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摘要:
棉秸稈的綜合利用越來(lái)越得到人們的重視。棉秸稈利用的重要一個(gè)環(huán)節(jié)就是粉碎。目前錘片式秸稈粉碎機(jī)是應(yīng)用較為廣泛的一種秸稈粉碎機(jī),但是影響秸稈粉碎機(jī)的參數(shù)很多,其中刀軸的轉(zhuǎn)速及錘片的數(shù)量等對(duì)其性能有很大影響。為此在理論設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)場(chǎng)地粉碎試驗(yàn)兩者相結(jié)合,得到棉秸稈粉碎機(jī)的最優(yōu)參數(shù)組合,為棉秸稈揉絲粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ),為棉秸稈的綜合利用奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:
秸稈;粉碎機(jī);錘片;優(yōu)化
目前,全國(guó)棉花種植面積約為6Mhm2,每年棉稈產(chǎn)量約為30Mt,新疆棉花種植面積約占全國(guó)的35%。棉花秸稈在傳統(tǒng)的利用模式是,一部分棉花秸稈被直接粉碎還田,但由于棉花秸稈表層非常堅(jiān)硬,棉花秸稈的根部木質(zhì)化較高,粉碎還田的棉稈轉(zhuǎn)年不易腐爛,培肥地力效果不佳,并且嚴(yán)重影響下茬播種效果,還有土傳病害的問(wèn)題,不同程度地對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成影響。其余大部分秸稈未被利用而被付之一炬。近年來(lái)隨著棉稈造紙、造板、發(fā)電、氣化及油化等技術(shù)的廣泛應(yīng)用,棉稈資源商品化需求量迅猛增加,棉稈粉碎加工技術(shù)需求日益提高。搞好棉花秸稈的綜合利用,加快推進(jìn)棉花秸稈綜合利用,實(shí)現(xiàn)棉花秸稈的資源化和商品化,對(duì)國(guó)家促進(jìn)資源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)和農(nóng)民增收的重大意義[13]。棉秸稈的綜合利用大多數(shù)的用途必須經(jīng)過(guò)粉碎這個(gè)環(huán)節(jié),尤其作牲畜飼料,要求粉碎后的物料質(zhì)地柔軟、粉碎細(xì)膩、適口性好,從而使牲畜咀嚼更容易,解決了牛羊等反芻動(dòng)物在采食時(shí)過(guò)多消耗體能的問(wèn)題,還解決了物料的浪費(fèi),提高了采食率和消化率。這樣就要求秸稈粒度盡可能的小、絲化率盡可能高,而市場(chǎng)上現(xiàn)有的棉秸桿揉絲粉碎機(jī)對(duì)長(zhǎng)料秸稈需要先切斷才能進(jìn)行粉碎,粉碎力度及揉絲效果較差。常見(jiàn)的粉碎機(jī)分為以下三種:(1)對(duì)輥式粉碎機(jī),其原理是利用一對(duì)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的圓柱體進(jìn)行鋸切、研磨,具有生產(chǎn)率高、功率低、調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點(diǎn)。(2)齒爪式粉碎機(jī),其原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的齒爪擊碎物料,具有體積小、重量輕、粒度細(xì)的特點(diǎn)。(3)錘片式粉碎機(jī),其原理為利用高速旋轉(zhuǎn)的錘片來(lái)?yè)羲槲锪希哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、生產(chǎn)率高等特點(diǎn)。本文在研學(xué)了鍘草機(jī)和粉碎機(jī)等機(jī)型的特點(diǎn)后改進(jìn)設(shè)計(jì)出的一種新型棉秸稈粉碎機(jī)具,采取擠壓—切斷—粉碎工藝,利用對(duì)輥對(duì)棉秸稈進(jìn)行擠壓,兩個(gè)旋轉(zhuǎn)刀片對(duì)棉秸稈進(jìn)行切斷,然后采用錘片作為主要粉碎部件進(jìn)行粉碎,通過(guò)改變錘片數(shù)及旋轉(zhuǎn)速度,進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),得出最佳工作參數(shù)。
1結(jié)構(gòu)及工作原理
棉秸稈揉絲粉碎機(jī)主要由輸送裝置、對(duì)輥擠壓裝置、切斷粉碎裝置、動(dòng)力傳動(dòng)裝置、機(jī)架及行走輪組成,如圖1所示。輸送裝置采用鏈?zhǔn)捷斔蛶В鬯檠b置包含切斷刀、錘片、篩網(wǎng)等部件。輸送裝置與對(duì)輥擠壓裝置相連,依次緊跟著是切斷粉碎裝置,對(duì)輥位于切斷粉碎裝置的進(jìn)料口處,均固定在機(jī)架上。篩網(wǎng)位于粉碎室內(nèi),離錘片最頂端有一定的距離,錘片架上均布六根錘片軸,間隔三根錘片軸為一組。錘片由隔套隔開(kāi),兩組錘片相間分布,避免干涉,提高粉碎效率。作業(yè)時(shí),棉秸稈放入輸送裝置,輸送至對(duì)輥,初步進(jìn)行擠壓,然后進(jìn)過(guò)切斷輸送到粉碎室里,錘片在粉碎室里帶動(dòng)秸稈在篩網(wǎng)上反復(fù)揉搓,直至粉碎到一定的粒度,通過(guò)篩網(wǎng)孔落入粉碎室下部,再經(jīng)由錘片轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)將其吹出粉碎室,完成整個(gè)棉秸稈的粉碎過(guò)程。
2秸稈揉絲粉碎機(jī)工作過(guò)程的理論分析
2.1對(duì)輥直徑的確定對(duì)輥外形設(shè)計(jì)為溝槽形,由于溝槽型對(duì)輥對(duì)秸稈的抓取能力較強(qiáng),同時(shí)擠壓效果也較好。對(duì)輥直徑是影響輸送棉秸稈及擠壓棉秸稈的關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)輥直徑越小,輸送棉秸稈的傳動(dòng)比也就越小,整機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)也就越緊湊;但對(duì)輥直徑太小則易發(fā)生秸稈輸送打滑、纏繞等問(wèn)題,結(jié)果就是輸送不了秸稈。因此要滿足輸送秸稈及擠壓秸稈,對(duì)輥直徑必須滿足。
2.2錘片形狀及分布分析1)錘片形狀:錘片的形狀有很多種,其中矩形和梯狀錘片使用最廣[7]。梯狀錘片應(yīng)用較為廣泛的原因是棉秸稈揉碎主要靠錘片棱角和篩網(wǎng)的搓擦實(shí)現(xiàn)[8],錘片的棱角越多越容易揉搓。但過(guò)多棱角提高加工成本,同時(shí)影響刀片強(qiáng)度。選用如圖2所示的錘片。2)錘片厚度:棉秸稈在粉碎室內(nèi)主要受到兩個(gè)作用,一是錘片對(duì)棉秸稈的沖擊作用,二是秸稈在篩網(wǎng)上的劇烈摩擦。錘片在工作時(shí),主要受到棉秸稈對(duì)其的正面沖擊。由錘片厚度方向?qū)斩捠┘蛹羟辛Γ藻N片的厚度對(duì)粉碎效果有直接影響。錘片過(guò)厚,導(dǎo)致接觸面積過(guò)大,所需要的能量過(guò)大。錘片過(guò)薄,強(qiáng)度不夠,易磨損,后期維護(hù)費(fèi)用過(guò)高。所以在不影響錘片使用壽命的情況下,采用較薄的錘片,選用4~5mm的錘片。3)錘片的數(shù)量:錘片越多,單位時(shí)間內(nèi)對(duì)秸稈的作用次數(shù)增加;但由于粉碎室內(nèi)空間限制,同時(shí)考慮動(dòng)平衡的要求,在單位體積內(nèi)的錘片數(shù)量盡可能的多。錘片架上均布六根錘片軸,間隔三根錘片軸為一組。錘片由隔套隔開(kāi)。這樣,每根錘片軸上有2~4個(gè)錘片,整個(gè)粉碎室內(nèi)共有12~24個(gè)錘片,如圖3所示。
2.3錘片運(yùn)動(dòng)分析由粉碎機(jī)破碎原理可知,物料進(jìn)入粉碎機(jī)后,主要受到錘片與篩面之間的劇烈摩擦而破碎,同時(shí)大量棉秸稈沒(méi)有貼近篩網(wǎng),這樣就近似考慮錘片在進(jìn)行無(wú)支撐切割。建立圖4所示速度合成圖。
2.4粉碎腔體尺寸確定粉碎室的外徑尺寸對(duì)于整機(jī)設(shè)計(jì)有關(guān)鍵作用。
2.5輸送裝置速度分析輸送帶的速度應(yīng)該滿足粉碎的速度,速度過(guò)高堵塞,速度過(guò)低則造成了能耗的浪費(fèi)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,粉碎機(jī)的粉碎效率是Ec=800kg/h,這根據(jù)能量守恒。
3秸稈揉絲粉碎機(jī)工作過(guò)程的試驗(yàn)分析
在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所試制工廠門口空地處進(jìn)行了必要的試驗(yàn)驗(yàn)證和分析,試驗(yàn)材料是當(dāng)年樹枝修剪下的樹枝,質(zhì)地與棉秸稈近似,篩網(wǎng)采用直徑為10mm的篩網(wǎng),并且不做更換。
3.1試驗(yàn)?zāi)康谋驹囼?yàn)主要以修剪下來(lái)的樹枝為試驗(yàn)對(duì)象,針對(duì)不同的錘片數(shù)量及不同的刀軸的旋轉(zhuǎn)速度,進(jìn)行粉碎試驗(yàn),根據(jù)粉碎的效果及粒度的大小等指標(biāo)的情況,參見(jiàn)圖5。找到最佳的刀軸旋轉(zhuǎn)速度及錘片數(shù)量,為棉秸稈的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。
3.2儀器使用的儀器有DSX型電腦篩選器電腦篩選器、手持式測(cè)速儀,數(shù)據(jù)分析軟件為spss9.0。
3.3試驗(yàn)因素將刀軸轉(zhuǎn)速及錘片數(shù)量作為試驗(yàn)因素,通過(guò)更換帶輪來(lái)調(diào)節(jié)刀軸的轉(zhuǎn)速,錘片數(shù)量則通過(guò)拆裝來(lái)調(diào)整,試驗(yàn)因素表如表1所示。
3.4試驗(yàn)結(jié)果與討論直接觀察是指對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不進(jìn)行計(jì)算而直接根據(jù)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定較好實(shí)驗(yàn)條件的方法,通過(guò)直接觀察法總結(jié)出的結(jié)果不一定是最優(yōu),但一定是較優(yōu)結(jié)果[12],因此通過(guò)直接觀察,可以看出,影響粉碎效果的主要因素為錘片的數(shù)量,其次才是刀軸的轉(zhuǎn)速,得出在A1B1粉碎粒度較小及粉碎的效率較高,試驗(yàn)表及結(jié)果如表2所示。
4結(jié)論
1)新型棉秸稈粉碎機(jī)具,采取擠壓—切斷—粉碎工藝,增加對(duì)輥有助于粉碎后形成絲狀,非常適合作為飼料使用。2)在理論計(jì)算及試驗(yàn)中得出,刀片的數(shù)量的多少對(duì)粉碎的效率有很大的影響,棉秸稈粉碎機(jī)在刀軸旋轉(zhuǎn)速度為3500r/min、錘片數(shù)量為24片時(shí)有較佳的粉碎效果及效率,棉秸稈粉碎后的物料平均粒度達(dá)到3.8mm。
作者:喻晨 張麗 趙志艷 李有志 張海春 蔣永新 張佳喜 單位:新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所 新疆烏魯木齊眾凱達(dá)機(jī)電有限公司