玉米秸秆前处理装置除叶整理机的设计

张佳彬, 张艳红, 王赫昱, 徐 林

(1.黑龙江省木材科学研究所,黑龙江 哈尔滨 150081;2.东北林业大学材料学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

当前,我国粮食总产量已连续7年稳定在0.65万亿kg以上。2021年,粮食产量创历史新高,达到6 828.5亿kg[1]。我国已是名副其实的农业大国。随之而来的是产生大量的农作物秸秆。利用焚烧为手段处理秸秆,会产生大气污染,增加碳排放量,仅2015年由秸秆焚烧引发的碳排放就达到3 450万t[2]。为了促使秸秆转化为绿色财富,国家提倡秸秆“五化”式综合利用[3],包括肥料化、饲料化、燃料化、基料化及原料化利用。板材加工是秸秆原料化利用的重要途径,既将秸秆垃圾变废为宝,又可缓解我国木材资源紧张的现实问题。

我国农作物秸秆资源丰富,大部分品种的秸秆纤维素含量都与木材接近,是理想的代替木材的原料[4]。玉米秸秆由秸秆皮、穰(髓)、叶片、叶鞘、雄穗组成,秸秆皮质地坚硬,纤维素含量可达45%左右,是加工人造板材的好原料。而叶片、叶鞘、穰(髓)含纤维素较少,适合加工为饲料。且秸秆表面有SiO2、角质蜡状膜等物质,会不同程度地影响水性胶粘剂的润湿性和渗透性,从而影响胶合强度[5],这些都是制约农作物秸秆生产板材的加工技术难题。使用机械前处理方法可高效解决以上难题。机械处理是依靠高强度的摩擦、撕拉等机械力的作用,使秸秆表面叶片、叶鞘脱除,并使表面蜡状物质部分脱落、表面粗糙度增加的手段。周定国等[6]开发了双鼓轮刨片机对麦秸和稻草进行切断,锤式再碎机对原料细化,环式打磨机进一步处理原料,处理后的秸秆更利于胶合, Yang等[7]采用固态剪切铣削工艺为纤维表面改性。该工艺使小麦秸秆具有超细粒径。光学和电子显微镜表明,固态剪切铣削工艺对纤维素纳米纤维、半纤维素和木质素表现出优异的分散性。制备的复合材料拥有较高的弯曲模量。本文在前人研究的基础上,设计一种秸秆前处理装置—除叶整理机,适合于制备玉米秸秆人造板的原料前处理。

1 总体结构

除叶整理机是一种秸秆原料前处理装置,由框架、柔性处理袋、凸轮翻搓机构、链刀切割机构、限位辊等主要部件组成。框架内开设有空腔,空腔内设置有U形的柔性处理袋,柔性处理袋上方开设有进料口,柔性处理袋下方设置有用于驱动柔性处理袋及袋内秸秆的运动的凸轮组件;框架上方设置有链刀切割机构,框架与链刀切割机构之间设置有喂料口。玉米秸秆从喂料口横向进入至柔性处理袋的进料口内,多个凸轮围绕轴心转动,凸轮组放置在柔性处理袋外部,在转动过程中能够推动柔性处理袋往复运动,迫使柔性处理袋的秸秆前后及上下翻滚运动,凸轮翻搓机构驱动电机减速器型号TR28-Y0.55-4P-39.25-M1-Ⅱ。电机功率0.55 kW,输出转速(max)354 rpm,可变频调速。在运动过程中,叶鞘间相互摩擦,通过上抛、自然跌落及秸秆间的摩擦,使叶及叶鞘部分破碎。处理后切落的叶片及叶鞘能够从长方形孔洞内掉落,通过可视窗便于观察柔性处理袋内及腔体内的状态,当需要进行清理时,打开可视窗便于处理掉落的叶片及叶鞘。框架内设置有限位辊,用于防止柔性处理袋内的秸秆发生水平旋转,使其能够沿限位辊直径方向抛动旋转,从而便于链刀切割机构切除叶鞘以及使得秸秆能够顺利出料。设置链刀切割机构,包括多组平行设置的切割组件,安装有多个齿刀和割刀,通过柔性处理袋上端的链条连动割刀及齿刀,利用割刀划开叶鞘,利用齿刀撕裂叶鞘,对秸秆侧面进行切削,脱除秸秆叶鞘、叶片。电机减速器驱动六角形链轮组带动链排纵向运动, 链排上安装有割刀与齿刀,承载链排运动的的六角形链轮组带动链条平动的同时还产生链条的周期性上下跳动。割刀与齿刀在平动+跳动的复合作用下,对横置秸秆产生的切割与刮断作用更加有效。在平动+跳动的复合作用下,秸秆上的枝叶被去除,同时推送物料前行排向出料口。由于链排预置有较大的悬垂量,对横置秸秆产生的切割与刮断作用的纵向长度可调整到较大范围,使枝叶被去除的效果增强。链排割刀机构驱动电机减速器型号TR28-Y0.55-4P-39.25-M1-Ⅱ3,电机功率0.55 kW,输出转速(max)354 rpm, 可变频调速。装置总体结构如图1所示。

图1 除叶整理机总体结构

2 机理分析

2.1 秸秆拉伸试验研究

陈争光等[8]对玉米秸秆皮的拉伸和剪切特性进行了二次回归正交旋转试验研究。在试验的基础上,分别建立了玉米秸秆皮的抗拉强度和剪切强度的二次回归旋转正交模型。经过方差分析得出,含水率、取样高度两个因素对玉米秸秆皮的抗拉强度有显著的影响。含水率小于30%时,玉米秸秆皮抗拉强度随含水率增加而增加,拉伸过程以弹性变形为主,含水率为30%时,抗拉强度达到最大值,含水率大于30%时,拉伸过程以塑性变形为主,抗拉强度随含水率升高而降低。对于取样高度单因素效应曲线来说,极值点近似位于秸秆下部,也就是说,玉米秸秆皮的抗拉强度随取样高度的升高有下降的趋势。这可能与秸秆皮中木质素分布有关系,玉米秸秆从上到下,木质素含量逐渐增加,秸秆下部较高含量的木质素提高玉米秸秆的强度,从而起到支撑植株的作用[9]。当取样高度下部稍偏上,含水率约 30%时,玉米秸秆皮的抗拉强度达到最大值 67.2 MPa。为了促使除叶整理机更高效运转,提高秸秆叶片、叶鞘的脱除率,可以将原料含水率控制在当地平衡含水率上下。另一方面,30%的含水率有利于提高玉米秸秆皮穰分离之后秸秆皮的完整性。从剪切试验模型的分析结果可以看出,取样高度对玉米秸秆皮的剪切强度的影响不显著,含水率和剪切速度对玉米秸秆皮的剪切强度影响较显著。高含水率时,玉米秸秆皮的剪切强度随剪切速度的提高而升高,最高值大约 18 MPa。因此,高含水率和适当的链刀切割系统旋转速度有利于提高玉米秸秆皮穰分离后秸秆皮的完整性和分离效率。

2.2 凸轮翻搓机构的设计

为实现玉米秸秆在柔性处理袋中的翻搓运动,设计凸轮机构往复运动,对柔性处理袋推动,促使处理袋中的秸秆绕限位辊转动。凸轮机构是机械中的一种比较常用的机构,由凸轮、从动件和机架组成的高副机构,可以实现机械自动控制。本文凸轮是一个具有曲线轮廓构件,为主动件,作等速回转运动。柔性处理袋与凸轮轮廓接触,通过凸轮传递的动力实现预定的运动规律,为从动件。由盘形凸轮组成凸轮组,只要正确地设计凸轮轮廓曲线,就能使从动件实现任意给定的运动规律,且结构简单、紧凑、工作可靠、易于设计。由于凸轮机构属于高副机构,故凸轮与从动件之间为点或线接触,不便润滑、易于磨损。因此,凸轮机构用于传力不大的控制机构和调节机构。

在确定了从动件的运动规律和一些基本参数后,需要通过轮廓法或解析法设计凸轮的轮廓曲线。基本原理是使用反转法的原理。即当凸轮以ω做逆时针方向转动时,给从动件连同导路施加一个-ω的反向运动,使凸轮相对静止,各构件之间的相对运动不变,而从动件一方面随导路起以角速度-ω顺时针转动,一方面又在导路中做相对移动。反转法的目的是在图纸上方便地绘制出凸轮的轮廓曲线。已知凸轮的基圆半径r0,角速度ω和从动件的运动规律s-ρ,见图2(a)用图解法设计对心直动式盘形凸轮的轮廓曲线。从图2(a) 中得出,凸轮的推程运动角为120°,远休止角为 60°,回程运动角为 90°,近休止角为 90°,推程为等速运动规律,回程为等加速等减速运动规律。在图解法设计之前,将已知的从动件位移线图s-ρ曲线按该线图的横坐标(凸轮的转动角度)分成若干等份 (原则是: 陡密缓疏) ,得分点 1,2,...,并作出数字标记,推程阶段 (从动件的上升阶段) 8等分,回程阶段 (从动件的下降阶段) 8 等分,停程 (从动件的静止阶段) 不等分。以凸轮的回转中心为圆心,以r0为半径作基圆,作径向辅助线,反向等分各运动角并与基圆交于各点。自基圆圆周开始沿各径向辅助线量取从动件在各位置上的位移量,将各尖底点的轨迹连接成一条光滑的曲线,图2(b)为设计完成的对心直动式盘形凸轮的轮廓曲线。

图2 图解法设计对心直动式盘形凸轮结构

2.3 机构的调节功能

凸轮翻搓机构的布袋,载物后的实际形状会随载物量多少即时变化。当凸轮运转时布袋若不能顺利随动,可通过移动凸轮轴承座纵向位置加以改善。凸轮轴承座纵向位移有三个工位共选择。布袋出料端的高度可根椐出料量大小和对物料出净周期长短的要求确定,出料量大选低位、反之选高位;物料出净周期长选高位、反之选低位。链排割刀机构的链条悬垂量初调可定为60 mm ,使用中可按需要增减链节与割刀。链排割刀机构的六角链轮组出料端有两个工位可选。当需要出料量大和对物料出净周期长时,可选高位、反之选低位。调整工位高低时,链排的长度也可能需要调整。

3 结束语

该装置可实现高效脱除玉米秸秆叶片、叶鞘的功能,并部分的脱除玉米秸秆表面地表面能物质,所得原料可用于后续玉米秸秆人造板材的制备。设计生产能力(物料含水率不大于7%) 为280 kg/h,对玉米秸秆的平均糙化率可达7%～33%。开机前应清理待用工具及杂物,巡视重要部件如凸轮翻搓机构、链排割刀机构、后方可开车。链条表面,用油N46机械油使用毛刷局部涂抹保养,电机减速器齿轮箱,用油N46机械油方法使用油枪压注保养,轴承、链条,用油1#锂基润滑脂清洗、加油,电机轴承减速器齿轮箱,用油N46机械油清洗、加油。