張佳彬, 張艷紅, 王赫昱, 徐 林

(1.黑龍江省木材科學(xué)研究所,黑龍江 哈爾濱 150081;2.東北林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

當(dāng)前,我國(guó)糧食總產(chǎn)量已連續(xù)7年穩(wěn)定在0.65萬(wàn)億kg以上。2021年,糧食產(chǎn)量創(chuàng)歷史新高,達(dá)到6 828.5億kg[1]。我國(guó)已是名副其實(shí)的農(nóng)業(yè)大國(guó)。隨之而來(lái)的是產(chǎn)生大量的農(nóng)作物秸稈。利用焚燒為手段處理秸稈,會(huì)產(chǎn)生大氣污染,增加碳排放量,僅2015年由秸稈焚燒引發(fā)的碳排放就達(dá)到3 450萬(wàn)t[2]。為了促使秸稈轉(zhuǎn)化為綠色財(cái)富,國(guó)家提倡秸稈“五化”式綜合利用[3],包括肥料化、飼料化、燃料化、基料化及原料化利用。板材加工是秸稈原料化利用的重要途徑,既將秸稈垃圾變廢為寶,又可緩解我國(guó)木材資源緊張的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源豐富,大部分品種的秸稈纖維素含量都與木材接近,是理想的代替木材的原料[4]。玉米秸稈由秸稈皮、穰(髓)、葉片、葉鞘、雄穗組成,秸稈皮質(zhì)地堅(jiān)硬,纖維素含量可達(dá)45%左右,是加工人造板材的好原料。而葉片、葉鞘、穰(髓)含纖維素較少,適合加工為飼料。且秸稈表面有SiO2、角質(zhì)蠟狀膜等物質(zhì),會(huì)不同程度地影響水性膠粘劑的潤(rùn)濕性和滲透性,從而影響膠合強(qiáng)度[5],這些都是制約農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)板材的加工技術(shù)難題。使用機(jī)械前處理方法可高效解決以上難題。機(jī)械處理是依靠高強(qiáng)度的摩擦、撕拉等機(jī)械力的作用,使秸稈表面葉片、葉鞘脫除,并使表面蠟狀物質(zhì)部分脫落、表面粗糙度增加的手段。周定國(guó)等[6]開(kāi)發(fā)了雙鼓輪刨片機(jī)對(duì)麥秸和稻草進(jìn)行切斷,錘式再碎機(jī)對(duì)原料細(xì)化,環(huán)式打磨機(jī)進(jìn)一步處理原料,處理后的秸稈更利于膠合, Yang等[7]采用固態(tài)剪切銑削工藝為纖維表面改性。該工藝使小麥秸稈具有超細(xì)粒徑。光學(xué)和電子顯微鏡表明,固態(tài)剪切銑削工藝對(duì)纖維素納米纖維、半纖維素和木質(zhì)素表現(xiàn)出優(yōu)異的分散性。制備的復(fù)合材料擁有較高的彎曲模量。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一種秸稈前處理裝置—除葉整理機(jī),適合于制備玉米秸稈人造板的原料前處理。

1 總體結(jié)構(gòu)

除葉整理機(jī)是一種秸稈原料前處理裝置,由框架、柔性處理袋、凸輪翻搓機(jī)構(gòu)、鏈刀切割機(jī)構(gòu)、限位輥等主要部件組成。框架內(nèi)開(kāi)設(shè)有空腔,空腔內(nèi)設(shè)置有U形的柔性處理袋,柔性處理袋上方開(kāi)設(shè)有進(jìn)料口,柔性處理袋下方設(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)柔性處理袋及袋內(nèi)秸稈的運(yùn)動(dòng)的凸輪組件;框架上方設(shè)置有鏈刀切割機(jī)構(gòu),框架與鏈刀切割機(jī)構(gòu)之間設(shè)置有喂料口。玉米秸稈從喂料口橫向進(jìn)入至柔性處理袋的進(jìn)料口內(nèi),多個(gè)凸輪圍繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng),凸輪組放置在柔性處理袋外部,在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中能夠推動(dòng)柔性處理袋往復(fù)運(yùn)動(dòng),迫使柔性處理袋的秸稈前后及上下翻滾運(yùn)動(dòng),凸輪翻搓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速器型號(hào)TR28-Y0.55-4P-39.25-M1-Ⅱ。電機(jī)功率0.55 kW,輸出轉(zhuǎn)速(max)354 rpm,可變頻調(diào)速。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,葉鞘間相互摩擦,通過(guò)上拋、自然跌落及秸稈間的摩擦,使葉及葉鞘部分破碎。處理后切落的葉片及葉鞘能夠從長(zhǎng)方形孔洞內(nèi)掉落,通過(guò)可視窗便于觀察柔性處理袋內(nèi)及腔體內(nèi)的狀態(tài),當(dāng)需要進(jìn)行清理時(shí),打開(kāi)可視窗便于處理掉落的葉片及葉鞘。框架內(nèi)設(shè)置有限位輥,用于防止柔性處理袋內(nèi)的秸稈發(fā)生水平旋轉(zhuǎn),使其能夠沿限位輥直徑方向拋動(dòng)旋轉(zhuǎn),從而便于鏈刀切割機(jī)構(gòu)切除葉鞘以及使得秸稈能夠順利出料。設(shè)置鏈刀切割機(jī)構(gòu),包括多組平行設(shè)置的切割組件,安裝有多個(gè)齒刀和割刀,通過(guò)柔性處理袋上端的鏈條連動(dòng)割刀及齒刀,利用割刀劃開(kāi)葉鞘,利用齒刀撕裂葉鞘,對(duì)秸稈側(cè)面進(jìn)行切削,脫除秸稈葉鞘、葉片。電機(jī)減速器驅(qū)動(dòng)六角形鏈輪組帶動(dòng)鏈排縱向運(yùn)動(dòng), 鏈排上安裝有割刀與齒刀,承載鏈排運(yùn)動(dòng)的的六角形鏈輪組帶動(dòng)鏈條平動(dòng)的同時(shí)還產(chǎn)生鏈條的周期性上下跳動(dòng)。割刀與齒刀在平動(dòng)+跳動(dòng)的復(fù)合作用下,對(duì)橫置秸稈產(chǎn)生的切割與刮斷作用更加有效。在平動(dòng)+跳動(dòng)的復(fù)合作用下,秸稈上的枝葉被去除,同時(shí)推送物料前行排向出料口。由于鏈排預(yù)置有較大的懸垂量,對(duì)橫置秸稈產(chǎn)生的切割與刮斷作用的縱向長(zhǎng)度可調(diào)整到較大范圍,使枝葉被去除的效果增強(qiáng)。鏈排割刀機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速器型號(hào)TR28-Y0.55-4P-39.25-M1-Ⅱ3,電機(jī)功率0.55 kW,輸出轉(zhuǎn)速(max)354 rpm, 可變頻調(diào)速。裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 除葉整理機(jī)總體結(jié)構(gòu)

2 機(jī)理分析

2.1 秸稈拉伸試驗(yàn)研究

陳爭(zhēng)光等[8]對(duì)玉米秸稈皮的拉伸和剪切特性進(jìn)行了二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分別建立了玉米秸稈皮的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度的二次回歸旋轉(zhuǎn)正交模型。經(jīng)過(guò)方差分析得出,含水率、取樣高度兩個(gè)因素對(duì)玉米秸稈皮的抗拉強(qiáng)度有顯著的影響。含水率小于30%時(shí),玉米秸稈皮抗拉強(qiáng)度隨含水率增加而增加,拉伸過(guò)程以彈性變形為主,含水率為30%時(shí),抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值,含水率大于30%時(shí),拉伸過(guò)程以塑性變形為主,抗拉強(qiáng)度隨含水率升高而降低。對(duì)于取樣高度單因素效應(yīng)曲線來(lái)說(shuō),極值點(diǎn)近似位于秸稈下部,也就是說(shuō),玉米秸稈皮的抗拉強(qiáng)度隨取樣高度的升高有下降的趨勢(shì)。這可能與秸稈皮中木質(zhì)素分布有關(guān)系,玉米秸稈從上到下,木質(zhì)素含量逐漸增加,秸稈下部較高含量的木質(zhì)素提高玉米秸稈的強(qiáng)度,從而起到支撐植株的作用[9]。當(dāng)取樣高度下部稍偏上,含水率約 30%時(shí),玉米秸稈皮的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值 67.2 MPa。為了促使除葉整理機(jī)更高效運(yùn)轉(zhuǎn),提高秸稈葉片、葉鞘的脫除率,可以將原料含水率控制在當(dāng)?shù)仄胶夂噬舷?。另一方?30%的含水率有利于提高玉米秸稈皮穰分離之后秸稈皮的完整性。從剪切試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆治鼋Y(jié)果可以看出,取樣高度對(duì)玉米秸稈皮的剪切強(qiáng)度的影響不顯著,含水率和剪切速度對(duì)玉米秸稈皮的剪切強(qiáng)度影響較顯著。高含水率時(shí),玉米秸稈皮的剪切強(qiáng)度隨剪切速度的提高而升高,最高值大約 18 MPa。因此,高含水率和適當(dāng)?shù)逆湹肚懈钕到y(tǒng)旋轉(zhuǎn)速度有利于提高玉米秸稈皮穰分離后秸稈皮的完整性和分離效率。

2.2 凸輪翻搓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)玉米秸稈在柔性處理袋中的翻搓運(yùn)動(dòng),設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng),對(duì)柔性處理袋推動(dòng),促使處理袋中的秸稈繞限位輥轉(zhuǎn)動(dòng)。凸輪機(jī)構(gòu)是機(jī)械中的一種比較常用的機(jī)構(gòu),由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架組成的高副機(jī)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)控制。本文凸輪是一個(gè)具有曲線輪廓構(gòu)件,為主動(dòng)件,作等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。柔性處理袋與凸輪輪廓接觸,通過(guò)凸輪傳遞的動(dòng)力實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,為從動(dòng)件。由盤形凸輪組成凸輪組,只要正確地設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線,就能使從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)任意給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、工作可靠、易于設(shè)計(jì)。由于凸輪機(jī)構(gòu)屬于高副機(jī)構(gòu),故凸輪與從動(dòng)件之間為點(diǎn)或線接觸,不便潤(rùn)滑、易于磨損。因此,凸輪機(jī)構(gòu)用于傳力不大的控制機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

在確定了從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和一些基本參數(shù)后,需要通過(guò)輪廓法或解析法設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線?；驹硎鞘褂梅崔D(zhuǎn)法的原理。即當(dāng)凸輪以ω做逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí),給從動(dòng)件連同導(dǎo)路施加一個(gè)-ω的反向運(yùn)動(dòng),使凸輪相對(duì)靜止,各構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不變,而從動(dòng)件一方面隨導(dǎo)路起以角速度-ω順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),一方面又在導(dǎo)路中做相對(duì)移動(dòng)。反轉(zhuǎn)法的目的是在圖紙上方便地繪制出凸輪的輪廓曲線。已知凸輪的基圓半徑r0,角速度ω和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律s-ρ,見(jiàn)圖2(a)用圖解法設(shè)計(jì)對(duì)心直動(dòng)式盤形凸輪的輪廓曲線。從圖2(a) 中得出,凸輪的推程運(yùn)動(dòng)角為120°,遠(yuǎn)休止角為 60°,回程運(yùn)動(dòng)角為 90°,近休止角為 90°,推程為等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律,回程為等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在圖解法設(shè)計(jì)之前,將已知的從動(dòng)件位移線圖s-ρ曲線按該線圖的橫坐標(biāo)(凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度)分成若干等份 (原則是: 陡密緩疏) ,得分點(diǎn) 1,2,...,并作出數(shù)字標(biāo)記,推程階段 (從動(dòng)件的上升階段) 8等分,回程階段 (從動(dòng)件的下降階段) 8 等分,停程 (從動(dòng)件的靜止階段) 不等分。以凸輪的回轉(zhuǎn)中心為圓心,以r0為半徑作基圓,作徑向輔助線,反向等分各運(yùn)動(dòng)角并與基圓交于各點(diǎn)。自基圓圓周開(kāi)始沿各徑向輔助線量取從動(dòng)件在各位置上的位移量,將各尖底點(diǎn)的軌跡連接成一條光滑的曲線,圖2(b)為設(shè)計(jì)完成的對(duì)心直動(dòng)式盤形凸輪的輪廓曲線。

圖2 圖解法設(shè)計(jì)對(duì)心直動(dòng)式盤形凸輪結(jié)構(gòu)

2.3 機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)功能

凸輪翻搓機(jī)構(gòu)的布袋,載物后的實(shí)際形狀會(huì)隨載物量多少即時(shí)變化。當(dāng)凸輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)布袋若不能順利隨動(dòng),可通過(guò)移動(dòng)凸輪軸承座縱向位置加以改善。凸輪軸承座縱向位移有三個(gè)工位共選擇。布袋出料端的高度可根椐出料量大小和對(duì)物料出凈周期長(zhǎng)短的要求確定,出料量大選低位、反之選高位;物料出凈周期長(zhǎng)選高位、反之選低位。鏈排割刀機(jī)構(gòu)的鏈條懸垂量初調(diào)可定為60 mm ,使用中可按需要增減鏈節(jié)與割刀。鏈排割刀機(jī)構(gòu)的六角鏈輪組出料端有兩個(gè)工位可選。當(dāng)需要出料量大和對(duì)物料出凈周期長(zhǎng)時(shí),可選高位、反之選低位。調(diào)整工位高低時(shí),鏈排的長(zhǎng)度也可能需要調(diào)整。

3 結(jié)束語(yǔ)

該裝置可實(shí)現(xiàn)高效脫除玉米秸稈葉片、葉鞘的功能,并部分的脫除玉米秸稈表面地表面能物質(zhì),所得原料可用于后續(xù)玉米秸稈人造板材的制備。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力(物料含水率不大于7%) 為280 kg/h,對(duì)玉米秸稈的平均糙化率可達(dá)7%～33%。開(kāi)機(jī)前應(yīng)清理待用工具及雜物,巡視重要部件如凸輪翻搓機(jī)構(gòu)、鏈排割刀機(jī)構(gòu)、后方可開(kāi)車。鏈條表面,用油N46機(jī)械油使用毛刷局部涂抹保養(yǎng),電機(jī)減速器齒輪箱,用油N46機(jī)械油方法使用油槍壓注保養(yǎng),軸承、鏈條,用油1#鋰基潤(rùn)滑脂清洗、加油,電機(jī)軸承減速器齒輪箱,用油N46機(jī)械油清洗、加油。