秸秆多级连续冷辊压成型试验研究

丁 宁 李海涛,2 闫 安 李守忠 韩鲁佳 魏文军

(1.中国农业大学工学院，北京 100083；2.中国农业大学现代农业装备优化设计北京市重点实验室，北京 100083)

0 引言

我国农作物秸秆产量大，秸秆资源丰富。但由于存在秸秆资源分散及秸秆容重小、储运不方便等缺点，严重制约了大规模应用，导致秸秆资源浪费[1-4]。机械压实是缩小生物质秸秆体积最有效的方法[5-6]。密度提高、体积减小使压实的生物质秸秆在运输和储存方面具有很大优势[7-8]。

成型技术包括高密度成型、中低密度成型和低密度成型。模辊式生物质材料压缩成型属于高密度成型，但目前此种压缩成型模式普遍存在能耗高、关键部件磨损快等问题[9-13]。方捆打捆机属于中低密度成型，其活塞往复冲压影响效率，且设备投资成本高。圆捆打捆机属于低密度成型，其间歇式作业导致生产率低，且圆捆密度均匀性差[14-15]。为了实现秸秆连续压缩成型，并降低能耗、提升效率、降低成本，基于连续辊压方法及秸秆压缩成型原理[16-18]，提出一种秸秆多级连续冷辊压成型方法，该方法属于中密度成型[19-20]。

为了研究秸秆多级连续冷辊压成型方法的可行性，本文设计并试制样机，采用四因素三水平正交试验方法，研究玉米秸秆含水率、破碎方式、破碎长度、喂料方式四因素对成型块回弹率、密度、坚实度等指标的影响，以得到较优成型参数，为生物质秸秆产地高效工业化生产利用提供理论依据。

1 秸秆多级辊压成型机设计与理论分析

1.1 秸秆多级辊压成型原理

为了解决活塞冲压式成型机等大尺寸成型稳定性差、压缩不连续的问题，实现秸秆物料高效率、中密度成型，探索秸秆物料单向压缩，板、条式连续压缩成型原理，提出秸秆多级连续冷辊压成型方法。在该成型方法中，假设成型块质量不变，使成型物料在受压方向尺寸大幅度减小，保证物料在压缩过程中各个部分受力均匀，获得较高的成型压力，图1所示为秸秆多级辊压成型机工作原理图(以3级压缩为例)，秸秆从一端的喂料口喂入，经过多级对称布置的压缩辊连续辊压后从另一端出料口出料，对破碎后的玉米秸秆进行连续辊压成型，提高压缩成型生产率，实现玉米秸秆的高效连续压缩成型；压缩辊在工作过程中与秸秆物料作用方式为滚动摩擦，同时秸秆物料为冷压缩成型，可减少机器的能耗；对称布置压缩辊可抵消轴向力，提高设备运行的稳定性，减小各工作部件磨损，提高整机寿命。

1.2 秸秆多级辊压成型理论分析

1.2.1单级压缩条件

如图2，以第i级(i≥1)压缩为例，确定设计过程中的部分参数。

其中，第i级压缩辊进入物料厚度为si-1，压出物料厚度为si，压缩比为εi，压缩辊直径为di，压缩辊半径为ri，其中ri=di/2，压缩辊喂入角为αi，其中喂入角是指物料开始接触压缩辊处与压缩辊圆心连线和物料离开压缩辊处与压缩辊圆心连线之间的夹角，压强为pi，密度为ρi，第i级压缩辊采用对称布置安装，两压缩辊长度、直径、喂入角及承受压强等均相等。

根据图2可知，第i级压缩存在几何关系

si-1=si+2ri(1-cosαi)

(1)

同时，根据质量守恒定律，压缩辊进入物料质量等于挤出物料质量，假设压缩过程连续，物料流动速度为v，则可以得到

ρi-1si-1bvt=ρisibvt

(2)

式中b——物料宽度，mm

t——物料流动时间，s

根据式(2)得出

(3)

根据以上分析可得出

(4)

根据式(1)、(4)可得到第i级压缩辊中各个参数之间关系的通用公式为

(5)

(6)

根据式(4)、(5)可得第i级压缩辊压出物料所受压强pi的通用公式为

(7)

1.2.2总辊压比与压缩级数、压缩辊半径关系

假设辊压成型机总辊压比为ε，压缩级数为n(n≥1)，易知

(8)

根据式(1)可得

(9)

由式(8)、(9)可得

(10)

假设各级压缩辊半径均为r，各级喂入角相等并取临界喂入角α0=26.6°[21]，根据式(10)用Matlab 6.0数值模拟方式可分别得到总辊压比ε、压缩级数n和压缩辊半径r三者之间的关系，如图3所示。

当末级出口处物料厚度sn一定，各级压缩辊半径相等、各级喂入角相等并取为临界喂入角的情况下，总辊压比ε和压缩级数n呈线性关系，并且总辊压比ε随着压缩级数n的增加而增加；在末级出口处物料厚度sn一定，整机辊压比一定，各级喂入角相等并取为临界喂入角α0的情况下，压缩辊半径r和压缩级数n呈反比关系，压缩辊半径r随着压缩级数n的增加而减小；在取各级压缩辊半径相等，喂入角相等并取为临界喂入角α0的情况下，压缩辊半径r和总辊压比ε呈线性关系，总辊压比ε随着压缩辊半径r的增加而增加。

在设计过程中要综合考虑三者之间关系，使各参数满足设计功能要求。

2 试验样机

2.1 参数确定

根据总辊压比ε、压缩级数n和压缩辊半径r三者关系，遵循玉米秸秆辊压成型原理及特性[20-21]、玉米秸秆开式压缩特性[22-24]，同时参考轧钢机械设计方法[16]，验证试验样机在满足总辊压比的前提下，为了节省试验样机耗材，减小试验样机尺寸，方便试验，样机只试制3级压缩成型，前端的喂料、预压缩部分由预压缩装置完成，本试验用成型机参数如表1所示。

表1 秸秆多级辊压成型机参数

根据文献[21]，当各级压缩辊喂入角大于临界喂入角时，可以通过提高外摩擦因数的方式提高喂入能力，因此为了保证喂料顺畅，在各压缩辊表面进行了机加工压纹处理，以增大外摩擦因数抵消喂入角过大对喂料的影响，保证压缩过程喂料顺畅。

2.2 样机试制

根据秸秆多级辊压成型原理设计压缩装置，在SolidWorks中对压缩辊等主要零部件进行建模，并完成虚拟装配；确定传动方式，选择减速机及电动机，电动机选用四级交流异步电机，且研究发现在非超高压条件下，成型时间对成型产品质量有较大影响[25]，同时根据文献[20]仿真计算分析方法及结果，确定本试验样机的总扭矩，选配减速机减速比为1∶1 000，电动机功率为1 500 W，最终完成各零部件加工生产，样机装配试制，如图4所示。

3 试验

为了验证秸秆多级连续冷辊压成型方法的可行性，同时为了得到适应成型机的较优成型参数，进行了样机试验，如图5所示。

3.1 试验原料与仪器

试验于2020年5月在河北农乐新能源科技有限公司进行。

试验原料为玉米秸秆，2019年9月收获于河北省石家庄市藁城区。试验设备与仪器主要包括秸秆多级辊压成型机、预压缩装置、OHAUS MB23型水分分析仪、ZF-C10002型电子天平、3 000 mL烧杯、塑料密封袋、喷水壶、刻度尺等。

通过秸秆多级辊压成型机工作原理可知，为了保证压缩成型块品质，需要保证成型时秸秆物料受到足够压力，因此喂料装置需连续供应足够秸秆物料供其压缩[26]。为了节约成本，同时保证样机试验顺利进行，设计并制作了预压缩装置，对秸秆物料进行预压缩初步定型，目的是代替连续喂料装置及前端的预压缩工作，提供短时间内的连续喂料过程，预压缩装置如图6所示。

3.2 试验设计

选用四因素三水平正交试验设计方案，试验因素水平如表2所示。

表2 试验因素水平

除含水率、破碎方式、破碎长度影响成型外，喂料方式同样影响成型，故设置自然排序、交叉铆固、横纵编排3水平[27-28]，在预压缩时对秸秆物料进行相应处理，其中交叉铆固、横纵编排处理方式及效果如图7所示。

考虑玉米秸秆压缩成型块品质评价标准，同时解决玉米秸秆快速离田、运输等问题，本试验研究目的为验证多级连续冷辊压成型方法的可行性，因此暂不考虑功耗指标。确定考核试验指标如下：

回弹率：成型块的回弹对运输影响较大，压缩成型机正常运行时，在成型机出口处随机选取3组成型块，每5 min检测一次成型块厚度，直到成型块厚度不再变化结束检测，回弹率计算式为

(11)

式中λ——秸秆压缩成型块回弹率，%

s″——回弹结束后成型块厚度，mm

s′——压缩结束后成型块厚度，mm

密度：压缩成型机正常运行时，随机选取3组回弹稳定的成型块，对其进行边角修剪，留取密度均匀部分进行称量，同时测量其长、宽、高进行体积计算，密度计算式为

(12)

式中ρ——秸秆压缩成型块密度，kg/m3

m——成型块样品质量，kg

V——成型块样品体积，m3

坚实度：压缩成型机正常运行时，随机选取3组回弹稳定的成型块，对其进行边角修剪，留取密度均匀部分进行称量，使成型块从1 m高处自由下落，重复3次，坚实度计算式为

(13)

式中X——秸秆压缩成型块坚实度，%

m1——落地后成型块样品质量，kg

m0——落地前成型块样品质量，kg

3.3 试验结果与分析

3.3.1试验结果

图8为不同破碎方式、破碎长度玉米秸秆原料及9组正交试验压缩结束回弹稳定后样品。

正交试验设计与结果如表3所示，A、B、C、D为各因素水平值。

表3 正交试验结果

3.3.2结果分析

由表4可知，秸秆物料含水率、破碎方式、破碎长度、喂料方式对压缩成型块的回弹率、密度及坚实度均有不同程度的影响。极差反映各因素对指标影响，由极差分析可知，各因素在各种水平下，喂料方式对压缩成型块回弹率影响显著，秸秆物料破碎方式对压缩成型块密度和坚实度均有显著影响。利用极差分析法分析四因素对压缩成型块回弹率、密度及坚实度指标的影响。

表4 极差分析结果

由表4中回弹率的极差可以看出，喂料方式对压缩成型块回弹率的影响最大；秸秆物料含水率的影响次之；然后是物料破碎长度；破碎方式影响最小。获得最低回弹率的工艺条件为A1B2C2D2。

由表4中密度的极差可以看出，破碎方式对压缩成型块密度的影响最大；秸秆物料破碎长度的影响次之；然后是喂料方式；含水率影响最小。获得最高密度的工艺条件为A3B3C1D1。

由表4中坚实度的极差可以看出，破碎方式对压缩成型块坚实度的影响最大；秸秆物料含水率的影响次之；然后是喂料方式；破碎长度影响最小。获得最高坚实度的工艺条件为A3B3C3D3。

3.3.3较优成型参数确定

密度是玉米秸秆机械压缩利用最重要指标，针对本秸秆多级辊压成型机，揉搓破碎可最大限度提升成型块密度，因此破碎方式因素确定为揉搓破碎，即B3。当破碎方式确定后，破碎长度对密度影响不大，但试验过程中发现，物料破碎长度越大，其在辊压过程中越顺利，不会发生物料在辊间“滞留”现象，初步分析原因，物料长度越大越能建立起上下级压缩辊之间的“推拉作用”，同时为了节约破碎成本，综合选取破碎长度为80 mm，即C3。

坚实度是考量秸秆压缩成型的重要指标，揉搓破碎的秸秆物料可获得最高的坚实度，因此破碎方式因素水平确定为揉搓破碎，即B3，同时含水率对坚实度影响较大，含水率确定为20%，即A3。通过结果分析还发现，横纵编排布置的玉米秸秆原料压缩成型后有较高的坚实度，稳定性更强。

回弹率指标主要影响玉米秸秆离田运输过程，交叉铆固的喂料方式最能限制成型块回弹，原因是此种处理方式可以使秸秆物料之间发生物理编织、铆接，此原理已被研究证实，因此喂料方式选取为交叉铆固，即D2。

综上，秸秆多级辊压成型机在预设条件下的较优成型工艺条件为A3B3C3D2，即成型参数为：含水率20%，破碎方式为揉搓破碎，破碎长度80 mm，喂料方式为交叉铆固。

3.4 较优成型参数下成型块各性能指标

为了验证分析结果的可靠性，在较优成型工艺条件组合下进行压缩试验，自然堆积状态下密度为50.15 kg/m3，成型后回弹率为7.26%，密度为363.28 kg/m3，坚实度为90.23%。

4 结论

(1)设计并试制了秸秆多级辊压成型样机，研究了秸秆多级连续冷辊压成型方法的可行性，为生物质常温致密成型技术及其设备的研发提供了参考。

(2)试验表明，交叉铆固的喂料方式最能限制成型块的回弹；成型块密度主要受破碎方式的影响，受破碎长度的影响较小；成型块坚实度主要受破碎方式影响，受秸秆含水率的影响较小。

(3)在较优成型参数下，即玉米秸秆含水率20%，揉搓破碎方式，破碎长度80 mm，采用交叉铆固的喂料方式，成型块回弹率可达7.26%，成型密度达363.28 kg/m3，同时坚实度达90.23%。