【正文】 者之間是密切相關(guān)的。sin x)/e] () 式中 : R —圓弧刀刃的半徑 r—切割點(diǎn)處的回轉(zhuǎn)半徑 e —圓弧刀刃的偏心距 H—切割中心線高度 Ra —切割點(diǎn)與回轉(zhuǎn)中心水平距離 對于直線刀刃 ,切割過程中的幾何參數(shù)與其結(jié)構(gòu)參數(shù) 的關(guān)系為 : τ=arcsin(e/r) () x =τ+arcsin( H/r) () θ= (π/2) x () 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 式中 ： e —直線刀刃偏心距 。偏心圓弧曲線刀刃、直線刀刃和等滑切角曲線刀刃 3 種形式的切碎器在切 割過程的幾何參數(shù)如圖 所示。然后從理論上對切碎器等重要工作部件進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需參數(shù) ?？倐鲃颖葹?i=。 圖 喂入機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖 圖 喂入輥結(jié)構(gòu)圖 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 切碎機(jī)傳動系統(tǒng)簡圖見圖 。隨物料尺寸的改變， 使壓力隨彈簧變形而改變，有利于喂入切割。 由于本切碎機(jī)主要是用于切碎硬莖稈，所以采用卷入性能好，并能自動調(diào)節(jié)喂入口高度的星齒型上下喂入輥 (圖 )。主要結(jié)構(gòu)簡圖見圖 。 喂入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 喂入機(jī)構(gòu)由喂入槽、喂入輥和壓緊裝置等部件組成。 切碎器的動刀片數(shù) k 為 2，喂入輥轉(zhuǎn)速 n 為 85r/min，喂入口寬度 a 取 ， 度 b 取 ，莖稈壓縮后容重以棉稈為例約為 120~150kg/m3 ，若取 130kg/m。 n— 喂入輥轉(zhuǎn)速， r/min。 a、 b—為喂入口高度和寬度， m。nbk 主要技術(shù)參數(shù)確定 切碎長度是切碎機(jī)主要性能指標(biāo)之一，機(jī)器工作時(shí)，秸稈被喂入輥卷入切碎機(jī)構(gòu)的速度 v 60Dn?? (m/s)，切砰器每秒鐘切碎次數(shù)為 601kn ，則理論切碎長度為 : L=601knv= kiD? 考慮到喂入輥的打滑因素，實(shí)際切碎長度為 : L= kid )1( ?? ? () 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 式中 ： k—動刀片數(shù) i—切碎器主軸 n1 與喂入輥轉(zhuǎn)速 n 之傳動比 D—喂入輥直徑 ? —打滑系數(shù)，一般取 ~ 切碎器主軸與喂入輥之傳動比 i=，喂入輥直徑 d=83mm，動刀片數(shù) K 為 2，打滑系數(shù) ? 取 ，則理論切碎長度 L=20mm。因此，為了改善其切碎性能，本設(shè)計(jì)采用提高切碎器轉(zhuǎn)速和增大其本身轉(zhuǎn)動慣量 (即刀架質(zhì)量 )的方法，來補(bǔ)償由于阻力矩變化所引起的運(yùn)轉(zhuǎn)不均的缺點(diǎn)。故刀片推擠角隨著切割點(diǎn)外移、回轉(zhuǎn)角的減小而減小。因此，為保證切割穩(wěn)定，不產(chǎn)生滑動切割，滿足如下切割條件 : 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 1??? 2?? （ ) 中心 4.? 滑切角 6. x推擠角 圖 切碎器的結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)文獻(xiàn)資料 (陶南， 1991)，取 1? = ?12 ， ?2? ?38 ，則 x? ?50 。因此，刀片切割阻力矩隨著切割半徑的增大，滑切角的減小，切割阻力的增大而增大。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 圖 直刃刀動刀架簡圖 圖 刀 片的滑切 為了保證刀片有滑切，其 刃線 AB 至回轉(zhuǎn)中心 O 應(yīng)具有偏心距 e。速度 V 和 Vn夾角為滑切角 ? ，在一定滑切角范圍內(nèi)，滑切程度越大，切割越省力。 當(dāng)?shù)镀a(chǎn)生滑切時(shí)，切割點(diǎn) M速度 V分解為 2部分 (圖 ):滑 切速度 Vt，方向平行刃線 。砍切時(shí)刀片切割點(diǎn) M 運(yùn)動方向垂直刃線，而滑切時(shí)刀片切割點(diǎn) M 運(yùn)動方向不垂直刃線。 直刀刃切碎螺旋刀切碎錘片切碎主動軸轉(zhuǎn)速（ ）能耗（） 圖 切碎機(jī)主動軸轉(zhuǎn)速與能耗的關(guān)系 根據(jù)以上分析，我們選擇直刃刀切碎作為棉稈等硬莖稈切碎的設(shè)計(jì)方案，動刀片數(shù)為 3，均布于動刀架上，其動刀架結(jié)構(gòu)見圖 。 表 切碎秸稈的粒度分布 刀軸轉(zhuǎn)速 粒度 (mm)及百分含量 (%) /r錘片式切碎是利用高速旋轉(zhuǎn)的錘片 來擊碎秸稈，刀片結(jié)構(gòu)簡單，通用性好，但能耗高 (藺公振等， 19%。輪刀式切碎質(zhì)量好，刀片結(jié)構(gòu)簡單，主要缺點(diǎn)是刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻。 (3)切割阻力矩變化均勻。影響切碎性能的主要因素有 :(l)切割時(shí)要產(chǎn)生滑切，以減少切割阻力。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 第 3 章 秸稈切碎機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 切碎器設(shè)計(jì) 切 碎器是秸稈切碎機(jī)的重要工作部件。需進(jìn)一步加以分析改進(jìn)。每次試驗(yàn)物料 15kg，共進(jìn)行 5次測試，取平均值，對切碎物料進(jìn)行粒度篩分分析，測試結(jié)果見表 。 喂入齒輥轉(zhuǎn)速 :85r/min: 物料切碎長度 :10mm。 動刀數(shù) :2。 喂入齒輥節(jié)徑 :83mm。 樣機(jī)的性能試驗(yàn) 根據(jù)前面的理論和試驗(yàn)分析，我們設(shè)計(jì)了農(nóng)作物硬莖稈切碎機(jī)，見圖 ，其主要的技術(shù)參數(shù)如下 : 喂入齒輥有效長度 :100mm。 圖 秸稈切碎機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖 該機(jī)主要由切碎器、變速箱和喂入機(jī)構(gòu) 、喂入槽、甩拋裝置、帶傳動、電動機(jī)組成。由表 可知，棉稈中的纖維素含量為 50%左右，木質(zhì)素含量為 20%以上，半纖維素含量為 75%以上，均明顯高于麥秸類軟莖稈，更接近于杉木等低級木材。吳子岳 (2021)和藺公振 (1999)等研究了受切根數(shù)和割刀參數(shù)對切割功耗的影響。大于臨界速度 ，能耗基本不變，實(shí)際切割長度接近于理論長度。國內(nèi)相關(guān)報(bào)道較少，孫驪 (1998)、徐學(xué)耘 (加 00)等對麥秸和棉桿的物理特性作了初步的分析。秸稈的物理特性受物種、品種、產(chǎn)區(qū)、成熟度等多種因素的影響。由于秸稈還田數(shù)量有限，作飼料其營養(yǎng)價(jià)值不高，因此要真正解決秸稈的合理利用問題，關(guān)鍵在于研究秸稈的能源化和工業(yè)化利用技術(shù)。遼寧省農(nóng)科院研制成功秸稈皮鑲分離及其綜合利用技術(shù) 。其它目前正在興起的研究與應(yīng)用有 :南京林業(yè)大學(xué)將秸稈壓縮成型制作秸稈板材，建筑墻體材料，包裝材料等 。秸稈燃料熱風(fēng)烘干技術(shù)是將成捆或經(jīng)預(yù)處理的秸稈加入由兩段燃料室組成的高效燃料爐，燃燒產(chǎn)物經(jīng)過離心除塵可得到潔凈的熱煙道氣，產(chǎn)生的熱風(fēng)溫度可以調(diào)節(jié) (60800℃ )，含煙塵量小于 20mg/m，尤其適宜于高濕物料，如糧食、木材、飼料、雞糞、酒糟等的烘干 (馬學(xué)良， 1995)。秸稈制取沼氣技術(shù)，近年來經(jīng)攻關(guān)研究在技術(shù)上有了較大突破，解決了秸稈易結(jié)殼、出料困難和發(fā)酵不充分的難題。目前全國己有 350 余處秸稈氣化集中供氣示范點(diǎn)，主要集中在山東、河南、江蘇、河北、山西、北京、陜西等。氣相燃料速度快，熱量輸出可以控制，在烘干木材、茶葉、飼料和代替燃油發(fā)電及農(nóng)村居民炊事等方面己有成功應(yīng)用。傳統(tǒng)的秸稈利用方式是直接燃燒，因其密度小，灰分多，本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 己不再適應(yīng)農(nóng)民生活水平的需要，國內(nèi)現(xiàn)行的秸稈優(yōu)質(zhì)能源利用技術(shù)，除了本文所要研究的秸稈壓縮成型技術(shù)以外，還有秸稈氣化集中供氣技術(shù)、秸稈制取沼氣技術(shù)、秸稈燃料熱風(fēng)烘干技術(shù)等。為提高飼料的適口性和營養(yǎng)價(jià)值，近年來 普遍采用氨化、微生物發(fā)酵貯存、熱噴、揉搓等技術(shù)處理，目前全國的年加工處理量約 1000 萬 t，已開發(fā)出的加工設(shè)備有氨化爐、調(diào)質(zhì)機(jī)、青貯收獲機(jī)、揉搓機(jī)、壓餅機(jī)、熱噴設(shè)備等。 (2)牲畜飼料 秸稈用作飼料，在中國主要是以秸稈養(yǎng)畜、過腹還田的方式進(jìn)行的。目前，經(jīng)過對秸稈還田技術(shù)和配套操作規(guī)程等的研究，秸稈直接還田在我國已有了一定面積的推廣應(yīng)用。秸稈還田的方法分為整株還田技術(shù)、粉碎還田技術(shù)、有根茬切碎還田技術(shù)和傳統(tǒng)漚肥還田技術(shù)。各種用途所 占比例如圖 所示 (高祥照等， 2021)。③ 替代能源 ?，F(xiàn)階段其用途大致可分為 4 個(gè)方面 :① 秸稈還田 。推動我國目前綜合開發(fā)利用農(nóng)作物秸稈資源的技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)際應(yīng)用。另外，利用壓縮成型技術(shù)可以將秸稈模壓成不同形狀和用途的產(chǎn)品，如一次性快餐盒、盤 、碟、包裝盒、工業(yè)托盤、育苗容器、人造紙板、瓦楞紙等。壓縮成型技術(shù)為秸稈燃料異地運(yùn)輸使用創(chuàng)造條件，可以作為生物煤供應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)和居民使用，同時(shí)也是很好的氣化原料，對推廣氣化爐有促進(jìn)作用?？萍疾拷M織力量研究推廣秸稈綜合利用技術(shù)，并把秸稈綜合利用技術(shù)列入國家“九五”、“十五”科技攻關(guān)計(jì)劃。 我國政府十分重視秸稈禁燒和綜合利用問題， 1999 年 4月，國家環(huán)境保護(hù)總局、農(nóng)業(yè)部、財(cái)政部、鐵道部、中國民用航空總局聯(lián)合頒發(fā)了《秸稈燃燒和綜合利用管理辦法》。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)，秸稈低效不清潔的直接燃燒利用方式已不適應(yīng)農(nóng)民生活水平提高的需要，富裕起來 的農(nóng)民迫切需要優(yōu)質(zhì)、清潔、方便的能源。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)階段，秸稈資源主要是不經(jīng)任何處理直接用于肥料、燃料和飼料。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒論 本研究的目的和意義 中國是農(nóng)業(yè)大國，也是秸稈資源最為豐富的國家之一。歷史上，中國有利用秸稈的優(yōu)良傳統(tǒng)，農(nóng)民用秸稈建房蔽日遮雨，用秸稈燒火做飯取暖，用秸稈養(yǎng)畜積肥還田，合理利用秸稈是中國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華之一。隨著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變以及經(jīng)濟(jì)、社會的發(fā)展，農(nóng)村能源、飼料結(jié)構(gòu)等發(fā)生了深刻變化，傳統(tǒng)的秸稈利用途徑發(fā)生了歷史性的轉(zhuǎn)變。農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)秸稈資源大量過剩問題日趨突出，農(nóng)民就地焚燒秸稈，不僅帶來污染大氣的嚴(yán)重后果，還因煙霧造成了附近機(jī)場飛機(jī)不能下降，高速公路被迫關(guān)閉的嚴(yán)重社會問題，引起了全社會的關(guān)注。《辦法》要求 :禁止在機(jī)場、交通干線、高壓輸電線路附近和省轄級人民政府劃定的區(qū)域內(nèi)焚燒秸稈，到 2021 年，各省、自治區(qū)的秸稈綜合利用率將達(dá)到 85%。農(nóng)作物秸稈經(jīng)粉碎或切碎后機(jī)械壓縮成燃料塊，能有效地改變其燃料特性，熱值接近中質(zhì)煙煤，平均為 16736kJ。壓制成型的秸稈塊也可以進(jìn)一步炭化處理，得到木炭和活性炭，可廣泛用于冶金、化工、環(huán)保、生活燃料。 本研究以棉稈等硬莖稈為研究對象，通過對秸稈原料特性的分析，確定切碎原理和方法，設(shè)計(jì)出動力消耗低、粒度大小滿足壓縮成型要求的秸稈切碎機(jī)。 農(nóng)作物秸稈綜合利用現(xiàn)狀 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 中國農(nóng)作物秸稈資源量大面廣，每年產(chǎn)出量多達(dá) 億 t，且隨著農(nóng)作物單產(chǎn)的提高，秸稈產(chǎn)量也將隨之增加。② 牲畜飼料 。④ 工業(yè)原料，約占 %的剩余秸稈就地焚燒或閑置。 圖 中國農(nóng)作物秸稈的主要用途 (1)秸稈還田 秸稈還田是目前秸稈利用的最主要方面，據(jù)統(tǒng)計(jì)， 2021 年我國主要糧食作物秸稈粉碎還田的面積占其種植面積的 %(韓魯佳等， 2021)。配套的秸稈還田設(shè)備有粉碎還田機(jī)、滅茬機(jī)、收獲還田機(jī)和水田埋草機(jī)等。在 “八五 ”期間，秸稈直接還田技術(shù)規(guī) 程研究取得了重要突破，已經(jīng)制定出了包括華北、西南、長江中游區(qū)、江蘇水早輪作區(qū)和浙江三熟制種植區(qū)的麥秸、玉米秸、稻草直接翻壓還田的技術(shù)規(guī)程，包括還田方式、秸稈數(shù)量、施氮量、土壤水分、粉碎程度、還田時(shí)間以及防治病蟲害、雜草等方面的技術(shù)要求，實(shí)踐證明適量的秸稈還田能有效增加土壤的有機(jī)質(zhì)含量，改良土壤，培肥地力 (黃忠乾等， 1999)。未經(jīng)任何處理的秸稈，不僅消化率低，粗蛋白和礦物質(zhì)含量低，而且適口性差。 (3)替代能源 據(jù)全國農(nóng)村可再生資源統(tǒng)計(jì)資料顯示 (2021)， “九五 ”期間，秸稈能源用量仍占農(nóng)村生活用能的 30%50%。秸 稈熱解氣化技術(shù)把細(xì)軟、松散的低品位秸稈轉(zhuǎn)換成清潔的高品位氣體，熱效率可達(dá) 40%。部分氣化爐和配套裝置己經(jīng)批量生產(chǎn)，進(jìn)入實(shí)用推廣階段。僅山東就有 170 余處 (韓魯佳等， 2021)。干發(fā)酵工藝則有助于節(jié)約建池費(fèi)用 ，提高池容利用率，目前該技術(shù)在北方應(yīng)用較多。 (4)工業(yè)原料 秸稈作為工業(yè)原料主要用于工業(yè)造紙，占秸稈總產(chǎn)出量的 %。西北農(nóng)大開展模壓制品的 研究，如一次性快餐盒、托盤、家具構(gòu)件和建筑構(gòu)件等 。另外一些科研院所采取生物技術(shù)的手段發(fā)酵生產(chǎn)乙醇、糠醛、苯酚、單細(xì)胞蛋白、燃料油氣、工業(yè)酶制劑等。 秸稈的特性： 秸稈的物理特性 秸稈本身的物理特性是影響秸稈切碎和壓縮成型的主要因素之一。國外對麥秸、飼草等軟莖稈的拉 伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、彈性模量、剛度模量等物理特性研究較多 (o’Dogherty， 1995)。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 秸稈的切碎特性 國外對秸稈切碎的研究集中于麥秸、稻秸等軟莖桿，主要分析切碎能耗、切碎度和切斷效率的各種影響因素，如 o’Dogherty(1986)等人分析了切割速度、割刀參數(shù)、受切根數(shù)等因素對切割過程的影響，指出秸稈切割過程中有一臨界速度，在 1530m/s范圍內(nèi)，低于臨界速度，能耗和無效切割快速增加 。國內(nèi)主要是對切碎能耗和切斷效率的研究，如張晉國 (2021)等人分析了秸稈的含水率和有無定刀對切斷效率的影響 。 秸稈的化學(xué)成分 不管任何植物材料其主要化學(xué)組份均為纖維素，半纖維素，木質(zhì)素三種。 表 秸稈的化學(xué)成分 (徐學(xué)耘， 1994) 種類 木質(zhì)素 纖維素 半纖維素 果膠 聚戊糖 % % % %