張洪建， 王德福， 孔凡婷， 劉朝賢， 黃會(huì)男

(1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150030； 2. 農(nóng)業(yè)部生豬養(yǎng)殖設(shè)施工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150030)

我國農(nóng)作物秸稈資源十分豐富，玉米秸稈年產(chǎn)量超過2.5億t[1-2].玉米秸稈在農(nóng)村長期以來主要用作飼料、燃料等，隨著經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的不斷發(fā)展以及對環(huán)境問題的日益關(guān)注，玉米秸稈作為一種重要的可再生生物質(zhì)資源，其應(yīng)用越來越受到重視.我國已經(jīng)將玉米秸稈資源的綜合利用規(guī)劃為“五化”(肥料、能源、飼料、基料和原料化)技術(shù)工程[3-4].但由于玉米秸稈皮瓤葉中各部分營養(yǎng)成分含量相差較大，以及物理性質(zhì)的不同[5-6]，其整體混合使用降低了玉米秸稈的應(yīng)用價(jià)值，開展玉米秸稈皮瓤葉分離技術(shù)研究是實(shí)現(xiàn)玉米秸稈高值化利用的有效途徑.

國外關(guān)于秸稈皮瓤葉分離的研究甚少，研究重點(diǎn)集中在分離后各部分組織的應(yīng)用[7-9].我國專家學(xué)者對玉米秸稈皮瓤葉分離進(jìn)行了諸多研究，分離方式可分為兩種，一種為切斷或粉碎式分離，經(jīng)分離后各部分均為碎料.王景鋒等[10]進(jìn)行了氣流式分離機(jī)分離不同形態(tài)秸稈碎料試驗(yàn)；任德志等[11]研制的玉米秸稈皮瓤分離碾壓輥，基于玉米秸稈碾壓后皮瓤產(chǎn)生彈塑性變形時(shí)的差異，對秸稈群碾壓、揭皮、剪切實(shí)現(xiàn)皮瓤分離.另一種為整稈式分離，將整根秸稈直接送入分離機(jī)加工，經(jīng)分離后的秸稈外皮仍然保持完整.高夢祥等[12]提出了一種沖擊除葉方法，以排列在主軸上的鋼絲為沖擊構(gòu)件進(jìn)行除葉；朱新華等[13]研制的玉米秸稈除葉裝置采用壓扁搓擦法進(jìn)行秸稈莖葉分離，利用壓輥將秸稈壓扁后使秸稈進(jìn)入具有一定線速差的剝?nèi)~帶中實(shí)現(xiàn)莖葉分離；李利橋等[14]研制的玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)，利用除葉輥上高速旋轉(zhuǎn)的V字齒板對玉米秸稈進(jìn)行六邊包絡(luò)除葉，并對除葉后的秸稈切削剝?nèi)?綜上可知，我國已進(jìn)行了大量的玉米秸稈皮瓤葉分離研究，但仍存在生產(chǎn)率、分離率、可靠性較低以及振動(dòng)、噪音等問題，亟待開展更深入的理論與試驗(yàn)研究.

因此文中通過對分離機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理分析，設(shè)計(jì)一種將整根秸稈一次完成除葉以及剝?nèi)孔鳂I(yè)的玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī).重點(diǎn)運(yùn)用笛卡爾坐標(biāo)系與極坐標(biāo)系相結(jié)合的方式對除葉機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用三面楔原理對切展關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以及組合切割剝?nèi)颗c下拋原理對剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并分別對除葉裝置與剝?nèi)垦b置進(jìn)行分離性能試驗(yàn)，確定玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，為其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其研究提供支持.

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

文中設(shè)計(jì)的玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)主要由除葉機(jī)構(gòu)、切展機(jī)構(gòu)、剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)等組成，除葉機(jī)構(gòu)分前、后除葉機(jī)構(gòu)，切展機(jī)構(gòu)包括剖切輥組、展開總成和碾壓機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.該分離機(jī)可一次完成玉米秸稈除葉、剝?nèi)康茸鳂I(yè)，最終將整株秸稈分離成葉、瓤、皮3部分.

圖1 玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)主要工作機(jī)構(gòu)為除葉機(jī)構(gòu)與剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)，作業(yè)時(shí)，秸稈首先進(jìn)入除葉機(jī)構(gòu)，在喂入輥的夾持作用下進(jìn)行兩級除葉，在除葉機(jī)構(gòu)中秸稈與安裝在除葉輥上的除葉齒板組(包括定除葉齒板、動(dòng)除葉齒板)接觸，對秸稈上的葉片、殘留苞葉、葉鞘進(jìn)行打擊、梳刷、搓擦.除葉后的莖稈被輸送到切展機(jī)構(gòu)，被切割輥夾持定位并沿莖稈中部剖切，再由分展器展開，而后在碾壓機(jī)構(gòu)中被碾壓輥碾平并夾持輸送入剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)，剝?nèi)枯佈剌S向均布6把切刀，高速旋轉(zhuǎn)的切刀將秸稈皮與瓤分離，隨后秸稈皮被輸出，分離后的秸稈皮完整、瓤為均勻顆粒，分離機(jī)技術(shù)參數(shù)如下：外形尺寸為3.5 m×1.0 m×1.2 m；總質(zhì)量為800 kg；配套動(dòng)力為5.5 kW；同時(shí)加工株數(shù)為4株；除葉率>95%；瓤殘留率<5%；生產(chǎn)率>0.5 t·h-1.

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 除葉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)設(shè)置了兩道除葉工序，由前除葉機(jī)構(gòu)、后除葉機(jī)構(gòu)組成.每道除葉機(jī)構(gòu)分別由上除葉輥、下除葉輥組成，每個(gè)除葉輥上沿軸向布置4個(gè)安裝架，安裝架上沿周向設(shè)置3個(gè)安裝板，每個(gè)安裝板上前后成對安裝有定除葉齒板、動(dòng)除葉齒板，如圖2所示.

圖2 除葉機(jī)構(gòu)示意圖

除葉齒板是除葉機(jī)構(gòu)的主要工作部件，其結(jié)構(gòu)對除葉率有較大影響，考慮到秸稈本身物理參數(shù)：通常長度1 500～2 500 mm、根部平均直徑28 mm，且秸稈直徑自根部至頂部逐漸減小，針對此特點(diǎn)，提出一種定、動(dòng)除葉齒板組合的除葉齒板結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用笛卡爾坐標(biāo)系與極坐標(biāo)系相結(jié)合的方式對除葉齒板組進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其能夠完成對秸稈進(jìn)行定位、除葉作業(yè).

定除葉齒板結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由安裝板以及固定在安裝板上的左右定齒板組成.

圖3 定除葉齒板結(jié)構(gòu)示意圖

文中在笛卡爾坐標(biāo)系上對定除葉齒板總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)秸稈植株參數(shù)，定除葉齒板中距d1(定齒板工作表面中點(diǎn)的連線)滿足秸稈根部平均直徑d1=28 mm，此時(shí)定除葉齒板與秸稈根部兩側(cè)接觸，在笛卡爾坐標(biāo)系中該接觸處可用定齒板工作表面上的定點(diǎn)表示.該方法設(shè)計(jì)的定除葉齒板能夠?qū)⒋蟛糠秩~片除掉、將殘留在秸稈上的團(tuán)狀苞葉除去或劃成細(xì)條狀、將節(jié)位處葉鞘劃開，由于定除葉齒板能夠承受較大應(yīng)力且中徑較大，遂將定除葉齒板配置在安裝板前，使其首先與秸稈接觸.利用笛卡爾坐標(biāo)系設(shè)計(jì)的定除葉齒板總體結(jié)構(gòu)，其中距為定值，由于秸稈直徑不斷變化，無法保證秸稈時(shí)刻與雙側(cè)定齒板接觸.根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，確定定齒板的工作表面設(shè)置頂角70°、高度10 mm三角形齒，左右定齒板之間初始夾角20°，定除葉齒板高度50 mm.

為提高除葉適應(yīng)性，文中為定除葉齒板匹配了動(dòng)除葉齒板(定、動(dòng)除葉齒板在安裝板上分別前后安裝)，如圖4所示，主要由安裝板、左右動(dòng)齒板以及與其相連的齒輪、彈簧等組成.為了使除葉齒板更好地隨著秸稈直徑的變化對秸稈進(jìn)行搓擦除葉，除葉齒板與秸稈的接觸點(diǎn)也應(yīng)不斷變化，將接觸點(diǎn)用極坐標(biāo)系中的極點(diǎn)、極角和極徑表示，以齒輪嚙合點(diǎn)為極點(diǎn)、動(dòng)齒板與秸稈接觸點(diǎn)與極點(diǎn)間的距離為極徑、極徑與x軸的夾角為極角，運(yùn)用極坐標(biāo)系對動(dòng)除葉齒板總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì).保證工作時(shí)，若秸稈直徑增大則極角減小、極徑增大，左右動(dòng)齒板在齒輪與彈簧的作用下，分別向左右轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度，秸稈中心始終在y軸上，時(shí)刻保持雙側(cè)動(dòng)齒板緊貼秸稈進(jìn)行梳刷、搓擦除葉，使動(dòng)除葉齒板具有一定的仿形功能.根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，取動(dòng)除葉齒板中徑d2=18 mm，左右動(dòng)齒板之間初始夾角15°，動(dòng)齒板齒形工作表面設(shè)置頂角60°、高度5 mm的三角形齒，動(dòng)除葉齒板高度50 mm.

圖4 動(dòng)除葉齒板結(jié)構(gòu)示意圖

將動(dòng)除葉齒板中齒輪的分度圓直徑dc設(shè)計(jì)為25 mm，將左右齒板設(shè)計(jì)成同步轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)比為1，所以兩齒輪的分度圓直徑都是25 mm，故兩齒輪的中心距為

(1)

式中：ac為兩齒輪間中心距，mm；dc1為左齒板齒輪分度圓直徑，mm；dc2為右齒板齒輪分度圓直徑，mm.

將分度圓直徑帶入式(1)得到中心距為ac=25 mm，并利用機(jī)械設(shè)計(jì)軟件根據(jù)以上參數(shù)對齒輪進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì).

彈簧決定著動(dòng)齒板與秸稈間摩擦力的大小(忽略離心力對動(dòng)齒板的影響)，因此彈簧的選擇對除葉率有著重要影響，根據(jù)玉米秸稈莖葉連接力，當(dāng)含水率在10%～20%時(shí)，莖葉連接力一般為0.7～16.0 N，因此除葉齒板對秸稈的最小摩擦力應(yīng)大于16.0 N.根據(jù)公式：

F=μFN，

(2)

FN=kx，

(3)

(4)

化簡得

(5)

式中：F為齒板與秸稈間的摩擦力，N；μ為摩擦系數(shù)，取0.8；FN為彈簧彈力，N；K為勁度系數(shù)，N·mm-1；x為彈簧形變量，mm；G為剛性模數(shù)，MPa；d為彈簧線徑，mm；Nc為有效圈數(shù),圈；Dm為彈簧中徑，mm.

根據(jù)整體結(jié)構(gòu)，選擇彈簧內(nèi)徑為8 mm、長度35 mm，彈簧預(yù)壓縮長度為10 mm，其材料為65Mn碳素彈簧鋼絲，將已確定的參數(shù)帶入式(5)并與莖葉連接力對比，初選彈簧線徑為1.0 ，1.2和1.4 mm.

除葉齒板對玉米秸稈的作用力分析如圖5所示.

圖5 秸稈受力分析

計(jì)算公式如下：

P=ωxT，

(6)

(7)

T=TxR，

(8)

式中：P為除葉輥輸入功率，W；ωx為除葉輥角速度，rad·s-1；T為除葉輥輸入扭矩，N·m；nx為除葉輥轉(zhuǎn)速，r·min-1；Tx為除葉齒板組對葉片的沖擊力，N；R為除葉輥半徑(除葉齒板組與秸稈接觸點(diǎn)到除葉輥軸心的距離)，m.

化簡得

(9)

Tx1=Txsinδ，

(10)

Tx2=Txcosδ，

(11)

(12)

式中：Tx1為除葉齒板對秸稈葉沖擊力的軸向分力，N；Tx2為除葉齒板對秸稈葉沖擊力的切向分力，N；δ為除葉齒板對秸稈葉的沖擊力與切向分力之間的夾角，(°)；τ為除葉齒板對秸稈葉的剪切應(yīng)力，N；S為秸稈葉的橫截面面積，mm2.

工作過程中，秸稈在喂入輥的夾持作用下勻速向后輸送，由于玉米秸稈葉為生物材料，生物材料屬于正交各向異性材料有5個(gè)基本強(qiáng)度值[15]，在工作過程中，秸稈葉在秸稈的支撐作用下受到除葉齒板組的作用，主要破壞形式有橫縱向拉伸與剪切，只要葉片上的任何一個(gè)應(yīng)力分量大于葉片相應(yīng)的基本強(qiáng)度值，秸稈葉便被在薄弱處(秸稈葉分為葉片與葉鞘兩部分，葉片與葉鞘的薄弱處在葉片處，葉鞘與秸稈的薄弱處在節(jié)位連接處)被破壞.除葉齒板組對秸稈葉的作用分為2個(gè)階段：第1個(gè)階段為除葉齒板組剛接觸秸稈時(shí)對葉片作用沖擊力Tx的過程，此時(shí)沖擊力的垂向分力Tx2最大且主要對秸稈葉作用剪切應(yīng)力，由式(9)可知，除葉齒板組對葉片沖擊力的大小與除葉輥轉(zhuǎn)速、除葉輥半徑以及輸入功率有關(guān)，其中輸入功率與扭矩有關(guān)，因此當(dāng)除葉輥半徑確定后，文中針對除葉輥轉(zhuǎn)速對除葉率的影響進(jìn)行研究；第2個(gè)階段為除葉齒板組對秸稈的梳刷搓擦過程，當(dāng)除葉齒板繼續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)Tx由沖擊力變?yōu)榇瓴亮y，Ty1，Ty2為搓擦力Ty的分力，且Ty1逐漸增大，除葉齒板對葉鞘沿纖維絲方向的橫向拉伸力不斷增大，當(dāng)除葉齒板與秸稈軸心垂直時(shí)Ty1達(dá)到最大值，經(jīng)前期測量，當(dāng)含水率在10%～20%時(shí)，沿纖維絲方向拉伸時(shí)秸稈莖葉連接力為5.0～16.0 N，垂直于纖維絲方向拉伸時(shí)秸稈莖葉連接力為0.7～10.0 N.根據(jù)式(5)，文中所設(shè)計(jì)的動(dòng)除葉齒板對秸稈的最小搓擦力大于葉片基本強(qiáng)度值，能夠完成除葉工作.由于定除葉齒板的中距較大，主要參與第1個(gè)階段除葉，能夠打擊掉秸稈上的葉片、殘留苞葉等，動(dòng)除葉齒板中距較小，且有仿形功能，主要參與除葉的第2個(gè)階段，能夠?qū)埩舻娜~鞘持續(xù)搓擦.根據(jù)預(yù)試驗(yàn)及式(6)，除葉輥轉(zhuǎn)速較大時(shí)，工作過程中分離機(jī)振動(dòng)、噪音以及能耗等逐漸增加，對秸稈梳刷打擊的次數(shù)也不斷增加，除葉輥轉(zhuǎn)速較小時(shí)除葉率較低，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)當(dāng)除葉輥半徑為85 mm時(shí)，初選除葉輥轉(zhuǎn)速為400～780 r·min-1.玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)中喂入機(jī)構(gòu)的喂入線速度決定了生產(chǎn)率，同時(shí)喂入線速度和除葉輥轉(zhuǎn)速對除葉率均有較大影響，在保證生產(chǎn)率的前提下根據(jù)文獻(xiàn)[14]甘蔗除葉要求以及預(yù)試驗(yàn)，初選喂入機(jī)構(gòu)的喂入線速度為1.0～2.0 m·s-1.

2.2 切展機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

切展機(jī)構(gòu)用于將除葉后的秸稈定位、沿莖稈中部剖切、展開并輸送給碾壓機(jī)構(gòu).文中設(shè)計(jì)的切展機(jī)構(gòu)主要由剖切輥組、展開總成組成，如圖6所示.

圖6 切展機(jī)構(gòu)示意圖

其中剖切輥組與展開總成分別由上下平行設(shè)置的輸送輥、定位切割輥與上壓輥、分展器組成.在切割輥組中秸稈能夠被準(zhǔn)確定位并沿秸稈中心切開深度為秸稈直徑的2/3左右；在展開總成中分展器能夠準(zhǔn)確沿著秸稈被切開的縫隙經(jīng)過3個(gè)階段將秸稈展開，且切開深度與展開幅度不應(yīng)過大，因秸稈皮屬于脆性纖維材料，彎曲幅度過大時(shí)秸稈皮會(huì)沿著纖維絲排列方向出現(xiàn)裂紋，在剝?nèi)窟^程中會(huì)增大瓤殘留率與外皮破損.分展器是切展機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵部件，利用三面楔原理結(jié)合秸稈的植株參數(shù)對分展器進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，三面楔原理能夠保證秸稈在切展機(jī)構(gòu)中按階段逐漸展開的同時(shí)外皮不會(huì)出現(xiàn)裂痕，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示.

圖7 分展器設(shè)計(jì)示意圖

計(jì)算公式如下：

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

式中：α為載荷角，(°)；β為楔角，(°)；γ為展開面傾斜角，(°)；θ為安裝角，(°).

分展器的工作過程主要分3個(gè)階段，當(dāng)秸稈剛接觸分展器A點(diǎn)時(shí)為定位微展；AO之間為雙側(cè)推稈，當(dāng)秸稈到達(dá)B點(diǎn)時(shí)左右兩部分秸稈之間的夾角已經(jīng)達(dá)到90°；OE之間為雙側(cè)翻稈，由于ED的長度大于OC的長度，當(dāng)秸稈運(yùn)動(dòng)到OE之間時(shí)左右兩部分秸稈之間的夾角遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于90°；經(jīng)過后續(xù)碾壓輥的碾壓，秸稈被完全展開.根據(jù)秸稈展開后的實(shí)際尺寸，選取OA，OB，OC，OE分別為50，40，40和50 mm，根據(jù)上式計(jì)算得到載荷角α、楔角β、展開面傾斜角γ、安裝角θ分別為39°，53°，45°和39°.

2.3 剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)資料分析及前期試驗(yàn)研究，文中組合切割剝?nèi)颗c下拋原理設(shè)計(jì)剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)，該剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)主要由剝?nèi)枯?、切刀、頂板等組成，用于將碾壓輥夾持喂入的已展開的玉米秸稈經(jīng)剝?nèi)枯伾细咚傩D(zhuǎn)切刀的切削作用實(shí)現(xiàn)秸稈瓤向下拋送分離、秸稈皮向后輸送分離.

2.3.1剝?nèi)枯伒慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)與受力分析

經(jīng)前期研究，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)將切刀最大旋轉(zhuǎn)半徑設(shè)計(jì)為90 mm，切刀沿剝?nèi)枯佒芟蚓?，為了使切刀剝?nèi)孔優(yōu)橛兄吻懈睿械俄敳吭O(shè)置頂板.工作時(shí)秸稈在剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)的受力如圖8所示.

圖8 剝?nèi)窟^程分析

計(jì)算公式如下：

F1+F3-f=ma，

(18)

F3=F2cosθ，

(19)

N=F2sinθ，

(20)

式中：F1為碾壓輥對秸稈的輸送力，N；F2為切刀對秸稈的作用力，N；F3為切刀對秸稈作用力的水平分力，N；N為切刀對秸稈作用力的垂直方向分力，N；f為秸稈運(yùn)動(dòng)總阻力，N；θ為剝?nèi)枯伌怪敝行木€與剝?nèi)枯佒行暮颓械都膺B線的夾角，(°)；η為切刀安裝角，(°).

由于秸稈被展平碾壓后寬度約為60～100 mm，選取切刀長度110 mm，而剝?nèi)枯伹械兜男D(zhuǎn)半徑為90 mm，根據(jù)剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)將切刀尺寸設(shè)計(jì)為110 mm×45 mm×5 mm，其中刀刃刃角為45°.由拋瓤軌跡可知，采用下拋原理，高速旋轉(zhuǎn)的剝?nèi)枯仌?huì)將剝下的瓤沿拋物線軌跡向下拋送，使之迅速分離，因此采用剝?nèi)枯佅轮媒Y(jié)構(gòu).根據(jù)受力分析可知，切刀的安裝角度η對剝?nèi)颗c拋瓤效果均有一定影響，且具有一定安裝角可以使剝?nèi)枯伒那邢鞣绞接蓹M切變?yōu)橄髑?，在切割纖維性秸稈時(shí)削切與橫切相比切割阻力下降30%[16]，初步設(shè)定切刀的安裝角度為15°，30°和45°.作業(yè)時(shí)秸稈在剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)中水平運(yùn)動(dòng)，由于秸稈皮的厚度為1～2 mm，切刀與頂板間的間隙不應(yīng)過小，由預(yù)試驗(yàn)可知切刀與頂板間的間隙對剝?nèi)啃Ч泻艽笥绊?，初選頂板與切刀間間隙為1.8，2.3和2.8 mm.

2.3.2理論剝?nèi)抗?jié)距的計(jì)算

剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)在工作時(shí)，切刀隨著剝?nèi)枯佔(zhàn)龈咚倩剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將瓤切成顆粒狀與皮分離，剝?nèi)窟^程屬于有支撐切瓤，秸稈在運(yùn)動(dòng)過程中相對穩(wěn)定，因此瓤粒均勻.喂入輥的線速度、剝?nèi)枯伒霓D(zhuǎn)速、切刀的數(shù)量是影響瓤粒長度的重要參數(shù)，瓤粒的長度為相鄰的兩把切刀做切割運(yùn)動(dòng)時(shí)秸稈的輸送長度，故瓤粒的長度為

(21)

式中：L為瓤粒的理論長度，m；vm為秸稈的喂入線速度，m·s-1；Nt為剝?nèi)枯伒霓D(zhuǎn)速，r·min-1；Z為切刀數(shù)量.

由式(21)可以看出，當(dāng)剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，影響瓤粒的長度主要因素為碾壓輥轉(zhuǎn)速與剝?nèi)枯佫D(zhuǎn)速比、切刀數(shù)量，根據(jù)秸稈喂入線速度與預(yù)試驗(yàn)，初步選擇剝?nèi)枯伒霓D(zhuǎn)速為480 ～780 r·min-1，且瓤粒長度越大，瓤殘留率越高.

2.3.3拋瓤軌跡分析

切刀將秸稈瓤剝離后，秸稈皮被輸送至分離機(jī)后方，瓤粒沿拋物線軌跡向下拋送使皮瓤直接分離，將瓤?？闯少|(zhì)點(diǎn)并忽略空氣阻力的影響，則瓤粒運(yùn)動(dòng)軌跡為

(22)

式中：v1為碾壓輥的喂入速度，m·s-1；t為剝?nèi)枯伒倪\(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；ω為剝?nèi)枯伒男D(zhuǎn)角速度，rad·s-1；R1為剝?nèi)枯伆霃?，m；g為重力加速度，取9.8 m·s-2；κ為起拋角度，即剝?nèi)康杜cx軸夾角，(°).

秸稈在分離機(jī)中保持水平運(yùn)動(dòng)，實(shí)際測量皮瓤分離后秸稈外皮的彎曲特性，當(dāng)秸稈外皮伸出長度為350 mm時(shí)，秸稈向下彎曲50 mm，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)當(dāng)秸稈彎曲量小于外皮輸出輥半徑時(shí)，外皮輸出輥能夠完成對外皮的夾持輸送工作，文中設(shè)計(jì)的外皮輸送輥半徑為50 mm，所以外皮輸出輥組與剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)的軸心距應(yīng)小于350 mm，由式(22)可知，瓤粒在水平方向的運(yùn)動(dòng)距離與喂入輥轉(zhuǎn)速、剝?nèi)枯佫D(zhuǎn)速、切刀安裝角度、剝?nèi)枯伆霃接嘘P(guān)，根據(jù)前面已經(jīng)確定的參數(shù)結(jié)合拋瓤軌跡與外皮的彎曲特性，為避免瓤粒落在外皮輸出輥組上，使瓤粒堆積在分離機(jī)下方的瓤粒收集區(qū)域，以減小整機(jī)尺寸為原則選擇剝?nèi)枯伵c外皮輸出輥之間的軸心距為300 mm.

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

除葉機(jī)構(gòu)與剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)是玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，文中分別進(jìn)行除葉機(jī)構(gòu)與剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)臺架試驗(yàn).

3.1 試驗(yàn)材料

選取東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校區(qū)試驗(yàn)田成熟且自然風(fēng)干的完整玉米秸稈，試驗(yàn)前隨機(jī)選取30株秸稈進(jìn)行植株參數(shù)測量，每株測量3次并取平均值，得到主要植株參數(shù)如下：植株高度2 301.6 mm；平均穗位6節(jié)；秸稈根部平均直徑28.2 mm；秸稈皮厚1.0～2.1 mm；莖稈含水率21.5%；葉片含水率12.9%.試驗(yàn)前將秸稈去掉直徑小于18 mm的稍部并進(jìn)行含水率測量，測試儀器設(shè)備主要有FR-F740-45K-CHT1型變頻器(日本三菱公司)，DHG-9410A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)、BSA3202S型電子天平(最大量程3 200 g，精度0.01 g，奧多利斯科學(xué)儀器有限公司)，游標(biāo)卡尺，SW6236C型數(shù)顯轉(zhuǎn)速表等.

3.2 試驗(yàn)方法

文中分別選取L9(34)與L27(313)正交表對除葉機(jī)構(gòu)與剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，每種處理重復(fù)5次試驗(yàn)并取平均值，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論分析以及預(yù)試驗(yàn)，分別選取對除葉與剝?nèi)坑绊戄^大的因素做為試驗(yàn)因素，其中除葉試驗(yàn)因素包括彈簧線徑、喂入輥線速度、除葉輥轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)因素水平表如表1所示；剝?nèi)吭囼?yàn)因素包括切刀安裝角度、切刀數(shù)量、切刀與頂板之間的間隙、剝?nèi)枯佫D(zhuǎn)速，試驗(yàn)因素水平表如表2所示.

表1 除葉試驗(yàn)因素與水平

表2 剝?nèi)吭囼?yàn)因素與水平

根據(jù)玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)性能要求，除葉試驗(yàn)選擇除葉率為評價(jià)指標(biāo)，剝?nèi)吭囼?yàn)選擇瓤殘留率為評價(jià)指標(biāo).

除葉率指玉米秸稈經(jīng)除葉作業(yè)后，除掉的葉片的質(zhì)量占本株秸稈葉片總質(zhì)量的百分比，計(jì)算公式如下：

(23)

式中：Y1為除葉率；m1為除掉葉片的質(zhì)量，g；m0為本株秸稈葉片的總質(zhì)量，g.

瓤殘留率指玉米秸稈經(jīng)剝?nèi)孔鳂I(yè)后，未剝掉瓤的質(zhì)量占本株秸稈瓤總質(zhì)量的百分比，計(jì)算公式為

(24)

式中：Y2為瓤殘留率；m3為未剝掉瓤的質(zhì)量，g；m2為本株秸稈瓤的總質(zhì)量，g.

3.3 結(jié)果分析

3.3.1除葉試驗(yàn)結(jié)果分析

除葉試驗(yàn)結(jié)果與極差分析如表3所示，各考察因子的極差值越大，說明該因子對試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，表中A，B，C為因素水平值.

表3 除葉試驗(yàn)方案與結(jié)果

由極差分析結(jié)果可知，影響除葉率的因數(shù)主次順序?yàn)椋撼~輥轉(zhuǎn)速、喂入輥線速度、彈簧線徑，最佳組合方案是A3B1C3，即當(dāng)彈簧線徑為1.4 mm、喂入輥線速度為1 m·s-1、除葉輥轉(zhuǎn)速為700 r·min-1時(shí)，除葉率可以控制在較優(yōu)范圍.

為了驗(yàn)證上述各因素對試驗(yàn)指標(biāo)影響顯著性的準(zhǔn)確性，運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件對正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示，由方差分析結(jié)果可知，除葉輥轉(zhuǎn)速對除葉率影響極顯著(P<0.01)，喂入輥線速度對除葉率影響極顯著(P<0.01)，彈簧線徑對除葉率影響顯著(P<0.05)，表明3個(gè)參數(shù)正確，是影響除葉率的主要因素，符合極差分析規(guī)律.

除葉輥轉(zhuǎn)速、喂入輥線速度對除葉率均有極顯著影響，由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著除葉輥轉(zhuǎn)速增加除葉率逐漸增大，當(dāng)喂入輥線速度一定時(shí)，除葉輥轉(zhuǎn)速越大，除葉輥上定、動(dòng)除葉齒板對單位長度秸稈梳刷、打擊的次數(shù)越多，使除葉率升高.隨著喂入輥線速度增大除葉率逐漸降低，當(dāng)除葉輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，喂入輥線速度越大，單位時(shí)間內(nèi)除葉輥對秸稈梳刷、打擊的次數(shù)越少，導(dǎo)致除葉率降低.彈簧線徑對除葉率有顯著影響，隨著彈簧線徑的增加除葉率逐漸增大，彈簧線徑影響彈簧剛度，從而對除葉齒板與秸稈間摩擦力有直接影響，隨著彈簧線徑的增加彈簧剛度不斷增加，使動(dòng)除葉齒板的預(yù)壓力逐漸增大，在工作過程中動(dòng)除葉齒板與秸稈貼合更緊密，增加了動(dòng)除葉齒板與秸稈間的搓擦力，使除葉率不斷增加.

表4 除葉試驗(yàn)方差分析結(jié)果

3.3.2剝?nèi)吭囼?yàn)結(jié)果分析

剝?nèi)吭囼?yàn)結(jié)果與極差分析如表5所示，各考察因子的極差值越小，說明該因子對試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，試驗(yàn)結(jié)果的方差分析如表6所示，表中A，B，C，D為因素水平值.

表5 剝?nèi)吭囼?yàn)方案與結(jié)果

表6 剝?nèi)吭囼?yàn)方差分析結(jié)果

由極差分析可知，影響瓤殘留率的因素主次順序?yàn)椋呵械稊?shù)量、頂板間隙、剝?nèi)枯佫D(zhuǎn)速、切刀安裝角度，最佳組合方案是A3B3C1D3，即當(dāng)切刀安裝角度45°、切刀數(shù)量6把、頂板間隙1.8 mm、剝?nèi)枯佫D(zhuǎn)速780 r·min-1時(shí)，瓤殘留率可控制在較優(yōu)范圍.

為了驗(yàn)證上述各因素對試驗(yàn)指標(biāo)影響顯著性的準(zhǔn)確性，運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件對正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表6所示，由方差分析結(jié)果可知，切刀數(shù)量與切刀與頂板間隙對瓤殘留率影響極顯著(P<0.01)，剝?nèi)枯佫D(zhuǎn)速對瓤殘留率影響顯著(P<0.05)，切刀安裝角度對瓤殘留率影響較顯著(P<0.1)，符合極差分析規(guī)律.

切刀數(shù)量與剝?nèi)枯佫D(zhuǎn)速分別對瓤殘留率有極顯著影響與顯著影響，當(dāng)切刀數(shù)量或剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速增加時(shí)根據(jù)公式(21)，切刀對單位長度秸稈的切削次數(shù)逐漸增加，從而降低瓤的殘留率，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)隨著切刀刀數(shù)或剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速增加時(shí)瓤粒尺寸明顯逐漸減小，且瓤粒越小瓤殘留率越低.頂板與切刀間隙對瓤殘留率有極顯著影響，根據(jù)試驗(yàn)當(dāng)頂板與切刀之間的間隙逐漸增大時(shí)，瓤的殘留率逐漸增加，由于秸稈皮的厚度為1.0～2.1 mm，隨著頂板與切刀之間的距離逐漸增大，切刀對瓤的切削深度逐漸減小，導(dǎo)致靠近秸稈皮的部分瓤無法完全被切削掉，致使含瓤率逐漸升高.切刀安裝角度對瓤殘留率有顯著影響且隨著切刀安裝角度的增加瓤殘留率緩慢降低，根據(jù)公式(20)隨著切刀角度的增加，切刀對秸稈的切砍作用逐漸減弱，導(dǎo)致秸稈皮的破損減少，而此部分的瓤未被剝掉，因此瓤殘留率緩慢降低.

4 分離機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

依據(jù)上述試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果，研制了玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)與上述分析，考慮到葉片的拋送與纏輥回帶等問題，將前除葉機(jī)構(gòu)、喂入機(jī)構(gòu)、后除葉機(jī)構(gòu)、剖切輥組、展開總成、碾壓機(jī)構(gòu)、剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)、外皮輸出輥組間軸心距分別設(shè)置為240，240，180，100，140和300 mm，樣機(jī)及分離后所獲得的葉、皮、瓤如圖9所示.對較優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)地點(diǎn)為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)畜牧機(jī)械實(shí)驗(yàn)室，為減小誤差，重復(fù)5次試驗(yàn)取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，驗(yàn)證試驗(yàn)表明玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)均運(yùn)轉(zhuǎn)正常，性能穩(wěn)定，工作過程中無堵塞現(xiàn)象發(fā)生，能夠完成玉米秸稈皮瓤葉分離作業(yè).

表7 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果 %

圖9 分離機(jī)及分離后的樣品

5 結(jié) 論

1) 通過對設(shè)計(jì)的玉米秸稈除葉機(jī)構(gòu)與剝?nèi)繖C(jī)構(gòu)試驗(yàn)分析，確定影響除葉的關(guān)鍵因素為彈簧線徑、喂入輥線速度、除葉輥轉(zhuǎn)速；影響剝?nèi)康年P(guān)鍵因素為切刀角度、切刀數(shù)量、頂板與切刀間隙、剝?nèi)枯佫D(zhuǎn)速.運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出影響除葉率的較優(yōu)參數(shù)組合：彈簧線徑1.4 mm、喂入輥線速度1 m·s-1、除葉輥轉(zhuǎn)速700 r·min-1；得出影響瓤殘留率的較優(yōu)參數(shù)組合為切刀數(shù)量6把、頂板間隙1.8 mm、剝?nèi)枯佫D(zhuǎn)速780 r·min-1、切刀安裝角度45°.

2)玉米秸稈皮瓤葉分離機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)表明：在以上較優(yōu)組合參數(shù)下，除葉率為97.5%，瓤殘留率為2.8%，外皮完整，瓤粒均勻，各個(gè)機(jī)構(gòu)均運(yùn)轉(zhuǎn)正常，性能穩(wěn)定.