中帶的跑偏[13-17]。房欣[18]、李卓等[19]設計了一種適用于大豆秸稈的原料供給系統，選取耙齒角度和耙頭角度為試驗因素，以撈取效率為指標展開研究，但該套裝置由于適用性等問題，仍需進一步優化改進。

為此本研究設計與D200型秸稈纖維制取機相配套的原料供給試驗裝置，分析浸泡裝置、攪拌裝置和撈取裝置間的配合關系及工作原理，通過正交試驗確定滿足原料供給系統供給效率及供給穩定性的最優參數組合，以期為D200型秸稈纖維制取機原料供給系統的優化設計及工藝參數確定提供參考。

1 原料供給系統分析

1.1 原料供給系統總體結構和工作原理

D200型秸稈纖維制取機的原料供給系統主要由浸泡裝置、攪拌裝置、撈取裝置3部分構成，如圖1所示。

圖1 原料供給系統結構示意圖Fig.1 Sketch of experimental equipment of supply system1.浸泡桶 2.攪拌裝置機架 3.攪拌槳 4.攪拌裝置調速電動機 5.輸送帶張緊機構 6.輸送帶 7.耙齒 8.撈取輸送裝置調速電動機 9.撈取裝置機架 10.擋秸板

浸泡裝置、攪拌裝置作業時，由調速電動機通過聯軸器傳遞動力至攪拌槳，攪拌槳葉片通過自身旋轉把機械能傳遞至流體，從而使浸泡裝置內流體產生順時針循環流動。此時，在攪拌裝置作用下，浸泡桶中秸稈在隨流體轉動的同時會產生上下擾動，使農作物秸稈充分分散，進而使摻雜在秸稈中的雜質(石子等)能夠由于自身密度較大的原因沉降到浸泡桶底部，實現對浸泡裝置中秸稈的清洗除雜。

撈取輸送裝置是原料供給系統關鍵部件，作業時，調速電動機通過傳動帶傳遞動力至輥筒，在摩擦力的作用下帶動輸送帶隨輥筒轉動，耙齒則通過平頭螺絲與輸送帶固定，實現對浸泡裝置中秸稈的撈取。在撈取過程中撈取裝置要滿足不少于1 000 kg/h的設計要求[20]，同時要保證將秸稈穩定、連續地供給至秸稈纖維制取機中。結合原料供給系統結構參數，設定耙頭角度α為30°，耙間距為160 mm，齒間距為40 mm，這樣既保證了被撈取秸稈中水分能夠快速回流至浸泡桶中，又能滿足當上一耙齒對秸稈完成撈取動作離開水面時，下一耙齒剛好開始對秸稈進行收集。原料供給系統總體結構參數和工作參數見表1。

1.2 撈取量建模分析

1.2.1 撈取過程分析

首先以單個耙齒為研究對象，分析單個耙齒對秸稈的作業過程，如圖2所示。當耙齒運動至位置A時，則可認為耙齒開始對浸泡裝置中秸稈進行收集，此時耙齒繞輥筒回轉中心以線速度v1勻速轉動，同時浸泡裝置中秸稈在攪拌裝置作用下繞攪拌中心以線速度v2勻速轉動。當耙齒運動至位置B時，則可認為耙齒完成對浸泡裝置中秸稈的收集。在耙齒由位置A運動至位置B過程中，對運動模型進行簡化分析，假設浸泡裝置中秸稈相對靜止，則可認為耙齒的運動為以線速度v1繞輥筒回轉中心勻速轉動，同時相對于靜止秸稈以速度大小與v2相等、方向相反的勻速直線運動的兩個運動的合成。基于此建立以輥筒圓心與水面重合點為坐標原點，x軸正向與秸稈運動線速度v2方向相反，且x軸與水面重合，y軸正向垂直于水平面向下的直角坐標系。

表1 原料供給系統總體結構參數和工作參數Tab.1 Structural and working parameters of supply system

圖2 耙齒運動狀態分析Fig.2 Motion status analysis of fishing harrow

當耙齒由位置A運動至位置B時，單個耙齒的撈取量為

Q=φρV

(1)

其中

V=(S1-S2)D

(2)

式中φ——填充系數ρ——物料堆積密度，kg/m3V——耙齒由位置A運動至位置B時，撈取區域總體積，m3

S1——耙齒由位置A運動至位置B時，坐標原點到耙齒齒頂掃過區域的橫截面積，m2

S2——耙齒由位置A運動至位置B時，坐標原點到耙齒齒根掃過區域的橫截面積，m2

D——耙齒總寬度，m

對耙齒轉動狀態進行分析，建立耙齒齒頂相對運動軌跡坐標方程

(3)

其中

(4)

(5)

式中R——輥筒半徑，mL——耙齒長度，mθ——輸送帶與水平方向夾角，(°)t1——耙齒由位置A運動至xi處所需時間，s

β——t1時刻耙齒與x軸正向夾角，(°)

ω——耙齒繞原點轉動角速度，rad/s

為計算方便，將直角坐標系方程轉換為極坐標方程，在極坐標系中，直角坐標系原點為極點，耙齒掃過區域橫截面為兩條極徑β=0、β=π/2+θ及齒頂曲線ri(β)、齒根曲線rj(β)所圍成的曲邊扇形。以齒頂處的極徑ri(β)代替[β,β+dβ]上各點處的極徑，則可以得出2種坐標系間轉換關系及曲邊扇形的面積計算公式

(6)

(7)

結合式(3)～(6)可得

(8)

(9)

聯立式(1)～(9)，得到撈取量Q為

(10)

1.2.2 秸稈受力分析

以單個耙齒為研究對象，對秸稈隨耙齒運動至脫離水面瞬時狀態進行受力分析，如圖3所示。此時若被撈起秸稈所受轉動慣性力過大，則可認為秸稈沿耙齒齒頭(與x軸負向夾角為α)方向脫離耙齒，使撈取量減少。

圖3 秸稈脫離水面瞬時狀態受力分析Fig.3 Force analysis of straw separating from water

基于此以被撈起秸稈質心為坐標原點，平行于水平面指向輥筒圓心方向為x軸正向，垂直于x軸向下為y軸正向，建立直角坐標系。此時，秸稈受力平衡方程為

(11)

其中

(12)

式中G——秸稈重力，NFN——耙齒齒頭與齒身處作用于秸稈支持力的合力，N

Ff——耙齒齒頭處與齒身處作用于秸稈摩擦力的合力，N

FI——轉動慣性力，N

φ——轉動慣性力與x軸負向夾角，(°)

μ——秸稈與耙齒間摩擦因數

當∑Fx<0時，則可認為秸稈所受轉動慣性力大于耙齒對秸稈摩擦力，此時秸稈沿耙齒齒頭脫離耙齒，為保證秸稈不脫離耙齒，應保證x方向合力∑Fx≥0，即

FNsinα+Ffcosα≥FIcosφ

(13)

v1≤

(14)

1.2.3 撈取量影響因素分析

結合所建立理論模型及原料供給系統實際作業狀況對撈取量影響因素進行分析，由式(10)可以看出，撈取量隨秸稈繞攪拌中心轉動速度v2增大而增大。由于攪拌槳轉速決定秸稈轉動線速度，因此結合攪拌槳轉速進一步分析可知，當攪拌槳轉速較低時，浸泡裝置中秸稈隨水流運動較慢，上一耙齒完成撈取動作后，下一耙齒撈取的秸稈量相對較少，不能滿足秸稈的連續供應。當攪拌槳轉速過高時，秸稈隨水流運動過快，會對已撈起秸稈造成沖擊，使得耙齒上部分秸稈沿水流方向脫離耙齒，致使撈取狀態不穩定。同時，還可以看出撈取量隨耙齒繞輥筒回轉中心轉動線速度v1增大而減小，但當輸送帶線速度過低時，雖能保證單個耙齒的撈取量，但不能滿足纖維制取機不少于1 000 kg/h的喂入要求。結合式(14)可以看出當輸送帶線速度過高時，則耙齒轉動過快，會導致已被撈起秸稈所受轉動慣性力大于耙齒對秸稈摩擦力，致使部分秸稈脫離耙齒。因此攪拌槳轉速以及輸送帶線速度應在合理范圍內取值。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料與設備

試驗材料：東農425水稻秸稈(東北農業大學試驗基地)，初始含水率為11%，利用改進后秸稈揉切機進行加工處理，所得水稻秸稈原料粒度為100～140 mm，試驗前常溫浸泡12 h[18]。

試驗儀器與設備：游標卡尺；WGL-45B型電熱鼓風干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司，控溫范圍1～300℃；電子秤，樺利泰電子衡器有限公司，量程0～300 kg；9QR20-60型秸稈揉切機，哈爾濱龍牧機械設備有限責任公司，轉速范圍800～2 000 r/min；非接觸式轉速計，優利德電子有限公司，量程0～9 999 r/min；秒表等。原料供給系統試驗裝置如圖4所示。

圖4 原料供給系統Fig.4 Raw material supply system

2.2 試驗設計與方法

應用L16(45)正交試驗方法，選取輸送帶線速度、耙齒齒數、攪拌槳轉速為試驗因素，結合原料供給系統總體結構參數，通過理論分析及預試驗確定因素取值范圍，綜合考慮設計要求，選取輸送帶線速度為0.56～0.68 m/s，耙齒齒數為5～8根，攪拌槳轉速為30～60 r/min。共進行16組試驗，每組試驗在相同條件下重復10次，取10次測試結果的均值作為試驗結果。試驗因素水平見表2。

表2 正交試驗因素水平Tab.2 Factors and levels

撈取系統撈取效率通過10次單位時間(1 min)撈取量均值來表征，均值越大，則表示撈取效率越高。變異系數CV可以表征考察變量的離散程度，因此通過10次單位時間撈取量的變異系數來考察。變異系數越小，則10次單位時間撈取量差異越小，表明原料供給系統運行越穩定。反之，則越不穩定。試驗指標計算公式為

由上述試驗數據可以看出，試驗裝置在設定距離范圍內，橫向偏移量、縱向偏移量、距離最大偏差分別為0.063、0.025、1.065 m，總體上呈現距離越遠，偏差越大，距離越近，偏差越小的趨勢。

(15)

(16)

2.3 數據處理

采用Design-Expert 6.0軟件對試驗數據進行處理和統計分析。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果極差分析

正交試驗各組試驗結果及對試驗指標的極差分析如表3所示。對撈取效率的各因素水平進行分析(A、B、C為因素編碼值)，得出較優組合為A2B1C2。由極差R值可以得出對撈取效率影響順序為輸送帶線速度、耙齒齒數、攪拌槳轉速；對撈取效率變異系數的各因素水平進行分析，得出較優組合為A3B2C3，由極差R值可以得出對撈取效率變異系數影響順序為輸送帶線速度、攪拌槳轉速、耙齒齒數。

3.2 試驗結果方差分析

方差分析結果如表4所示，可以看出，輸送帶線速度、耙齒齒數、攪拌槳轉速對于撈取效率影響極顯著(P<0.01)。輸送帶線速度對撈取效率變異系數影響極顯著(P<0.01)，耙齒齒數及攪拌槳轉速對撈取效率變異系數影響不顯著(P>0.05)。

表3 試驗結果與分析Tab.3 Test results and analysis

表4 方差分析結果Tab.4 Results of variance analysis

注：P<0.01(極顯著)，0.010.05(不顯著)。下同。

3.3 綜合優化分析

由于輸送帶線速度、耙齒齒數、攪拌槳轉速對兩項評價指標影響的主次順序不同，各因素較優組合的水平也各不相同，故采用模糊綜合評價方法對試驗結果進行分析，找出滿足性能指標能達到最優的參數組[21-23]。以撈取效率Y1、變異系數Y2為評價因素，其中Y1為偏大型因素，Y2為偏小型因素。根據公式建立其隸屬函數，得出指標Y1、Y2隸屬度r1n、r2n為

(17)

(18)

由隸屬度構成模糊關系矩陣

(19)

原料供給系統不僅要保證纖維制取機對秸稈加工效率，同時要確保喂入的穩定連續。為消除兩項評價指標量綱和數量級不同的影響，根據原料供給系統撈取效率及其變異系數的重要性，確定本試驗權重分配集P=(0.3，0.7)，即撈取效率和變異系數的權重分別為0.3和0.7。模糊綜合評價隸屬度U由模糊關系矩陣R和試驗權重分配集P確定，即U=P×R。綜合評價結果見表5。

表5 綜合評價結果Tab.5 Results of comprehensive evaluation

對綜合評分各因素水平進行極差分析(表6)，由分析結果可知，較優組合為A3B1C3，由極差R值可以得出主因素影響順序為輸送帶線速度、攪拌槳轉速、耙齒齒數。對綜合評分的各因素水平進行方差分析(表7)，由分析結果可以看出，對于綜合評分指標，輸送帶線速度對其影響極顯著(P<0.01)，耙齒齒數、攪拌槳轉速對其影響不顯著(P>0.05)。

表6 綜合評分極差分析Tab.6 Range analysis of comprehensive evaluation

表7 綜合評分方差分析Tab.7 Variance analysis of comprehensive evaluation

綜合考慮各因素對撈取效率及撈取效率變異系數的影響，以滿足纖維制取機對秸稈加工效率性能要求，保證喂入穩定連續原則，結合表4、表7方差分析結果，優選出D200型秸稈纖維制取機原料供給系統工藝參數最優組合(對應試驗序號為9)為：輸送帶線速度0.6 m/s，耙齒齒數8根，攪拌槳轉速40 r/min。試驗結果表明單位時間內撈取效率為1 111.2 kg/h，變異系數為0.124。該試驗結果可在保證D200型秸稈纖維制取機不少于1 000 kg/h生產效率的前提下，實現對水稻秸稈原料進行連續穩定供給。

4 結論

(1)設計優化了滿足D200型秸稈纖維制取機工藝要求的原料供給系統，該系統能夠實現對水稻秸稈浸泡、攪拌、清洗，同時保證對水稻秸稈原料進行連續穩定供給。

(2)影響綜合指標的主次順序依次為：輸送帶線速度、攪拌槳轉速、耙齒齒數。最優參數組合為：輸送帶線速度0.6 m/s、攪拌槳轉速40 r/min、耙齒齒數8根。在此條件下，D200型秸稈纖維原料供給系統撈取效率為1 111.2 kg/h，變異系數為0.124。

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Optimal Design and Experiment for Raw Material Supply System of D200 Straw Fiber Extruder

LIU Huanyu CHEN Haitao HOU Lei ZHANG Ying

(CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

The D200 straw fiber extruder developed by Northeast Agricultural University is used mainly in fiber processing to get crop straw expanded by utilizing physical extrusion method, which can realize clean, efficient and high value utilization of crop straw. In order to improve the efficiency in soaking, cleaning, continuous and stable conveying of crop straw material and solve the problems of strong labor intensity when it is fed artificially and nonuniformly, the development of a matched raw material supply device is absolutely necessary. This supply device mainly consisted of soaking device, stirring device and fishing conveyor device, in which the fishing conveyor device functions as a critical component. Based on analysis of the cooperating relationship among three systems (referring to soaking, stirring and fishing systems), a fishing rake was selected as research object to establish a mathematical model of fishing amount by analyzing the kinematic process between harrow tooth and straw. Belt linear velocity, harrow tooth number and rotating speed of agitator were proved to be the effective factors affecting fishing efficiency. Critical condition that the straw was not thrown out from harrow was found through force analysis when straw was separated from the water surface. The test material was Dongnong No.425 rice straw. Experimental investigations were carried out with the method of L16(45) orthogonal test to obtain the optimal parameter combination. Meanwhile, the belt linear velocity, harrow tooth number and rotating speed of agitator were supposed to be the main influence factors. Fish efficiency and variable coefficient of fishing efficiency were chosen as the evaluating indicator. The results showed that belt linear velocity, harrow tooth number and rotating speed of agitator had very significant effect on fishing efficiency (P<0.01); belt linear velocity had very significant effect on variation coefficient of fishing efficiency (P<0.01). Subsequently, by using fuzzy comprehensive evaluation method, the order of the comprehensive indicator combined fishing amount with variation coefficient of fishing efficiency was the belt linear velocity, the harrow tooth number and the rotation speed of agitator. The optimal combination of parameters occurred with linear velocity of conveyor line at 0.6 m/s, rotation speed of stirring paddle at 40 r/min, harrow tooth number of rake of 8 when fishing amount per unit time was 1 111.2 kg/h and variation coefficient was 0.124. This research provided a reference for the structural improvement of the supply system of raw crop straw and guidance for the optimization of the operating parameters as well.

straw; fiber extruder; material supply; optimal design; orthogonal test

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.011

2016-10-24

2016-12-19

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAD32B02-5)

劉環宇(1990—)，男，博士生，主要從事生物質轉化與利用工程研究，E-mail： liuhy0528@163.com

陳海濤(1962—)，男，教授，博士生導師，主要從事農業機械裝備及生物質材料研究，E-mail： htchen@neau.edu.cn

TH237.1

A

1000-1298(2017)03-0092-07