玉米秸秆保留型收割机榨汁系统设计

1、玉米秸秆保留型收割机榨汁系统设计杨乐林宋北方工业大学机械与材料工程学院摘要：针对螺旋式压榨系统容易堵塞、压榨后秸秆倒吸、压榨力大和出汁率低等问题, 对玉米秸秆保留型收割机榨汁系统提出了新型多辘筒式碾压的压榨设计方案， 确定了榨汁系统的布局和尺寸。同时，运用动力学仿真软件adams对压榨过程进 行了仿真，并通过试验对设计方案进行了验证。结果表明:新型多辘筒式压榨系 统的压榨空间外露，发生堵塞可快速处理;压榨后秸秆未出现倒吸现象;新型榨 汁系统的压榨力明显减小，出汁率明显上升。综合分析及仿真实验表明：所设计 的榨汁系统基本达到设计要求。关键词：玉米收割机;秸秆利用;辘筒榨汁;作者简介：杨乐（199

2、3-），男，内蒙古包头人，硕士研究生，（e-mail） yang leoutlook. como作者简介：林宋（1958-），男，武汉人，副教授，硕士生导师，（e-mail）1insong2000126. com。收稿日期：2016-11-20基金：国家自然科学基金项目（51271003）design of corn harvester with theretention of corn strawyang le lin songcollege of mechanical engineering and material engineering, north china university

3、of technology;abstract：aimed at the problem of easy blockage, reverse f 1 ow after squeezing, huge squeezing force and low juice yield of spiral squeezer, a new design program of multiplc-roll squeezer was raised to corn harvester with the retention of corn st raw .the dime nsions and layo ut of the

4、 pressing sys tem was confirmed. adams was used to carry out simulation of the squeezing process. a experime nt was con ducted to testify desig n program. the results show that the squeeze system of multipie一roll squeezer was exposed to deal with the block up; reverse f 1 ow after squeezing did n

5、9; t appear any more ;thc squeezing force was decreased and the juice yield was clearly on the rise .the equipment basically meet the requirements.keyword：corn harrester; straw memagement; roll er-type squeezer;received： 2016-11-200引言我国是一个农业大国，2015年我国玉米的种植面积达到了 0. 38亿hm,玉米产量 为2.2亿t,因此玉米秸秆产量十分可观。秸秆的处

6、理成为了一个比较严峻的问题，政府严禁焚烧秸秆，而破碎还等用 途成本较高，因此农村秸秆处理亟需一个解决办法。笔者为某公司设计了一款玉 米秸秆收割榨汁一体机，其工作流程如图1所示。在玉米收获作业中，玉米收割 系统将玉米植株割断，摘穗系统摘除果穗，去叶系统将玉米植株的皮叶去除， 并口将玉米秸秆劈裂以提高岀汁率。去皮后的玉米秸秆通过传送带送入榨汁系统 屮，通过榨汁机上的压榨车昆将玉米秸秆挤压，挤压后的残渣送入后方打捆系统 中打包，而榨出的秸秆汁通过下方的桶收集起来。该机可以实现玉米的收割、摘 穗、去叶、榨汁及打捆，满足设计的生产率、出汁率及能耗要求，解决了农村劳 动力缺少和企业运输成本高的问题。本文应

7、用三维建模软件sol id works和机械系统动力学仿真软件adams进行设计 建模，并通过实验与仿真分析验证压榨时的受力情况，以保证整个设备的可行 性，为相关机械的设计提供理论参考。整个系统的三维建模图如图2所示。图1工作流程图fig. 1 work flow chart 下载原图图2系统整体模型图fig. 2 the chart of overall system下载原图1压榨系统设计1.1方案选择目前，市面上用于秸秆压榨的压榨方式主要有辘筒式碾压和破碎加曲柄压榨两 种方式。从出汁率角度考虑，采用先破碎后压榨的复合方式较好，但由于破碎后 压榨物容易堆积，导致机械堵塞，故该方案大多使用于水

8、分含量大、纤维含量少 的农作物（如苹果、花生、葡萄等），无法适用于粗纤维含量多的玉米秸秆。同 理，螺旋式压榨也容易导致堵塞，一旦发生堵塞无法及时清理，从而影响工作 效率1。由于此次设计的压榨系统需肓:接用于玉米联合收割机，故设计方案需首先满足 压榨速度快及不易堵塞两点。本设计选用多辘筒式碾压的压榨方案。该方案结构 较为简单，压榨空间外露，倘若发生堵塞也可现场快速处理。1. 2压榨辗的设计与布置由于辗压式榨汁属于线接触，单位时间内压榨面积小，加之压榨速度快，压榨 过后秸秆容易发生汁液冋吸现象，故适当加大直径和增加压榨面积可提高榨汁 率21。考虑到单次压榨受力会剧增，对功率、结构、出汁率等均产生不

9、利影响, 因此本设计将整个压榨过程分为粗榨和精榨两步。压榨滚筒布置示意图如图3 所示。無筒1馄筒;3图 3 压榨馄筒布置示意图 fig. 3 schematic diagram of the layout of the pressing system下载原图工作时，动力通过皮带轮和齿轮传动机构带动上下压榨馄做顺、逆时针方向的等 角速度转动。秸秆依靠榨辗1、3和秸秆之间的摩擦力进入入口，榨辗1和榨辗 3同吋对秸秆产生径向压力，完成第1次压榨;在托板和榨辗1、2对秸秆产生的 摩擦力的推动下，进入榨辘1、2z间，完成进一步的压榨（左下压榨辘的半径 大于上压榨辘）；压榨后的秸秆由出料口排出，秸秆汁通过

10、滤网的过滤后统一收 集至容器内。压榨辗筒在整个压榨系统中起到重要作用，除完成压榨任务以外，还需具备快 速排汁、引料作用，因此要求辘筒具备高强度、耐腐蚀、中空及表面粗糙处理等 特点。由于压榨辘z间主要靠摩擦力实现秸秆的喂入过程，因此在压榨辘表面进 行粗糙处理以增大摩擦力，使玉米秸秆能顺利进出压榨空间。与此同时，考虑到 压榨辗彼此两两配合，故在压榨辗表面添加旋向相对的螺纹，在辗筒旋转过程 中螺纹啮合，相互对秸秆产生牵引力，将秸秆引入压榨口，同吋抵消压榨过程 中所产生的轴向力3。压榨速度较快，故压榨过后秸秆很容易产生二次回吸现象，降低出汁率，故在 馄筒表面布置了许多径向孔，与馄筒端面的轴向孔相通。其

11、目的在于压榨后能迅 速收集秸秆汁液，提高榨汁率;轴向排汁孔可通过气管与真空机连接，通过真空 机产生的负压，使压榨出的汁液向管道排出，最大限度地收集汁液。压榨过程中 秸秆受力巨大，汁液会产生喷溅（如导致汁液浪费、污染机身等问题），故在车昆 筒接近端而的一侧挖槽，使槽深大于轴向排汁孔的深度，可最大限度地避免汁 液喷溅现象。由于幌筒结构较为复杂，具有很多深孔，结构强度较低，因此选材 时需选用强度、硬度较高的材料;秸秆汁液具有糖分，因此材料需具备耐腐蚀防 锈功能。参照国内辘筒生产厂家，选用不锈钢作为辘筒的材料。在初步的实验屮得知:将秸秆沿其径向剖开后，达到同样的出汁率所需的压榨里 会急剧减小。因此，考

12、虑在压榨系统前面增加劈裂系统以减小压榨力，提高出汁 率。1.3引料板的设计由于压榨过程连续，秸秆受力巨大，很容易发生断裂，加之秸秆汁液本身具有 粘性，容易吸附在压榨辘表面从而导致压榨不均匀，故需安装引流板，根据压 榨轨迹，将秸秆送入压榨空间。同时，引流板需做到单薄，从而不扰乱压榨过程, 这就需要引流板材料具备一定的强度，同时具备耐腐蚀的特点。基于以上要求， 初步选用不锈钢作为引流板材质。引流板结构如图4所示。引料板安装于粗榨辘筒之间，引流板开有若干小孔，从而将粗榨后的秸秆顺利 送入精榨通道，又可实现秸秆汁液的初次过滤。与此同时，引流板的工作曲面与 压榨馄相切，又可起到清洁馄筒的作用，压榨后吸附

13、在馄筒表面上的渣滓在馄 筒旋转的过程中碰到引流板被刮下，从而避免辗筒表面的径向排汁孔堵塞，提 高秸秆汁液的收集率4 o图4引流板结构fig. 4 the structure of drain plate 下载原图2基于adams的仿真实验2.1建模及设.因后续实验中需进行实验验证，而实验进行是在4月份，秸秆还未收获，因此 采用与z类似的甘蔗秸秆进行仿真。adams建模如图5所示。图5屮，创建两车昆 筒并设置为刚性体，创建秸秆为柔性体;对辘筒添加旋转副，对秸秆添加移动 副。鶴筒的角速度为15. 29rad/s,秸秆进给速度为lm/s。查阅资料得知:廿蔗的 杨氏模量为1. le+10n/m,泊松比

14、为0. 03,密度为1 100kg/m35°定义材料如 图6所示。x巫 5 adams®苗 fig 5 modeling in adams tjsq create marere -:name densitytypemode 匸mater_a 匚(m00(kgan:3)-sohopoyoungs modu-us (二 e+o(newton、m:2)poissons raho 033图6 tt蔗材料定义fig. 6 material definition下载原图定义廿蔗与馄筒发生相互作用的接触力，廿蔗与馄筒的接触力存在摩擦，得到 的接触力参数如表1所示。表1应力接触定义6tab

15、le 1 contact stress def initio n卜载原表参数单位数值100n/( m s-1)0.57n / mm2.2力指数医渗透深度£mm0.1静摩擦力vsmm/s0.1动摩擦力皿mm/s100.30.250.8动摩擦因数mud恢复系数尺仿真时间为1.5s,定义步长为0.01,进行仿真。2. 2仿真结果及分析 仿真得到上下辘筒在y轴方向上的受力图，如图7所示。时间/s图 7 辘筒受力曲线 fig. 7 the graph of rol lers under stress 下载原图 在压榨过程中，辘筒在径向受力在开始基本成线性增加;甘蔗全部进入到辘筒后, 压榨力在稳

16、定范围内波动，最大值达到了 2 200n,在甘蔗从馄筒中出去后;压榨 力逐渐减小。3压榨力实验压榨过程屮，压榨力的大小直接影响到出汁率及设备的功率。在压榨系统固定的 情况下，尝试不同的秸秆形状（整杆、半剖、去皮等）压榨过程中的压榨力如何 变化。为了得到压榨力与秸秆形状及岀汁率的具体关系，需设计实验进行验证。由于木次实验是在4月份进行，秸秆还未收获，因此采用与之类似的甘蔗秸秆 进行压榨力实验。测试将甘蔗压榨至左右所需的压力。甘蔗秸秆便度较玉米秸秆 要大，故所得实验数据能满足实验要求。实验测试的数据有压榨力、甘蔗厚度、 出汁率;压榨力通过万能实验机测试，甘蔗厚度通过游标卡尺测量，出汁率通过 称量榨

17、汁前后的甘蔗质量计算得知。3. 1实验方案将廿蔗分为整秆压榨、半剖压榨以及去皮半剖压榨3组，利用压力机压榨，记录 压榨位移和甘蔗汁质量，得到出汁率、压榨厚度与压榨力三者之间的联系。3. 2实验数据及分析3. 2. 1实验数据本实验分组测试了不同厚度、接触面积下的甘蔗进行不同程度压榨时所需的压榨 力，结果如表2所不。表2实验结果table 2 experiment results下载原表甘蔗出汁率整秆压榨半剖压榨去皮半剖压榨/%/n/n/n52 9502 8001 850356 7004 5003 8755513 2006 3304 1306025 0008 5006 000整秆压榨时压榨力-位

18、移曲线如图8所示。3. 2. 2实验结果分析从以上实验数据得知:在60%的岀汁率的情况下，整秆压榨所需的压榨力为25 000n,半剖后压榨所需的压榨力为8 500n,约为整秆压榨的1/3,去皮半剖后压 榨所需的压榨力进一步减小，为6 000n;粗榨过程中，甘蔗整秆压榨i寸最人压榨 力约为2 200no因此，在压榨系统z前安装破碎装置，将玉米秸秆切碎或剖开 可以有效减少压榨力，出汁率也有所上升。如果直接进行整杆压榨，所需的压榨力巨大。为了减小压榨力，压榨系统之前需 要在辘筒压榨前方安装破碎装置，将玉米秸秆切碎或剖开，以减少压榨力。位移/mm图 8 粗榨压榨力-位移曲线 fig. 8 pressure-displacement curves of rough squeezing下载原图4结论1）重点分析了玉米秸秆收割榨汁机的榨汁系统，选用了馄筒压榨，确定其粗 榨、精榨方案和布局参数。2）仿真得到粗榨最大压榨力为2 200n,与实验中得到的最大压榨力1 800n比 较接近。3）采用新型玉米秸秆榨汁方式解决了螺旋式压榨系统容易堵塞及压榨后秸秆倒 吸等问题。4）实验表明，廿蔗剖开、去皮后得出同样的岀汁率情况下所需的压榨力大幅度 减小。因此，确定使用榨汁系统前添加劈裂系统以减小其压榨力。通过使用新型 榨汁