玉米秸秆皮穰分离机剥叶机构的试验研究

2015年3月农机化研究第3期

玉米秸秆皮穰分离机剥叶机构的试验研究

112

李利桥，王德福，马丽君

（1．东北农业大学工程学院，哈尔滨摘

150030；2．黑龙江省农业机械试验鉴定站，哈尔滨150301）

要：为提高玉米秸秆的利用价值，进行玉米秸秆皮、穰、叶分离加工非常有必要。为此，对茎叶分离的关键机

构—剥叶机构进行了试验研究。依据自行设计的剥叶试验装置，选取影响剥叶效果的主要因素喂入速度、剥叶辊转速、剥叶板间隙、剥叶板夹角为试验因素，以剥叶率为试验评价指标，采用四因子二次回归正交旋转组合设计方法，建立了4个试验因素对剥叶率的影响规律模型。综合考虑各影响因素，确定最佳参数组合为：喂入速度1m/s、剥叶辊转速1000r/min、剥叶板间隙24mm、剥叶板夹角15°。关键词：玉米秸秆；剥叶机构；剥叶辊；剥叶板；试验中图分类号：S817．19

DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.03.051

文献标识码：A

文章编号：1003－188X（2015）03－0207－04

0引言

占各我国玉米秸秆的年产量达到2．5亿t左右，

［1］

研究自行设计了以剥叶板为主要工作部件的剥叶机构，并对其进行了试验研究，所得结论对研制高效的玉米秸秆茎叶或皮穰分离机械具有理论和现实意义。

。目前，玉米秸秆作

［2］

类农作物秸秆总量的30%之多

为一种非常有价值的可再生资源，在种植业、畜牧业及工业生产中均得到了不同程度的利用处于初级阶段。

玉米秸秆主要由皮、穰和叶组成，不同部位的化学成分差异较大，营养物分布不均匀

［3］

1

1．1

试验设备和方法

玉米秸秆剥叶试验装置

本研究设计的剥叶试验装置主要由喂入机构、剥

；但由于受

到经济与技术发展水平的限制，对玉米秸秆的利用尚

传动机构等组成，其总体尺寸为1500mm×叶机构、

1040mm×940mm，如图1所示

。

。穰和叶含有

丰富的粗蛋白、粗脂肪、半纤维素和糖等，是养畜的优良饲料；皮的主要成分是纤维素和木质素，强度高、韧性好，是造纸、人造板等行业的好材料。同时，由于玉米秸秆分布分散、蓬松、容重小、整秆不易压缩、叶片占比高、存贮占空间大（叶的体积比约为47%），致使玉米秸秆收贮困难且运输成本高。因此，将玉米秸秆皮、穰、叶分离加工非常有必要，尤其应先解决茎叶分离问题，以促进其在饲料化、材料化、能源化等方面的应用

［4－5］

。

［6－9］

目前，我国在玉米秸秆茎叶（或皮穰）分离方面已进行了一些研究

，如采用冲击去叶、压扁碾搓的原

理来实现茎叶分离，但尚存在冲击部件易受损、秸秆本外皮损伤大、结构复杂、生产效率低等问题。为此，

Fig．1

收稿日期：2014－04－15

基金项目：黑龙江省科技攻关项目（GC13B604）；“十二五”国家科技

支撑计划项目（2011BAD20B08）（E－mail）女，河南濮阳人，硕士研究生，作者简介：李利桥（1988－），

liliqiao1108@163．com。（E－mail）df-通讯作者：王德福（1964－），男，哈尔滨人，教授，博士，

wang640203@sohu．com。

1．喂入台

2．输送辊图1

3．夹持辊

4．支撑辊

5．上剥叶辊

6．下剥叶辊7．机架

玉米秸秆剥叶试验装置

Leaf－strippingdeviceforcornstalk

其中，喂入机构由喂入台、输送辊、夹持辊和支撑辊（后两者等速反向旋转）组成。剥叶机构由一对等速反向旋转的剥叶辊组成，两者中心距为144mm，每个剥叶辊在圆周方向上均布安装3对可变换夹角的剥叶板，其主要尺寸为50mm×60mm×10mm。

·207·

2015年3月农机化研究

验结果的平均值，其计算公式为

Y=

式中

m

×100%M

第3期

工作时，将秸秆根部朝前由喂入机构喂入，并被夹持输送到剥叶机构，沿喂入方向做匀速运动；当玉米秸秆从上下剥叶辊的空隙通过时，高速旋转的剥叶辊以较高的相对线速度对秸秆上的叶进行多次冲击和搓擦，从而完成剥叶过程；当秸秆通过夹持辊时，秸秆主要受剥叶辊的冲击作用而向前加速运动，此时无法进行剥叶作业；当剥叶辊对玉米秸秆上叶的作用力

［10］

大于叶与茎秆之间的连接力（一般为0．7～16N）

Y—剥叶率（%）；m—剥去叶的质量（g）；M—玉米秸秆叶的总质量（g）。

表1

Table1喂入速度

试验因素编码表Experimentalfactorsandlevels剥叶辊转速X2/r·min－1

40060080010001200

剥叶板间隙X3/mm2124273033

剥叶板夹角X4/（°）015304560

时，叶从茎秆上被分离下来。1．2

试验仪器

BSA3202S型电子天平，DHG－9420A型电热恒温F700型变频器，LZ－45型转速表。鼓风干燥箱，1．3

试验材料

采用2012年秋季收获的玉米秸秆，平均直径为21～27mm，含水率为10．86%。1．4

试验设计

依据本研究设计的试验装置，通过大量预试验，确定影响剥叶效果的主要因素为喂入速度、剥叶辊转速、相对剥叶板间隙（以下简称剥叶板间隙）。相对剥叶板工作侧夹角（以下简称剥叶板夹角）。其中，剥叶板间隙（L）和剥叶板夹角（α）如图2所示

。

编码值－2－1012

X1/m·s－1

0．51．01．52．02．5

2

2．1

试验结果与分析

试验因素与剥叶率回归模型的建立

获得含有一次项、二次项对试验结果进行分析，

和交互项的回归模型，表达式为

Y=50．32－5．71X1+8．67X2+0．76X3+4．45X4+

2．43X1X2+0．28X1X3+0．61X1X4－1．74X2X3－

2

1．33X2X4+3．55X3X4－2．26X21－1．43X2－22．21X23－1．52X4

2

说明模型拟合程模型的决定系数Ｒ=0．8478，

度较好。对各项进行方差分析，结果如表2所示。

表2

Table2

模型项常数项X1

1．剥叶板

Fig．2

2．连接板

3．上剥叶辊

4．下剥叶辊

X2X3X4X1X2X1X3X1X4X2X3X2X4X3X4X12

均方差279．83783．181805．0913．89475．6294．481．245．9348．1628．41201．21163．59

方差分析结果Ｒesultsofvarianceanalysis

F值8．3623．3953．900．4114．202．820．0370．181．440．856．014．89

P－值＜0．0001＜0．0001＜0．00010．52650．00110．10780．84910．67820．24380．36750．02310．0383

显著性极显著极显著极显著不显著显著不显著不显著不显著不显著不显著显著显著

图2剥叶板间隙与剥叶板夹角

Clearanceandincludedanglebetweentwoleaf－strippingplates

本研究采用四因子二次回归正交旋转组合设计来其因素水平编码表如表1所示。安排试验，

采用Design－Expert软件对试验结果进行分析，建立试验因素与剥叶率之间的回归模型，并对试验因素的影响进行分析。1．5

试验评价指标

选用剥叶率作为试验评价指标，它是指玉米秸秆通过剥叶机构后剥去叶的质量占叶总质量的百分比。每组重复5次，每次试验使用5根玉米秸秆，取5次试

·208·

2015年3月

续表2

模型项X22X32X42

均方差65．88156．7974．16

F值1．974．682．21

P－值0．17540．04220．1516

农机化研究第3期

随着剥叶板间隙的增加由减小逐渐转变为增大。当

显著性不显著显著不显著

剥叶板夹角较小时（从－2到0水平），随着剥叶板间隙的增加，剥叶板与秸秆的侧间距增加，因而剥叶板对秸秆的搓擦作用减弱；当剥叶板夹角较大时（从0到2水平），随着剥叶板间隙的增加，剥叶板对秸秆的作用点分布更合理，其作用强度增大，使茎叶分离的机会增多；当剥叶板间隙取－2水平（21mm）时，剥叶率随着剥叶板夹角的增大呈现小幅度的先增后减。这是因为此时剥叶板与秸秆的侧间距变化小，剥叶辊对叶的搓擦作用力变化小，因而剥叶率受到的影响较小

。

2．2单因素对剥叶率的影响

剥叶辊转速、剥叶板夹角由表2可知，喂入速度、

对剥叶率的影响均显著，而剥叶板间隙对剥叶率的影响不显著。以建立的回归模型为基础，取其它因素为0水平，进行单因素分析，得到各单因素对剥叶率的影响曲线如图3所示

。

图3

Fig．3

各单因素对剥叶率的影响

Effectofsinglefactoronleaf－strippingpercent

由图3可知，剥叶率随着喂入速度的增加呈先缓慢升高后又减小的变化趋势，最高的剥叶率出现在－1水平（1m/s）。这是因为喂入速度的增加，使得单位时间内剥叶辊对叶作用的次数减少且作用强度减弱。剥叶率随着剥叶辊转速的增加而增加，是因为随着剥叶辊转速的增大，更易于将叶片撕扯或搓擦掉。随着剥叶板间隙的增加，剥叶率先增加后又减小，最高的剥叶率出现在0水平（27mm）。这是因为剥叶板间隙取较小值时（从21mm到27mm），除冲击剥叶外，剥叶板对秸秆的侧向挤压作用力较大，此时搓擦作用强烈；剥叶板间隙取较大值时（从27mm到33mm），剥叶板与秸秆的接触减少，剥叶板对叶的撕扯力（以搓擦为主）减小，使紧贴秸秆外皮的叶难以去除，而剥叶板间隙取27mm时剥叶效果较好。剥叶率随着剥叶板夹角的增大而增加，是因为剥叶板夹角的增大使剥叶板与秸秆的侧间距减小，进而使剥叶辊对叶片的有效打击与搓擦作用都增强。2．3

双因素对剥叶率的影响

由表2可知，剥叶板间隙和剥叶板夹角的交互作用对剥叶率的影响显著。将建立的回归模型中喂入速度和剥叶辊转速均取0水平，得到剥叶板间隙和剥叶板夹角的交互作用对剥叶率的响应曲面，如图4所示。

由图4可知，随着剥叶板夹角的不断增大，剥叶率

·209·

Fig．5

1．喂入台2．喂入机构3．前剥叶机构4．后剥叶机构

5．剥穰机构6．输出机构图5

玉米秸秆皮穰分离机示意图Configurationoftheseparationequipment

Fig．4

图4

剥叶板间隙和夹角对剥叶率的影响platesonleaf－strippingpercent

Effectofclearanceandincludedanglebetweentwoleaf－stripping

2．4试验验证

按照试验确定的较优参数，本研究设计的单道剥

叶机构的剥叶率达到了62%。为强化剥叶能力，本文设计了在剥叶辊圆周方向上均布安装4对剥叶板的剥叶机构，进而设计了配置两道剥叶机构的玉米秸秆皮穰分离机，如图5所示。针对含水率约12%的玉米秸2013年由黑龙江省农业机械试验鉴定站对该机进秆，

行了性能测试，其剥叶率大于97%，详细的性能测试数据如表3所示

。

2015年3月

表3

玉米秸秆皮穰分离机茎叶分离性能测试数据

Testingdataoftheseparationequipment

测量值＞97．5＞0．54

标准要求≥95≥0．5

Table3指标剥叶率/%生产率/t·h－1

农机化研究

［J］．农业机械学报，2007，38（8）：199－201．

第3期

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J］．农业机械学报，2003，34（4）：47－49．研究［

3结论

1）试验证明，本研究设计的剥叶机构可行，且喂

入速度、剥叶辊转速、剥叶板夹角的单因素效应及剥叶板间隙和夹角的交互作用对剥叶率的影响均显著。

2）本剥叶机构的最佳参数组合：喂入速度1m/s、剥叶辊转速1000r/min、剥叶板间隙24mm、剥叶板夹角15°。参考文献：

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ExperimentalStudyonLeaf－strippingMechanismforＲind－pith

SeparationEquipmentforCornStalk

LiLiqiao1，WangDefu1，MaLijun2

（1．CollegeofEngineering，NortheastAgriculturalUniversity，Harbin150030，China；2．TestIdentificationStationofHeilongjiangProvincialAgriculturalMachinery，Harbin150301，China）

Abstract：Inordertopromotetheutilizationvalueofcornstalk，itisnecessarytoseparatecornstalkintorind，pithandleaf．Therefore，thekeymechanism－leaf－strippingmechanism，wasdesignedandexperimentedinthepaper．Fourmajorfactorsthatinfluencestrippingefficiencyoftheleaf－strippingdevice－feedingspeed，rotationalspeedofleaf－strippingroll，clearanceandincludedanglebetweentwoplates，werechosenasexperimentalfactors，andleaf－strippingpercentwasdecidedastheevaluationindex．Meanwhile，quadraticregressionorthogonalrotationalcombinationdesignwasadopted．Consideringaboveimpacts，theoptimalparametersintheexperimentwereasfollowing：feedingspeed1m/s，rotationalspeedofleaf－strippingroll1000r/min，clearancebetweentwoplates24mm，includedangle15°．Keywords：cornstalk；leaf－strippingmechanism；leaf－strippingroll；leaf－strippingplate；experiment

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