秸秆纤维制取机配套强制喂料装置的优化设计及试验

陈海涛，董冰哲，柴誉铎，刘环宇

秸秆纤维制取机配套强制喂料装置的优化设计及试验

陈海涛，董冰哲，柴誉铎，刘环宇

（东北农业大学工程学院，哈尔滨150030）

为辅助秸秆纤维制取机高效制取秸秆粗纤维，解决喂料过程中因人工劳动强度大、喂料不连续造成粗纤维加工质量下降等问题，设计竖直向下螺旋强制喂料装置。在喂料装置结构及工作原理分析基础上，以秸秆长度、螺旋轴转速和秸秆含水率为试验因素，以输送量为评价指标，采用3因素5水平二次正交旋转中心组合方法实施试验。结果表明，①各因素对大豆秸秆输送量贡献率主次关系为：秸秆长度、螺旋轴转速、秸秆含水率；②当参数组合为秸秆长度60～120 mm、螺旋轴转速160 r·min-1、秸秆含水率78%～90%时，满足纤维制取机1 000 kg·h-1喂入量要求。研究为D200型桔杆纤维制取机高效生产优质纤维奠定基础。

纤维制取机；大豆秸秆；强制喂料装置；螺旋输送；试验优化

D200型秸秆纤维制取机是新型、清洁、高效、无污染纤维制取装置，为保障秸秆稳定连续进料，纤维具有膨化和分枝帚化效果，与其配套进料装置尤为重要[1-4]。由于农作物秸秆物理性质和秸秆纤维制取机特殊结构特点，单纯依靠螺杆和秸秆自重难以达到连续稳定进料技术要求。因此秸秆纤维制取机配套进料装置需保证其进料连续性，并强制进料[5]。

目前，国内外关于螺旋喂料装置研究较多。Owen等利用离散元分析软件（DEM）模拟分析螺旋输送过程中不同输送状态颗粒运动情况[6]。Zhang等研究螺旋进料装置进料口形状对输送效果影响，并改进设计螺旋进料装置进料口形状，提高喂料装置对秸秆等长纤维原料输送能力[7]。金保升等研究生物质秸秆在加料斗内流动规律，通过可视化观察加料过程，总结生物质秸秆在加料斗内运动规律[8]。周勇等设计一种斜置式甘蔗切割进料装置，利用左、右螺旋进料共同作用完成物料进料[9]。彭飞等模拟喂料器工作过程，探讨主轴直径、螺距和主轴转速对出料稳定性影响关系，建立数学模型[10]。尹忠俊等以开式螺旋输送机为研究对象，探讨输送机理，分析物料在螺旋输送过程中输送速度及其影响因素，推导开式螺旋输送机主要参数设计准则[11]。目前针对农作物秸秆喂料装置研究较少，缺少满足秸秆纤维制取机进料工艺研究。

因此，本文设计垂直向下螺旋输送装置，压缩农作物秸秆物料，在秸秆自重和螺旋推力作用下强制进料。采用正交旋转中心组合试验方法，以大豆秸秆为研究对象，探寻秸秆纤维制取机器系统强制进料装置最佳工作参数组合。

1 强制喂料装置系统分析

1.1强制喂料装置整体结构及工作原理

强制进料装置采用悬臂梁结构，主要由带轮、螺旋料斗、螺旋轴、螺旋叶片构成，如图1所示。

喂料装置作业时，电机通过皮带将动力传递给螺旋轴，以一定转速带动螺旋叶片顺时针旋转，预处理后秸秆原料经带式输送机从螺旋机构侧向进料口进入料斗，秸秆原料在离心力作用下，沿着螺旋叶片向边缘移动，秸秆原料与斗壁产生较大摩擦力，阻碍秸秆随叶片圆周运动，随转速和秸秆原料进料量增加，秸秆圆周运动消失，在螺旋向下分力作用下输送，变径螺旋压缩秸秆，实现原料强制连续稳定进料[12-14]。

图1 强制喂料装置结构Fig.1 Structure of forced feeding device

1.2强制喂料装置内秸秆物料力学分析

为研究秸秆物料在强制喂料螺旋和料斗作用下运动规律，将物料简化为质点，对喂料装置内物料作力学及运动学分析。当螺旋面升角α展开时，螺旋线可用直线表示，此时秸秆物料受螺旋叶片对其向前推力F，在推力作用下秸秆物料与螺旋面间产生相对运动，产生滑动摩擦力f1，秸秆物料受力分析如图2所示。

图2 秸秆物料受力分析Fig.2 Force analysis of straw

由图2可知，螺旋叶片对秸秆物料作用力合力F与叶片法向夹角为β，可分解为与螺旋轴轴线方向相平行轴向力Fn和垂直轴线方向径向力Ft。

式中：α—法向力T与轴线夹角（°）；

β—法向力T与螺旋叶片对秸秆物料作用力合力F轴线夹角（°）；

S—螺距（m）；

μ—秸秆物料与螺旋叶片间摩擦系数。

其中，

为保证秸秆物料向前输送则切向摩擦力应大于物料运动阻力，应满足，

带入后可得

整理后可得

1.3强制喂料装置内秸秆物料运动学分析

由力学分析可知，在螺旋叶片对秸秆物料有摩擦力作用下，秸秆物料产生沿轴向方向速度vz和径向方向速度vt，秸秆物料在复合运动中前进，秸秆物料运动学分析如图3所示。

图3 秸秆物料运动学分析Fig.3 Kinematics analysis of straw

基于速度矢量三角形方法，对秸秆物料运动状态分析求解，可得

式中：vt—秸秆原料径向速度（m·s-1）；vz—秸秆原料轴向速度（m·s-1）。

其中，

式中：R—秸秆物料到轴线距离（m）；

ω—螺旋叶片转动角速度（rad·s-1）；

n—螺旋叶片转速（r·s-1）。

根据三角函数公式可得，

联立公式（8）～（11）可得，料沿轴线方向速度越大，造成波动越大，结合式13可知，螺旋轴转速n过小则不能满足输送效率，为满足供料稳定性，螺旋轴转速n应在合理范围内取值。

2 材料与方法

式中：Q—螺旋加料装置输送量（kg·h-1）；

D—螺旋叶片外径（m）；

d—螺旋叶片内径（m）；

ϕ—物料充满系数；

γ—物料堆积密度（t·m-3）；

C—倾角系数。

由式（12）可知，轴向速度vz随着螺旋轴转速增加而增大，分析可知，在供料量一定情况下，秸秆物

2.1材料及仪器

材料：2015年收获绥豆26大豆秸秆，初始含水率为18%，按试验要求切段处理秸秆，使其平均秸秆长度分别为40、60、90、120和140 mm；对处理后秸秆喷水，使其达到要求含水率。

仪器：游标卡尺；WGL-45B型电热鼓风干燥箱，购自天津泰斯特仪器有限公司，控温范围1～300℃；电子秤，购自桦利泰电子衡器有限公司，量程0～300 kg；自制螺旋强制进料装置，非接触式转速计，购自优利德电子有限公司，量程0～9999 r·min-1；ATV312HU75N4型变频器，购自施耐德电气有限公司，变频范围：0～50 Hz；带式输送机；秒表等。强制进料装置如图4所示。

图4 螺旋强制喂入系统Fig.4 Screw forced feeding system

2.2试验方法

采用3因素5水平二次正交旋转中心组合优化试验方法，以大豆秸秆为试验对象，以强制进料装置输送量为评价指标，选择螺旋轴转速、秸秆长度和秸秆含水率为影响因素。通过预试验及前期研究确定各因素上下限（见表1）。

秸秆长度平均值均达到各水平要求值，变频器调节螺旋轴转速，秸秆喷水控制含水率。通过测量单位时间内制取机内部及从制取机出口排出秸秆量计算输送量。共计实施23组试验，应用Design-expert 6.0.10软件作数据处理和分析。试验因素水平编码见表1。

3 结果与分析

3.1结果回归分析

结果见表2。

表1 试验因素水平及其编码Table 1 Experimental values and coded level of factors

表2 试验结果Table 2 Experimental results

方差分析结果如表3所示。

由表3可知，大豆秸秆输送量二次项模型有意义（P＜0.0001）。在信度α=0.05下，F检验，剔除不显著项后，得到回归模型，如式（14）所示。

式中，x1—秸秆长度（mm）；x2—螺旋轴转速（r·min-1）；x3—秸秆含水率（%）。

表3 方差分析Table 3 Variances analysis

3.2各因素对输送量性能指标影响主次分析

参照多元二次回归中各因素重要性计算方法[15]，建立试验数据二次回归方程，利用二次方程系数检验结果，判断因素对y作用程度。

二次回归模型判定各影响因素对响应值影响：

求出各回归系数方差比F（j）、F（jj）、F（ij），令

则对于第j个因素指标贡献率为；

式中δj，δjj分别表示第j个因素一次项，二次项中贡献，δij表示交互项中贡献。

通过计算每个因素贡献率Δj，判别各因素对指标影响。各因素对各项指标贡献率为x1（2.31702）＞x2（2.306627）＞x3（0.994874）。

3.3各因素对大豆秸秆输送量影响分析

螺旋轴转速和秸秆长度对输送量影响如图5a所示。当秸秆含水率固定在75%时，输送量随着转速增加而增加；当秸秆长度增加时，输送量受转速影响显著。输送量与秸秆长度呈负相关，随着秸秆长度减小而增加。

含水率和秸秆长度对输送量影响如图5b所示。当螺旋轴转读固定在180 r·min-1时，输送量随含水率增加而稳定增加，随着秸秆长度增加而减小，当秸秆长度＜90 mm时，输送量受秸秆长度变化影响较小。

含水率和螺旋轴转速对输送量影响如图5c所示。当秸秆长度固定在90 mm时，输送量均随含水率和螺旋轴转速增加而增加，且随螺旋轴转速增加，含水率对输送量影响强度逐渐变小，但含水率对输送量影响明显大于螺旋轴转速。

大豆秸秆相对于其他农作秸秆，茎秆硬度较大，不易缠绕，含水率增加时，秸秆间摩擦力减小，因此输送量随含水率增加而增加，不易发生堵塞、缠绕等影响输送量现象；但当大豆秸秆长度增加时，秸秆间空间增大，堆积密度减小，因此输送量随之降低。反之，随着秸秆长度减小、堆积密度增大，输送量增加；当大豆秸秆长度较小时，流动性相对较好，输送状态接近规则颗粒物料输送，输送量随着螺旋轴转速增加而增加，但影响强度相对较小，当大豆秸秆长度增加时，秸秆之间易发生架空现象，此时螺旋轴转速对输送量影响相对较大[16-18]。

图5 各因素对大豆秸秆输送量影响Fig.5 Response surface for the effects of factors on the conveying efficiency of soybean straw

3.4参数优化分析

为保证秸秆纤维制取机生产能力，按照输送量1 000 kg·h-1原则，在秸秆长度40～140 mm，螺旋轴转速120～240 r·min-1，含水率60%～90%约束条件下，利用Design expert 6.0.10对数据优化求解，大豆秸秆在秸秆长度60～120 mm、螺旋轴转速160 r·min-1、含水率78%～90%参数组合下大豆秸秆可以满足1 000 kg·h-1输送量要求。

图6 工艺参数优化结果Fig.6 Optimum analysis of technology parameters

3.5验证试验

根据优化试验结果，在保证秸秆平均长度在60～120 mm、含水率在78%～90%、螺旋轴转速160 r·min-1条件下，为消除随机误差影响，10次重复试验，试验结果中输送量最大值为1 034 kg·h-1，最小值为1 000 kg·h-1，平均值为1 011.3 kg· h-1。结果表明，最佳工作参数组合满足纤维制取机进料量要求。

4 结论

a.设计满足秸秆纤维制取机技术要求的竖直向下输送螺旋强制进料装置。

b.各因素对大豆秸秆输送量因素贡献量主次关系依次为秸秆长度、螺旋轴转速、秸秆含水率。

c.为保证秸秆纤维制取机生产能力，按照输送量 1 000 kg·h-1输送原则，优化确定满足大豆秸秆输送量最有参数组合为：大豆秸秆长度60～120 mm、螺旋轴转速160 r·min-1、含水率78%～90%。

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Design and optimization of forced feeding device for straw fiber extruder/

CHEN Haitao,DONG Bingzhe,CHAI Yuduo,LIU Huanyu
(School of Engineering, NortheastAgriculturalUniversity,Harbin 150030,China)

In order to improve the efficiency of straw fiber preparation,solve the problems of the artificial labor intensity and the discontinuous feeding process in the feed process.A vertical downward spiral forced feeding device was designed.Based on the analysis of the structure and working principle of the feeding device,the straw length,rotating speed of screw and water content were supposed to be the main influence factors.Transport efficiency were chosen as the evaluating indicator.Experimental investigations were carried out with the method of quadratic orthogonal rotation combination design to obtain the optimal parameter combination.The results showed that∶①The order of the influence extent on transport efficiency of soybean straw is the length of the straw,the rotating speed of the screw shaft, water content of the straw.②The optimal combination of parameters occurred with that the straw length was 60-120 mm,the rotating speed of screw is 160 r·min-1,the water content was 78%-90%,meet the requirements of feeding efficiency of 1000 kg·h-1for fiber preparation machine.This research provides a reference for the design of forced feeding device.

straw fiber extruder;soybean straw;forced feeding device;screw conveying; optimization experiment

TH237+.1

A

1005-9369（2017）07-0083-08

时间2017-7-12 11:20:17[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170712.1120.020.html

陈海涛,董冰哲,柴誉铎,等.秸秆纤维制取机配套强制喂料装置的优化设计及试验[J].东北农业大学学报,2017,48(7):83-90.

Chen Haitao,Dong Bingzhe,Chai Yuduo,et al.Design and optimization of forced feeding device for straw fiber extruder[J]. Journalof NortheastAgriculturalUniversity,2017,48(7):83-90.(in Chinese with English abstract)

2016-04-14

十二五国家科技支撑项目（2012BAD32B02-5）

陈海涛（1962-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为生物质材料和农业机械化工程。E-mail:htchen@neau.edu.cn