稻草水洗撕裂机运动分析

陈义厚 （长江大学机械工程学院，湖北 荆州434025）

我国农作物秸秆资源十分丰富，农作物秸秆的综合利用已经成为农业发展的一个新焦点。以农作物秸秆作为食用菌培养料早已在食用菌行业发展起来。为进一步提高食用菌的经济效益，食用菌培养过程中培养料的制备是一个关键，备料的经济效益直接影响食用菌生产的经济效益［1］。目前，秸秆作为食用菌培养料其加工方法主要有机械切断或粉碎及其他化学方法。营养学研究表明，食用菌培养料的制备原料稻草在切断或粉碎后营养成分丢失过多，这不利于其作为营养食用菌培养料的原料。而将稻草撕裂成细长丝状，然后再作为培养料其营养损失大大降低，这对食用菌的培养是很有利的。本研究主要从稻草的物理丝化方法入手设计了一种新的稻草加工处理机械——稻草水洗撕裂机，其主要作用是完成稻草的物理撕裂作业，为食用菌培养料的制备做准备。

1 结构及工作原理

该机由机座、电机、皮带轮、传动轴、底刀座、底刀、撕裂刀、刀架辊、挡水罩、挡水槽等组成［2］，如图1所示。

其工作原理如下：电动机7通过带传动8将动力传递给传动轴4；传动轴4通过法兰盘2与刀架辊5连接在一起，这样传动轴4就带动刀架辊5旋转，从而带动连接在刀架辊上的撕裂刀1绕轴旋转。稻草从喂入口喂入机内，由于撕裂刀在刀架辊上按特殊的双线螺纹排列，稻草在撕裂的过程中将受到撕裂刀对其的轴向作用力，底刀12是静止的；因此撕裂刀和底刀之间形成剪切作用，由于撕裂刀制成特殊形状 （等滑切角），在这个剪切作用下稻草将被撕裂。

图1 结构与原理图

2 撕裂机理的初步分析

2.1 横断切、斜滚切、削切、撕裂的差异比较

由于稻草秸秆主要由纤维素构成，其纤维方向与茎秆轴线方向平行。因此切割茎秆的方向与其切割阻力和功率消耗有着密切的关系。根据已有的资料，按图2几种切割方向 （横断切：切割面和切割方向与茎秆的轴线方向垂直；斜切：切割面与茎秆轴线偏斜，但切割方向与茎秆的轴线方向垂直；削切：切割面和切割方向都与茎秆的轴线方向偏斜；撕裂：刀刃切线方向与轴线方向平行）。其切割阻力和功率消耗有较大的差异。

图2 几种切割方向

经试验可知：横断切的切割阻力和功率消耗最大；斜切较横断切的切割阻力和功率消耗降低30%～40%；削切较横断切的切割阻力降低60%，功率消耗降低30%。而撕裂消耗的功率最小，功率消耗降低50%以上。

切割理论指出：刀刃的运动方向对切割阻力影响较大，如刀刃沿垂直于刃线方向切入茎秆时，则切割阻力较大；若刀刃沿刃线的垂线偏一α角方向切入茎秆时 （为滑切），则切割阻力较小［3］。根据试验结果，可归纳为下列经验公式：

式中，P为切割阻力；s为滑切长度。

对于撕裂，由于其撕裂过程与切割过程有很多相似之处，因此这个经验公式也可以引用到撕裂过程当中。

2.2 稻草材料的力学行为分析

在切割理论中，为减小功率耗用，切割刀片一般采用等滑切角设计。这种设计已大量应用于生产实际，并且起到很好的经济效益。而对于稻草撕裂机的设计，需要建立相应的撕裂理论，因撕裂与切割有很大的相似之处，如图3所示将稻草理想化为带状物，则切割过程实际上就是要求从带状物的ab方向将其切断。根据材料力学原理可知，ab方向的剪切力与ab方向的剪切弹性模量有关。对于撕裂过程，实际上就是沿带状物的长度方向cd切断，这个过程就是撕裂过程。同样根据材料力学原理可知，其撕裂力与cd方向的剪切弹性模量有关。对于稻草而言，ab方向和cd方向的剪切弹性模量差别是很大的，反映到实际中就是ab方向 （即将稻草拉断或切断）需要较大的力才能将其破坏；而cd方向易与将其撕开。

图3 撕裂切割对比分析图

综上所述，对于带状稻草，切割与撕裂其实质是一样的，都是稻草在力的作用下破坏而形成碎状或丝状。所不同的是，稻草在这2个方向的破坏其力学特性不同；也就是说2个方向要将其破坏，只是所需要的力不一样而已。因此，在撕裂理论还没有建立的前提下，借鉴切割理论用来研究撕裂过程很有必要，而且在一定范围是有效的。故后述的研究都是建立在较成熟的切割理论的基础上来设计的。

2.3 撕裂刀的工作过程分析

为了分析论证稻草撕裂机的撕裂效果，有必要对撕刀的撕裂过程进行分析，图4是撕刀在机内的安装结构简图。

由图4可知，刀架辊与底刀安装板之间形成一个狭小的空间。稻草喂入机内后将被限制在刀架辊与底刀安装板的狭小空间内，因此受到刀架辊与底板对其的挤压作用，在这个作用下稻草同时会受到底板对其的摩擦和底刀产生的阻碍作用，由于受多方面的作用，撕刀的绝对速度将大于稻草在机内的旋转速度，在这个速度差的作用下稻草即可被撕裂。

由于稻草撕裂时撕刀的撕裂方向沿稻草的纤维方向。加之稻草本身的外形较细，所以撕刀很容易处在2根稻草之间的间隙中，如果稻草排列为理想的整齐状态，很显然撕刀将出现空转而达不到应有的撕裂效果。而实际上，稻草受到一定的挤压，还有相连两底刀的限制作用，撕刀将很容易通过自身的撕裂齿的挂带作用将稻草撕裂。但实际工作过程比较复杂，有些可能在一段时间达不到撕裂。但只要有足够的时间，所有的稻草将被撕裂。所以撕裂机的工作效果在理论上是行得通的。

图4 撕裂工作过程分析图

2.4 刀片等滑切角几何模型的建立

任何刀具在完成切割、撕裂等工作都需要耗用一定的功率，不同的刀刃曲线对功率的耗用是有很大差别的。为了寻求较低的功率耗用，必须从理论上分析和建立设计依据。因撕裂理论还没有相关的理论依据可供参考，考虑切割与撕裂的对比的相似之处，因此切割理论对撕裂理论的建立有很大的参考价值。下面就等滑切角几何模型作简要分析［4］。如图5所示，取坐标轴OX与刀柄中轴线DE重合，动刀片绕其极点O回转进行撕裂。当刀片绕极点O由任意θ角转dθ角时，其上任意点M变到M′点，矢径r变到r′，增加dr；若dθ很小，趋近于零，可视为直线，弧与直线MN相等。若以v，vm，vt分别代表M′点的速度、法向速度、切向速度。根据滑切角的定义，在ΔMM′N 中有：

图5 等滑切角几何模型分析图

若曲线上滑切角为给定常数，且令tanτ＝k，则上式变为：

等式两边积分得：

当θ＝0时，C1＝lnr0（r0为θ＝0时时r的值）。由此解得：

该方程即为对数螺线方程 （等滑切角曲线方程）。它的几何意义为经过极点O的各条射线与曲线交点的切线间的夹角均相等，且等于刀片的给定滑切角，这即为等滑切角刀片设计的理论依据。

2.5 稻草在撕裂机内的运动分析

稻草在撕裂机内主要受到撕裂刀和底刀的相互作用力，撕裂刀可能将稻草牵带一起作圆周运动。由于底刀的作用，当稻草被底刀挂带后稻草将在很短的时间内完成撕裂工作。稻草撕裂机的结构原理很简单，但是撕裂机的工作过程确十分复杂。稻草即不能视为质点的运动，也不能视为秆件类物体的运动。因为稻草在运动过程中有可能缠绕一定的时间，这就说明稻草这种材料几乎不可能将其进行简化。因为简化后误差太大，最后得到的结论将没有多大意义。为了较为真实地了解稻草在机内的运动情况，最好的办法是通过观察设备或摄相设备绘制出稻草在机内的瞬间运动照片。在通过一定的分析就可判断稻草的实际运动情况。

了解稻草在撕裂机内的运动情况主要是为了分析撕裂机的各部件对稻草撕裂的影响情况，以便于找到最好的撕裂效果，而且是最经济的。所以稻草撕裂机的机内运动分析对于理论研究是十分重要的。

3 小结

稻草水洗撕裂机机结构简单，操作方便，使用安全可靠；稻草经该机加工后，被切成100mm左右的半成品，并撕裂开来，有利于微生物吸收养分的需要；该机使得利用稻草作为栽培食用菌的原料的广泛应用成为可能。稻草原料来源广泛，成本低廉。湖北省是全国水稻集中产区之一，稻草资源丰富。以湖北监利、洪湖等集中产稻区为例，1kg稻草成本0.2元，经该机加工后，能生产鲜菇类0.5～0.8kg，产值0.9～1.5元，扣除综合成本0.3～0.4元，1kg稻草经济效益0.6～1.1元。开发利用稻草资源对提高产稻区农民的积极性意义重大，且能消除由于焚烧给农村农田带来的环境污染。

［1］陈启武.香菇与姬松茸 ［M］.贵阳：贵州科学技术出版社，2003：19－20.

［2］陈义厚，李定国.稻草水洗撕裂机的研制 ［J］.机械设计与制造，2004，（2）：112－113.

［3］刘德军.农作物秸秆丝化加工特点及机理分析 ［J］.农机化研究，2004，（7）：58－60.

［4］郭 艳.盘刀式切碎器刀刃曲线对切割能耗的影响 ［J］.吉林农业大学学报，2003，（2）：38－39.