玉米秸稈保留型收割機(jī)榨汁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 樂， 林 宋

(北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100041)

玉米秸稈保留型收割機(jī)榨汁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 樂， 林 宋

(北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100041)

針對(duì)螺旋式壓榨系統(tǒng)容易堵塞、壓榨后秸稈倒吸、壓榨力大和出汁率低等問題，對(duì)玉米秸稈保留型收割機(jī)榨汁系統(tǒng)提出了新型多輥筒式碾壓的壓榨設(shè)計(jì)方案，確定了榨汁系統(tǒng)的布局和尺寸。同時(shí)，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams對(duì)壓榨過程進(jìn)行了仿真，并通過試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：新型多輥筒式壓榨系統(tǒng)的壓榨空間外露，發(fā)生堵塞可快速處理；壓榨后秸稈未出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象；新型榨汁系統(tǒng)的壓榨力明顯減小，出汁率明顯上升。綜合分析及仿真實(shí)驗(yàn)表明：所設(shè)計(jì)的榨汁系統(tǒng)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

玉米收割機(jī);秸稈利用；輥筒榨汁

0 引言

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，2015年我國玉米的種植面積達(dá)到了0.38億hm2，玉米產(chǎn)量為2.2億t，因此玉米秸稈產(chǎn)量十分可觀。

秸稈的處理成為了一個(gè)比較嚴(yán)峻的問題，政府嚴(yán)禁焚燒秸稈，而破碎還田等用途成本較高，因此農(nóng)村秸稈處理亟需一個(gè)解決辦法。筆者為某公司設(shè)計(jì)了一款玉米秸稈收割榨汁一體機(jī)，其工作流程如圖1所示。在玉米收獲作業(yè)中，玉米收割系統(tǒng)將玉米植株割斷，摘穗系統(tǒng)摘除果穗，去葉系統(tǒng)將玉米植株的皮葉去除，并且將玉米秸稈劈裂以提高出汁率。去皮后的玉米秸稈通過傳送帶送入榨汁系統(tǒng)中，通過榨汁機(jī)上的壓榨輥將玉米秸稈擠壓，擠壓后的殘?jiān)腿牒蠓酱蚶ο到y(tǒng)中打包，而榨出的秸稈汁通過下方的桶收集起來。該機(jī)可以實(shí)現(xiàn)玉米的收割、摘穗、去葉、榨汁及打捆，滿足設(shè)計(jì)的生產(chǎn)率、出汁率及能耗要求，解決了農(nóng)村勞動(dòng)力缺少和企業(yè)運(yùn)輸成本高的問題。

本文應(yīng)用三維建模軟件SolidWorks和機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，并通過實(shí)驗(yàn)與仿真分析驗(yàn)證壓榨時(shí)的受力情況，以保證整個(gè)設(shè)備的可行性，為相關(guān)機(jī)械的設(shè)計(jì)提供理論參考。整個(gè)系統(tǒng)的三維建模圖如圖2所示。

圖1 工作流程圖Fig.1 Work flow chart

圖2 系統(tǒng)整體模型圖Fig.2 The chart of overall system

1 壓榨系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 方案選擇

目前，市面上用于秸稈壓榨的壓榨方式主要有輥筒式碾壓和破碎加曲柄壓榨兩種方式。從出汁率角度考慮，采用先破碎后壓榨的復(fù)合方式較好，但由于破碎后壓榨物容易堆積，導(dǎo)致機(jī)械堵塞，故該方案大多使用于水分含量大、纖維含量少的農(nóng)作物(如蘋果、花生、葡萄等)，無法適用于粗纖維含量多的玉米秸稈。同理，螺旋式壓榨也容易導(dǎo)致堵塞，一旦發(fā)生堵塞無法及時(shí)清理，從而影響工作效率[1]。

由于此次設(shè)計(jì)的壓榨系統(tǒng)需直接用于玉米聯(lián)合收割機(jī)，故設(shè)計(jì)方案需首先滿足壓榨速度快及不易堵塞兩點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選用多輥筒式碾壓的壓榨方案。該方案結(jié)構(gòu)較為簡單，壓榨空間外露，倘若發(fā)生堵塞也可現(xiàn)場快速處理。

1.2 壓榨輥的設(shè)計(jì)與布置

由于輥壓式榨汁屬于線接觸，單位時(shí)間內(nèi)壓榨面積小，加之壓榨速度快，壓榨過后秸稈容易發(fā)生汁液回吸現(xiàn)象，故適當(dāng)加大直徑和增加壓榨面積可提高榨汁率[2]。考慮到單次壓榨受力會(huì)劇增，對(duì)功率、結(jié)構(gòu)、出汁率等均產(chǎn)生不利影響，因此本設(shè)計(jì)將整個(gè)壓榨過程分為粗榨和精榨兩步。壓榨滾筒布置示意圖如圖3所示。

圖3 壓榨輥筒布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the layout of the pressing system

工作時(shí)，動(dòng)力通過皮帶輪和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)上下壓榨輥?zhàn)鲰槨⒛鏁r(shí)針方向的等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)。秸稈依靠榨輥1、3和秸稈之間的摩擦力進(jìn)入入口，榨輥1和榨輥3同時(shí)對(duì)秸稈產(chǎn)生徑向壓力，完成第1次壓榨；在托板和榨輥1、2對(duì)秸稈產(chǎn)生的摩擦力的推動(dòng)下，進(jìn)入榨輥1、2之間，完成進(jìn)一步的壓榨(左下壓榨輥的半徑大于上壓榨輥)；壓榨后的秸稈由出料口排出，秸稈汁通過濾網(wǎng)的過濾后統(tǒng)一收集至容器內(nèi)。

壓榨輥筒在整個(gè)壓榨系統(tǒng)中起到重要作用，除完成壓榨任務(wù)以外，還需具備快速排汁、引料作用，因此要求輥筒具備高強(qiáng)度、耐腐蝕、中空及表面粗糙處理等特點(diǎn)。由于壓榨輥之間主要靠摩擦力實(shí)現(xiàn)秸稈的喂入過程，因此在壓榨輥表面進(jìn)行粗糙處理以增大摩擦力，使玉米秸稈能順利進(jìn)出壓榨空間。與此同時(shí)，考慮到壓榨輥彼此兩兩配合，故在壓榨輥表面添加旋向相對(duì)的螺紋，在輥筒旋轉(zhuǎn)過程中螺紋嚙合，相互對(duì)秸稈產(chǎn)生牽引力，將秸稈引入壓榨口，同時(shí)抵消壓榨過程中所產(chǎn)生的軸向力[3]。

壓榨速度較快，故壓榨過后秸稈很容易產(chǎn)生二次回吸現(xiàn)象，降低出汁率，故在輥筒表面布置了許多徑向孔，與輥筒端面的軸向孔相通。其目的在于壓榨后能迅速收集秸稈汁液，提高榨汁率；軸向排汁孔可通過氣管與真空機(jī)連接，通過真空機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓，使壓榨出的汁液向管道排出，最大限度地收集汁液。壓榨過程中秸稈受力巨大，汁液會(huì)產(chǎn)生噴濺(如導(dǎo)致汁液浪費(fèi)、污染機(jī)身等問題)，故在輥筒接近端面的一側(cè)挖槽，使槽深大于軸向排汁孔的深度，可最大限度地避免汁液噴濺現(xiàn)象。由于輥筒結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，具有很多深孔，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，因此選材時(shí)需選用強(qiáng)度、硬度較高的材料；秸稈汁液具有糖分，因此材料需具備耐腐蝕防銹功能。參照國內(nèi)輥筒生產(chǎn)廠家，選用不銹鋼作為輥筒的材料。

在初步的實(shí)驗(yàn)中得知：將秸稈沿其徑向剖開后，達(dá)到同樣的出汁率所需的壓榨里會(huì)急劇減小。因此，考慮在壓榨系統(tǒng)前面增加劈裂系統(tǒng)以減小壓榨力，提高出汁率。

1.3 引料板的設(shè)計(jì)

由于壓榨過程連續(xù)，秸稈受力巨大，很容易發(fā)生斷裂，加之秸稈汁液本身具有粘性，容易吸附在壓榨輥表面從而導(dǎo)致壓榨不均勻，故需安裝引流板，根據(jù)壓榨軌跡，將秸稈送入壓榨空間。同時(shí)，引流板需做到單薄，從而不擾亂壓榨過程，這就需要引流板材料具備一定的強(qiáng)度，同時(shí)具備耐腐蝕的特點(diǎn)。基于以上要求，初步選用不銹鋼作為引流板材質(zhì)。引流板結(jié)構(gòu)如圖4所示。

引料板安裝于粗榨輥筒之間，引流板開有若干小孔，從而將粗榨后的秸稈順利送入精榨通道，又可實(shí)現(xiàn)秸稈汁液的初次過濾。與此同時(shí)，引流板的工作曲面與壓榨輥相切，又可起到清潔輥筒的作用，壓榨后吸附在輥筒表面上的渣滓在輥筒旋轉(zhuǎn)的過程中碰到引流板被刮下，從而避免輥筒表面的徑向排汁孔堵塞，提高秸稈汁液的收集率[4]。

圖 4 引流板結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of drain plate

2 基于ADAMS的仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 建模及設(shè)置相關(guān)參數(shù)

因后續(xù)實(shí)驗(yàn)中需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而實(shí)驗(yàn)進(jìn)行是在4月份，秸稈還未收獲，因此采用與之類似的甘蔗秸稈進(jìn)行仿真。Adams建模如圖5所示。圖5中，創(chuàng)建兩輥筒并設(shè)置為剛性體，創(chuàng)建秸稈為柔性體；對(duì)輥筒添加旋轉(zhuǎn)副，對(duì)秸稈添加移動(dòng)副。輥筒的角速度為15.29rad/s，秸稈進(jìn)給速度為1m/s。查閱資料得知：甘蔗的楊氏模量為1.1E+10N/m2，泊松比為0.03，密度為1 100kg/m3[5]。定義材料如圖6所示。

圖 5 Adams建模Fig.5 Modeling in Adams

圖6 甘蔗材料定義Fig.6 Material definition

定義甘蔗與輥筒發(fā)生相互作用的接觸力，甘蔗與輥筒的接觸力存在摩擦，得到的接觸力參數(shù)如表1所示。

表1 應(yīng)力接觸定義[6]

仿真時(shí)間為1.5s，定義步長為0.01，進(jìn)行仿真。

2.2 仿真結(jié)果及分析

仿真得到上下輥筒在y軸方向上的受力圖，如圖7所示。

圖7 輥筒受力曲線Fig.7 The graph of rollers under stress

在壓榨過程中，輥筒在徑向受力在開始基本成線性增加；甘蔗全部進(jìn)入到輥筒后，壓榨力在穩(wěn)定范圍內(nèi)波動(dòng)，最大值達(dá)到了2 200N，在甘蔗從輥筒中出去后；壓榨力逐漸減小。

3 壓榨力實(shí)驗(yàn)

壓榨過程中，壓榨力的大小直接影響到出汁率及設(shè)備的功率。在壓榨系統(tǒng)固定的情況下，嘗試不同的秸稈形狀(整桿、半剖、去皮等)壓榨過程中的壓榨力如何變化。為了得到壓榨力與秸稈形狀及出汁率的具體關(guān)系，需設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

由于本次實(shí)驗(yàn)是在4月份進(jìn)行，秸稈還未收獲，因此采用與之類似的甘蔗秸稈進(jìn)行壓榨力實(shí)驗(yàn)。測試將甘蔗壓榨至左右所需的壓力。甘蔗秸稈硬度較玉米秸稈要大，故所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能滿足實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)測試的數(shù)據(jù)有壓榨力、甘蔗厚度、出汁率；壓榨力通過萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)測試，甘蔗厚度通過游標(biāo)卡尺測量，出汁率通過稱量榨汁前后的甘蔗質(zhì)量計(jì)算得知。

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

將甘蔗分為整稈壓榨、半剖壓榨以及去皮半剖壓榨3組，利用壓力機(jī)壓榨，記錄壓榨位移和甘蔗汁質(zhì)量，得到出汁率、壓榨厚度與壓榨力三者之間的聯(lián)系。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)分組測試了不同厚度、接觸面積下的甘蔗進(jìn)行不同程度壓榨時(shí)所需的壓榨力，結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

整稈壓榨時(shí)壓榨力-位移曲線如圖8所示。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知：在60% 的出汁率的情況下，整稈壓榨所需的壓榨力為25 000N，半剖后壓榨所需的壓榨力為8 500N，約為整稈壓榨的1/3，去皮半剖后壓榨所需的壓榨力進(jìn)一步減小，為6 000N；粗榨過程中，甘蔗整稈壓榨時(shí)最大壓榨力約為2 200N。因此，在壓榨系統(tǒng)之前安裝破碎裝置，將玉米秸稈切碎或剖開可以有效減少壓榨力，出汁率也有所上升。

如果直接進(jìn)行整桿壓榨，所需的壓榨力巨大。為了減小壓榨力，壓榨系統(tǒng)之前需要在輥筒壓榨前方安裝破碎裝置，將玉米秸稈切碎或剖開，以減少壓榨力。

圖8 粗榨壓榨力-位移曲線Fig.8 Pressure-displacement curves of rough squeezing

4 結(jié)論

1)重點(diǎn)分析了玉米秸稈收割榨汁機(jī)的榨汁系統(tǒng)，選用了輥筒壓榨，確定其粗榨、精榨方案和布局參數(shù)。

2)仿真得到粗榨最大壓榨力為2 200N，與實(shí)驗(yàn)中得到的最大壓榨力1 800N比較接近。

3)采用新型玉米秸稈榨汁方式解決了螺旋式壓榨系統(tǒng)容易堵塞及壓榨后秸稈倒吸等問題。

4)實(shí)驗(yàn)表明，甘蔗剖開、去皮后得出同樣的出汁率情況下所需的壓榨力大幅度減小。因此，確定使用榨汁系統(tǒng)前添加劈裂系統(tǒng)以減小其壓榨力。通過使用新型榨汁系統(tǒng)，可以有效減小壓榨力，且出汁率也有所提升。

[1] 霍漢鎮(zhèn).從甘蔗壓榨機(jī)到螺旋壓干機(jī)[J].廣西蔗糖,2004(1)：30-35.

[2] 王明杰,劉守祥.甘蔗榨汁機(jī)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)產(chǎn)品加工學(xué)刊,2007(9):19-22.

[3] 王孝忠.甘蔗壓榨輥加強(qiáng)排汁結(jié)構(gòu):中國，97248519.8[P].1999-05-05.

[4] 許斯欣，林慶生，許喜林.倒三輥無底梳甘蔗壓榨機(jī):中國，98210420.0[P].1999-06-23.

[5] 高建民，區(qū)穎剛.基于物理模型的甘蔗收獲虛擬樣機(jī)研究[D].廣州：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2003.

[6] 胡珊珊. 履帶式小型甘蔗收割機(jī)虛擬樣機(jī)仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 南寧:廣西大學(xué), 2005.

ID:1003-188X(2018)02-0106-EA

Design of Corn Harvester With the Retention of Corn Straw

Yang Le, Lin Song

(College of Mechanical Engineering and Material Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

Abstract： Aimed at the problem of easy blockage, reverse flow after squeezing, huge squeezing force and low juice yield of spiral squeezer, a new design program of multiple-roll squeezer was raised to corn harvester with the retention of corn straw. The dimensions and layout of the pressing system was confirmed. Adams was used to carry out simulation of the squeezing process. A experiment was conducted to testify design program. The results show that the squeeze system of multiple-roll squeezer was exposed to deal with the block up; reverse flow after squeezing didn’t appear anymore; the squeezing force was decreased and the juice yield was clearly on the rise. The equipment basically meet the requirements.

corn harrester； straw management; roller-type squeezer

2016-11-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51271003)

楊 樂(1993-),男，內(nèi)蒙古包頭人，碩士研究生，(E-mail) yang_le@outlook.com。

林 宋(1958-)，男，武漢人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)linsong2000@126.com。

S225.5+1；S220.3

A

1003-188X(2018)02-0106-04