玉米秸秆皮穰分离机定量喂入装置研究

王德福，单瑞霞，何袁，李利桥，张美玲，历雪

（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2.河南农业大学机电工程学院，郑州 450002）

玉米秸秆皮穰分离机定量喂入装置研究

王德福1,2，单瑞霞1，何袁1，李利桥1，张美玲1，历雪1

（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2.河南农业大学机电工程学院，郑州 450002）

为提高玉米秸秆皮穰分离机喂入效率，设计定量喂入装置并进行试验研究。利用二次回归正交旋转组合设计方法对影响该装置喂入性能主要因素（输出辊转速、输出辊与限料辊速比、输送辊与输出辊速比、输出口间隙）进行4因子试验，以通过率和重叠率作为评价指标。结果表明，定量喂入装置的主要结构和运动参数较优组合为：输出辊转速360～380 r·min-1，输出辊与限料辊速比0.8～0.9，输送辊与输出辊速比0.8～0.9，输出口间隙约45 mm。经试验验证，在此参数组合下，通过率可达99%以上，重叠率低于1%。

玉米秸秆；分离加工；定量喂入；结构；试验

近年来，玉米秸秆回收利用研究广泛[1]。由于玉米秸秆皮穰叶的化学成分相差较大，质量各占一定比例（叶51.2%、皮32.9%、穰15.9%），为提高秸秆利用率及利用价值，实现玉米秸秆皮穰叶分离研究具有重要意义[2]。

目前，常见玉米秸秆皮穰分离设备主要有机械分离式和气流分选式。我国对机械分离式玉米秸秆皮穰分离机研发和应用较多[3-5]，该机喂入装置主要采用人工喂入方式，但对玉米秸秆自动定量喂入设备的研究很少；而气流分选式皮穰分离设备，分离效果较好，但成本高。自行研制的机械分离式玉米秸秆皮穰分离机械，为提高其喂入效率、减少人工成本，需要研制自动定量喂入装置。本文对自行研制的玉米秸秆定量喂入装置进行试验研究。

1 试验设备

1.1 定量喂入装置总体结构设计

本文设计玉米秸秆皮穰分离机定量喂入试验台（1 900 mm×800 mm×970 mm），如图1所示。试验台主要由喂入台、分料板、输送辊（V型齿槽直径130 mm）、导向板、斜挡板、输出辊（U型齿槽直径112 mm）、限料辊（挡板旋转外径120 mm）等组成，输送辊、限料辊及输出辊间采用链传动。

图1 玉米秸秆定量喂入装置试验台Fig.1 Configuration of feeding device of corn stalk

玉米秸秆由喂入台送入（根部向前），经过分料板分成4道；再通过输送辊（输送辊上配置4个间隔90°配置的V型齿板）向前传送；位于定量喂入装置出口端导向板呈喇叭口型，防止秸秆左右窜动，保证秸秆顺利进入输出口；位于导向板前方斜挡板阻拦大部分上层秸秆；输出口处配置的限料辊继续阻挡多余的上层秸秆向前输送，最底层秸秆则由输出辊输出（至玉米秸秆皮穰分离机）。

1.2 输出口结构设计分析

本文设计配置限料辊和输出辊的输出口如图2所示。

输出口配置同向旋转的输出辊和限料辊，输出辊为U型槽辊（U型槽表面有斜齿），对秸秆施加一个向前的稳定作用力，限料辊采用挡板辊，其上间隔90°配置的4个挡板间歇作用于上层秸秆的端部，没有被斜挡板阻拦的剩余秸秆输送至输出口时，由限料辊的挡板阻拦上层秸秆，当输出辊槽最底层秸秆输出后，上层秸秆依次下落继续输出，实现秸秆排队输出。

图2 输出口配置Fig.2 Configuration of outlet

2 材料与方法

2.1 材料

采用根部最大直径25～38 mm、秆长2 200 mm以上秸秆作为试验材料，含水率10%。

2.2 试验设计

经预试验，本文选取影响定量喂入装置喂入性能输出辊转速（A）、输出辊与限料辊速比（B）、输送辊与输出辊速比（C）、输出口间隙（D）作为试验因素进行4因素5水平正交旋转组合试验，其因素水平编码如表1所示。

表1 试验因素编码Table1Experimental factors and levels

2.3 评价指标

本试验选取通过率和重叠率作为评价指标。

2.3.1 通过率

在1次试验中，连续通过输出口的秸秆数量占试验秸秆总数的百分比称为通过率。每组试验重复4次，每次试验取10根秸秆，取试验结果平均值。其计算公式为

式中，X1为通过率（%）；x1为通过输出口秸秆数量（根）；X为试验秸秆总数量（根）。

2.3.2 重叠率

在1次试验中，两个以上秸秆端部同时从输出口输出的秸秆数量占通过输出口的秸秆数量的百分比称为重叠率。每组试验重复4次，每次试验取10根秸秆，取试验结果平均值。其计算公式为

式中，X2为重叠率（%）；x2为两个以上秸秆端部同时从输出口输出的秸秆数量（根）。

3 结果与分析

3.1 通过率分析

3.1.1 通过率回归方程的建立及参数分析

通过Design Expert软件对试验结果分析，获得通过率与试验因素的回归方程：

由回归方程的方差分析可知，FLf1=2.20＜F0.05(10,11)=2.85，FLf1不显著，说明本试验模型是合适的；F1=5.96＞F0.05(14,21)=2.21，F1在0.05水平上显著，说明试验所选4因子对秸秆通过率有显著影响。

通过对回归系数绝对值的大小比较可知，各因素一次项对通过率影响的主次顺序为输送辊与输出辊速比（C）＞输出辊转速（A）＞输出口间隙（D）＞输出辊与限料辊速比（B），且输送辊与输出辊速比和输出辊转速对通过率的影响达到极显著水平。

3.1.2 单因素对通过率的影响

将回归模型（3）中4个因素的3个固定在零水平上，可得单因素对通过率的影响曲线，如图3所示。

图3 各单因素不同水平对通过率的影响Fig.3 Effect of single factors on pass rate

从图3可知，通过率随输出辊转速的增加而提高，这是因为输出辊和输送辊对玉米秸秆的推送作用增强；随输出辊与限料辊速比增加，通过率先增加后减少，这是因为输出辊与限料辊速比大时，输出辊对秸秆推送作用强，而速比过大时，限料辊对秸秆阻挡强度减弱，易出现堵塞现象；通过率随输送辊与输出辊速比的增加呈先增加后减少趋势；输出口间隙对通过率影响呈较平缓曲线变化，这是因为输送辊和输出辊对秸秆推送力大，而限料辊阻挡作用较强。

3.1.3 两因素对通过率的影响

以影响显著的输出辊转速和输出口间隙两因素为例，其对通过率影响的响应曲面如图4所示。由图4可知，随着输出辊转速增加，秸秆通过率逐渐升高，这是因为秸秆所受推送力增强。通过率随输出口间隙增大而提高，这是因为输出口间隙越大，秸秆进入输出口越顺利。

图4 输出辊转速和输出口间隙对通过率的影响Fig.4 Effect of outlet-roll rotation speed and outlet distance on pass rate

3.2 重叠率分析

3.2.1 重叠率回归方程的建立及参数分析

通过试验分析，获得重叠率的回归方程（见式4），其分析结果如表2所示。

由表2可知，本试验无其他因素的显著影响，模型是合适的。从表2中P值可知，输出辊与限料辊速比的一次项（B）和输送辊与输出辊速比的一次项（C）对秸秆的重叠率有极显著影响；输出辊与限料辊速比和输出口间隙的互交项（BD）对重叠率有显著影响；输出辊转速的二次项（A2）和输送辊与输出辊速比的二次项（C2）对重叠率有显著影响。其他项对重叠率影响不显著。

3.2.2 单因素对重叠率的影响

将回归模型（4）中4个因素的3个固定在零水平上，可得单因素对重叠率的影响曲线，如图5所示。

表2 重叠率试验数据方差分析Table 2 Analysis of mean square of overlap rate

图5 各单因素不同水平对重叠率的影响Fig.5 Effect of single factors on overlap rate

从图5可知，重叠率在输出辊转速较低和较高时都很高，这是因为输出辊转速较低时，限料辊对秸秆阻挡作用较弱，而输出辊转速较高时，其对秸秆的带入输送能力增强，易造成重叠率升高；当输出辊与限料辊速比增加时，限料辊对秸秆的阻挡作用减弱造成重叠率增加；当输送辊与输出辊速比增加时，输送辊对秸秆推送力增大，易造成多根秸秆同时冲进输出口，使重叠率增加；重叠率随输出口间隙增大呈增加趋势，这是因为间隙过大易造成两根秸秆同时进入输出口。

3.2.3 两因素对重叠率的影响

以影响显著的输出辊与限料辊速比和输出口间隙两因素为例，其对重叠率影响的响应曲面如图6所示。由图6可知，随着输出辊与限料辊速比的减小，重叠率逐渐降低，这是由于限料辊对上层秸秆的阻挡力增强，保证在输出辊槽最底层秸秆单根输出。重叠率随输出口间隙增大而升高，这是因为间隙增大容易造成多根秸秆同时输出。

图6 输出辊与限料辊速比和输出口间隙对重叠率的影响Fig.6 Effect of ratio between outlet roll and blocking roll and outlet distance on overlapping rate

3.3 玉米秸秆皮穰分离机定量喂入装置参数优化与试验验证

3.3.1 参数优化

按高通过率和低重叠率原则，以各因素水平区间为约束条件，对喂入装置的运动参数和结构参数进行优化，当组合参数为输出辊转速360～380 r·min-1、输出辊与限料辊速比0.8～0.9、输送辊与输出辊速比0.8～0.9、输出口间隙约45 mm时，喂入装置秸秆通过率高于98%，输出重叠率低于2%。

3.3.2 试验验证

依据上述优化参数组合，本文为前期已研制的（4通道）玉米秸秆皮穰分离机设计（4道）定量喂入装置，其具体参数如下：

①定量喂入装置尺寸为1 900 mm×800 mm× 970 mm；

②输送辊确定为5排（间距295 mm），喂入速度从前至后按1.2～2.0 m·s-1进行（均布）取值；输出辊U型齿槽线速度按2.2 m·s-1（转速370 r·min-1）取值（输送辊与输出辊速比约0.9）；限料辊速度按2.4 m·s-1取值（输出辊与限料辊速比约0.9）；输出辊与限料辊间隙按45～47 mm进行取值。

本文利用含水率10%的玉米秸秆，对已配备定量喂入装置的（4通道）玉米秸秆皮穰分离机（图7）进行试验验证。试验验证数据如表3所示。

图7 配备定量喂入装置的玉米秸秆皮穰分离机Fig.7 Separation equipment

表3 配备定量喂入装置的玉米秸秆皮穰分离机试验数据Table 3 Testing data of separation equipment

4 结论

a.通过试验证明，本试验设计的玉米秸秆定量喂入装置能够有效实现玉米秸秆定量输出，为后续秸秆叶、皮、穰的高效分离奠定基础。

b.通过试验发现，运动参数对秸秆的通过率和重叠率影响较大。本试验推荐的适宜工作参数为：输出辊转速360～380 r·min-1，输出辊与限料辊速比0.8～0.9，输送辊与输出辊速比0.8～0.9，输出口间隙约45 mm。经试验验证，通过率可达99%以上，重叠率不到1%。

[1]李捷,郭康权.玉米秸秆髓芯热压瓦楞芯纸的试验[J].农业机械学报,2005,36(7):89-91.

[2]张红杰.玉米秸秆皮和瓤的综合利用[D].哈尔滨:东北林业大学,2012.

[3]刘丽玲,王德福.玉米秸秆皮穰分离机剖穰机构试验研究[J].东北农业大学学报,2011,42(2):43-47.

[4]朱新华.玉米秸秆茎叶分离特性研究及其分离机研制[D].杨凌:西北农林科技大学,2011.

[5]王德福,陈争光,于克强.玉米秸秆剥穰机构参数优化[J].农业机械学报,2012,43(10):90-94.

Study on quantitative feeding device for rind-pith separation equip⁃ ment of corn stalk

WANG Defu1,2,SHAN Ruixia1,HE Yuan1,LI Liqiao1,ZHANG Meiling1,LI Xue1（1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering,HenanAgricultural University,Zhengzhou 450002,China)

Automatic feeding device was needed for improving efficiency of rind-pith separation equipment for corn stalk.Thus,the quantitative feeding device for corn stalk was designed and studied in the paper.Experiment on four factors-rotation speed of outlet roll,ratio between outlet roll and blocking roll,ratio between conveying roll and outlet roll,and outlet distance was carried out by regression of four-factor quadratics rotary orthogonal combination,and the pass rate and overlap rate were chosen as evaluation indexes.By experiments,optimum parameters in structure and motion for the feeding device showed that, rotation speed of output roll 360-380 r·min-1,ratio between output roll and blocking roll 0.8-0.9,ratio between conveying roll and outlet roll 0.8-0.9,outlet distance about 45 mm.According to the parameters,the pass rate was about 99%,the overlap rate was less than 1%.

corn stalk;separation process;quantitative feeding;structure;experiment

S817.19

A

1005-9369（2014）09-0106-05

时间2014-9-18 10:46:53[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140918.1046.010.html

王德福,单瑞霞,何袁,等.玉米秸秆皮穰分离机定量喂入装置研究[J].东北农业大学学报,2014,45(9):106-110.

Wang Defu,Shan Ruixia,He Yuan,et al.Study on quantitative feeding device for rind-pith separation equipment for corn stalk[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(9):106-110.(in Chinese with English abstract)

2013-09-08

高等学校博士学科点专项科研基金项目（20124105110004）；国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2009AA043602）；国家科技支撑项目（2011BAD20B08）

王德福（1964-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为畜牧机械化。E-mail：dfwang640203@sohu.com