秸秆膨化机关键部件的设计与研究

丁建梅 迟鹏新 姜鹏 徐海峰 袁洪栋

摘 要：我国是农业大国，秸秆资源非常丰富，利用好秸秆资源可极大地解决动物飼料紧缺问题，同时也极大地解决焚烧秸秆带来的环境问题。本文在分析秸秆膨化机工作机理的基础上，对秸秆膨化机中的关键部件螺杆及腔体进行结构设计。为解决膨化机输料堵塞问题，在不更换电机的条件下，通过ANSYS Workbench的流体模块，对螺杆外腔体的速度流场、涡流黏度流场和工作压力流场等进行有限元流场分析，对比得出螺杆与套筒间隙最佳区域。根据标定的生产目标进行试验验证，当螺杆与套筒间隙为5 mm时，秸秆膨化机的结构能达到预期的生产效率，秸秆膨化质量良好。本文研究的秸秆膨化机改变了秸秆的适口性，将适口性差的农作物秸秆变为适口的饲料。

关键词：秸秆膨化机;螺杆;腔体;有限元流场分析

中图分类号：S817.12    文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2021）01-0032-06

Abstract：China is a big agricultural country with rich straw resources. Making good use of straw resources can greatly solve the problem of animal feed shortage， and also greatly solve the environmental problems caused by straw burning. Based on the analysis of the working mechanism of the straw extruder， the key components of the straw extruder screw and cavity are designed. For solving the problem of feeding blockage in extruder， the velocity flow field， eddy viscosity flow field and working pressure flow field of the outer cavity of screw are analyzed by means of ANSYS Workbench fluid module without replacing the motor. According to the calibrated production target， the test verifies that when the gap between screw and sleeve is 5 mm， the structure of straw extruder can achieve the expected production efficiency， and the quality of straw puffing is good. The straw extruder studied in this paper has changed the palatability of straw， and changed the crop straw with poor palatability into palatability feed.

Keywords：Straw extruder; screw; cavity; finite element flow field analysis

0 引言

众所周知，我国是一个农业大国，农作物产量和种类繁多，会产生许多秸秆资源。但秸秆资源仅有15%～20%被用于家畜饲料，其余八成由于技术的欠缺被作为能源焚烧掉，在资源浪费的同时，对环境造成了极大的威胁[1-4]。挤压膨化技术从第一次使用，到如今广泛应用于食品和饲料行业已有上百年的历史。世界上的工业强国，如美国、德国和法国等最早对挤压膨化技术进行了实验和分析[5-7]。美国在这个领域处于领先地位，美国的温格公司就是研究挤压膨化技术的，其研究在世界范围内处于领先地位[8]。国内的挤压膨化技术也在不断地发展，在发展过程中存在的主要问题是生产效率低、走料宜堵塞，需不断地研究分析以解决问题。目前的挤压膨化机主要用于玉米等挤压[9]，秸秆膨化方面研究还停留在初级水平，国内几乎没有专业生产秸秆膨化机的厂家。

秸秆膨化技术是新兴的饲料加工技术，其原理是将秸秆加水调质后喂入膨化机的膨化腔，依靠秸秆与膨化腔内螺杆外螺纹和套筒内螺纹的剪切摩擦作用，产生热量和压力，当秸秆从出料口进入外界环境时，压力骤然下降，从而使秸秆体积膨大实现秸秆膨化的工艺过程。生产膨化秸秆的主要设备是螺杆式挤压膨化机。秸秆挤压膨化加工的工艺流程为：秸秆→清选→粉碎→调质→挤压膨化→冷却→包装[10]。

2 秸秆膨化机关键部件的设计

螺杆在膨化机中是重要的组成部件，是影响膨化机的最主要因素[11-13]。

2.1 螺杆结构形式的选择

螺杆的结构形式可以分为整体式和组合式。

整体式的螺杆结构如图1所示。其较组合式简单许多，因此在加工时也相对容易。但在使用这种结构形式时，由于螺杆特别是直径大、长度长的螺杆在工作时的磨损是局部的，此时若再对螺杆进行维修或者更换，会加大使用成本，造成不必要的损失[14]。

相比组合式结构，分段式的螺杆形式则灵活许多，可以根据不同情况下的要求修改膨化腔尺寸，从而达到改变长径比的目的。分段式的螺杆结构由一根轴将多节轴套和套筒串联起来，如图2所示。

根据研究设计秸秆膨化机的性质，采用组合式螺杆结构，从进料口到出料口采用4节，其螺距依次递减的轴套和套筒，使物料在经过运输段、熔融段和挤压膨化段时的压力逐渐增大，最终经过模头喷出。

2.2 螺杆螺旋直径的获取

螺旋直径是进行螺杆结构设计的关键环节，它是影响秸秆膨化率最终生产率的因素之一，可由设定的生产率反推出直径[15]：

Q=βD3Sn。    （1）

式中 ： Q为生产率，kg/h;DS为螺旋外径，cm; n为螺杆转速，r/min; β为经验出料系数，一般取β=0.003。

2.3 螺杆分段结构的设计

在确定了组合式结构后，根据理论研究，一般挤压膨化机的螺杆主要分为输料段、熔融段和均化段。如图3所示。

图3中L1为输料段，目的在于更快更多地输送秸秆原料，其长度L1约为螺杆总长的10%～30%。

L2为熔融段，在这一段膨化原料所受到的压力会增大，实现其自身的压缩过程。一般而言这一段的长度L2在整个螺杆结构中最长，约为总长L的50%～60%。

L3为均化段，这一段的技术参数比较关键，在槽深的设计上要尽量浅一些，因为槽深越小，秸秆原料在这一段时所受的剪切应力越大，对其均化越有利，但同时槽深过小又会导致膨化原料热分解的问题。另外，在理论上均化段L3长度越长，秸秆原料在这一段停留的时间越长，越有利于物料的均化过程，最终的产品质量也越高，但是与槽深的分析类似，均化段长度过长也会出现原料热分解的现象，出现反面效果。

螺杆工作时置于腔体中，与腔体一起固定在机架上。

3 螺杆流场分析

螺杆采用45号钢，表面粗糙度为Ra=0.8 μm。在ANSYS Workbench中，建立Fluid Flow（CFX）新项目，在Geometry中导入通过Solidworks建立好的轴套三维模型。由于物料是在螺杆外表面和机筒内表面运输并剪切，因此在此处通过Enclosure命令在軸套模型外设置一个新的流域，以尾部螺杆为例，如图4所示。

网格划分及设置集合后，在Workbench工作主界面，进行流体分析前处理。在这一阶段由于本次仿真需要划分流体域和固体域，应首先删除原有的默认域，通过Domain命令分别建立Fluid Domain和Solid Domain，随后进行进出口边界条件处理，结果如图5所示。

经过计算处理后返回Workbench主界面，点击Resault进行流场分析的后处理，分别得出速度流线图、涡流黏度流线图和工作压力图，如图6—图8所示。

在分析套筒和螺杆间隙对上述3个因素的影响时，通过Enclosure命令建立流域来设置不同的流域距离，并按照上述步骤进行网格划分、建立集合、设置流域和进出口条件，并求解。其结果见表1。

从表1中可知：

（1）在此处考虑螺杆与套筒间隙对物料速度的影响时，根据具体的建模情况，应考虑对物料在z轴方向上的速度影响。由于物料的生产效率与其流动速度是成正比的，因此应尽量选择使物料流速快的间隙。

（2）由于物料黏度过大时，会在膨化机及膛内运输缓慢，容易出现焦糊、黏结现象，堆积过多后由于工作阻力过大出现发动机停车现象，因此在此处分析时，应尽量选取使物料黏度较小的间隙。

（3）在膨化机工作时，物料是经过先增压后减压最后达到的膨化产品，因此其工作压力即螺杆与套筒间机膛的压力直接影响着膨化效果的好坏。工作压力越大，物料受到的增压越多，在机膛内剪切揉搓效果也越好，最终的膨化产品质量也更高。因此在此处应选择使工作压力更大的间隙。

综上对比流场分析结果可知，螺杆与套筒间隙采用5～6 mm为佳。

4 实验研究

4.1 实验目的及器材

实验目的：探究秸秆膨化机螺杆与套筒的最佳间隙，结合仿真结果选择最佳。

实验器材：秸秆膨化机、水桶、秤、秒表、铲子和扳手工具。

实验材料：经粉碎机处理后的秸秆物料。

实验次数：螺杆与套筒间隙为3、4、5、6 mm各3次。

4.2 实验步骤

（1）安装好轴套和套筒，使二者间隙为3 mm。

（2）将经过粉碎机处理的秸秆物料加水进行调质处理，使调质后物料的含水量约在30%左右。提前分为预热物料和实验物料。

（3）启动秸秆膨化机，先不加入物料使其空转，排出上次工作时残留在套筒和轴套螺槽内固化的秸秆物料。待机器出口不再有残余物料排出，徐徐加入准备好的预热物料。

（4）待机器达到工作温度后，秒表计时，开始加入工作物料。

（5）实验结束后，查看膨化效果，并收捡秸秆物料，进行称重分析。

（6）待机器降温后拆卸原有轴套和套筒，安装新的轴套与套筒，使二者间隙为4 mm。

（7）重复上述步骤，分别测量螺杆与套筒间隙为3、4、5、6 mm时的产物质量，观察膨化效果。

4.3 实验结果及分析

（1）当螺杆与套筒间隙为3 mm时，实验数据的统计见表2。

在实验过程中多次出现暂时性堵塞、不出料现象，并且机器在工作时会发出巨大噪音。分析其原因，3 mm的螺杆与套筒间隙输料空间严重不足，在工作时由于高温状态物料中水分蒸发又使工作腔内的压力过大，物料焦糊在螺槽和模孔内，造成出料堵塞的现象。其效率也远远低于目标生产率。

（2）当螺杆与套筒间隙为4 mm时，实验数据的统计见表3。

当螺杆与套筒的间距为4 mm时，工作平顺性有了较好的改善，但是依然出现过一次短暂的不出料，其生产率有所提高，但离预定产量仍有一定差距。

（3）当螺杆与套筒间隙为5 mm时，实验数据的统计见表4。

当螺杆与套筒的间距为5 mm时，工作状态稳定，未出现停车、堵塞现象。3次实验的平均生产率为180.4 kg/h，超过预期170 kg/h的设计目标，并且最终的膨化产物呈絮状，质量良好。

（4）当螺杆与套筒间隙为6 mm时，实验数据的统计见表5。

当螺杆与套筒的间距为6 mm时，工作状态稳定，亦未出现停车、堵塞现象。并且与间隙为5 mm时相比，生产效率有了进一步的提高。但膨化产物效果不佳，产物呈大颗粒状，甚至出现了竖条状秸秆外皮。究其原因，在螺杆与套筒的间隙取6 mm时，膨化腔空间更大，有利于物料运输，因此生产率有所提高。但由于膨化腔的空间过大，使得工作压强降低，在螺杆熔融段和均化段并没有足够的剪切揉搓物料，最终导致产物呈大颗粒，膨化效果达不到预期。当螺杆与套筒的间距为6 mm时的膨化产物如图12所示。

通过实验可以看出对螺杆流场分析后取得的螺杆与套筒间隙的取值范围是合理准确的。根据试验比较，螺杆与套筒间隙取5 mm时，秸秆膨化机工作状态更稳定平顺，生产率能达到预期，且膨化质量良好，适合进行进一步处理加工。因此设定螺杆与套筒间隙为5 mm更适合。

5 结论

在分析剖析膨化机工作原理基础上，确定了秸秆膨化机关键部件螺杆的结构形状。通过标定生产目标确定螺杆螺旋外径，确定螺杆每个工作段的长度。根据螺杆结构，通过ANSYS Workbench中Fluid Flow（CFX）模块，对螺杆流场的速度、涡流黏度和工作压力等进行流场分析，对比其结果可知螺杆与套筒间隙采取5～6 mm为最佳。

将螺杆的结构形式应用于试验，在螺杆与套筒间隙为3、4、5、6 mm时进行试验研究分析，得出螺杆与套筒间最佳的间隙，当间隙取5 mm时，秸秆膨化机的结构可以达到预期的生产效率和良好的生产质量。此研究为秸秆膨化机的进一步设计和研究提供仿真与试验依据。

【参 考 文 献】

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