9RS-60型揉碎機(jī)工作性能試驗(yàn)研究

侯澤華, 崔紅梅,閆 鵬,趙滿全,陳紅星,伊得爾朝倫

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,呼和浩特 010018)

0 引言

隨著我國畜牧業(yè)不斷發(fā)展,揉碎機(jī)得到廣泛應(yīng)用[1]。秸稈通過揉碎機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的錘片打擊、齒板的摩擦,以及物料和機(jī)器表面的揉搓作用而破碎成絲[2],便于牲畜更好的消化吸收。但是,目前所用的揉碎機(jī)普遍存在功耗大、堵塞及揉碎質(zhì)量差等問題[3]。

針對這些問題,國內(nèi)外許多專家學(xué)者陸續(xù)開展了相關(guān)的研究工作。張三強(qiáng)和趙振國分別在2009、2011年初步完成揉碎機(jī)性能的測試[4-6],得到主軸轉(zhuǎn)速、錘片形狀、錘片數(shù)量、齒條數(shù)量和錘齒間隙等結(jié)構(gòu)參數(shù)對揉碎機(jī)性能指標(biāo)影響的顯著性及主次順序。

王偉等人于2016年通過有限元軟件 ANSYS Workbench ,對揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子和機(jī)殼進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析[7-8],指出了轉(zhuǎn)子的危險(xiǎn)截面主要集中在主軸鍵槽和軸承頸附近,機(jī)殼的模態(tài)分析確定了其模態(tài)頻率范圍,并對揉碎機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定優(yōu)化;但未能完全模擬揉碎機(jī)實(shí)際工況,沒有驗(yàn)證轉(zhuǎn)子在受到?jīng)_擊載荷時是否能滿足強(qiáng)度和剛度的要求。

綜合以上分析,揉碎機(jī)性能研究還存在如下問題：性能試驗(yàn)所考慮的試驗(yàn)因素沒有涉及到喂入質(zhì)量和喂入鏈速度,試驗(yàn)指標(biāo)主要是針對功耗和度電產(chǎn)量,而絲化率和破節(jié)率沒有考慮。本試驗(yàn)以玉米秸稈為試驗(yàn)對象,在9RS-60型揉碎機(jī)的基礎(chǔ)上搭建設(shè)計(jì)一個試驗(yàn)臺。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選取各個因素的較優(yōu)水平,組建正交因素水平表,以功耗、揉碎質(zhì)量(絲化率和破節(jié)率)為試驗(yàn)指標(biāo),開展正交試驗(yàn),通過對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,深入分析各個因素對試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著性及較優(yōu)水平組合條件,為降低9R-60型揉碎機(jī)的功耗、提高揉碎質(zhì)量提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)裝置及工作原理

1.1 試驗(yàn)裝置

本文采用9RS-60型揉碎機(jī)試驗(yàn)臺,由喂入裝置、電動機(jī)架、扭矩轉(zhuǎn)軸傳感器、電機(jī)、上機(jī)體、下機(jī)體、出料直管及出料導(dǎo)向槽等構(gòu)成,如圖1所示。

1.2 工作原理

揉碎機(jī)工作時,靠人工將適量的玉米秸稈由喂入裝置喂入[9-13],電動機(jī)帶動皮帶輪在喂入輥預(yù)壓和輸送作用下把秸稈送入揉碎室,高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子上的切刀將喂入的秸稈切割為一定長度的秸稈段然后輸送到揉碎室;秸稈段通過揉碎機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的錘片打擊、齒板的摩擦及物料和機(jī)器表面的揉搓作用而破碎成絲,在拋送葉片產(chǎn)生的氣流吸力作用下被揉碎的秸稈段向出料口運(yùn)動;最后被揉碎的秸稈段在風(fēng)扇葉片和氣流產(chǎn)生的拋送作用下通過出料直管和出料導(dǎo)向槽將秸稈拋送出機(jī)外[14-15]。

2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)物料選取玉米秸稈株長為1 750～1 800mm,株徑平均30mm,玉米秸稈最終含水率為8.8%。玉米秸稈取自于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市賽罕區(qū)什蘭岱村和舍必崖村,如圖2所示。

圖2 玉米秸稈Fig.2 Corn stalks

2.2 試驗(yàn)方法

1)在每次負(fù)載試驗(yàn)開始 5min 后按照單因素水平表中確定的數(shù)值稱取秸稈15組,每次連續(xù)喂入5組,喂入3次,且要求每次喂入秸稈的長度集中在(175±5)cm,粗度在3～5cm左右,接取樣品不少于200g。

2)每次喂入秸稈時分別采集功耗數(shù)據(jù),收集揉碎的玉米秸稈,且記錄下從喂入到揉碎這5組秸稈所需的時間與耗電量。

3)在每個因素水平下收集的這3次秸稈用密封袋裝好并做標(biāo)記,以便后期用篩子對揉碎質(zhì)量做進(jìn)一步的分析處理。

4)通過對單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析,確定正交試驗(yàn)的因素水平表,進(jìn)而選取正交表開展正交試驗(yàn)。

5)對正交試驗(yàn)獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,分析各因素對試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著性及較優(yōu)水平組合條件。

2.3 揉碎機(jī)性能單因素試驗(yàn)

轉(zhuǎn)子主軸轉(zhuǎn)速、單次喂入質(zhì)量和喂入鏈速度對揉碎機(jī)工作性能有重要的影響,本試驗(yàn)選用這3個因素對揉碎機(jī)性能進(jìn)行研究。試驗(yàn)各因素水平設(shè)定如表1所示。

表1 單因素試驗(yàn)因素水平設(shè)定表Table 1 Test factor and its different level table for the single factor experiment

2.4 單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

揉碎機(jī)功耗、秸稈絲化率及破節(jié)率隨主軸轉(zhuǎn)速的變化,如圖3所示。

由圖3可知：揉碎機(jī)功耗隨主軸轉(zhuǎn)速增大呈現(xiàn)增大的趨勢,主軸轉(zhuǎn)速越大,揉碎機(jī)功耗越大;秸稈絲化率隨主軸轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)增大的趨勢,主軸轉(zhuǎn)速越大,秸稈絲化率越大;秸稈破節(jié)率隨主軸轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)增大的趨勢,主軸轉(zhuǎn)速越大,秸稈破節(jié)率越大。

圖3 不同工況下主軸轉(zhuǎn)速變化趨勢圖Fig.3 Shows the trend of spindle speed change under different working conditions

揉碎機(jī)功耗、秸稈絲化率及破節(jié)率隨喂入鏈速度的變化如圖4所示。

由圖4可知：揉碎機(jī)功耗隨喂入鏈速度的增大呈現(xiàn)增大的趨勢,喂入鏈速度越大;揉碎機(jī)功耗越大。秸稈絲化率隨喂入鏈速度的增大呈現(xiàn)減小的趨勢,喂入鏈速度較小時秸稈的絲化率達(dá)到較大,隨著喂入鏈速度的增大秸稈的絲化率開始下降;秸稈破節(jié)率隨喂入鏈速度的增大呈現(xiàn)減小的趨勢,但整體變化趨勢不明顯。

圖4 不同工況下喂入鏈速度變化趨勢圖Fig4 Feed chain speed change trend under different working conditions

揉碎機(jī)功耗、秸稈絲化率及破節(jié)率隨喂入質(zhì)量的變化,如圖5所示。

由圖5可知：揉碎機(jī)功耗隨喂入質(zhì)量的增大呈現(xiàn)增大的趨勢,喂入質(zhì)量較少時揉碎機(jī)功耗達(dá)到較低,隨喂入質(zhì)量的增大,揉碎機(jī)功耗開始上升;秸稈絲化率隨喂入質(zhì)量的增大變化趨勢幾乎都在95%左右,喂入質(zhì)量較少時秸稈的絲化率達(dá)到較大,但喂入質(zhì)量超過機(jī)器本身所能承受的最大喂入質(zhì)量時,秸稈的絲化率開始下降;秸稈破節(jié)率隨喂入質(zhì)量的增大呈現(xiàn)減小的趨勢,喂入質(zhì)量較少時秸稈的破節(jié)率達(dá)到較大,但喂入質(zhì)量超過機(jī)器本身所能承受的最大喂入質(zhì)量時,秸稈的破節(jié)率開始下降。各因素正交因素水平表如表2所示。

圖5 不同工況下喂入質(zhì)量變化趨勢圖Fig.5 Feed quality change trend chart under different working conditions

表2 正交試驗(yàn)因素水平表Fig 2 Orthogonal test factor level table

2.5 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果,選取一個3水平的試驗(yàn),選用正交表L9(34)來安排試驗(yàn)。水平組合按照正交表的各試驗(yàn)號進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,極差和方差分析如圖4、表5所示。

表3 正交性能試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal performance test results

表4 極差分析Table 4 Range analysis

表5 方差分析Table 5 Analysis of variance

3 結(jié)論

1)揉碎機(jī)功耗隨主軸轉(zhuǎn)速、喂入量及喂入速度的增大呈現(xiàn)上升的趨勢。揉碎機(jī)絲化率隨主軸轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)上升的趨勢,隨喂入速度的增大呈先下降的趨勢,隨喂入量的增大秸稈絲化率變化趨勢幾乎都在95%左右。

2)喂入質(zhì)量對功耗的影響顯著,喂入質(zhì)量和主軸轉(zhuǎn)速對絲化率的影響顯著,喂入質(zhì)量和喂入速度對破節(jié)率的影響顯著。

3)9RS-60型揉碎機(jī)功耗影響性能的主次順序是喂入質(zhì)量、喂入速度、主軸轉(zhuǎn)速。絲化率影響性能的主次順序是喂入質(zhì)量、主軸轉(zhuǎn)速、喂入速度。破節(jié)率影響性能的主次順序是喂入質(zhì)量、喂入速度、主軸轉(zhuǎn)速。綜合考慮,在單次喂入質(zhì)量為0.8kg(約8根),主軸轉(zhuǎn)速為1 600r/min、喂入鏈速度為0.45m/s時,9RS-60型揉碎機(jī)作業(yè)性能最好。