稻草水洗撕裂機運動分析

陳義厚 （長江大學機械工程學院，湖北 荊州434025）

我國農作物秸稈資源十分豐富，農作物秸稈的綜合利用已經成為農業發展的一個新焦點。以農作物秸稈作為食用菌培養料早已在食用菌行業發展起來。為進一步提高食用菌的經濟效益，食用菌培養過程中培養料的制備是一個關鍵，備料的經濟效益直接影響食用菌生產的經濟效益［1］。目前，秸稈作為食用菌培養料其加工方法主要有機械切斷或粉碎及其他化學方法。營養學研究表明，食用菌培養料的制備原料稻草在切斷或粉碎后營養成分丟失過多，這不利于其作為營養食用菌培養料的原料。而將稻草撕裂成細長絲狀，然后再作為培養料其營養損失大大降低，這對食用菌的培養是很有利的。本研究主要從稻草的物理絲化方法入手設計了一種新的稻草加工處理機械——稻草水洗撕裂機，其主要作用是完成稻草的物理撕裂作業，為食用菌培養料的制備做準備。

1 結構及工作原理

該機由機座、電機、皮帶輪、傳動軸、底刀座、底刀、撕裂刀、刀架輥、擋水罩、擋水槽等組成［2］，如圖1所示。

其工作原理如下：電動機7通過帶傳動8將動力傳遞給傳動軸4；傳動軸4通過法蘭盤2與刀架輥5連接在一起，這樣傳動軸4就帶動刀架輥5旋轉，從而帶動連接在刀架輥上的撕裂刀1繞軸旋轉。稻草從喂入口喂入機內，由于撕裂刀在刀架輥上按特殊的雙線螺紋排列，稻草在撕裂的過程中將受到撕裂刀對其的軸向作用力，底刀12是靜止的；因此撕裂刀和底刀之間形成剪切作用，由于撕裂刀制成特殊形狀 （等滑切角），在這個剪切作用下稻草將被撕裂。

圖1 結構與原理圖

2 撕裂機理的初步分析

2.1 橫斷切、斜滾切、削切、撕裂的差異比較

由于稻草秸稈主要由纖維素構成，其纖維方向與莖稈軸線方向平行。因此切割莖稈的方向與其切割阻力和功率消耗有著密切的關系。根據已有的資料，按圖2幾種切割方向 （橫斷切：切割面和切割方向與莖稈的軸線方向垂直；斜切：切割面與莖稈軸線偏斜，但切割方向與莖稈的軸線方向垂直；削切：切割面和切割方向都與莖稈的軸線方向偏斜；撕裂：刀刃切線方向與軸線方向平行）。其切割阻力和功率消耗有較大的差異。

圖2 幾種切割方向

經試驗可知：橫斷切的切割阻力和功率消耗最大；斜切較橫斷切的切割阻力和功率消耗降低30%～40%；削切較橫斷切的切割阻力降低60%，功率消耗降低30%。而撕裂消耗的功率最小，功率消耗降低50%以上。

切割理論指出：刀刃的運動方向對切割阻力影響較大，如刀刃沿垂直于刃線方向切入莖稈時，則切割阻力較大；若刀刃沿刃線的垂線偏一α角方向切入莖稈時 （為滑切），則切割阻力較小［3］。根據試驗結果，可歸納為下列經驗公式：

式中，P為切割阻力；s為滑切長度。

對于撕裂，由于其撕裂過程與切割過程有很多相似之處，因此這個經驗公式也可以引用到撕裂過程當中。

2.2 稻草材料的力學行為分析

在切割理論中，為減小功率耗用，切割刀片一般采用等滑切角設計。這種設計已大量應用于生產實際，并且起到很好的經濟效益。而對于稻草撕裂機的設計，需要建立相應的撕裂理論，因撕裂與切割有很大的相似之處，如圖3所示將稻草理想化為帶狀物，則切割過程實際上就是要求從帶狀物的ab方向將其切斷。根據材料力學原理可知，ab方向的剪切力與ab方向的剪切彈性模量有關。對于撕裂過程，實際上就是沿帶狀物的長度方向cd切斷，這個過程就是撕裂過程。同樣根據材料力學原理可知，其撕裂力與cd方向的剪切彈性模量有關。對于稻草而言，ab方向和cd方向的剪切彈性模量差別是很大的，反映到實際中就是ab方向 （即將稻草拉斷或切斷）需要較大的力才能將其破壞；而cd方向易與將其撕開。

圖3 撕裂切割對比分析圖

綜上所述，對于帶狀稻草，切割與撕裂其實質是一樣的，都是稻草在力的作用下破壞而形成碎狀或絲狀。所不同的是，稻草在這2個方向的破壞其力學特性不同；也就是說2個方向要將其破壞，只是所需要的力不一樣而已。因此，在撕裂理論還沒有建立的前提下，借鑒切割理論用來研究撕裂過程很有必要，而且在一定范圍是有效的。故后述的研究都是建立在較成熟的切割理論的基礎上來設計的。

2.3 撕裂刀的工作過程分析

為了分析論證稻草撕裂機的撕裂效果，有必要對撕刀的撕裂過程進行分析，圖4是撕刀在機內的安裝結構簡圖。

由圖4可知，刀架輥與底刀安裝板之間形成一個狹小的空間。稻草喂入機內后將被限制在刀架輥與底刀安裝板的狹小空間內，因此受到刀架輥與底板對其的擠壓作用，在這個作用下稻草同時會受到底板對其的摩擦和底刀產生的阻礙作用，由于受多方面的作用，撕刀的絕對速度將大于稻草在機內的旋轉速度，在這個速度差的作用下稻草即可被撕裂。

由于稻草撕裂時撕刀的撕裂方向沿稻草的纖維方向。加之稻草本身的外形較細，所以撕刀很容易處在2根稻草之間的間隙中，如果稻草排列為理想的整齊狀態，很顯然撕刀將出現空轉而達不到應有的撕裂效果。而實際上，稻草受到一定的擠壓，還有相連兩底刀的限制作用，撕刀將很容易通過自身的撕裂齒的掛帶作用將稻草撕裂。但實際工作過程比較復雜，有些可能在一段時間達不到撕裂。但只要有足夠的時間，所有的稻草將被撕裂。所以撕裂機的工作效果在理論上是行得通的。

圖4 撕裂工作過程分析圖

2.4 刀片等滑切角幾何模型的建立

任何刀具在完成切割、撕裂等工作都需要耗用一定的功率，不同的刀刃曲線對功率的耗用是有很大差別的。為了尋求較低的功率耗用，必須從理論上分析和建立設計依據。因撕裂理論還沒有相關的理論依據可供參考，考慮切割與撕裂的對比的相似之處，因此切割理論對撕裂理論的建立有很大的參考價值。下面就等滑切角幾何模型作簡要分析［4］。如圖5所示，取坐標軸OX與刀柄中軸線DE重合，動刀片繞其極點O回轉進行撕裂。當刀片繞極點O由任意θ角轉dθ角時，其上任意點M變到M′點，矢徑r變到r′，增加dr；若dθ很小，趨近于零，可視為直線，弧與直線MN相等。若以v，vm，vt分別代表M′點的速度、法向速度、切向速度。根據滑切角的定義，在ΔMM′N 中有：

圖5 等滑切角幾何模型分析圖

若曲線上滑切角為給定常數，且令tanτ＝k，則上式變為：

等式兩邊積分得：

當θ＝0時，C1＝lnr0（r0為θ＝0時時r的值）。由此解得：

該方程即為對數螺線方程 （等滑切角曲線方程）。它的幾何意義為經過極點O的各條射線與曲線交點的切線間的夾角均相等，且等于刀片的給定滑切角，這即為等滑切角刀片設計的理論依據。

2.5 稻草在撕裂機內的運動分析

稻草在撕裂機內主要受到撕裂刀和底刀的相互作用力，撕裂刀可能將稻草牽帶一起作圓周運動。由于底刀的作用，當稻草被底刀掛帶后稻草將在很短的時間內完成撕裂工作。稻草撕裂機的結構原理很簡單，但是撕裂機的工作過程確十分復雜。稻草即不能視為質點的運動，也不能視為稈件類物體的運動。因為稻草在運動過程中有可能纏繞一定的時間，這就說明稻草這種材料幾乎不可能將其進行簡化。因為簡化后誤差太大，最后得到的結論將沒有多大意義。為了較為真實地了解稻草在機內的運動情況，最好的辦法是通過觀察設備或攝相設備繪制出稻草在機內的瞬間運動照片。在通過一定的分析就可判斷稻草的實際運動情況。

了解稻草在撕裂機內的運動情況主要是為了分析撕裂機的各部件對稻草撕裂的影響情況，以便于找到最好的撕裂效果，而且是最經濟的。所以稻草撕裂機的機內運動分析對于理論研究是十分重要的。

3 小結

稻草水洗撕裂機機結構簡單，操作方便，使用安全可靠；稻草經該機加工后，被切成100mm左右的半成品，并撕裂開來，有利于微生物吸收養分的需要；該機使得利用稻草作為栽培食用菌的原料的廣泛應用成為可能。稻草原料來源廣泛，成本低廉。湖北省是全國水稻集中產區之一，稻草資源豐富。以湖北監利、洪湖等集中產稻區為例，1kg稻草成本0.2元，經該機加工后，能生產鮮菇類0.5～0.8kg，產值0.9～1.5元，扣除綜合成本0.3～0.4元，1kg稻草經濟效益0.6～1.1元。開發利用稻草資源對提高產稻區農民的積極性意義重大，且能消除由于焚燒給農村農田帶來的環境污染。

［1］陳啟武.香菇與姬松茸 ［M］.貴陽：貴州科學技術出版社，2003：19－20.

［2］陳義厚，李定國.稻草水洗撕裂機的研制 ［J］.機械設計與制造，2004，（2）：112－113.

［3］劉德軍.農作物秸稈絲化加工特點及機理分析 ［J］.農機化研究，2004，（7）：58－60.

［4］郭 艷.盤刀式切碎器刀刃曲線對切割能耗的影響 ［J］.吉林農業大學學報，2003，（2）：38－39.