玉米秸稈皮瓤分離碾壓揭皮輥設計與試驗

任德志 白雪衛 劉德軍 宮元娟 高智惠

(沈陽農業大學工程學院， 沈陽 110886)

0 引言

玉米秸稈皮瓤分離機是實現玉米副產物高值化利用的有效途徑[1-3]。玉米秸稈皮瓤分離機中的皮瓤分離機構是其核心裝置，直接決定著皮瓤分離機的使用效果。

目前，國內學者研究的玉米秸稈皮瓤分離機主要有兩種：①將不做預處理的秸稈直接喂入到粉碎裝置后分離。華新生等[4]研制的秸稈皮穰分離裝置，其輸送機構直接安裝在收獲機上，將收獲的秸稈直接粉碎為細條狀的秸稈外皮和不規則塊狀瓤并分別排出。由于秸稈皮瓤強度特性的差異，形成粉碎后的秸稈碎料狀態為外皮長短不一、粗細不等、瓤大小不均，難以將皮瓤有效分離并分選和收集。②玉米單株整稈皮瓤分離機構，采用定量分道式喂入工作原理：秸稈喂入定位、內部剖開、展平、切削、刮瓤完成分離。孫竹瑩[5]研制的玉米秸皮瓤分離機，送料裝置中安裝楔形刀輪，工作時插入秸稈內保證送料的穩定；戰曉林[6]研制的玉米秸稈去葉除芯自動機，將單根秸稈自動上料，經由強制輸送、劃開、展平、刮瓤以及稈皮輸出，實現分類收集；王德福等[7-9]研制的玉米秸稈皮穰分離機定向輸送喂料裝置，秸稈由喂入臺輸入，經輸送輥進行分流處理，通過輸出口進入皮瓤分離機，再經由夾持定位輥夾持作用將秸稈帶入分離機內，這種機構喂入技術基本成熟，但因分離效率低，未能在市場上大量應用，主要因我國秸稈產量大，該分離方法效率不能滿足生產需求。作者在研究秸稈力學特性時發現，秸稈皮瓤結合處裂紋的幾何尺寸與秸稈皮瓤的彈塑性變形特點有關[10-11]，利用玉米秸稈皮瓤產生彈塑性變形時的差異，秸稈皮瓤形成微觀裂紋[12-15]，再對玉米秸稈外皮揭開切割，可實現快速有效分離。

本文以自行設計的碾壓揭皮輥為研究對象，運用密度理論SIMP方法對碾壓揭皮輥進行優化設計，借助ANSYS有限元仿真軟件對碾壓揭皮輥齒型刀片及整體進行強度和疲勞仿真分析，并利用樣機試驗驗證，探尋碾壓揭皮輥齒初始間隙對玉米秸稈皮瓤分離效果的影響。利用二次回歸正交旋轉組合設計試驗方法，對碾壓揭皮輥轉速、輥齒間隙和切段長度進行皮瓤分離性能試驗，尋找最佳參數組合，提高皮瓤分離效率。

1 皮瓤分離機碾壓揭皮機構工作原理

1.1 玉米秸稈皮瓤分離工作原理

玉米秸稈皮瓤分離機主要由秸稈除葉機、碾壓揭皮機構、剪切機構和分離機組成。主要工藝為：經除葉機除葉的玉米秸稈—秸稈群喂入分離機碾壓揭皮機構(碾壓秸稈彈塑變形—輥齒揭開秸稈外皮)—秸稈剪切機構切段—皮瓤分離[16]。

1.2 碾壓揭皮機構結構與工作原理

皮瓤分離機碾壓揭皮機構長350 mm、寬220 mm、高380 mm，主要由定動碾壓輥、齒型刀片、定動碾壓輥間隙自動調節裝置、喂入軸等組成，整體結構如圖1所示。定輥在固定軸上轉動，動輥通過彈簧連接，在滑軌內實現其隨秸稈的直徑不同而在30 mm范圍內上下移動，由彈簧的拉力和輥子自身的重力對秸稈進行夾緊和碾壓。通過碾壓試驗的秸稈皮瓤分離狀態見圖2，可以看出，分離機碾壓揭皮機構對玉米秸稈皮瓤結合處形成裂紋效果明顯。定輥軸一端與帶輪相連，由電動機提供動力，另一端與齒輪傳動機構相連，調節碾壓輥轉速。定輥與動輥在齒輪傳動作用下轉動，速度相同，方向相反。

圖1 碾壓揭皮機構結構簡圖Fig.1 Overall design of husking roller device1.左側限位桿 2.動輥軸 3.左側彈簧 4.動碾壓揭皮輥 5.定軸 6.定碾壓揭皮輥 7.齒型刀片槽 8.右側彈簧 9.右側限位桿 10.機架

圖2 碾壓后皮瓤形態Fig.2 Separation of rind and pith of corn stalks after squeezing

2 碾壓揭皮機構關鍵部件設計與分析

2.1 碾壓輥結構設計

定、動碾壓揭皮輥作為整個機構的核心部件，其設計直接影響機構工作性能。因玉米秸稈物料特性，間歇性碾壓皮瓤分離效果最佳，對碾壓輥再設計，采用密度理論法(Solid isotropic microstructures with penalization，SIMP)進行優化設計[17-19]，材料密度理論SIMP法是多種(0-1規劃法、材料分配法、均勻化法、ESO等經驗算法、水平集法、變密度法、成長法、變厚度法等)幾何拓撲優化中處理連續體理論最為嚴密的方法之一，通過引入中間密度單元來計算碾壓輥設計拓撲形態，目前商業軟件ANSYS、Optistruct、TOSCA等都采用這種方法[20-21]，這樣可以求解碾壓輥材料在空間的最優分布，以此為基礎設計結構。

材料插值法表達公式為[22]

(1)

式中E(xi)——插值以后的彈性模量E0——實體部分材料的彈性模量Emin——修剪部分材料彈性模量xi——單元相對密度，取值為1表示有材料，為0表示無材料

p——懲罰因子，懲罰因子越大，中間密度單元越少，更容易選取局部最優

相對密度表示為

(2)

式中xij——第i個子域、第j個單元的相對密度

本文通過ANSYS中Shape Optimization進行分析，碾壓輥初始模型橫截面為圓，圓周受秸稈間歇支反力作用，施加表述特征，對碾壓輥進行拓撲優化分析，截面優化結果如圖3所示。

圖3 碾壓輥優化后的拓撲截面Fig.3 Design of shape optimization

經計算可知，灰色區域為密度相對高區，材料重分配優化拓撲形狀即類六角形狀，紅色區域為密度相對低區，可修剪去掉材料，對碾壓輥結構數學模型再設計，如圖4所示，每個碾壓輥上均勻分布6個矩形截面凹槽，用于裝配齒型刀片，同時對秸稈產生間歇碾壓，迫使秸稈產生間歇的彈塑變形。定、動碾壓輥結構相同，轉動方向相反，轉速相同。

圖4 碾壓輥結構示意圖Fig.4 Design sketch of husking roller

碾壓輥工作原理如圖5所示，通過計算秸稈輸送力為

F=2fpcosα-2Psinα

(3)

因秸稈向前運動產生輸送力，固有F>0，即

2fpcosα>2Psinα

(4)

式中α——平均壓力角P——碾壓輥對秸稈單側壓力fp——摩擦力

化簡得

(5)

定義C為碾壓輥對秸稈摩擦因數，即

C>tanα

(6)

計算碾壓輥半徑Rg，取AB中點為中心,即

2Rgcosα+H=2Rg+H′

(7)

化簡得

(8)

式中H——碾壓前秸稈厚度H′——碾壓后秸稈厚度u——秸稈壓縮比

圖5 碾壓揭皮輥工作原理圖Fig.5 Working principle diagram of husking roller

通過實驗測得玉米秸稈平均直徑范圍為16～32 mm，u=0.6，C=0.6。綜上，當玉米秸稈直徑取平均值t=24 mm，u=0.6，C=0.6，碾壓輥表面對秸稈的摩擦角α=30°時，確定出保證玉米秸稈能自動輸送的條件是碾壓輥半徑為Rg=33 mm。

2.2 齒型刀片設計

齒型刀片安裝在碾壓輥上，刀片施力的作用效果直接影響碾壓揭皮機構工作流暢度及皮瓤分離效果，所以需要對齒型刀片精細化設計。由于秸稈喂入碾壓揭皮是一個動態的過程，齒型刀片直接與秸稈摩擦接觸，在設計碾壓揭皮機構時，將轉動部件碾壓輥與秸稈接觸部件齒型刀片作為裝配體組成碾壓揭皮輥，刀片通過螺釘固定裝配到喂入輥凹槽內部，方便對磨損齒型刀片更換。齒型刀片結構如圖6所示，秸稈喂入數量設計為3～5根，按秸稈平均尺寸及秸稈間隙尺寸30 mm，設計刀片長度與凹槽軸長度為170 mm，高度10 mm，寬度3 mm，為了在秸稈表面產生間接劃切作用力，根據刀片總長和秸稈直徑尺寸設計刀片頂部分布34個齒刃，齒刃寬度2 mm，齒刃間距3 mm。

圖6 齒型刀片結構示意圖
Fig.6 Structure sketch of toothed blade

齒型刀片的齒刃劃切秸稈力與玉米秸稈的物料特性、秸稈皮厚度、皮瓤粘結力等因素有關。為有效地將秸稈皮瓤劃切分離，設計刀片刃角如圖7所示，刀片齒刃高為a，厚度為b，伸出齒刃長為c，刃角頭長度大于秸稈皮厚，以保證有效劃切進入秸稈內部，通過分析得到

(9)

化簡得齒刃角β計算式為

(10)

通過試驗測得玉米秸稈平均皮厚為1 mm，為了使秸稈皮完全揭開，根據碾壓輥轉動直徑，設計齒刃深入秸稈內部2 mm，設計刀片齒刃高2 mm，厚度2 mm，伸出齒刃長1 mm，計算分析結果表明：刃角為30°，在此齒型刀片作用下秸稈皮瓤發生擠壓現象，秸稈瓤發生塑性變形，秸稈皮具有回彈效應，破壞皮瓤粘結力，使之部分分離。

圖7 碾壓輥揭皮工作原理圖Fig.7 Working principle diagram of roller-teeth husking roller

2.3 輥齒間隙設計

由于秸稈直徑不確定，上碾壓動輥通過彈簧預緊連接作用，在滑軌內實現其隨秸稈的直徑不同而在30 mm范圍內上下移動。根據秸稈擠壓力設計了5個不同輥齒初始間隙如圖8所示，即上、下碾壓輥齒型刀片的齒刃之間初始距離。經試驗測得玉米秸稈頂部的直徑在6～10 mm，為了保證上、下碾壓輥的齒型刀片能切割到秸稈，上下齒型刀片的初始間隙設為4～8 mm，故輥齒初始間隙分別為4、5、6、7、8 mm。

圖8 齒型刀片及裝配示意圖Fig.8 Assembly diagram of toothed blade

圖9 碾壓揭皮輥裝配圖Fig.9 Assembly diagram of roller-teeth husking roller

齒型刀片通過螺釘固定在碾壓輥上，如圖9所示，下碾壓輥軸向、徑向固定，周向自由轉動；上碾壓輥在彈簧的作用下軸向固定，徑向自由移動，周向自由轉動。齒型刀片工作磨損后，便于更換。在碾壓揭皮機構工作過程中，玉米秸稈經碾壓輥向前輸送的同時，齒型刀片上的齒刃對秸稈劃切，并揭開外皮。

2.4 皮瓤分離機碾壓揭皮輥應力分析

根據已設計的輥齒式碾壓揭皮機構，應用Solidworks軟件建立輥齒裝配模型。核心部件的受力分析及分離機的工作條件為：電動機功率為1.5 kW、電動機轉子轉速為1 440 r/min(頻率50 Hz)，輥齒初始間隙分別為4、5、6、7、8 mm。根據玉米秸稈與碾壓機構輥齒力的作用力與反作用力關系，對輥齒的受力進行計算，驗證輥齒工作可靠性與穩定性，并應用ANSYS有限元仿真模擬軟件進行靜力學分析[23]，結果如圖10所示。

圖10 4 mm間隙輥齒應力分析Fig.10 Stress analysis of roller-teeth husking roller with clearance of 4 mm

分析圖10可知，4 mm初始間隙輥齒受到極限載荷作用時應力集中發生在齒型刀片齒頂處，計算得到Von-Mises應力最大值為104.84 MPa，材料屈服強度345 MPa，第一主應力沿輥齒徑向，表明秸稈進料過程中對齒受到壓力作用力較大；同理計算輥齒初始間隙5、6、7、8 mm可知，受到極限載荷作用時應力集中同樣發生在齒型刀片齒頂處，分別為101.3、99.5、93.4、87.9 MPa。均小于4 mm間隙對應值。

上述應力分析表明，5個齒間隙計算結果均在許用應力范圍內，經過疲勞計算，5種間隙輥齒均屬高周疲勞，可以長時間工作而不發生損壞，進一步證明結構設計的合理性。齒型刀片對輥間隙過小，長時間工作刀片易產生彎曲變形；齒型刀片對輥間隙過大不利于小直徑秸稈擠壓，對秸稈劃切效果不明顯，綜上所述，初始間隙選擇為5 mm輥齒為宜。

3 試驗

3.1 試驗材料

選用沈陽農業大學試驗基地成熟后自然風干玉米秸稈，試驗時含水率為10%左右、根部平均直徑為20 mm、平均皮厚為1 mm的整株去葉玉米秸稈，作為試驗材料。

3.2 皮瓤分離效果評價指標

按照皮瓤分離機構的性能要求，選用分離率作為其質量評價標準。

分離率指玉米秸稈分離后所獲得的皮瓤分離質量占總質量的百分比(不計莖稈直徑小于10 mm部分)，其中皮瓤分離不完全的，如粘連、絲連等不計入分離質量中。每組試驗做5次重復，取其平均值。計算公式為

(11)

式中Y1——分離率m1——分離的皮瓤質量，gmx——試驗玉米秸稈的總質量，g

3.3 試驗設計

為研究碾壓揭皮機構的性能，在預試驗與前期皮瓤分離機構結構參數優化的基礎上，選擇對分離率影響較大的碾壓輥轉速、輥齒間隙與秸稈切段長度作為因素。整機動力裝置由塔輪與調速擋配合將碾壓輥轉速控制在240～510 r/min。秸稈切割裝置中的動刀由齒輪組提供不同轉動速度與定刀切割長度，范圍為14～38 mm。手動調節輥齒間隙。安排三因素五水平試驗，見表1。為方便計算，輥齒間隙近似取整數。

3.4 試驗結果與分析

皮瓤分離試驗結果如表2所示，A、B、C為因素編碼值。通過Design-Expert軟件對試驗數據進行分析，獲得秸稈分離率回歸模型及其方差分析。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

表2 試驗設計與結果Tab.2 Result of experiment

通過試驗及對試驗數據多元回歸擬合，得到各因素對分離率Y1的回歸方程

Y1=82.37+6.60A-4.16B-8.16C+2.07AB-
1.46AC-2.72BC-3.53A2+0.29B2-6.54C2

(12)

回歸方程的方差分析表如表3所示。從表3的方差分析結果看，模型p<0.000 1，說明模型處于極顯著水平；模型的決定系數R2=0.964 8，說明模型擬合程度良好，試驗誤差小；失擬性不顯著(P=0.215 4>0.05)，因此模型可以用于確定各參數對皮瓤分離裝置工作效果的評價。模型的各項中，A、B、C、BC、A2、C2均顯著，其他項均不顯著。說明碾壓輥轉速、輥齒間隙、切段長度對該裝置的分離率均有影響，且碾壓輥轉速和切段長度對其影響最大，其次為輥齒間隙。

表3 分離率回歸模型方差分析Tab.3 ANOVA of separation rate model

圖11與圖12分別表明輥齒間隙和切段長度交互作用以及碾壓輥轉速和切段長度交互作用對皮瓤分離率的影響。由圖11可知，輥齒間隙對分離率影響很小，切段長度17～26 mm時分離率處于最佳值；由圖12可知，碾壓輥轉速300 r/min和切段長度22 mm左右分離率處于最佳值；綜上可知碾壓輥轉速、切段長度為中間值時秸稈皮瓤分離效率高，與試驗效果吻合。

圖11 輥齒間隙和切段長度對分離率的影響Fig.11 Influence of clearance and cutting length on separation rate

圖12 碾壓輥轉速和切段長度對分離率的影響Fig.12 Influence of husking roller speed and cutting length on separation rate

在建立二階多項式模型的基礎上，以秸稈皮瓤分離率為優化目標，應用Design-Expert軟件對目標函數優化，最佳組合參數為：當碾壓輥轉速為295 r/min，輥齒間隙為5 mm，切段長度22 mm時，分離率為85%。

3.5 試驗驗證

本設計的玉米秸稈皮瓤分離機參數驗證試驗表明：碾壓輥轉速和切段長度對分離效果影響明顯，碾壓輥轉速為295 r/min時，整機運行平穩，切段長度為22 mm、碾壓揭皮輥齒間隙為5 mm時，皮瓤分離效果好。重復5次試驗，取其平均值，皮瓤分離率達到85%的輥齒碾壓揭皮切段后秸稈皮瓤分離形態如圖13所示。皮為片狀與絲狀，瓤為塊狀。

圖13 秸稈碾壓揭皮切段后皮瓤分離形態Fig.13 Rind and pith form separated by machine

4 結論

(1)為提高玉米秸稈皮瓤分離效率，根據玉米秸稈物料特性設計了皮瓤分離碾壓揭皮機構。采用密度理論SIMP法設計碾壓揭皮材料重分配優化拓撲形狀為六角形，碾壓輥半徑為33 mm，齒型刀片長度170 mm，齒刃寬度2 mm，刃角30°。運用二次回歸正交旋轉組合設計試驗方法進行試驗分析，得出碾壓輥轉速和切段長度對秸稈皮瓤分離率影響大，輥齒間隙影響小。

(2)運用Design-Expert進行試驗數據處理，以皮瓤分離率為試驗指標，以碾壓揭皮輥轉速、輥齒間隙、切段長度為試驗因素，得出玉米秸稈皮瓤分離碾壓揭皮機構的最佳參數組合：碾壓輥轉速為295 r/min、輥齒間隙為5 mm、切段長度為22 mm時，分離率為85%，經試驗驗證，試驗結果與分析結果基本一致。

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