巨菌草茎秆粉碎机的设计研究

洪培瑶，林斯乐，张腾敏，郭巧惠

（福建农林大学金山学院信息与机电工程系，福建 福州350001）

0 引言

社会的发展及能源的消耗促使我们不断探索和发现新能源。目前许多西方国家已经把发展生物质能源作为解决其就业、代替化石燃料和降低大气污染等问题的战略措施来对待[1]。植物茎秆作为一种重要的生物质能源，一直以来都受到我国农业的广泛关注。历史上，我国很早就开始使用农作物茎秆来饲养牲畜或焚烧后作为农田的基肥。与此同时，我国还致力于探究不同植物茎秆的新用途。1983年福建农林大学菌草研究员林占熺从非洲引进巨菌草，将其培育成适应我国环境气候生长的经济作物[2，3]。随后我国对其深入研究，发现巨菌草具有营养丰富，糖分、蛋白质含量高，适口性好，用途广泛的特点，既可作为食（药）用菌的生产原料，又可加工成牛、羊、鹿等动物饲料，还具有较强的防风固沙的生态治理功能，是一种具有良好应用潜力的能源草、生态草。因此，迅速在我国的多个省份进行了大面积、规模化的种植。

巨菌草的力学特性研究是指利用力学性能试验机对其进行力学试验，从而获得其力学性能参数。目前，对于巨菌草茎秆的力学特性及粉碎机理的研究还比较少。董楸煌对成熟期的巨菌草茎秆进行了相关的力学性能试验，得出巨菌草莲秆拉伸弹性模量值为997 MPa、压缩的弹性模量值为67 MPa、抗拉强度90.9 MPa抗压强度6.6MPa[4,5]。由于对巨菌草力学特性及粉碎机理的研究较少，因此目前巨菌草粉碎机械仍沿用已研制成熟的水稻、玉米、小麦的粉碎机械[6-8]，或是对其加以改进后应用于巨菌草的粉碎。缺少力学性能的研究作为理论依据导致目前使用的巨菌草粉碎设备普遍存在粉碎均匀度和细粒度不够、容易堵塞筛网、磨损刀具及粉碎效率低下等问题。

1 巨菌草力学特性试验

1.1 试验设备

实验设备采用岛津精密电子力学实验机AG-XPlus，传感器量程10 kN，测量精确度±1%；AIRAJ型数显游标卡尺，量程150 mm，精度0.01 mm，进行顺纹拉伸、轴压、径压、三点弯曲等试验，应力—应变曲线由计算机自动记录，数据由TRAPEZIUMX软件获得。

1.2 巨菌草力学性能试验及分析

巨菌草茎秆如图1。拉伸试验结果显示，巨菌草整秆轴向拉伸底部、中部、上部的平均抗拉强度和均方差为210.659 MPa和15.145 MPa、216.6615 MPa和15.879 MPa、184.432 MPa和17.608 MPa。底部、中部、顶部的抗拉弹性模量平均值和均方差为4 369.876 MPa和587.845 MPa、4 974.479 MPa和630.181 MPa、3 548.948 MPa和765.079 MPa。试样破坏时的伸长量最大为1.297 mm，最小为0.317 mm，平均为0.934 mm。试验数据如表1，试验过程的应力—应变图如图2。

图1 巨菌草茎秆节间示意

图2 拉伸应力—应变图

表1 巨菌草整秆拉伸试验结果

由图2可知：试验开始后，在达到极限载荷前，试验曲线除去开始段预紧滑移的小部分近似线性关系，当载荷逐渐增大到强度极限时，茎秆会瞬间断裂，断裂形式为脆断，此后载荷急剧下降至0。由图像可以看出，拉伸应变量在9%以内就达到最大应力，试样被破坏，说明巨菌草具有脆性。

运用SPSS软件进行结果分析，得出不同试验部位的显著水平sig<0.05，表明在95%置信区间内，不同试验部位对抗拉强度的影响显著。试验部位对巨菌草抗拉强度的影响主要是由于巨菌草自身的结构特点决定的，巨菌草的抗拉强度与茎秆的维管束数量、木质化程度有关。越靠近顶部，巨菌草茎秆含水率越高，巨菌草茎秆抵抗形变的能力越低。

2 巨菌草粉碎机的设计

2.1 整体设计

整机工作过程为：利用电机及传送带将巨菌草茎秆送至压辊处，主动压辊在电机及齿轮减速机构的作用下与从动压辊共同低速旋压巨菌草茎秆，压裂后的茎秆继续被送入粉碎箱体进行粉碎，在电动机及带传动机构的作用下，一级粉碎刀具首先对巨菌草进行初次粉碎，较小的颗粒可以通过一级箱体的筛网孔排出，较大的颗粒被继续送至二级粉碎室进行二次粉碎后通过筛网孔排出。机具总体结构布置如图3，总体结构示意如图4。

图3 总体结构布置图

图4 总体结构示意

1.压辊电机2.齿轮减速箱3.主动压辊4.传送带5.传动带电机6.粉碎箱体7.粉碎电机8.支撑架9.二级粉碎室刀具组10.小带轮11.皮带12.大带轮13.一级粉碎室刀具组

2.2 压料辊子部件的设计

（1）压料过程。压料过程如图5：

图5 压料过程示意

（2）压料过程受力分析。实际工作过程中只有主动压辊有动力，因此受力分析时将从动压辊假设为一块平面。当茎秆被压入压料口时，压辊对茎秆产生作用力F，受力分析如图6。设作用力F与主动压辊轴心连线夹角为α。F的水平分力Fsinα将妨碍茎秆压入压料口，分力Ffcosα为压入茎秆的主要作用力，故压辊工作的必要条件为：

图6 压料过程受力图

则f=tanφ≥tanα，即φ≥α。

（3）压辊表面沟槽设计。为了增强压辊的抓料能力，应在压辊的表面开设沟槽，如图7。

图7 压辊表面设计示意

取沟齿数为10，则每个齿所对应的圆心角为36°，取齿顶弧长为1 mm（即1.43°），则巨菌草茎秆外径A=20 mm，压料口高度b=8 mm，因此压辊齿心垂距为40-12=28 mm。则沟齿初始工作角

在△OAB中：

故OB=35.6 mm，取OB=36 mm。压辊结构如图8。

图8 压辊结构示意

3 结论

（1）分析得出巨菌草整秆轴向拉伸底部、中部、上部的平均抗拉强度和均方差；底部、中部、顶部的抗拉弹性模量平均值和均方差。通过具体的弹性模量设计出巨菌草茎秆粉碎机。

（2）对巨菌草茎秆粉碎机的压辊进行理论设计，得到压辊沟槽工作面在工作状态时的角度为16.699°。

（3）粉碎机分成两个粉碎室，进行一次粉碎和二次粉碎，以便精细化粉碎，使颗粒细小，供农民培育菌类。