陳海濤，苗乃彪，董冰哲，頓國(guó)強(qiáng)，張穎

D200型秸稈纖維制取機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)研究

陳海濤，苗乃彪，董冰哲，頓國(guó)強(qiáng)，張穎

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030）

為進(jìn)一步完善D200型秸稈纖維制取機(jī)，以水稻秸稈為試驗(yàn)材料，采用五因素兩水平正交試驗(yàn)方法，選取制取機(jī)模頭內(nèi)徑、擠壓段長(zhǎng)度、擠壓段螺桿螺距、喂入段螺距型式、升壓環(huán)外徑為影響因子，以秸稈纖維制取機(jī)生產(chǎn)率、纖維得率、纖維長(zhǎng)寬比、抗張指數(shù)為響應(yīng)函數(shù)，對(duì)其進(jìn)行較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為模頭內(nèi)徑164 mm、擠壓段長(zhǎng)度240 mm、擠壓段螺桿螺距40 mm、喂入段螺桿采用變距螺旋型式、升壓環(huán)外徑195 mm時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)分別達(dá)到：生產(chǎn)率762.9 kg·h-1、纖維得率82.5%、纖維長(zhǎng)寬比41.3、抗張指數(shù)8 N·m·g-1，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明參數(shù)優(yōu)化結(jié)果的合理性。可為該機(jī)定型設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

秸稈纖維制取機(jī)；正交試驗(yàn)；參數(shù)優(yōu)化；水稻秸稈

陳海濤,苗乃彪,董冰哲,等.D200型秸稈纖維制取機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015,46(7)∶90-94.

Chen Haitao,Miao Naibiao,Dong Bingzhe,et al.Structural optimization experimental study on D200 crop straw fiber extruder[J].Journal of Northeast Agricultural University,2015,46(7)∶90-94.(in Chinese with English abstract)

目前，我國(guó)秸稈資源主要通過燃料化、肥料化、飼料化、工業(yè)原料化、食用菌基料化等方式加以利用，利用率不足55%[1-4]。其中用于工業(yè)原料等高附加值途徑秸稈資源僅占秸稈總量2%[1]。另外，約有45%秸稈資源被焚燒、遺棄，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1]。清潔、高效、高值化農(nóng)作物秸稈利用技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)[5]。秸稈纖維制取，是實(shí)現(xiàn)多種作物秸稈粗纖維清潔制取的有效途徑之一[6-8]，可為農(nóng)作物秸稈資源綜合利用提供有效設(shè)備技術(shù)支持。本文旨在以水稻秸稈為原料，通過正交試驗(yàn)，研究D200型秸稈纖維制取機(jī)較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，為該機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)定型提供參考依據(jù)。

1 秸稈纖維制取機(jī)工作原理

如圖1所示，制取機(jī)采用單螺桿結(jié)構(gòu)，主要由電機(jī)、減速機(jī)、主軸、組合套筒、組合螺桿、模頭及機(jī)架組成。其中組合螺桿主要由喂入段螺桿、變螺距螺桿、第一升壓環(huán)、擠壓段螺桿、第二升壓環(huán)、爆破段螺桿組成，如圖2所示。

動(dòng)力由電機(jī)提供、經(jīng)過由皮帶、減速機(jī)、聯(lián)軸器組成的傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給主軸，帶動(dòng)主軸及組合螺桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。制取機(jī)工作時(shí)，經(jīng)預(yù)處理的水稻秸稈通過喂入口進(jìn)入螺桿與套筒之間，在螺桿與套筒間摩擦力的輸送作用下，具有一定含水率的水稻秸稈樣本，依次經(jīng)過喂入段、擠壓段、爆破段，最終由出料口排出。

在喂入、擠壓、爆破各時(shí)間段內(nèi)，水稻秸稈受到不同程度的升溫、擠壓、揉搓作用，發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化，致使其纖維素結(jié)晶度提高。在擠出物排出機(jī)體的瞬間，高溫高壓的蒸汽驟然減壓，秸稈纖維急劇膨脹產(chǎn)生“爆破”效果[9-10]，將植物纖維撕裂成為細(xì)小纖維，從而獲得秸稈粗纖維。

圖1 制取機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1Host structure of extruder

圖2 組合螺桿總成Fig.2Combination of assembly screw

2 材料與方法

2.1 材料

2.1.1 試驗(yàn)材料

2013年收獲期采集的東農(nóng)425水稻秸稈，切削成長(zhǎng)度10 cm小段，試驗(yàn)前常溫水浸泡12 h。

2.1.2 設(shè)備和儀器

D200型秸稈纖維制取機(jī)樣機(jī)（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)自制），ZBSX 92A型振擊式標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)（浙江市鑫達(dá)試驗(yàn)設(shè)備廠），ZT4-00型打漿機(jī)（中通試驗(yàn)裝備有限公司），ZCX-A型紙頁(yè)成型器（長(zhǎng)春市月明小型試驗(yàn)機(jī)有限責(zé)任公司），Plus V3.5.0型Leica Qwin光學(xué)顯微鏡（Made in Germany）等。

2.2 方法

采用正交試驗(yàn)方法，通過Design-expert 6.0.10，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。根據(jù)前期相關(guān)試驗(yàn)研究結(jié)果，設(shè)定機(jī)器主軸轉(zhuǎn)速為100 r·min-1，套筒內(nèi)部溫度控制在100℃，喂入量為每組試驗(yàn)條件下制取機(jī)強(qiáng)制喂料的最大值。

2.2.1 試驗(yàn)因素選取

在制取秸稈粗纖維的過程中，制取機(jī)內(nèi)部壓力、溫度以及秸稈樣本在機(jī)器內(nèi)部的加工時(shí)間和受到的擠壓、揉搓作用，均對(duì)制取機(jī)工作效率和質(zhì)量有顯著影響。

本研究通過改變模頭內(nèi)徑、升壓環(huán)外徑調(diào)節(jié)機(jī)器內(nèi)部壓力和溫度；通過改變喂入段螺距調(diào)節(jié)秸稈樣本在機(jī)器內(nèi)部加工時(shí)間；通過改變擠壓段螺桿長(zhǎng)度和螺距調(diào)整秸稈樣本在機(jī)器內(nèi)部受到的擠壓、揉搓作用效果。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，選取模頭內(nèi)徑（mm）A、擠壓段長(zhǎng)度（mm）B、擠壓段螺桿螺距（mm）C、喂入段螺距型式D、升壓環(huán)外徑（mm）E為影響因子，如表1所示。

2.2.2 響應(yīng)函數(shù)及測(cè)定

本研究綜合考慮制取機(jī)對(duì)秸稈的加工能力和加工質(zhì)量，選取生產(chǎn)率y1（kg·h-1）、纖維得率y2（%）、纖維長(zhǎng)寬比y3，抗張指數(shù)y4（N·m·g-1）作為機(jī)器性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2.2.1 生產(chǎn)率測(cè)定

生產(chǎn)率是評(píng)價(jià)機(jī)器加工能力的重要依據(jù)，本研究以制取機(jī)每小時(shí)粗纖維生產(chǎn)量作為其生產(chǎn)率，計(jì)算方法見式（1）。

式中，P-生產(chǎn)率（kg·h-1）；m-粗纖維質(zhì)量（kg）；t-加工時(shí)間（h）。

2.2.2.2 纖維得率測(cè)定

纖維得率反映秸稈原料的利用率，值越大說明產(chǎn)生的可用纖維越多，機(jī)器加工質(zhì)量越好，其計(jì)算方法見式（2）。

式中，x-纖維得率（%）；m1-制取機(jī)加工所得粗纖維干重（kg）；m2-喂入制取機(jī)的秸稈原料干重（kg）；m3-粗纖維篩分除雜后所得纖維干重（kg）。

2.2.2.3 纖維長(zhǎng)寬比測(cè)定

纖維長(zhǎng)寬比是評(píng)價(jià)纖維形態(tài)的重要參數(shù)指標(biāo)。本研究采用Leica Qwin光學(xué)顯微鏡，依照光學(xué)顯微鏡測(cè)定法（GB/T 10336—1989），測(cè)量和計(jì)算纖維長(zhǎng)寬比，其計(jì)算方法見式（3～4）。

式中，K-單根纖維長(zhǎng)寬比；L-纖維長(zhǎng)度（mm）；N-纖維寬度（mm）；n-纖維根數(shù)；Kn-纖維平均長(zhǎng)寬比。

表1 影響因子及水平Table 1Factors and levels

2.2.2.4 抗張指數(shù)的測(cè)定

本研究采用紙和紙板抗張強(qiáng)度測(cè)定法（GB/T 453—1989）計(jì)算紙膜樣片抗張指數(shù)，表征纖維機(jī)械強(qiáng)度。

抗張指數(shù)計(jì)算方法見式（5）。

式中，Y-抗張指數(shù)（N·m·g-1）；Fˉ-平均抗張力（N）；LW-式樣寬度（mm）；g-式樣定量（g·m-2）。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

在0.1信度下方差分析結(jié)果如表3所示。

由方差分析結(jié)果可知，各響應(yīng)函數(shù)模型項(xiàng)P＜0.1，說明各模型在0.1水平下顯著。

由表3中各因素P值可知，對(duì)于生產(chǎn)率y1，各影響因子顯著性排序?yàn)椋築＞E＞C＞A＞D；對(duì)于纖維得率y2，各影響因子顯著性排序?yàn)椋篍＞D＞A＞B＞C；對(duì)于纖維長(zhǎng)寬比y3，各影響因子顯著性排序?yàn)椋篊＞D＞A＞B＞E；對(duì)于抗張指數(shù)y4，各影響因子顯著性排序?yàn)椋築＞D＞C＞E＞A。

針對(duì)表2進(jìn)行極差分析結(jié)果，如表4所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table 2Result of test

表3 方差分析結(jié)果Table 3Result of variances analysis

表4 極差分析結(jié)果Table 4Result of poor analysis

實(shí)際生產(chǎn)中，期望獲得較大生產(chǎn)率、纖維得率、纖維長(zhǎng)寬比和抗張指數(shù)。由表4可知，生產(chǎn)率y1，各影響因子較好水平為：模頭內(nèi)徑151 mm、擠壓段長(zhǎng)度240 mm、擠壓段螺桿螺距70 mm、喂入段采用等距螺旋型式、升壓環(huán)外徑195 mm。

纖維得率y2，各影響因子較好水平為：模頭內(nèi)徑164 mm、擠壓段長(zhǎng)度290 mm、擠壓段螺桿螺距40 mm、喂入段采用變距螺旋型式、升壓環(huán)外徑195 mm。

纖維長(zhǎng)寬比y3，各影響因子較好水平為：模頭內(nèi)徑164 mm、擠壓段長(zhǎng)度240 mm、擠壓段螺桿螺距40 mm、喂入段采用等距螺旋型式、升壓環(huán)外徑197 mm。

抗張指數(shù)y4，各影響因子較好水平為：模頭內(nèi)徑164 mm、擠壓段長(zhǎng)度290 mm、擠壓段螺桿螺距40 mm、喂入段采用變距螺旋型式、升壓環(huán)外徑197 mm。

3.2 優(yōu)化分析

本著優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)植物秸稈纖維的原則，在生產(chǎn)率＞700 kg·h-1，纖維得率＞80%，纖維長(zhǎng)寬比＞35和抗張指數(shù)（不添加任何助劑）＞8 N·m·g-1前提下，得到制取機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方案為：A1B2C2D1E2，即：制取機(jī)模頭內(nèi)徑164 mm，擠壓段長(zhǎng)度240 mm，擠壓段螺桿螺距40 mm，喂入段采用變距螺旋型式，升壓環(huán)外徑195 mm。

此時(shí)，秸稈纖維制取機(jī)生產(chǎn)率為762.9 kg·h-1，纖維得率為82.5%，纖維長(zhǎng)寬比為41.3，抗張指數(shù)為8 N·m·g-1，各響應(yīng)函數(shù)均可滿足目標(biāo)要求。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照優(yōu)化結(jié)果給出的參數(shù)組合方案，實(shí)施驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)材料制備、設(shè)備以及性能指標(biāo)選取與測(cè)定方法同前文所述。試驗(yàn)結(jié)果為生產(chǎn)率854.5 kg·h-1，纖維得率83.4%，纖維長(zhǎng)寬比38.7，抗張指數(shù)8.1 N·m·g-1。可見，目標(biāo)函數(shù)均能滿足實(shí)際水稻秸稈纖維生產(chǎn)要求，優(yōu)化方案合理。

4 結(jié)論

a.各因子對(duì)各響應(yīng)函數(shù)影響顯著性排序?yàn)椋荷a(chǎn)率：B＞E＞C＞A＞D；纖維得率：E＞D＞A＞B＞C；纖維長(zhǎng)寬比：C＞D＞A＞B＞E；抗張指數(shù)：B＞D＞C＞E＞A。

b.D200型秸稈纖維制取機(jī)較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為A1B2C2D1E2，即制取機(jī)模頭內(nèi)徑164 mm、擠壓段長(zhǎng)度240 mm、擠壓段螺桿螺距40 mm、喂入段采用變距螺旋、升壓環(huán)外徑195 mm，此時(shí)，制取機(jī)生產(chǎn)率達(dá)854.5 kg·h-1，纖維得率達(dá)83.4%，纖維長(zhǎng)寬比達(dá)38.7，抗張指數(shù)達(dá)8.1 N·m·g-1，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

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Structural optimization experimental study on D200 crop straw fiber extruder

CHEN Haitao,MIAO Naibiao,DONG Bingzhe,DUN Guoqiang,ZHANG Ying(School of Engineering,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

In order to further improve the D200 crop straw fiber extruder.Selected rice straw as the experimental material,take five factors with two levels of orthogonal test,considered the inner diameter of die head,the length of extrusion section,the pitch of extrusion section screw,the pitch pattern of the feeding section and the external diameter of booster ring as the impact factors,selected the productivity,the fiber yield, the length-width ratio of fiber and the tensile index as the response function and did the more optimized structural parameters experimental study.The results showed that when the structure parameters combination was the inner diameter of die head was 164 mm,the length of extrusion section was 240 mm,the pitch of extrusion section screw was 40 mm,the pitch of feeding section was variable and the external diameter of boosting ring was 195 mm,the indicators were that the productivity was 762.9 kg·h-1,the yield of straw was 82.5%,the length-width ratio of fiber was 41.3,the tensile index was 8 N·m·g-1,could meet the requirement of the design goal.The result of the verification test further proved the correctness of the parameters optimization result.The result of the research provided a reference basis for the finalize design to the machine.

crop straw fiber extruder;orthogonal test;parameter optimization;rice straw

TH237.1

A

1005-9369（2015）07-0090-05

時(shí)間2015-7-9 14:42:30[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150709.1442.004.html

2015-03-21

十二五國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2012BAD32B02-5）

陳海濤（1962-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)材料和農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程。E-mail:htchen@neau.edu.cn