玉米秸稈保留型收割機榨汁系統設計

楊 樂， 林 宋

(北方工業大學 機械與材料工程學院，北京 100041)

玉米秸稈保留型收割機榨汁系統設計

楊 樂， 林 宋

(北方工業大學 機械與材料工程學院，北京 100041)

針對螺旋式壓榨系統容易堵塞、壓榨后秸稈倒吸、壓榨力大和出汁率低等問題，對玉米秸稈保留型收割機榨汁系統提出了新型多輥筒式碾壓的壓榨設計方案，確定了榨汁系統的布局和尺寸。同時，運用動力學仿真軟件Adams對壓榨過程進行了仿真，并通過試驗對設計方案進行了驗證。結果表明：新型多輥筒式壓榨系統的壓榨空間外露，發生堵塞可快速處理；壓榨后秸稈未出現倒吸現象；新型榨汁系統的壓榨力明顯減小，出汁率明顯上升。綜合分析及仿真實驗表明：所設計的榨汁系統基本達到設計要求。

玉米收割機;秸稈利用；輥筒榨汁

0 引言

我國是一個農業大國，2015年我國玉米的種植面積達到了0.38億hm2，玉米產量為2.2億t，因此玉米秸稈產量十分可觀。

秸稈的處理成為了一個比較嚴峻的問題，政府嚴禁焚燒秸稈，而破碎還田等用途成本較高，因此農村秸稈處理亟需一個解決辦法。筆者為某公司設計了一款玉米秸稈收割榨汁一體機，其工作流程如圖1所示。在玉米收獲作業中，玉米收割系統將玉米植株割斷，摘穗系統摘除果穗，去葉系統將玉米植株的皮葉去除，并且將玉米秸稈劈裂以提高出汁率。去皮后的玉米秸稈通過傳送帶送入榨汁系統中，通過榨汁機上的壓榨輥將玉米秸稈擠壓，擠壓后的殘渣送入后方打捆系統中打包，而榨出的秸稈汁通過下方的桶收集起來。該機可以實現玉米的收割、摘穗、去葉、榨汁及打捆，滿足設計的生產率、出汁率及能耗要求，解決了農村勞動力缺少和企業運輸成本高的問題。

本文應用三維建模軟件SolidWorks和機械系統動力學仿真軟件Adams進行設計建模，并通過實驗與仿真分析驗證壓榨時的受力情況，以保證整個設備的可行性，為相關機械的設計提供理論參考。整個系統的三維建模圖如圖2所示。

圖1 工作流程圖Fig.1 Work flow chart

圖2 系統整體模型圖Fig.2 The chart of overall system

1 壓榨系統設計

1.1 方案選擇

目前，市面上用于秸稈壓榨的壓榨方式主要有輥筒式碾壓和破碎加曲柄壓榨兩種方式。從出汁率角度考慮，采用先破碎后壓榨的復合方式較好，但由于破碎后壓榨物容易堆積，導致機械堵塞，故該方案大多使用于水分含量大、纖維含量少的農作物(如蘋果、花生、葡萄等)，無法適用于粗纖維含量多的玉米秸稈。同理，螺旋式壓榨也容易導致堵塞，一旦發生堵塞無法及時清理，從而影響工作效率[1]。

由于此次設計的壓榨系統需直接用于玉米聯合收割機，故設計方案需首先滿足壓榨速度快及不易堵塞兩點。本設計選用多輥筒式碾壓的壓榨方案。該方案結構較為簡單，壓榨空間外露，倘若發生堵塞也可現場快速處理。

1.2 壓榨輥的設計與布置

由于輥壓式榨汁屬于線接觸，單位時間內壓榨面積小，加之壓榨速度快，壓榨過后秸稈容易發生汁液回吸現象，故適當加大直徑和增加壓榨面積可提高榨汁率[2]。考慮到單次壓榨受力會劇增，對功率、結構、出汁率等均產生不利影響，因此本設計將整個壓榨過程分為粗榨和精榨兩步。壓榨滾筒布置示意圖如圖3所示。

圖3 壓榨輥筒布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the layout of the pressing system

工作時，動力通過皮帶輪和齒輪傳動機構帶動上下壓榨輥做順、逆時針方向的等角速度轉動。秸稈依靠榨輥1、3和秸稈之間的摩擦力進入入口，榨輥1和榨輥3同時對秸稈產生徑向壓力，完成第1次壓榨；在托板和榨輥1、2對秸稈產生的摩擦力的推動下，進入榨輥1、2之間，完成進一步的壓榨(左下壓榨輥的半徑大于上壓榨輥)；壓榨后的秸稈由出料口排出，秸稈汁通過濾網的過濾后統一收集至容器內。

壓榨輥筒在整個壓榨系統中起到重要作用，除完成壓榨任務以外，還需具備快速排汁、引料作用，因此要求輥筒具備高強度、耐腐蝕、中空及表面粗糙處理等特點。由于壓榨輥之間主要靠摩擦力實現秸稈的喂入過程，因此在壓榨輥表面進行粗糙處理以增大摩擦力，使玉米秸稈能順利進出壓榨空間。與此同時，考慮到壓榨輥彼此兩兩配合，故在壓榨輥表面添加旋向相對的螺紋，在輥筒旋轉過程中螺紋嚙合，相互對秸稈產生牽引力，將秸稈引入壓榨口，同時抵消壓榨過程中所產生的軸向力[3]。

壓榨速度較快，故壓榨過后秸稈很容易產生二次回吸現象，降低出汁率，故在輥筒表面布置了許多徑向孔，與輥筒端面的軸向孔相通。其目的在于壓榨后能迅速收集秸稈汁液，提高榨汁率；軸向排汁孔可通過氣管與真空機連接，通過真空機產生的負壓，使壓榨出的汁液向管道排出，最大限度地收集汁液。壓榨過程中秸稈受力巨大，汁液會產生噴濺(如導致汁液浪費、污染機身等問題)，故在輥筒接近端面的一側挖槽，使槽深大于軸向排汁孔的深度，可最大限度地避免汁液噴濺現象。由于輥筒結構較為復雜，具有很多深孔，結構強度較低，因此選材時需選用強度、硬度較高的材料；秸稈汁液具有糖分，因此材料需具備耐腐蝕防銹功能。參照國內輥筒生產廠家，選用不銹鋼作為輥筒的材料。

在初步的實驗中得知：將秸稈沿其徑向剖開后，達到同樣的出汁率所需的壓榨里會急劇減小。因此，考慮在壓榨系統前面增加劈裂系統以減小壓榨力，提高出汁率。

1.3 引料板的設計

由于壓榨過程連續，秸稈受力巨大，很容易發生斷裂，加之秸稈汁液本身具有粘性，容易吸附在壓榨輥表面從而導致壓榨不均勻，故需安裝引流板，根據壓榨軌跡，將秸稈送入壓榨空間。同時，引流板需做到單薄，從而不擾亂壓榨過程，這就需要引流板材料具備一定的強度，同時具備耐腐蝕的特點。基于以上要求，初步選用不銹鋼作為引流板材質。引流板結構如圖4所示。

引料板安裝于粗榨輥筒之間，引流板開有若干小孔，從而將粗榨后的秸稈順利送入精榨通道，又可實現秸稈汁液的初次過濾。與此同時，引流板的工作曲面與壓榨輥相切，又可起到清潔輥筒的作用，壓榨后吸附在輥筒表面上的渣滓在輥筒旋轉的過程中碰到引流板被刮下，從而避免輥筒表面的徑向排汁孔堵塞，提高秸稈汁液的收集率[4]。

圖 4 引流板結構Fig.4 The structure of drain plate

2 基于ADAMS的仿真實驗

2.1 建模及設置相關參數

因后續實驗中需進行實驗驗證，而實驗進行是在4月份，秸稈還未收獲，因此采用與之類似的甘蔗秸稈進行仿真。Adams建模如圖5所示。圖5中，創建兩輥筒并設置為剛性體，創建秸稈為柔性體；對輥筒添加旋轉副，對秸稈添加移動副。輥筒的角速度為15.29rad/s，秸稈進給速度為1m/s。查閱資料得知：甘蔗的楊氏模量為1.1E+10N/m2，泊松比為0.03，密度為1 100kg/m3[5]。定義材料如圖6所示。

圖 5 Adams建模Fig.5 Modeling in Adams

圖6 甘蔗材料定義Fig.6 Material definition

定義甘蔗與輥筒發生相互作用的接觸力，甘蔗與輥筒的接觸力存在摩擦，得到的接觸力參數如表1所示。

表1 應力接觸定義[6]

仿真時間為1.5s，定義步長為0.01，進行仿真。

2.2 仿真結果及分析

仿真得到上下輥筒在y軸方向上的受力圖，如圖7所示。

圖7 輥筒受力曲線Fig.7 The graph of rollers under stress

在壓榨過程中，輥筒在徑向受力在開始基本成線性增加；甘蔗全部進入到輥筒后，壓榨力在穩定范圍內波動，最大值達到了2 200N，在甘蔗從輥筒中出去后；壓榨力逐漸減小。

3 壓榨力實驗

壓榨過程中，壓榨力的大小直接影響到出汁率及設備的功率。在壓榨系統固定的情況下，嘗試不同的秸稈形狀(整桿、半剖、去皮等)壓榨過程中的壓榨力如何變化。為了得到壓榨力與秸稈形狀及出汁率的具體關系，需設計實驗進行驗證。

由于本次實驗是在4月份進行，秸稈還未收獲，因此采用與之類似的甘蔗秸稈進行壓榨力實驗。測試將甘蔗壓榨至左右所需的壓力。甘蔗秸稈硬度較玉米秸稈要大，故所得實驗數據能滿足實驗要求。實驗測試的數據有壓榨力、甘蔗厚度、出汁率；壓榨力通過萬能實驗機測試，甘蔗厚度通過游標卡尺測量，出汁率通過稱量榨汁前后的甘蔗質量計算得知。

3.1 實驗方案

將甘蔗分為整稈壓榨、半剖壓榨以及去皮半剖壓榨3組，利用壓力機壓榨，記錄壓榨位移和甘蔗汁質量，得到出汁率、壓榨厚度與壓榨力三者之間的聯系。

3.2 實驗數據及分析

3.2.1 實驗數據

本實驗分組測試了不同厚度、接觸面積下的甘蔗進行不同程度壓榨時所需的壓榨力，結果如表2所示。

表2 實驗結果

整稈壓榨時壓榨力-位移曲線如圖8所示。

3.2.2 實驗結果分析

從以上實驗數據得知：在60% 的出汁率的情況下，整稈壓榨所需的壓榨力為25 000N，半剖后壓榨所需的壓榨力為8 500N，約為整稈壓榨的1/3，去皮半剖后壓榨所需的壓榨力進一步減小，為6 000N；粗榨過程中，甘蔗整稈壓榨時最大壓榨力約為2 200N。因此，在壓榨系統之前安裝破碎裝置，將玉米秸稈切碎或剖開可以有效減少壓榨力，出汁率也有所上升。

如果直接進行整桿壓榨，所需的壓榨力巨大。為了減小壓榨力，壓榨系統之前需要在輥筒壓榨前方安裝破碎裝置，將玉米秸稈切碎或剖開，以減少壓榨力。

圖8 粗榨壓榨力-位移曲線Fig.8 Pressure-displacement curves of rough squeezing

4 結論

1)重點分析了玉米秸稈收割榨汁機的榨汁系統，選用了輥筒壓榨，確定其粗榨、精榨方案和布局參數。

2)仿真得到粗榨最大壓榨力為2 200N，與實驗中得到的最大壓榨力1 800N比較接近。

3)采用新型玉米秸稈榨汁方式解決了螺旋式壓榨系統容易堵塞及壓榨后秸稈倒吸等問題。

4)實驗表明，甘蔗剖開、去皮后得出同樣的出汁率情況下所需的壓榨力大幅度減小。因此，確定使用榨汁系統前添加劈裂系統以減小其壓榨力。通過使用新型榨汁系統，可以有效減小壓榨力，且出汁率也有所提升。

[1] 霍漢鎮.從甘蔗壓榨機到螺旋壓干機[J].廣西蔗糖,2004(1)：30-35.

[2] 王明杰,劉守祥.甘蔗榨汁機的設計[J].農產品加工學刊,2007(9):19-22.

[3] 王孝忠.甘蔗壓榨輥加強排汁結構:中國，97248519.8[P].1999-05-05.

[4] 許斯欣，林慶生，許喜林.倒三輥無底梳甘蔗壓榨機:中國，98210420.0[P].1999-06-23.

[5] 高建民，區穎剛.基于物理模型的甘蔗收獲虛擬樣機研究[D].廣州：華南農業大學，2003.

[6] 胡珊珊. 履帶式小型甘蔗收割機虛擬樣機仿真分析及實驗研究[D]. 南寧:廣西大學, 2005.

ID:1003-188X(2018)02-0106-EA

Design of Corn Harvester With the Retention of Corn Straw

Yang Le, Lin Song

(College of Mechanical Engineering and Material Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

Abstract： Aimed at the problem of easy blockage, reverse flow after squeezing, huge squeezing force and low juice yield of spiral squeezer, a new design program of multiple-roll squeezer was raised to corn harvester with the retention of corn straw. The dimensions and layout of the pressing system was confirmed. Adams was used to carry out simulation of the squeezing process. A experiment was conducted to testify design program. The results show that the squeeze system of multiple-roll squeezer was exposed to deal with the block up; reverse flow after squeezing didn’t appear anymore; the squeezing force was decreased and the juice yield was clearly on the rise. The equipment basically meet the requirements.

corn harrester； straw management; roller-type squeezer

2016-11-20

國家自然科學基金項目(51271003)

楊 樂(1993-),男，內蒙古包頭人，碩士研究生，(E-mail) yang_le@outlook.com。

林 宋(1958-)，男，武漢人，副教授，碩士生導師，(E-mail)linsong2000@126.com。

S225.5+1；S220.3

A

1003-188X(2018)02-0106-04