小型組合式王草鍘切打漿機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

郇曉龍 尤 泳 王德成 張永祿 馬文鵬 惠云婷

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

0 引言

王草是一種由狼尾草與象草雜交而成的高稈類禾草，在我國南方地區(qū)廣泛種植，其營養(yǎng)豐富，莖嫩多汁，每年可刈割多次，是一種高產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)飼草[1]。王草莖稈高大粗壯，為便于牲畜咀嚼和消化、提高飼喂效率，通常在飼喂前采用鍘切、揉搓、打漿等方式進(jìn)行加工處理。王草打漿可以減少飼草營養(yǎng)物質(zhì)損失、增加牲畜采食量，便于與其他飼料進(jìn)行混合，尤其適合飼喂豬、雞等畜禽[2-7]。

國內(nèi)外學(xué)者以玉米秸稈、甜高粱秸稈等為加工對象進(jìn)行了飼草鍘切、揉搓機(jī)械的相關(guān)研究[8-14]。文獻(xiàn)[8-10]對秸稈鍘切、揉搓過程進(jìn)行分析，建立了秸稈揉搓過程的空間幾何模型，得到莖稈含水率和切割狀態(tài)等參數(shù)對鍘切功耗的影響。文獻(xiàn)[11-14]通過理論分析和臺架試驗(yàn)相結(jié)合的方式，研究確定了安裝角、刀尖傾角、篩孔直徑、刀軸轉(zhuǎn)速等結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)對秸稈的鍘切效果和切割功耗的影響效果。

莖稈的物理特性對王草加工機(jī)械的設(shè)計(jì)具有重要影響。榮熊[15]、葉炳南[16]利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對收割期王草莖稈進(jìn)行了物理特性試驗(yàn)，結(jié)果表明，莖稈外皮在軸向有明顯的線彈性，抗拉強(qiáng)度平均值71.39 MPa，軸向拉伸彈性模量平均值3 506 MPa，軸向抗拉強(qiáng)度65.44 MPa，抗壓強(qiáng)度平均值為14.10 MPa，抗彎強(qiáng)度平均值為14.66 MPa，抗彎彈性模量平均值為132 MPa；王草莖稈外皮屬于各向異性材料，其軸向和徑向力學(xué)特性存在明顯差異。王槊等[17]在根徑、取樣高度兩個(gè)維度上研究了收獲期王草莖稈拉伸與剪切的強(qiáng)度問題，結(jié)果表明，根徑、取樣高度、長徑及圓度等對莖稈強(qiáng)度無顯著影響。綜上所述，相比玉米、甜高粱、蘆竹等其他高莖稈作物，王草含水率更高、莖稈強(qiáng)度更大，對加工機(jī)械的性能要求更高[18-20]。

目前，缺少針對王草專用的鍘切、打漿機(jī)械，利用傳統(tǒng)的飼草鍘切機(jī)、揉搓機(jī)對王草進(jìn)行加工時(shí)，加工質(zhì)量難以保證，且不具備對高含水率王草的打漿功能，難以同時(shí)滿足小規(guī)模畜禽養(yǎng)殖戶對王草的不同飼喂加工要求。本文在現(xiàn)有飼草粉碎、揉切等研究的基礎(chǔ)上，對王草鍘切、打漿一體化工藝進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)適用于家庭農(nóng)戶使用的小型組合式王草鍘切打漿機(jī)，以滿足對王草加工的多樣化要求，同時(shí)提高王草鍘切打漿機(jī)的工作性能。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

小型王草鍘切打漿機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、喂入裝置、工作室、拋送口、下出料口、傳動系統(tǒng)等組成。因王草莖稈高大粗壯，設(shè)計(jì)喂入裝置包括喂入口、喂入撥輥和喂入壓輥，由喂入電機(jī)提供動力。為增加對王草的輸送能力，喂入撥輥為一對表面帶有喂入撥齒的對輥，其輥間距離固定；喂入壓輥為上下浮動對輥，位于撥輥后側(cè)，可隨喂入量而改變喂入間隙，以此實(shí)現(xiàn)在喂入量變化的情況下，喂入輥對王草施加穩(wěn)定的夾持力，保證喂入流暢并防止堵塞。工作室內(nèi)主要安裝有鍘切刀盤、錘片組、破碎齒板、凹板、拋送板等。鍘切刀盤、錘片組、拋送板布置于同一主軸上，并由主電機(jī)提供動力。破碎齒板安裝于殼體上，凹板位于工作室下部，下出料口位于凹板下方。為便于實(shí)現(xiàn)王草鍘切和打漿功能的切換，凹板通過螺栓與工作室主殼體相連，可根據(jù)鍘切和打漿工藝的需要拆卸更換不同形式的凹板。拋送口在拋送板對應(yīng)位置處的工作室上部，出口處安裝有封閉擋板，在切換鍘切或打漿功能時(shí)，可將拋送口開啟或關(guān)閉。鍘切刀盤上安裝有鍘切動刀，與定刀配合組成鍘切機(jī)構(gòu)。

1.2 工作原理

鍘切工作前，安裝封閉凹板，關(guān)閉下出料口，并取下拋送口處的擋板，使鍘切后的王草碎料可通過拋送口拋出。其工作過程為：王草通過喂入機(jī)構(gòu)由喂入口連續(xù)喂入，經(jīng)鍘切機(jī)構(gòu)上的動刀、定刀的剪切作用而被切斷落入工作室，在高速旋轉(zhuǎn)的錘片帶動下向后方輸送，并在拋送板的作用下經(jīng)拋送出口排出工作室，由此實(shí)現(xiàn)對王草的鍘切加工。鍘切長度由喂入速度和動刀轉(zhuǎn)速決定，在實(shí)際鍘切工藝中，通過控制喂入機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速，從而控制喂入速度來實(shí)現(xiàn)王草鍘切長度的調(diào)整。鍘切用王草可以為青綠或干王草，根據(jù)使用需求確定。

打漿工作前，安裝拋送擋板，關(guān)閉拋送口，換裝打漿用凹板，使打漿后的王草漿料可透過凹板經(jīng)下出料口排出。其工作過程為高含水率的王草經(jīng)鍘切后落入工作室，鍘切后的王草碎料在高速旋轉(zhuǎn)的錘片和破碎齒板的聯(lián)合作用下被不斷剪切、揉搓，在此過程中，在自身重力和錘片作用下，破碎后的王草漿料被壓向凹板，當(dāng)漿料粒度小于凹板孔徑時(shí)，漿料經(jīng)凹板下落至下出料口，排出工作室，實(shí)現(xiàn)青綠王草的打漿加工。打漿用王草需為刈割后的高含水率青綠王草。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與工藝分析

2.1 鍘切動刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鍘切機(jī)構(gòu)選用曲刃切刀。參照文獻(xiàn)[21-22]，切刀刃角選用25°，切刀厚度選用5 mm，采用63Mn鋼制造。切刀刃口曲線采用偏心圓弧，如圖2所示，其切刀刃口半徑計(jì)算公式為

(1)

式中R——切刀刃口半徑，mm

R1——切刀刃口中線半徑，mm

b——喂入口寬度，mm

c——切刀回轉(zhuǎn)中心與喂入口水平距離，mm

h——切刀回轉(zhuǎn)中心與喂入口垂直距離，mm

τmax——切刀最大滑切角，(°)

τmin——切刀最小滑切角，(°)

δR——刃口磨損儲備量，常取18～33 mm

根據(jù)喂入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，喂入口寬度b=130 mm，切刀回轉(zhuǎn)中心與喂入口水平距離c=45 mm，喂入口高度h=20 mm。切刀最大滑切角取50°，切刀最小滑切角取30°，刃口磨損儲備量取28 mm。代入式(1)中，得切刀刃口半徑R=145 mm。

切刀偏心距e′的計(jì)算公式為

e′=R1cos2τmin

(2)

代入數(shù)據(jù)，求得切刀偏心距e′=114 mm。

切刀遠(yuǎn)端點(diǎn)A、近端點(diǎn)B與刀盤中心的水平距離為

(3)

LOB=c-δ2

(4)

式中δ1——右側(cè)刀長余量，取8～15 mm

δ2——左側(cè)刀長余量，取6～12 mm

LOA——切刀遠(yuǎn)端點(diǎn)A與刀盤中心O的水平距離

LOB——切刀近端點(diǎn)B與刀盤中心O的水平距離

綜合考慮喂入口的布置形式，取δ1=9 mm，δ2=6 mm，代入數(shù)據(jù)，求得LOA=185 mm，LOB=39 mm。

2.2 拋送板及動刀架設(shè)計(jì)

拋送板及動刀架用于安裝錘片架，拋送板在王草鍘切加工時(shí)起到拋送王草的作用，動刀架用于固定動刀。拋送板是決定拋送效果的關(guān)鍵裝置。袁洪方[23]運(yùn)用離散元法分析了切斷后的玉米秸稈在拋送室中的運(yùn)動規(guī)律，通過仿真試驗(yàn)得出了優(yōu)選的拋送板角度為6°～17°，優(yōu)選的拋送板拐點(diǎn)長度為150～200 mm。動刀架主要起支撐作用，根據(jù)動刀的設(shè)計(jì)對動刀架結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的拋送板、動刀架結(jié)構(gòu)如圖3、4所示，工作室主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5。

2.3 喂入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證喂入量發(fā)生變化時(shí)實(shí)現(xiàn)連續(xù)、均勻地喂料，設(shè)計(jì)了具有自動調(diào)節(jié)喂入輥間隙功能的喂入機(jī)構(gòu)。

2.3.1浮動式喂入輥

在喂入口后方前后布置兩組喂入輥，分別為喂入撥輥及喂入壓輥。王草通過喂入口后經(jīng)上下喂入撥輥配合向后撥送，由兩喂入壓輥夾緊輸送至鍘切機(jī)構(gòu)進(jìn)行切割。為了保證喂入壓輥可以根據(jù)王草喂入量變化持續(xù)壓緊喂入，采用壓簧式夾緊機(jī)構(gòu)。當(dāng)王草喂入量增大時(shí)，可上下浮動的上喂入輥隨王草喂入量調(diào)節(jié)兩輥間距，王草通過間隙及所受壓緊力隨之增大，保證鍘切效果。喂入輥配置簡圖如圖6所示。

2.3.2喂入輥半徑

喂入機(jī)構(gòu)主要通過轉(zhuǎn)動的喂入輥對飼草進(jìn)行摩擦攫取實(shí)現(xiàn)喂入作用，其喂入過程受力分析如圖7所示。圖中O1為下喂入輥回轉(zhuǎn)中心，O2為上喂入輥回轉(zhuǎn)中心，β為喂入輥對飼草的正壓力方向與輥軸連線間夾角，F(xiàn)為喂入輥對飼草的正壓力，μ為摩擦因數(shù)，Y為喂入前飼草厚度，y為喂入輥間隙，RW為喂入輥半徑。厚度為Y的飼草，經(jīng)上下喂入輥擠壓后，厚度減小為兩喂入輥的輥間間隙。假定在喂入過程中不存在彈性變形，僅靠喂入輥的攫取力。假定喂入輥對飼草的正壓力F作用在接觸弧的中心處，則兩輥對喂入飼草的推力為2Fsinβ，兩輥轉(zhuǎn)動時(shí)對飼草層的摩擦力為μF，為使飼草產(chǎn)生喂入移動，則應(yīng)滿足

2μFcosβ≥2Fsinβ

(5)

該條件可以保證喂入輥對飼草的攫取驅(qū)動力。由圖7可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)喂入輥半徑越小時(shí)，β越大，因此，喂入輥半徑越大，喂入輥的攫取喂入能力越強(qiáng)，存在關(guān)系

LO1O2=2RW+y=2RWcos(2β)+Y

(6)

在喂入臨界條件，取喂入前王草厚度為40 mm，兩輥間隙為20 mm，喂入輥對王草的摩擦角為16°，代入數(shù)據(jù)，求得RWmin=66 mm。綜合考慮一體機(jī)整體結(jié)構(gòu)布局，設(shè)置一體機(jī)喂入輥半徑RW=70 mm。加工后喂入機(jī)構(gòu)如圖8所示。

2.4 王草打漿工藝分析

飼草打漿的實(shí)質(zhì)是通過機(jī)械外力對高含水率飼草進(jìn)行破碎使之成為碎料。打漿工藝中，王草為青綠王草，含水率高，具有較強(qiáng)的韌性，青綠王草的破碎與干王草的破碎相比具有一定的復(fù)雜性。為實(shí)現(xiàn)青綠王草的破碎打漿，對王草破碎形式和漿料排料方式進(jìn)行分析。

2.4.1王草破碎形式分析

王草破碎主要通過高速運(yùn)動的錘片和固定在倉室內(nèi)壁上的齒板配合作用，使王草破碎成漿。本研究選擇了標(biāo)準(zhǔn)錘片、L型錘片和Y型錘片3種錘片形式，如圖9所示。標(biāo)準(zhǔn)錘片與齒板組合式，錘片與王草之間有較強(qiáng)的剪切作用，莖稈容易斷裂；在搓擦階段，由于錘片工作面較窄，且為徑向方向，故發(fā)生的搓擦作用有限。L型錘片與齒板組合式，可以增加錘片與齒板間的搓擦作用，該種搓擦的破碎方式有利于較高含水率的韌性青綠王草的破碎。Y型錘片在高速破碎王草時(shí)具有較大的橫向工作面積，使王草碎段在高速旋轉(zhuǎn)的錘片的帶動下，存在向外運(yùn)動的趨勢，會緊貼合齒板運(yùn)動，這導(dǎo)致王草碎段在經(jīng)過齒板時(shí)，將受到極大的搓擦作用。

2.4.2王草排料結(jié)構(gòu)分析

在王草打漿工藝中，漿料的排出相比傳統(tǒng)飼草加工中揉搓料的拋送及粉碎料的排出，具有更大的難度。本研究選擇圓孔篩凹板式、柵格凹板式和軸流凹板式3種漿料排料結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究。圓孔篩凹板采用粉碎用標(biāo)準(zhǔn)篩孔，利用粉碎工藝中的排料方式完成打漿漿料的排出。柵格凹板主要由柵條、圓鋼等組成。柵條采用2 mm厚熱軋板切割而成，柵條徑向?qū)挾葹?5 mm，在一體機(jī)上軸向布置40片柵條，用20條5 mm圓鋼穿制焊合。柵格凹板具有一定的徑向厚度，可以增加漿料通過柵格凹板的時(shí)間，從而增加王草碎料在工作室內(nèi)部被破碎的時(shí)間，進(jìn)而提高漿料的破碎程度。軸流凹板為半圓柱面板，由熱軋板卷制而成，在板上安裝變高度斜向齒板，軸流凹板寬度小于工作室寬度，凹板在拋送板側(cè)與側(cè)板有一定間隙。變高度斜向齒板起導(dǎo)向作用，使王草碎段在工作室內(nèi)部破碎過程中產(chǎn)生軸向運(yùn)動，在王草漿料經(jīng)破碎至遠(yuǎn)離鍘切口一側(cè)，漿料從篩板與側(cè)板間的空隙處流出。

3 鍘切打漿機(jī)構(gòu)工作參數(shù)優(yōu)化

3.1 鍘切機(jī)構(gòu)仿真優(yōu)化試驗(yàn)

為減少切割能耗以適用于家庭農(nóng)戶使用，利用顯式動力學(xué)軟件ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行鍘切機(jī)構(gòu)切割過程模擬[24-26]，研究動定刀間隙、定刀高度、主軸轉(zhuǎn)速等因素對鍘切機(jī)構(gòu)切割王草功率消耗的影響，優(yōu)化鍘切結(jié)構(gòu)工作參數(shù)。

3.1.1切割模型建立和仿真參數(shù)設(shè)定

王草莖稈可分為芯部與外皮兩部分，收獲期王草莖稈芯部和外皮物理特性差異較大，外皮厚壁組織密集，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，而芯部質(zhì)地松散易破碎，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，王草莖稈強(qiáng)度主要集中在外皮部分，故鍘切機(jī)構(gòu)仿真優(yōu)化試驗(yàn)以外皮作為切割研究對象。取王草莖稈直徑為16 mm，外皮厚度為1.5 mm，建立一段長為100 mm的空心圓柱形王草莖稈模型。同時(shí)為提高運(yùn)算速度，對鍘切機(jī)構(gòu)幾何模型進(jìn)行簡化，將切刀與刀盤設(shè)為一個(gè)整體。在實(shí)際鍘切過程中，切刀對一簇王草進(jìn)行切割，在本仿真試驗(yàn)中，為縮短運(yùn)算時(shí)間，模擬鍘切機(jī)構(gòu)切割2根王草。建立定刀幾何模型，根據(jù)設(shè)計(jì)的一體機(jī)鍘切機(jī)構(gòu)，配置王草莖稈、鍘切機(jī)構(gòu)及定刀位置，所組成的模型如圖10所示。王草莖稈為正交各向異性材料，王草材料模型物理參數(shù)如表1所示[15,27]。設(shè)置王草莖稈為ORTHOTROPIC本構(gòu)模型，添加表中的各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)置莖稈的失效屬性ADD_EROSION。切刀的材料為65Mn。在建立鍘切模型時(shí)，定義切刀為剛性材料模型，其物理參數(shù)[28]如表2所示。

表1 王草材料模型物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of King grass material model

表2 切刀材料模型物理參數(shù)Tab.2 Physical parameters of cutter material model

在鍘切過程中，定義接觸模型為Surface to Surface Eroding。采用多區(qū)域網(wǎng)格劃分法，細(xì)化王草莖稈網(wǎng)格，劃分完成后，切割模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為10 435，單元數(shù)為25 913。根據(jù)鍘切機(jī)構(gòu)實(shí)際工作工程，設(shè)定相關(guān)約束。對定刀施加全約束，對王草莖稈Z方向移動自由度施加約束，對鍘切機(jī)構(gòu)移動自由度施加全約束，對其X、Y方向旋轉(zhuǎn)自由度施加約束。仿真試驗(yàn)中模擬切刀切割一次效果，即切刀旋轉(zhuǎn)180°即可，通過計(jì)算，設(shè)置計(jì)算終止時(shí)間為0.02 s，采用默認(rèn)步長輸出。相關(guān)參數(shù)設(shè)置完成后，生成K文件，并由Mechanical APDL進(jìn)行求解。利用LS-PrePost軟件輸出切割過程鍘切機(jī)構(gòu)的動能變化。在本仿真試驗(yàn)中，對鍘切刀盤施加初始速度，在切割過程中，刀盤轉(zhuǎn)速會因切割阻力而下降，其動能也隨之下降，忽略切割過程中的內(nèi)能變化，則鍘切刀盤動能的減少量即切割功耗。

3.1.2鍘切機(jī)構(gòu)仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)鍘切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，鍘切機(jī)構(gòu)中切刀類型、動定刀間隙、定刀高度和主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)會影響切割效果，為分析上述4種因素對切割效果的影響，利用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行仿真鍘切試驗(yàn)，以切割功耗為評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)[29]。

目前，用于飼草鍘切的切刀類型主要有曲刃切刀和齒刃切刀[22-23]。曲刃切刀在鍘切時(shí)有較好的滑切性能，但在切割后期推擠角較大，對飼草喂入穩(wěn)定性有較高要求；齒刃切刀通過齒尖嵌入莖稈切割，切割過程中，莖稈不存在橫向推擠，可以很好地被刀齒鉗住。綜合兩種切刀的優(yōu)缺點(diǎn)提出了缺口圓弧切刀，在鍘切過程中，既具有曲刃切刀切割的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免曲刃切刀切割對王草的推擠作用。3種切刀的切割模型如圖11所示。常見的飼草切碎機(jī)動定刀間隙為0.2～0.6 mm，在切粗硬莖稈時(shí)可以適當(dāng)取較大的間隙[22]。由于王草莖稈較為粗硬，鍘切時(shí)具有一定難度，且選用的齒形切刀、缺口圓弧切刀在受力較大時(shí)易變形，會導(dǎo)致動定刀碰撞，故在試驗(yàn)安排時(shí)選取0.2、1.1、2.0 mm等較大值。根據(jù)上文對喂入機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，選用定刀高度16、23、30 mm。錘片轉(zhuǎn)子末端線速度較小，不利于粉碎，故參考現(xiàn)有飼草揉搓機(jī)、粉碎機(jī)設(shè)計(jì)，選用1 000、1 300、1 600 r/min進(jìn)行鍘切機(jī)構(gòu)切割試驗(yàn)研究。試驗(yàn)因素與水平如表3所示。

表3 鍘切正交試驗(yàn)因素水平Tab.3 Factors and levels of cutting orthogonal test

3.1.3鍘切機(jī)構(gòu)切割試驗(yàn)結(jié)果分析

按表4 鍘切正交試驗(yàn)方案進(jìn)行鍘切試驗(yàn)，A、B、C、D為因素水平值。計(jì)算得到各組試驗(yàn)的切割功耗如表4所示。計(jì)算機(jī)仿真切割過程如圖12所示。

表4 鍘切正交試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.4 Cutting orthogonal test scheme and results

鍘切機(jī)構(gòu)切割王草正交試驗(yàn)的極差分析結(jié)果見表5。以切割功耗為評價(jià)指標(biāo)時(shí)，其值越小越好。從表5中可知，在鍘切機(jī)構(gòu)切割王草莖稈過程，影響切割功耗的因素主次順序?yàn)锳、B、C、D。最優(yōu)水平組合為A3B3C2D2，即選擇缺口圓弧切刀，動定刀間隙為2 mm，定刀高度為23 mm，主軸轉(zhuǎn)速為1 300 r/min。

表5 鍘切正交試驗(yàn)極差分析Tab.5 Range analysis of cutting orthogonal test

對鍘切機(jī)構(gòu)切割王草試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表6所示。由表6可以看出，以切割功耗為評價(jià)指標(biāo)時(shí)，定刀高度的P值小于0.05，說明其對切割功耗影響顯著，切刀類型、動定刀間隙的P值小于0.01，說明其對切割功耗的影響極顯著；主軸轉(zhuǎn)速的P值大于0.05，說明主軸轉(zhuǎn)速對切割功耗影響不顯著。

表6 鍘切正交試驗(yàn)方差分析Tab.6 Analysis of variance of cutting orthogonal test

3.2 打漿機(jī)試驗(yàn)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鍘切機(jī)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)行王草鍘切打漿機(jī)樣機(jī)的試制，并在加工完成的樣機(jī)上進(jìn)行王草打漿優(yōu)化試驗(yàn)，確定王草鍘切打漿機(jī)的工藝最佳結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)。

3.2.1樣機(jī)試制

根據(jù)對王草鍘切打漿機(jī)的設(shè)計(jì)、建模及鍘切機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，完成試驗(yàn)樣機(jī)的試制。樣機(jī)所需的零部件由石家莊鑫農(nóng)機(jī)械有限公司進(jìn)行試制加工，試制完成后進(jìn)行樣機(jī)的總裝和調(diào)試，總裝后的王草鍘切打漿樣機(jī)如圖13所示。

3.2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為確定王草打漿最佳工藝參數(shù)，以主軸轉(zhuǎn)速、王草破碎方式、漿料排料方式為試驗(yàn)因素，同時(shí)為評價(jià)打漿效果，以漿料中長草質(zhì)量分?jǐn)?shù)為評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)。

根據(jù)鍘切機(jī)構(gòu)切割正交試驗(yàn)結(jié)果，主軸轉(zhuǎn)速對切割功耗影響不顯著，在此研究基礎(chǔ)上，對王草打漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)，選取王草打漿最佳主軸轉(zhuǎn)速為整機(jī)最終主軸轉(zhuǎn)速。綜合考慮鍘切試驗(yàn)研究結(jié)果和現(xiàn)有飼草加工設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速，確定本試驗(yàn)主軸轉(zhuǎn)速為1 200、1 300、1 400 r/min，試驗(yàn)因素水平如表7所示。

表7 打漿正交試驗(yàn)因素水平Tab.7 Factors and levels of beating orthogonal test

試驗(yàn)用王草品種為熱研4號，采自廣東省湛江市，經(jīng)刈割后立即用保鮮膜密封，運(yùn)送至試驗(yàn)地開展試驗(yàn)。將采集的王草隨機(jī)分為9組，每組10 kg。試驗(yàn)時(shí)取部分樣品采用烘干法測其含水率[30]，試驗(yàn)樣品平均含水率為91.3%。按表8(X、Y、Z為因素水平值)正交試驗(yàn)的順序進(jìn)行試驗(yàn)，在開始試驗(yàn)前，根據(jù)試驗(yàn)方案要求，調(diào)整試驗(yàn)樣機(jī)工作參數(shù)，待樣機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)后開始勻速喂料。打漿完成后稱取漿料質(zhì)量，并從漿料不同位置處取樣3次，每次10 g，從中挑選出長度超過15 mm的王草碎段，漿料中長草質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算式為

表8 打漿正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.8 Results of beating orthogonal test

(7)

式中mX——漿料中長度超過15 mm的王草碎段質(zhì)量，g

3.2.3試驗(yàn)結(jié)果

按試驗(yàn)安排完成9組試驗(yàn)，測得每組試驗(yàn)漿料中長草質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表8。對王草打漿正交試驗(yàn)進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表9。以漿料中長草質(zhì)量分?jǐn)?shù)為評價(jià)指標(biāo)時(shí)，其值越小越好。從表9可以看出，影響一體機(jī)打漿漿料中長草質(zhì)量分?jǐn)?shù)的主次順序?yàn)閆、X、Y。最優(yōu)水平選取X3Y1Z1，即主軸轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，王草破碎方式為標(biāo)準(zhǔn)錘片與齒板破碎式，漿料排料方式選擇圓孔凹板式。對王草打漿試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表10所示。由表10可以看出，以漿料中長草質(zhì)量分?jǐn)?shù)為評價(jià)指標(biāo)時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速的P值小于0.05，說明其對漿料中長草質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響顯著，漿料排料方式的P值小于0.01，說明此項(xiàng)對漿料中長草質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響極顯著；王草破碎方式的P值大于0.05，說明王草破碎方式對漿料中長草質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響不顯著。

表9 打漿試驗(yàn)極差分析Tab.9 Range analysis of beating test

表10 打漿試驗(yàn)方差分析Tab.10 Analysis of variance of beating test

以極差分析得到的最優(yōu)水平X3Y1Z1進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，在此組合下測得漿料中長草質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.37%，優(yōu)于正交試驗(yàn)所有試驗(yàn)結(jié)果，所以王草鍘切打漿機(jī)的打漿工藝參數(shù)選擇主軸轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，王草破碎方式為標(biāo)準(zhǔn)錘片與齒板破碎式，漿料排料方式為圓孔凹板式。

4 樣機(jī)改進(jìn)與性能試驗(yàn)

4.1 樣機(jī)改進(jìn)

根據(jù)對王草鍘切打漿機(jī)的初步試制及王草打漿試驗(yàn)研究結(jié)果，對樣機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，調(diào)整相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成最終整機(jī)加工并進(jìn)行調(diào)試。根據(jù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化結(jié)果，王草鍘切打漿機(jī)主電機(jī)選用Y系列三相異步電機(jī)(Y112M-4型)，喂入機(jī)構(gòu)電機(jī)選用YE2-100L1-4型三相異步電機(jī)，使用變頻器調(diào)速。整機(jī)外形結(jié)構(gòu)如圖14所示，技術(shù)參數(shù)如表11所示。通過調(diào)試，機(jī)器的篩板、齒板等易于更換，可以較為方便地進(jìn)行各功能的切換。

表11 技術(shù)參數(shù)Tab.11 Technical parameters

4.2 整機(jī)性能試驗(yàn)

2020年6月，于石家莊鑫農(nóng)機(jī)械有限公司進(jìn)行王草鍘切和打漿性能試驗(yàn)，驗(yàn)證其工作性能。鍘切性能試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7144—2007和JB/T 9707—2013進(jìn)行，其主要性能指標(biāo)為純工作時(shí)間生產(chǎn)率和標(biāo)準(zhǔn)草長率。試驗(yàn)前測得王草平均含水率為72.8%，平均株高為1.7 m，平均直徑為15 mm。在開始測試前，按要求將一體機(jī)調(diào)試至合適狀態(tài)。鍘切試驗(yàn)進(jìn)行3次，結(jié)果取其平均值，每次鍘切物料質(zhì)量不少于50 kg。結(jié)果表明，鍘切純工作時(shí)間生產(chǎn)率為545 kg/h，鍘切后王草碎料平均切草長度為20.08 mm，符合設(shè)定20 mm的切草長度，標(biāo)準(zhǔn)草長率為86%，王草鍘切效果如圖15a所示。

目前，尚未發(fā)現(xiàn)飼草打漿相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，本文參考飼草揉搓性能試驗(yàn)，以生產(chǎn)率為指標(biāo)，評價(jià)其生產(chǎn)能力，以漿料中長草含量為指標(biāo)，評價(jià)其打漿效果。性能試驗(yàn)采用新鮮王草莖稈，王草平均含水率為92%，平均株高為1.8 m，莖稈平均直徑為18.21 mm。在開始測試前，按要求將機(jī)器調(diào)至最佳工作狀態(tài)。打漿試驗(yàn)進(jìn)行3次，結(jié)果取其平均值，每次打漿物料質(zhì)量不少于50 kg。試驗(yàn)結(jié)果表明，樣機(jī)打漿純工作時(shí)間生產(chǎn)率為150 kg/h，漿料中長草(長度超過15 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.1%，王草打漿效果如圖15b所示。

5 結(jié)論

(1)針對缺少適用于家庭農(nóng)戶使用的王草專用鍘切打漿機(jī)械問題，設(shè)計(jì)了一種小型組合式王草鍘切打漿機(jī)，該機(jī)通過更換部件可進(jìn)行鍘切、打漿的一機(jī)兩用。提出了小型王草鍘切打漿機(jī)的鍘切、打漿工藝方案，完成對切刀結(jié)構(gòu)、拋送板、動刀架、喂入機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)和參數(shù)確定。

(2)采用計(jì)算機(jī)模擬仿真和樣機(jī)試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對鍘切、打漿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，正交試驗(yàn)結(jié)果表明，影響鍘切機(jī)構(gòu)切割功耗的因素主次順序?yàn)榍械额愋汀佣ǖ堕g隙、定刀高度，鍘切機(jī)構(gòu)選取缺口圓弧切刀，動定刀間隙為2 mm，定刀高度為23 mm，打漿樣機(jī)試驗(yàn)確定主軸轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，王草破碎方式采用標(biāo)準(zhǔn)錘片與齒板破碎式，漿料排料方式采用圓孔凹板式。

(3)在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對小型王草鍘切打漿機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的整機(jī)性能試驗(yàn)表明，王草鍘切的純工作時(shí)間生產(chǎn)率為545 kg/h，標(biāo)準(zhǔn)草長率為86%，打漿純工作時(shí)間生產(chǎn)率為150 kg/h，漿料中長草質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.1%，機(jī)器性能可靠，適用于家庭農(nóng)戶使用。