青貯玉米螺旋缺口鋸齒型揉絲破碎輥設計與試驗

耿端陽 牟孝棟 孫延成 張仰猛 李華彪 姜慧新

(1.山東理工大學農業工程與食品科學學院， 淄博 255000； 2.山東省農業機械技術推廣站， 濟南 250100；3.山東省畜牧總站， 濟南 250022)

0 引言

我國現有玉米青貯機存在秸稈絲化率低、揉搓效果差等問題，嚴重影響了青貯玉米的后期發酵，導致其粗纖維、半纖維素和木質素等降解和轉化效果下降。故開展青貯玉米揉搓破碎裝備及技術的研究，對提高青貯飼料適口性、促進秸稈發酵、加快養分轉化，具有重要意義。

國內外學者對青貯玉米的揉搓破碎做了較多研究。CHEVANAN等[1]對玉米秸稈進行了剪切、抗拉和壓縮試驗，得出了玉米秸稈的剪切和壓縮變化曲線，且沒有屈服強度；LISOWSKI等[2-3]采用數值模擬的方法對玉米秸稈切斷和揉搓過程功耗變化進行了研究，建立了數學模型；任冬梅[4]開發了不同旋向的組合式秸稈揉搓裝置，證明了形成“S曲線”揉搓行程，更利于秸稈揉絲破碎；蘇宏煜[5]在錘片式揉絲機的基礎上增加了壓扁擠絲機構，先預壓擠扁再揉絲，提高了揉搓質量和秸稈絲化率；ZHANG等[6]建立了玉米秸稈離散元模型，開展了拉伸過程力學特性研究，得出了玉米秸稈的法向剛度系數、切向剛度系數、法向粘合系數及切向粘合系數；尚坦等[7-8]研究了秸稈揉搓絲化的結構變化規律，建立了絲狀秸稈流流體模型，確定了揉搓盤的最佳轉速和最大承載喂入速度；薛飛[9]設計了一種破碎間隙可調的碟盤式揉搓破碎裝置，不僅絲化效果好而且提高了工作效率；張鋒偉等[10]對玉米秸稈進行了壓縮和剪切試驗，建立了玉米秸稈離散元模型，基于錘片式揉絲機，通過仿真與臺架試驗相結合的方法，得出了玉米秸稈揉絲破碎過程的力學特性。

根據上述研究結論，結合當前秸稈揉絲破碎的研究現狀，本文采用可視化、參數化的新型研究手段，借助離散元法建立玉米秸稈離散元模型，利用虛擬試驗與臺架試驗相結合的方法探索螺旋分布缺口鋸齒型破碎輥對青貯玉米秸稈的揉絲效果，為改善青貯玉米秸稈揉絲破碎效果和青貯機揉搓輥設計提供理論參考。

1 試驗臺結構與工作原理

1.1 整機結構

青貯玉米秸稈揉絲破碎試驗臺由預壓縮喂入裝置、切斷裝置、揉絲破碎裝置、排料拋送裝置、動力傳動裝置等部分組成，如圖1所示；揉絲破碎裝置是青貯玉米收獲機的核心部分，由兩個揉搓破碎輥(圖2)組成，兩輥的轉速不同形成差速效果且轉向相反，實現了對青貯玉米秸稈的差速擠壓、揉搓和剪切破碎，有效提高了秸稈絲化效果。

輥齒各參數見圖2，借鑒國內外破碎輥設計經驗以及《農業機械設計手冊》，確定鋒面傾角α取值范圍為5°～20°，鈍面傾角β取值范圍為30°～70°，內錐角γ=α+β+360/m，m為齒數，為使輥齒能達到擠壓、揉搓和剪切的作用，參考文獻[1-6]及《農業機械設計手冊》，本文設計鋒面傾角α為8°，鈍面傾角β為50°，齒尖寬度δ為2 mm；齒頂圓半徑為Rb，齒根圓半徑為Ra，齒高μ=Rb-Ra，τ為齒間距，齒數m為

(1)

1.2 工作原理

青貯玉米秸稈揉絲破碎試驗臺工作時，玉米秸稈經喂入口(見圖1)由浮動齒型喂入輥抓取和預壓縮，之后在速度遞增、間隙遞減的浮動式喂入輥的作用下，實現莖稈姿態的調直、輸送和夾持，提高了莖稈姿態的一致性；進而在喂入輥夾持和定刀的支持下，實現秸稈的定長切斷并拋到由兩個差速揉搓破碎輥組成的揉搓破碎裝置中，由于破碎間隙遠小于秸稈直徑且在差速作用下，最終實現對小段秸稈的擠壓、揉搓絲化并破碎；破碎輥轉速較大，可由慣性力將已揉搓破碎好的物料拋出機外，最終完成對玉米秸稈的揉搓破碎。

2 揉搓破碎輥設計

2.1 揉搓破碎機理分析

首先對秸稈的揉搓破碎機理進行分析，如圖3所示，常規齒型破碎輥的破碎裝置由兩個破碎輥組成，當兩輥呈一定間隙并排，做高速、差速、反向旋轉時，可以起到將秸稈送入、擠壓、揉搓、剪切的效果；又因為輥齒有鋒面和鈍面之分，可以將其分為4種組合方式，即鋒面對鋒面、鈍面對鋒面、鋒面對鈍面和鈍面對鈍面，各組合具體的破碎分析效果如圖4所示，其中R為破碎輥內圈半徑，mm；n為破碎輥轉速，r/min，且n2>n1；t為有效破碎間隙，mm；F為輥齒剪切力，N；f為齒面對物料的摩擦力，N。

不同的組合方式可達到不同的破碎效果：鋒面對鋒面，剪切作用強，對物料破碎作用強，不利于莖稈的揉搓絲化；鈍面對鋒面，快輥破碎齒鈍面向上，慢輥破碎齒鋒面向下，適合加工硬而脆的物料；鋒面對鈍面，主要是擠壓和揉搓，伴隨剪切效果，適合韌性較大的物料；鈍面對鈍面，擠壓作用最強，剪切作用最弱，破碎緩和，粉末多。由于玉米秸稈屬于外裹堅韌表皮的纖維結構，加之揉搓前已經被切斷為2～3 cm的莖稈段，所以只要實現表皮的絲化即可，顯然鋒面對鈍面方案更適合玉米秸稈的揉搓絲化。

對于玉米秸稈的揉絲破碎，螺旋缺口鋸齒型破碎輥較常規齒型破碎輥的優點在于，輥齒上具有螺旋環繞式三角缺口。工作時，兩輥的轉速較高且差速比在20%～40%之間，在差速作用下對物料揉搓破碎的同時還通過三角缺口在橫向上對物料進行剪切，其剪切過程如圖5a所示，由于ω2>ω1，下方缺口沿螺旋線橫向移動的速度vx2較快，即vx2>vx1，其中揉搓輥首端缺口沿橫向運動到末端需要的時間和速度分別為

(2)

(3)

式中t′——首端缺口沿橫向運動到末端的時間，s

v——缺口橫向運動速度，m/s

Q——缺口螺旋圈數

L——輥子長度，m

在t1時刻，上缺口沿螺旋線向右移動，下缺口沿螺旋線向左移動；在t2時刻，兩缺口相遇對夾在中間的物料進行縱向剪切，物料在此刻的空間受力情況如圖5b所示，在空間的9個方向都受到力的作用，其中G為物料重力，N；Fx1、Fx2為輥齒缺口對物料的剪切力，N；fx1、fx2為輥齒缺口對物料的摩擦力，N；Fy1、Fy2為輥齒對物料的剪切力，N；fy1、fy2為輥齒對物料的摩擦力，N。可見螺旋缺口鋸齒型破碎輥可大大提高玉米秸稈的揉絲和破碎效果。

2.2 螺旋缺口鋸齒型揉搓破碎輥參數設計

破碎輥作為青貯收獲機的核心部件，其輥子的大小與輥齒的形狀參數對玉米秸稈的揉搓破碎效果起著至關重要的作用，直接決定飼料品質。破碎輥各參數范圍選定參考《農業機械設計手冊》及文獻[2-15]。

2.2.1破碎輥直徑確定

常規齒型破碎輥的直徑一般在210～230 mm之間(如圖6b)，使得有效破碎截面積較小，制約了作業效率和破碎質量，本文設計的螺旋缺口鋸齒型破碎輥的輥子直徑達到250 mm(如圖6a)，可大幅提高工作效率，輥子長度相同為L，兩種輥的有效揉搓面積S分別為

(4)

其中

(5)

式中S1——輥A有效揉搓面積,mm2

S2——輥B有效揉搓面積,mm2

h1——輥A有效破碎長度，mm

h2——輥B有效破碎長度，mm

R1——輥A半徑,mm

R2——輥B半徑,mm

t——有效破碎間隙，mm

z——兩輥齒頂圓間隙，mm

兩種輥的有效揉搓面積比為

(6)

當R1=250 mm，R2=210 mm時，S1/S2≈1.1，工作效率可提高10%，滿足青貯收獲機的工作需求。

2.2.2破碎輥齒參數確定

考慮到常規三角形輥齒雖然對物料的破碎效果較好，但耐磨性和揉搓效果差。為確保玉米秸稈能在兩差速破碎輥的揉搓下實現破碎和揉絲，并能保證輥齒工作的可靠性和耐磨性，本文輥齒材料為合金工具鋼9SiCr，為了提高其耐磨性和使用壽命，表面采取鍍鉻處理。輥齒設計成鋸齒形，齒面分為鋒面和鈍面，當兩輥齒組合為鋒面對鈍面時，揉搓破碎過程伴隨擠壓、揉搓和剪切作用，可將韌性較好的玉米秸稈破碎和絲化。

螺旋缺口參數如圖7所示，考慮到對玉米秸稈的剪切和防堵效果，根據文獻[4-6]和《農業機械設計手冊》要求，本文三角缺口高定為s=3 mm，寬為l2=2.5 mm，單齒寬度l1與三角缺口寬l2比值為2∶1，輥子總長為L=600 mm，螺旋圈數Q=L/(l1+l2)=80，螺旋線傾角為φ，揉搓間隙為ξ。

在輥齒上添加螺旋三角缺口，可在實現縱向擠壓、揉搓和剪切的同時，實現對秸稈的橫向剪切，大幅度提高作業效率和揉搓質量，滿足青貯收獲機的高效率、高質量要求。

3 離散元仿真

玉米秸稈的揉搓破碎可基于離散元法(Discrete element method，DEM)進行仿真模擬試驗，離散元法適用于模擬離散顆粒組合體在準靜態或動態條件下的變形及破碎分析，可采用Hertz-Mindin with Bonding模型將小顆粒粘結成試驗所需的玉米秸稈模型，然后在破碎輥的作用下，可直觀地觀察玉米秸稈模型的揉搓破碎情況，便于數據采集和記錄，方便對青貯玉米秸稈揉絲試驗研究與分析。

3.1 接觸模型

顆粒粘結模型(Bonded particle model，BPM)最開始是為了解決巖石破碎問題，由POTYONDY和CUNDALL于2004年提出[15]。當相鄰兩顆粒A與B接觸或靠近，并且兩顆粒球心之間的距離小于最大粘結半徑時，兩顆粒就會發生平行粘結，并在接觸位置形成相交區域L，最終顆粒粘結成一個整體。當外界作用力大于顆粒間粘結力時，粘結鍵將發生破碎，之后兩顆粒分離。顆粒粘結模型如圖8所示。

3.2 顆粒模型

本文所用玉米秸稈為種植面積較廣的鄭單958，隨機選取100根玉米秸稈并切段，從切斷裝置送入揉搓破碎裝置的秸稈已經被切成2～4 cm的小段，采用游標卡尺重復測量小段玉米秸稈的尺寸參數取平均值。在UG 10.0中按照測量值繪制秸稈的三維模型，考慮到秸稈的本身生物結構，為了更好的開展揉搓破碎分析(若填充顆粒過大，破碎效果將下降)與減少計算機仿真時間(若填充顆粒較小，則仿真時間過長)，將模型導入EDEM中，由于秸稈外表皮韌性和強度較高，選用半徑為0.52 mm的小球填充秸稈的外表皮；秸稈內部的髓芯韌性和強度較低，選用半徑為1.30 mm的小球填充秸稈的外表皮，形成秸稈的離散模型，每段秸稈由2 038個半徑為0.52 mm的小球和525個半徑為1.30 mm的小球填充而成，生成BPM模型，各小球之間通過粘結鍵形成一個整體，如圖9所示。

3.3 仿真參數

考慮到仿真模擬需要，揉搓破碎輥選用合金工具鋼，將物性參數導入到EDEM中。根據文獻[10，13]，并結合玉米秸稈的壓縮和剪切試驗，得出玉米秸稈和合金工具鋼的力學參數和碰撞恢復系數，如表1。為更詳細地觀察玉米秸稈揉搓破碎過程和記錄破碎數據，將EDEM中更新和存儲時步設置為1×10-4s。試驗前對100組試驗秸稈切段進行含水率測定，秸稈的平均含水率為71.3%，開展玉米秸稈的縱向壓縮試驗和橫向剪切試驗，得到玉米秸稈的力學變化規律、最大壓縮與剪切力，根據 BPM 粘結模型理論，采用法向剛度和切向剛度換算公式得到玉米秸稈的粘結參數，并在離散元軟件中進行反復壓縮和剪切試驗并調試獲得最終參數，結果見表2。

表1 玉米秸稈物性參數Tab.1 Physical properties of corn stalk

3.4 仿真試驗與結果分析

3.4.1揉絲破碎過程數值模型

玉米秸稈揉搓破碎的離散元仿真試驗如圖10所示，通過顆粒工廠和顆粒替換生成玉米秸稈切段，并立即在顆粒間添加Bond粘結鍵形成顆粒粘結模型，在兩輥的差速作用下完成揉搓破碎，并對試驗數據和破碎情況進行實時記錄。

表2 玉米秸稈粘結參數Tab.2 Corn stalk binding parameters

3.4.2試驗過程

為探究破碎輥的最優設計參數，選取對玉米秸稈揉搓破碎效果影響較大的輥齒齒數、兩輥差速比、缺口螺旋圈數和主動輥轉速(快輥轉速)作為試驗因素，以秸稈絲化率(秸稈絲化率是指破碎程度達到合格標準的秸稈質量占總質量的百分比)為試驗考察指標，分析四因素對揉搓破碎性能的影響，其中缺口螺旋圈數為0的是對照組，即常規齒形破碎輥。在參數選取時，考慮到破碎要求和機器最大功率的限制，破碎間隙取3 mm、轉速最大取5 000 r/min。開展二次旋轉正交仿真試驗，試驗因素及編碼如表3所示[4-10]。采用Design-Expert 軟件中的Box-Behnken試驗設計方法開展正交試驗，并進行試驗方案設計與數據分析，以玉米秸稈絲化率作為試驗考核指標，正交方案與結果如表4所示，X1、X2、X3、X4為因素編碼值。

表3 試驗因素與編碼Tab.3 Test factors and codes

3.4.3破碎揉絲性能評價指標

由于秸稈的破碎絲化過程較為復雜，且物料破碎后的大小、長短不一，需要制定秸稈破碎絲化合格標準。根據《全株玉米制作青貯飼料機械揉搓質量評價技術規范》與青貯玉米收獲機行業標準要求，當玉米秸稈破碎后的長度不超過35 mm，寬度不超過5 mm時，即為合格。本文就秸稈的揉搓破碎效果采用賓州篩篩分后進行了分類，種類包括小型物料、標準物料、未完全破碎物料，共3種。仿真試驗結束后對絲化效果進行分類，如圖11所示。

表4 正交試驗方案與結果Tab.4 Orthogonal test scheme and results

在試驗過程中，每個玉米秸稈切段模型都由2 563個顆粒粘結而成，共生成12 175個Bond粘結鍵，平均每個顆粒有4.75個粘結鍵相連接，粘結形式分為接觸粘結和非接觸粘結，分別占比78.5%和21.5%，可見模型粘結相當牢固，仿真試驗的可靠性較高。

3.4.4破碎性能分析

利用Design-Expert軟件進行多元回歸擬合和方差分析，結果如表5所示。秸稈絲化率Y回歸模型的顯著性水平P<0.001，表明該回歸模型顯著性水平高，失擬項顯著性水平P>0.25，表明回歸模型擬合效果好。剔除不顯著項，得到秸稈絲化率編碼值回歸模型為

表5 回歸模型方差分析Tab.5 Regression model analysis of variance

Y=83.59+4.54X1+3.37X2+2.22X3+7.68X4

(7)

根據方差F可以判斷各參數對秸稈絲化率的影響程度，4個參數的影響程度由大到小依次為主動輥轉速、輥齒齒數、兩輥差速比、缺口螺旋圈數。通過仿真正交試驗確定最優參數組合為：破碎輥齒數163.66、差速比31.86%、缺口螺旋圈數76.02、主動輥轉速4 948.57 r/min，此參數組合下的籽粒破碎率為93.88%。

4 驗證試驗

為驗證仿真試驗結果的可行性，在自行研制的試驗臺上開展了臺架驗證試驗，試驗過程及破碎效果如圖12所示。在青貯玉米秸稈收獲試驗臺參數可調范圍內，選擇一組最接近最優組合參數進行臺架試驗：破碎輥齒數166、差速比30%、缺口螺旋圈數80、主動輥轉速5 000 r/min，在此參數組合下開展驗證試驗；并開展一組對照試驗，采用常規齒型破碎輥，破碎輥齒數166、差速比30%、主動輥轉速5 000 r/min，所選參數同上組。玉米品種的選擇與秸稈測量一致，為鄭單958，籽粒含水率在69.5%～71.3%之間。

啟動機器，當機器的各裝置達到指定轉速并穩定后，每次投放10根玉米秸稈到輸送口，兩次之間投放間隔為2 s，以保證秸稈喂入的均勻性和連續性，每組試驗進行2 min，重復3次，每組試驗結束后，采用賓州篩對破碎秸稈進行集中分類并稱量，上篩孔徑為19 mm，中篩孔徑為8 mm，下篩孔徑為4 mm。統計并記錄每組試驗結果，得出試驗組秸稈絲化率的平均值為91.12%，仿真試驗與臺架試驗的相對誤差為3.03%，符合青貯玉米秸稈絲化率要求；對照組秸稈絲化率的平均值為84.20%，試驗組比對照組秸稈絲化率高8.22%，結果表明，螺旋缺口鋸齒型破碎輥可大幅度提高秸稈的絲化率，滿足青貯玉米秸稈收獲機的作業要求。秸稈揉搓絲化效果及分類如圖13所示，共分為3類：小型物料(占比為38.37%)、標準物料(占比為52.75%)、未完全破碎物料(占比為8.88%)，與仿真試驗得到的物料分類結果基本一致。

5 結論

(1)研制了青貯玉米秸稈揉搓破碎試驗臺，設計了螺旋缺口鋸齒型破碎輥，對其進行了揉搓破碎機理分析，并對輥齒參數進行了設計，得出當兩輥齒鋒面對鈍面并配合螺旋缺口時，可以同時達到對秸稈的擠壓、揉搓和剪切效果，適合揉搓破碎韌性較大的玉米秸稈。

(2)建立了由玉米髓芯和玉米外皮組成的玉米秸稈粘結模型，開展了基于離散元軟件EDEM的正交試驗，探尋結構參數對玉米秸稈揉絲破碎性能的影響，仿真試驗結果表明，刀齒數、破碎間隙和刀輥轉速對破碎性能影響顯著，參考仿真結果選出最優組合參數為：破碎輥齒數166、差速比30%、缺口螺旋圈數80、主動輥轉速5 000 r/min。此時，揉搓破碎裝置對秸稈的仿真絲化效果最好。

(3)對破碎后的秸稈按照長短和大小進行分類，結果表明臺架試驗與仿真試驗的秸稈破碎大小分布規律一致。對仿真優化試驗結果進行了樣機試驗，結果表明：秸稈絲化率為91.12%，仿真試驗與臺架試驗結果的相對誤差為3.03%。

(4)開展了對照試驗，結果表明螺旋缺口鋸齒型破碎輥對玉米秸稈的絲化率較常規齒型破碎輥提高8.22%，可提高揉絲破碎效率和質量，滿足青貯玉米秸稈收獲機的作業要求。