擠壓喂入式香蕉秸稈脫水粉碎機的設計

施曉佳,王自強,梁 棟,李 粵，張喜瑞

(海南大學 機電工程學院，?？?570228 )

0 引言

香蕉作為世界著名的熱帶經濟作物,在我國主要分布在廣東、廣西、海南、福建等地區，而香蕉秸稈作為香蕉產區的主要副產物,全國年生產量將近3 000多萬t[1-2]。香蕉在收獲的同時也會生出大量香蕉秸稈，在我國熱帶區域，長期以來香蕉秸稈都被當地蕉農視作廢棄物，大量堆積在香蕉地中，等待自然分解。香蕉秸稈可作為一種豐富的植物資源，有著較高的營養價值和開發價值，若經過合理的加工處理，在青貯飼料、制藥、生物質能源、食用菌栽培及造紙業都有著巨大的應用潛力[2-3]。

當前,大部分香蕉種植生產區仍然采用著傳統的人工砍伐搬運、自然腐爛及干枯焚燒等方式來處理香蕉秸稈，不但勞動強度大、生產效率低、生產成本高,而且會造成環境污染和資源浪費[3-4]。目前，我國香蕉秸稈處理技術仍然不成熟，在采用現有機械作業時仍要付出很大的人力勞動，粉碎效率比較低，粉碎后的秸稈依然需要很長時間才能完全腐爛，且由于香蕉秸稈富含大量纖維，在粉碎香蕉秸稈時會造成纖維纏繞刀軸現象，進而導致機器不能正常運作[5-6]。同時，香蕉秸稈富含大量水分，若單純地粉碎香蕉秸稈，粉碎后的香蕉秸稈仍然含有大量水分，會造成運輸成本的增加[7-8]。

目前，我國對于香蕉秸稈粉碎機的研究，仍然停留在初始階段[9]。朱德榮等[10]設計了一種能一次性將香蕉的假莖、葉、根茬同時粉碎還田的還田機具，避免了拖拉機多次進地，降低了作業成本；但存在粉碎刀易磨損、機器振動過大等問題，需進行進一步優化。針對喂入困難、粉碎不徹底等問題，海南大學教授李粵等[11]研發的粉碎還田機，可連續執行香蕉秸稈推倒、鏟斷、喂入、粉碎和還田等系列動作，粉碎率達到了94.9%；但由于采用了徑向切割的方式去粉碎香蕉秸稈，粉碎過程中甩刀會對秸稈產生一個很大的橫向擺力，從而對還田機喂入輥的夾持有很高的要求；另外，在壓輥擠壓輸送香蕉假莖的過程中壓輥輥齒易產生纏繞。張喜瑞等[12]研發的滾割喂入式臥軸甩刀香蕉假莖粉碎還田機，能較流暢完成香蕉秸稈喂入、粉碎和還田等作業。該樣機工作性能穩定、油耗低、振動小，實驗顯示香蕉秸稈的切碎長度為平均56mm，粉碎合格率甚至高達96.6%，優于行業標準；但存在螺旋刀片易產生形變影響喂入效果、錘爪式粉碎刀易磨損、更換成本高及臥式還田機易纏繞等問題，需進行進一步優化。

針對現如今香蕉秸稈粉碎機械普遍存在粉碎效果不佳、使用不方便、及工作性能不穩定等問題，研制了擠壓喂入式香蕉秸稈脫水粉碎機[13]，將脫水和粉碎結合一體，并有效避免作業過程中因機具纖維纏繞而導致能耗增加及效率降低等問題[13-14]。該香蕉秸稈脫水粉碎機能有效地脫去香蕉秸稈的大量水分，且在脫去水分的同時擠壓輥破壞了香蕉秸稈的纖維組織，使得在粉碎刀對秸稈進行切削粉碎時秸稈粉碎得更徹底。香蕉秸稈經過擠壓脫水以及被有序地向粉碎裝置輸送，粉碎后的秸稈不僅長度一致，而且長度較短，含水量較低，便于制作加工青貯飼料。整機結構緊湊，可以在香蕉田間直接處理香蕉秸桿，粉碎效率高，粉碎后的秸稈可用作青貯飼料及生物質能源，有效促進了香蕉秸稈的綜合利用，促進香蕉種植戶的增收，具有積極的推廣意義[13-16]。

1 結構和工作原理

1.1 整體結構

擠壓喂入式香蕉秸稈脫水粉碎機，主要由機架、擠壓脫水裝置、秸稈切碎裝置、動力傳遞系統和行走裝置組成，如圖1所示。整機性能指標及技術參數如表1所示。

1.喂料斗 2.缺口矩形板 3.收集槽 4.第1支柱 5.行走輪 6.第2支柱 7.V帶 8.粉碎帶輪 9.擠壓下輥 10.擠壓上輥

項目單位設計參數外形尺寸mm1000×800×800配套動力kW4喂入量kg/s1.5

續表1

1.2 工作原理

香蕉秸稈通過喂料斗進入擠壓裝置，此時表面上均分布有在軸向上錯位排列擠牙齒的擠壓上輥和擠壓下輥邊通過傳動系統開始作業；滾軋擠壓脫水結束后，秸稈有序地傳送到粉碎裝置，橫截面為矩形、刀刃呈鋸齒形的粉碎刀片便開始作業，對秸稈進行徹底、深入的粉碎，粉碎出長度一致且較短、含水量較低的秸稈，保證了秸稈纖維纏繞情況較少；最后，粉碎好的香蕉秸稈通過收集槽排出還田。

2 主要工作部件及參數

2.1 擠壓喂入裝置

喂料裝置由喂料斗、螺栓、擠壓輥安裝架組成，如圖2所示。喂料斗水平放置時，從上往下看為上窄下寬狀梯形，通過螺栓固連在擠壓輥安裝架上，通過拆解螺栓即可調節喂料斗相對于擠壓輥安裝架的角度；擠壓輥安裝架通過其底部4個安裝支座與機架螺栓連接。

1.鏈輪 2.傳動軸 3.鏟刀刃口 4.鋸齒式壓輥 5.軸承座 6.喂入壓輥軸

擠壓裝置由表面均分布有擠壓齒的擠壓上輥、擠壓下輥及擠壓鏈輪、擠壓齒輪組成。擠壓齒縱截面形狀為等腰三角形，擠壓齒在同一徑向平面內等角度排列，相鄰兩擠壓齒夾角為36°。擠壓上輥的橫向轉動連接由兩端的軸及擠壓輥安裝架上的軸承構成，擠壓鏈輪固結在擠壓上輥右端軸的端部，擠壓下輥通過兩端的軸及擠壓輥安裝架上的軸承構成橫向轉動連接，擠壓齒輪固結在擠壓下輥左端軸的端部，擠壓上輥的中心線與擠壓下輥的中心線在同一豎直面內，擠壓上輥的中心線與擠壓下輥的中心線之間有10cm間隙。所述粉碎刀片橫截面為矩形，刀刃呈鋸齒形，刀刃厚度為2～4mm，通過螺栓與刀座連接，在單一刀片磨損后，可通過拆卸螺栓對受損的刀片進行更換。滾動喂入裝置如圖3所示。

圖3 滾動喂入裝置結構示意圖

香蕉秸稈脫水粉碎機的喂入裝置上方布置壓輥，起到抓取并且喂入秸稈的作用。裝置選擇使用鋸齒式壓輥，便于秸稈順利喂入。壓輥主要工作參數有輥筒直徑D(mm)、支撐鋼板和壓輥軸線距離h1(mm)及壓輥轉速n1(r/min)。

由公式(1)[17]可得壓輥輥筒的直徑為

(1)

其中，Dmin為輥筒最小直徑(mm)；qn為壓延比，取qn=50%；A為香蕉秸稈壓縮前截面直徑，取值范圍為[250,350]mm；F為壓輥與秸稈之間的摩擦力(N)；P為壓輥作用于秸稈的正壓(N)；β為摩擦角(°)。

由庫倫定律，可得摩擦因數u=F/P，進一步可得u=tanβ或u≈β。試驗測定u的范圍為 [0.7,0.87]，計算可得β值在40°～50°之間，代入(1)式，取整后得Dmin為106～202 mm。若輥筒直徑取值太小，則不易抓取莖細的香蕉秸稈；若輥筒直徑取值太大，對香蕉秸稈的抓取效果提高的同時卻加大了拖拉機的能耗[18]?？紤]到以上兩個因素，則壓輥輥筒直徑D確定為120mm。

為了提高喂入輥抓取香蕉秸稈的有效性，進一步根據公式[11]h1

影響香蕉秸稈粉碎效果的因素很多，其中壓輥轉速尤為重要。該機器的行進速度v(m/s)定義為：壓輥抓取香蕉秸稈前后轉速差。若壓輥轉速過大，則機具功率消耗過多,導致能源浪費；若轉速過小,秸稈將在機具作用下被迫推進，相應功率消耗增大。當壓輥的線速度等于秸稈的相對速度(即v線=v相時，不僅能夠使秸稈穩定地喂入粉碎室，同時整機消耗功率也最小。因此，取v線=v相=v=0.5～0.8 m/s。[19]。壓輥轉速與壓輥線速度滿足的公式為

(2)

其中，n1為壓輥轉速(r/min)；v線為壓輥的線速度(m/s)。

由前面可知：v線=0.5～0.8 m/s，D=120 mm。代入(2)式，計算得壓輥的轉速n1范圍為 79.62～ 127.39 r/min。當進料速度小于機具行走速度時，秸稈的喂入與被迫向前推進將一起進行，相應的機具功率消耗增大,粉碎效果降低。其中，l為香蕉秸稈切碎長度(mm)；ε為打滑系數，一般取ε=0.05～0.07。因此，v線取最大值時，對應取n1=127.39 r/min。

2.2 粉碎裝置

粉碎裝置由粉碎刀軸、刀座、刀片、粉碎帶輪組成。粉碎刀軸通過與軸承支座上的軸承配合與機架構成橫向轉動連接，刀片通過螺栓連接在夾角為180°的刀座上，刀座又固結在粉碎刀軸上，粉碎帶輪固結在粉碎刀軸左端部，弧形秸稈收集槽置于粉碎刀軸的正下方，收集槽兩端與機架上層縱向梁通過螺栓連接。刀片示意圖如圖4所示。

圖4 刀片示意圖Fig.4 The schematic diagram of blades

當保持動、定刀間隙不變時，秸稈切碎長度與喂入壓輥轉速、動刀片數量及動刀輥轉速相關。經試驗測定，當香蕉秸稈的切碎長度小于150 mm時，滿足切碎要求，合格率大于90%。已知擠壓輥轉速為[319,478]r/min，秸稈粉碎刀輥轉速為 [765,1095]r/min，由喂入壓輥夾取秸稈送入粉碎裝置時的速度即為喂入壓輥速度v線。根據公式(3)計算可得

(3)

其中，v線為喂入壓輥速度(m/s)；D為喂入壓輥直徑，D=120mm；n1為喂入壓輥轉速(r/min)。動刀片每秒對香蕉秸稈的切削次數L為

(4)

其中，Kd為動刀數，Kd=4；nq為動刀轉軸轉速(r/min)。切碎長度l的計算公式為

(5)

由式(3)～式(5)可得秸稈切碎長度l為

(6)

由式(6)可知：秸稈切碎長度正相關于喂入壓輥轉速和喂入壓輥直徑，負相關于動刀數量和動刀輥轉速。因此，保持動刀數量和喂入壓輥直徑不變時，取喂入壓輥轉速最小、動刀輥轉速最大，可得秸稈切碎長度最小值lmin；取喂入壓輥轉速最大、動刀輥轉速最小，可得秸稈切碎長度最大值lmax。由式(6)可得，秸稈切碎長度取值范圍為[50,80]mm。試驗測得粉碎后秸稈長度均小于100 mm，故所設計的喂入輥轉速、秸稈粉碎刀輥轉速值均達到設計要求。

3 樣機試驗

3.1 試驗條件

2017年9月16日，在海南大學機電工程學院農機試驗基地，利用人工砍伐的香蕉秸稈，對擠壓喂入式香蕉秸稈脫水粉碎機進行性能試驗。該香蕉地收獲后的香蕉樹秸稈平均高度為1 500mm。

3.2 試驗方法

本試驗在秸稈脫水粉碎作業完成后進行了5次測量。依據試驗目的確定該試驗的試驗指標，包括秸稈脫水粉碎機工作效率及香蕉秸稈粉碎合格率。秸稈粉碎長度不大于100mm為合格。

3.2.1 工作效率

通過稱重儀將人工砍伐的香蕉莖稈均分為5組，每組質量為m，用秒表測定機器粉碎m1，香蕉秸稈所用的時間t0。試驗測取5組數據，然后求平均值。粉碎機在正常工作時的工作效率Q如公式(7)所示，即

(7)

其中，Q為工作效率(kg/h)；m1為每組香蕉秸稈質量(kg)；t0為秸稈粉碎機粉碎質量為m1香蕉秸稈的工作時間(s)。

3.2.2 香蕉秸稈粉碎合格率

將粉碎后香蕉秸稈均分為5組，每組質量為M；然后測定每組長度小于或等于100mm 香蕉秸稈的質量m；香蕉秸稈粉碎合格率ρ通過式(8)可以求出，最后求得5組香蕉秸稈粉碎合格率的平均值。

(8)

其中，ρ為香蕉秸稈切碎率(%)；M為區域內所有香蕉秸稈的質量(kg)；m為粉碎完成以后香蕉秸稈長度小于或等于100mm(合格)的香蕉秸稈質量(kg)。

3.3 試驗結果

擠壓喂入式香蕉秸稈脫水粉碎機的主要性能指標測試結果如表2所示。

表2 主要性能指標測試結果

續表2

樣機試驗結果表明：樣機作業工作效率的平均值為0.43hm2/h，香蕉秸稈粉碎合格率平均值達到96.98%，已達到香蕉秸稈粉碎合格率的標準要求。

4 結論

1)基于海南熱區香蕉種植模式，結合香蕉秸稈物理機械特性及現有香蕉秸稈粉碎機所存在的問題，提出了一種針對香蕉秸稈進行脫水粉碎的處理方案，進而研制出擠壓喂入式香蕉秸稈脫水粉碎機。

2)基于理論研究和經驗分析，分別確定了擠壓喂入式香蕉秸稈脫水粉碎機的結構與運動參數。采用理論建模，建立喂入裝置輸送速度與秸稈粉碎裝置切削速度之間的曲線模型，從而實現喂入裝置定速送入和秸稈粉碎刀徑向垂直切割的有效配合，進而將香蕉秸稈徹底粉碎。

3)擠壓喂入式香蕉秸稈脫水粉碎機的成功研制，避免了香蕉秸稈資源的浪費，降低了熱區蕉農的勞動強度。香蕉秸稈的粉碎還田一定程度上提升了熱帶地區土壤肥力，進而提高了熱區熱帶作物的產量，最終促進了地方農業經濟發展。