巨菌草莖稈粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)研究

洪培瑤，林斯樂，張騰敏，郭巧惠

（福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院信息與機(jī)電工程系，福建 福州350001）

0 引言

社會(huì)的發(fā)展及能源的消耗促使我們不斷探索和發(fā)現(xiàn)新能源。目前許多西方國(guó)家已經(jīng)把發(fā)展生物質(zhì)能源作為解決其就業(yè)、代替化石燃料和降低大氣污染等問題的戰(zhàn)略措施來對(duì)待[1]。植物莖稈作為一種重要的生物質(zhì)能源，一直以來都受到我國(guó)農(nóng)業(yè)的廣泛關(guān)注。歷史上，我國(guó)很早就開始使用農(nóng)作物莖稈來飼養(yǎng)牲畜或焚燒后作為農(nóng)田的基肥。與此同時(shí)，我國(guó)還致力于探究不同植物莖稈的新用途。1983年福建農(nóng)林大學(xué)菌草研究員林占熺從非洲引進(jìn)巨菌草，將其培育成適應(yīng)我國(guó)環(huán)境氣候生長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)作物[2，3]。隨后我國(guó)對(duì)其深入研究，發(fā)現(xiàn)巨菌草具有營(yíng)養(yǎng)豐富，糖分、蛋白質(zhì)含量高，適口性好，用途廣泛的特點(diǎn)，既可作為食（藥）用菌的生產(chǎn)原料，又可加工成牛、羊、鹿等動(dòng)物飼料，還具有較強(qiáng)的防風(fēng)固沙的生態(tài)治理功能，是一種具有良好應(yīng)用潛力的能源草、生態(tài)草。因此，迅速在我國(guó)的多個(gè)省份進(jìn)行了大面積、規(guī)模化的種植。

巨菌草的力學(xué)特性研究是指利用力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，從而獲得其力學(xué)性能參數(shù)。目前，對(duì)于巨菌草莖稈的力學(xué)特性及粉碎機(jī)理的研究還比較少。董楸煌對(duì)成熟期的巨菌草莖稈進(jìn)行了相關(guān)的力學(xué)性能試驗(yàn)，得出巨菌草蓮稈拉伸彈性模量值為997 MPa、壓縮的彈性模量值為67 MPa、抗拉強(qiáng)度90.9 MPa抗壓強(qiáng)度6.6MPa[4,5]。由于對(duì)巨菌草力學(xué)特性及粉碎機(jī)理的研究較少，因此目前巨菌草粉碎機(jī)械仍沿用已研制成熟的水稻、玉米、小麥的粉碎機(jī)械[6-8]，或是對(duì)其加以改進(jìn)后應(yīng)用于巨菌草的粉碎。缺少力學(xué)性能的研究作為理論依據(jù)導(dǎo)致目前使用的巨菌草粉碎設(shè)備普遍存在粉碎均勻度和細(xì)粒度不夠、容易堵塞篩網(wǎng)、磨損刀具及粉碎效率低下等問題。

1 巨菌草力學(xué)特性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用島津精密電子力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)AG-XPlus，傳感器量程10 kN，測(cè)量精確度±1%；AIRAJ型數(shù)顯游標(biāo)卡尺，量程150 mm，精度0.01 mm，進(jìn)行順紋拉伸、軸壓、徑壓、三點(diǎn)彎曲等試驗(yàn)，應(yīng)力—應(yīng)變曲線由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄，數(shù)據(jù)由TRAPEZIUMX軟件獲得。

1.2 巨菌草力學(xué)性能試驗(yàn)及分析

巨菌草莖稈如圖1。拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，巨菌草整稈軸向拉伸底部、中部、上部的平均抗拉強(qiáng)度和均方差為210.659 MPa和15.145 MPa、216.6615 MPa和15.879 MPa、184.432 MPa和17.608 MPa。底部、中部、頂部的抗拉彈性模量平均值和均方差為4 369.876 MPa和587.845 MPa、4 974.479 MPa和630.181 MPa、3 548.948 MPa和765.079 MPa。試樣破壞時(shí)的伸長(zhǎng)量最大為1.297 mm，最小為0.317 mm，平均為0.934 mm。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1，試驗(yàn)過程的應(yīng)力—應(yīng)變圖如圖2。

圖1 巨菌草莖稈節(jié)間示意

圖2 拉伸應(yīng)力—應(yīng)變圖

表1 巨菌草整稈拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知：試驗(yàn)開始后，在達(dá)到極限載荷前，試驗(yàn)曲線除去開始段預(yù)緊滑移的小部分近似線性關(guān)系，當(dāng)載荷逐漸增大到強(qiáng)度極限時(shí)，莖稈會(huì)瞬間斷裂，斷裂形式為脆斷，此后載荷急劇下降至0。由圖像可以看出，拉伸應(yīng)變量在9%以內(nèi)就達(dá)到最大應(yīng)力，試樣被破壞，說明巨菌草具有脆性。

運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行結(jié)果分析，得出不同試驗(yàn)部位的顯著水平sig<0.05，表明在95%置信區(qū)間內(nèi)，不同試驗(yàn)部位對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響顯著。試驗(yàn)部位對(duì)巨菌草抗拉強(qiáng)度的影響主要是由于巨菌草自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的，巨菌草的抗拉強(qiáng)度與莖稈的維管束數(shù)量、木質(zhì)化程度有關(guān)。越靠近頂部，巨菌草莖稈含水率越高，巨菌草莖稈抵抗形變的能力越低。

2 巨菌草粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

整機(jī)工作過程為：利用電機(jī)及傳送帶將巨菌草莖稈送至壓輥處，主動(dòng)壓輥在電機(jī)及齒輪減速機(jī)構(gòu)的作用下與從動(dòng)壓輥共同低速旋壓巨菌草莖稈，壓裂后的莖稈繼續(xù)被送入粉碎箱體進(jìn)行粉碎，在電動(dòng)機(jī)及帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下，一級(jí)粉碎刀具首先對(duì)巨菌草進(jìn)行初次粉碎，較小的顆粒可以通過一級(jí)箱體的篩網(wǎng)孔排出，較大的顆粒被繼續(xù)送至二級(jí)粉碎室進(jìn)行二次粉碎后通過篩網(wǎng)孔排出。機(jī)具總體結(jié)構(gòu)布置如圖3，總體結(jié)構(gòu)示意如圖4。

圖3 總體結(jié)構(gòu)布置圖

圖4 總體結(jié)構(gòu)示意

1.壓輥電機(jī)2.齒輪減速箱3.主動(dòng)壓輥4.傳送帶5.傳動(dòng)帶電機(jī)6.粉碎箱體7.粉碎電機(jī)8.支撐架9.二級(jí)粉碎室刀具組10.小帶輪11.皮帶12.大帶輪13.一級(jí)粉碎室刀具組

2.2 壓料輥?zhàn)硬考脑O(shè)計(jì)

（1）壓料過程。壓料過程如圖5：

圖5 壓料過程示意

（2）壓料過程受力分析。實(shí)際工作過程中只有主動(dòng)壓輥有動(dòng)力，因此受力分析時(shí)將從動(dòng)壓輥假設(shè)為一塊平面。當(dāng)莖稈被壓入壓料口時(shí)，壓輥對(duì)莖稈產(chǎn)生作用力F，受力分析如圖6。設(shè)作用力F與主動(dòng)壓輥軸心連線夾角為α。F的水平分力Fsinα將妨礙莖稈壓入壓料口，分力Ffcosα為壓入莖稈的主要作用力，故壓輥工作的必要條件為：

圖6 壓料過程受力圖

則f=tanφ≥tanα，即φ≥α。

（3）壓輥表面溝槽設(shè)計(jì)。為了增強(qiáng)壓輥的抓料能力，應(yīng)在壓輥的表面開設(shè)溝槽，如圖7。

圖7 壓輥表面設(shè)計(jì)示意

取溝齒數(shù)為10，則每個(gè)齒所對(duì)應(yīng)的圓心角為36°，取齒頂弧長(zhǎng)為1 mm（即1.43°），則巨菌草莖稈外徑A=20 mm，壓料口高度b=8 mm，因此壓輥齒心垂距為40-12=28 mm。則溝齒初始工作角

在△OAB中：

故OB=35.6 mm，取OB=36 mm。壓輥結(jié)構(gòu)如圖8。

圖8 壓輥結(jié)構(gòu)示意

3 結(jié)論

（1）分析得出巨菌草整稈軸向拉伸底部、中部、上部的平均抗拉強(qiáng)度和均方差；底部、中部、頂部的抗拉彈性模量平均值和均方差。通過具體的彈性模量設(shè)計(jì)出巨菌草莖稈粉碎機(jī)。

（2）對(duì)巨菌草莖稈粉碎機(jī)的壓輥進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，得到壓輥溝槽工作面在工作狀態(tài)時(shí)的角度為16.699°。

（3）粉碎機(jī)分成兩個(gè)粉碎室，進(jìn)行一次粉碎和二次粉碎，以便精細(xì)化粉碎，使顆粒細(xì)小，供農(nóng)民培育菌類。