挤压喂入式香蕉秸秆脱水粉碎机的设计

施晓佳,王自强,梁 栋,李 粤，张喜瑞

(海南大学 机电工程学院，海口 570228 )

0 引言

香蕉作为世界著名的热带经济作物,在我国主要分布在广东、广西、海南、福建等地区，而香蕉秸秆作为香蕉产区的主要副产物,全国年生产量将近3 000多万t[1-2]。香蕉在收获的同时也会生出大量香蕉秸秆，在我国热带区域，长期以来香蕉秸秆都被当地蕉农视作废弃物，大量堆积在香蕉地中，等待自然分解。香蕉秸秆可作为一种丰富的植物资源，有着较高的营养价值和开发价值，若经过合理的加工处理，在青贮饲料、制药、生物质能源、食用菌栽培及造纸业都有着巨大的应用潜力[2-3]。

当前,大部分香蕉种植生产区仍然采用着传统的人工砍伐搬运、自然腐烂及干枯焚烧等方式来处理香蕉秸秆，不但劳动强度大、生产效率低、生产成本高,而且会造成环境污染和资源浪费[3-4]。目前，我国香蕉秸秆处理技术仍然不成熟，在采用现有机械作业时仍要付出很大的人力劳动，粉碎效率比较低，粉碎后的秸秆依然需要很长时间才能完全腐烂，且由于香蕉秸秆富含大量纤维，在粉碎香蕉秸秆时会造成纤维缠绕刀轴现象，进而导致机器不能正常运作[5-6]。同时，香蕉秸秆富含大量水分，若单纯地粉碎香蕉秸秆，粉碎后的香蕉秸秆仍然含有大量水分，会造成运输成本的增加[7-8]。

目前，我国对于香蕉秸秆粉碎机的研究，仍然停留在初始阶段[9]。朱德荣等[10]设计了一种能一次性将香蕉的假茎、叶、根茬同时粉碎还田的还田机具，避免了拖拉机多次进地，降低了作业成本；但存在粉碎刀易磨损、机器振动过大等问题，需进行进一步优化。针对喂入困难、粉碎不彻底等问题，海南大学教授李粤等[11]研发的粉碎还田机，可连续执行香蕉秸秆推倒、铲断、喂入、粉碎和还田等系列动作，粉碎率达到了94.9%；但由于采用了径向切割的方式去粉碎香蕉秸秆，粉碎过程中甩刀会对秸秆产生一个很大的横向摆力，从而对还田机喂入辊的夹持有很高的要求；另外，在压辊挤压输送香蕉假茎的过程中压辊辊齿易产生缠绕。张喜瑞等[12]研发的滚割喂入式卧轴甩刀香蕉假茎粉碎还田机，能较流畅完成香蕉秸秆喂入、粉碎和还田等作业。该样机工作性能稳定、油耗低、振动小，实验显示香蕉秸秆的切碎长度为平均56mm，粉碎合格率甚至高达96.6%，优于行业标准；但存在螺旋刀片易产生形变影响喂入效果、锤爪式粉碎刀易磨损、更换成本高及卧式还田机易缠绕等问题，需进行进一步优化。

针对现如今香蕉秸秆粉碎机械普遍存在粉碎效果不佳、使用不方便、及工作性能不稳定等问题，研制了挤压喂入式香蕉秸秆脱水粉碎机[13]，将脱水和粉碎结合一体，并有效避免作业过程中因机具纤维缠绕而导致能耗增加及效率降低等问题[13-14]。该香蕉秸秆脱水粉碎机能有效地脱去香蕉秸秆的大量水分，且在脱去水分的同时挤压辊破坏了香蕉秸秆的纤维组织，使得在粉碎刀对秸秆进行切削粉碎时秸秆粉碎得更彻底。香蕉秸秆经过挤压脱水以及被有序地向粉碎装置输送，粉碎后的秸秆不仅长度一致，而且长度较短，含水量较低，便于制作加工青贮饲料。整机结构紧凑，可以在香蕉田间直接处理香蕉秸杆，粉碎效率高，粉碎后的秸秆可用作青贮饲料及生物质能源，有效促进了香蕉秸秆的综合利用，促进香蕉种植户的增收，具有积极的推广意义[13-16]。

1 结构和工作原理

1.1 整体结构

挤压喂入式香蕉秸秆脱水粉碎机，主要由机架、挤压脱水装置、秸秆切碎装置、动力传递系统和行走装置组成，如图1所示。整机性能指标及技术参数如表1所示。

1.喂料斗 2.缺口矩形板 3.收集槽 4.第1支柱 5.行走轮 6.第2支柱 7.V带 8.粉碎带轮 9.挤压下辊 10.挤压上辊

项目单位设计参数外形尺寸mm1000×800×800配套动力kW4喂入量kg/s1.5

续表1

1.2 工作原理

香蕉秸秆通过喂料斗进入挤压装置，此时表面上均分布有在轴向上错位排列挤牙齿的挤压上辊和挤压下辊边通过传动系统开始作业；滚轧挤压脱水结束后，秸秆有序地传送到粉碎装置，横截面为矩形、刀刃呈锯齿形的粉碎刀片便开始作业，对秸秆进行彻底、深入的粉碎，粉碎出长度一致且较短、含水量较低的秸秆，保证了秸秆纤维缠绕情况较少；最后，粉碎好的香蕉秸秆通过收集槽排出还田。

2 主要工作部件及参数

2.1 挤压喂入装置

喂料装置由喂料斗、螺栓、挤压辊安装架组成，如图2所示。喂料斗水平放置时，从上往下看为上窄下宽状梯形，通过螺栓固连在挤压辊安装架上，通过拆解螺栓即可调节喂料斗相对于挤压辊安装架的角度；挤压辊安装架通过其底部4个安装支座与机架螺栓连接。

1.链轮 2.传动轴 3.铲刀刃口 4.锯齿式压辊 5.轴承座 6.喂入压辊轴

挤压装置由表面均分布有挤压齿的挤压上辊、挤压下辊及挤压链轮、挤压齿轮组成。挤压齿纵截面形状为等腰三角形，挤压齿在同一径向平面内等角度排列，相邻两挤压齿夹角为36°。挤压上辊的横向转动连接由两端的轴及挤压辊安装架上的轴承构成，挤压链轮固结在挤压上辊右端轴的端部，挤压下辊通过两端的轴及挤压辊安装架上的轴承构成横向转动连接，挤压齿轮固结在挤压下辊左端轴的端部，挤压上辊的中心线与挤压下辊的中心线在同一竖直面内，挤压上辊的中心线与挤压下辊的中心线之间有10cm间隙。所述粉碎刀片横截面为矩形，刀刃呈锯齿形，刀刃厚度为2～4mm，通过螺栓与刀座连接，在单一刀片磨损后，可通过拆卸螺栓对受损的刀片进行更换。滚动喂入装置如图3所示。

图3 滚动喂入装置结构示意图

香蕉秸秆脱水粉碎机的喂入装置上方布置压辊，起到抓取并且喂入秸秆的作用。装置选择使用锯齿式压辊，便于秸秆顺利喂入。压辊主要工作参数有辊筒直径D(mm)、支撑钢板和压辊轴线距离h1(mm)及压辊转速n1(r/min)。

由公式(1)[17]可得压辊辊筒的直径为

(1)

其中，Dmin为辊筒最小直径(mm)；qn为压延比，取qn=50%；A为香蕉秸秆压缩前截面直径，取值范围为[250,350]mm；F为压辊与秸秆之间的摩擦力(N)；P为压辊作用于秸秆的正压(N)；β为摩擦角(°)。

由库伦定律，可得摩擦因数u=F/P，进一步可得u=tanβ或u≈β。试验测定u的范围为 [0.7,0.87]，计算可得β值在40°～50°之间，代入(1)式，取整后得Dmin为106～202 mm。若辊筒直径取值太小，则不易抓取茎细的香蕉秸秆；若辊筒直径取值太大，对香蕉秸秆的抓取效果提高的同时却加大了拖拉机的能耗[18]。考虑到以上两个因素，则压辊辊筒直径D确定为120mm。

为了提高喂入辊抓取香蕉秸秆的有效性，进一步根据公式[11]h1

影响香蕉秸秆粉碎效果的因素很多，其中压辊转速尤为重要。该机器的行进速度v(m/s)定义为：压辊抓取香蕉秸秆前后转速差。若压辊转速过大，则机具功率消耗过多,导致能源浪费；若转速过小,秸秆将在机具作用下被迫推进，相应功率消耗增大。当压辊的线速度等于秸秆的相对速度(即v线=v相时，不仅能够使秸秆稳定地喂入粉碎室，同时整机消耗功率也最小。因此，取v线=v相=v=0.5～0.8 m/s。[19]。压辊转速与压辊线速度满足的公式为

(2)

其中，n1为压辊转速(r/min)；v线为压辊的线速度(m/s)。

由前面可知：v线=0.5～0.8 m/s，D=120 mm。代入(2)式，计算得压辊的转速n1范围为 79.62～ 127.39 r/min。当进料速度小于机具行走速度时，秸秆的喂入与被迫向前推进将一起进行，相应的机具功率消耗增大,粉碎效果降低。其中，l为香蕉秸秆切碎长度(mm)；ε为打滑系数，一般取ε=0.05～0.07。因此，v线取最大值时，对应取n1=127.39 r/min。

2.2 粉碎装置

粉碎装置由粉碎刀轴、刀座、刀片、粉碎带轮组成。粉碎刀轴通过与轴承支座上的轴承配合与机架构成横向转动连接，刀片通过螺栓连接在夹角为180°的刀座上，刀座又固结在粉碎刀轴上，粉碎带轮固结在粉碎刀轴左端部，弧形秸秆收集槽置于粉碎刀轴的正下方，收集槽两端与机架上层纵向梁通过螺栓连接。刀片示意图如图4所示。

图4 刀片示意图Fig.4 The schematic diagram of blades

当保持动、定刀间隙不变时，秸秆切碎长度与喂入压辊转速、动刀片数量及动刀辊转速相关。经试验测定，当香蕉秸秆的切碎长度小于150 mm时，满足切碎要求，合格率大于90%。已知挤压辊转速为[319,478]r/min，秸秆粉碎刀辊转速为 [765,1095]r/min，由喂入压辊夹取秸秆送入粉碎装置时的速度即为喂入压辊速度v线。根据公式(3)计算可得

(3)

其中，v线为喂入压辊速度(m/s)；D为喂入压辊直径，D=120mm；n1为喂入压辊转速(r/min)。动刀片每秒对香蕉秸秆的切削次数L为

(4)

其中，Kd为动刀数，Kd=4；nq为动刀转轴转速(r/min)。切碎长度l的计算公式为

(5)

由式(3)～式(5)可得秸秆切碎长度l为

(6)

由式(6)可知：秸秆切碎长度正相关于喂入压辊转速和喂入压辊直径，负相关于动刀数量和动刀辊转速。因此，保持动刀数量和喂入压辊直径不变时，取喂入压辊转速最小、动刀辊转速最大，可得秸秆切碎长度最小值lmin；取喂入压辊转速最大、动刀辊转速最小，可得秸秆切碎长度最大值lmax。由式(6)可得，秸秆切碎长度取值范围为[50,80]mm。试验测得粉碎后秸秆长度均小于100 mm，故所设计的喂入辊转速、秸秆粉碎刀辊转速值均达到设计要求。

3 样机试验

3.1 试验条件

2017年9月16日，在海南大学机电工程学院农机试验基地，利用人工砍伐的香蕉秸秆，对挤压喂入式香蕉秸秆脱水粉碎机进行性能试验。该香蕉地收获后的香蕉树秸秆平均高度为1 500mm。

3.2 试验方法

本试验在秸秆脱水粉碎作业完成后进行了5次测量。依据试验目的确定该试验的试验指标，包括秸秆脱水粉碎机工作效率及香蕉秸秆粉碎合格率。秸秆粉碎长度不大于100mm为合格。

3.2.1 工作效率

通过称重仪将人工砍伐的香蕉茎秆均分为5组，每组质量为m，用秒表测定机器粉碎m1，香蕉秸秆所用的时间t0。试验测取5组数据，然后求平均值。粉碎机在正常工作时的工作效率Q如公式(7)所示，即

(7)

其中，Q为工作效率(kg/h)；m1为每组香蕉秸秆质量(kg)；t0为秸秆粉碎机粉碎质量为m1香蕉秸秆的工作时间(s)。

3.2.2 香蕉秸秆粉碎合格率

将粉碎后香蕉秸秆均分为5组，每组质量为M；然后测定每组长度小于或等于100mm 香蕉秸秆的质量m；香蕉秸秆粉碎合格率ρ通过式(8)可以求出，最后求得5组香蕉秸秆粉碎合格率的平均值。

(8)

其中，ρ为香蕉秸秆切碎率(%)；M为区域内所有香蕉秸秆的质量(kg)；m为粉碎完成以后香蕉秸秆长度小于或等于100mm(合格)的香蕉秸秆质量(kg)。

3.3 试验结果

挤压喂入式香蕉秸秆脱水粉碎机的主要性能指标测试结果如表2所示。

表2 主要性能指标测试结果

续表2

样机试验结果表明：样机作业工作效率的平均值为0.43hm2/h，香蕉秸秆粉碎合格率平均值达到96.98%，已达到香蕉秸秆粉碎合格率的标准要求。

4 结论

1)基于海南热区香蕉种植模式，结合香蕉秸秆物理机械特性及现有香蕉秸秆粉碎机所存在的问题，提出了一种针对香蕉秸秆进行脱水粉碎的处理方案，进而研制出挤压喂入式香蕉秸秆脱水粉碎机。

2)基于理论研究和经验分析，分别确定了挤压喂入式香蕉秸秆脱水粉碎机的结构与运动参数。采用理论建模，建立喂入装置输送速度与秸秆粉碎装置切削速度之间的曲线模型，从而实现喂入装置定速送入和秸秆粉碎刀径向垂直切割的有效配合，进而将香蕉秸秆彻底粉碎。

3)挤压喂入式香蕉秸秆脱水粉碎机的成功研制，避免了香蕉秸秆资源的浪费，降低了热区蕉农的劳动强度。香蕉秸秆的粉碎还田一定程度上提升了热带地区土壤肥力，进而提高了热区热带作物的产量，最终促进了地方农业经济发展。