玉米秸稈皮瓤葉分離機的設計與試驗

張洪建， 王德福， 孔凡婷， 劉朝賢， 黃會男

(1. 東北農業大學 工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150030； 2. 農業部生豬養殖設施工程重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150030)

我國農作物秸稈資源十分豐富，玉米秸稈年產量超過2.5億t[1-2].玉米秸稈在農村長期以來主要用作飼料、燃料等，隨著經濟與技術的不斷發展以及對環境問題的日益關注，玉米秸稈作為一種重要的可再生生物質資源，其應用越來越受到重視.我國已經將玉米秸稈資源的綜合利用規劃為“五化”(肥料、能源、飼料、基料和原料化)技術工程[3-4].但由于玉米秸稈皮瓤葉中各部分營養成分含量相差較大，以及物理性質的不同[5-6]，其整體混合使用降低了玉米秸稈的應用價值，開展玉米秸稈皮瓤葉分離技術研究是實現玉米秸稈高值化利用的有效途徑.

國外關于秸稈皮瓤葉分離的研究甚少，研究重點集中在分離后各部分組織的應用[7-9].我國專家學者對玉米秸稈皮瓤葉分離進行了諸多研究，分離方式可分為兩種，一種為切斷或粉碎式分離，經分離后各部分均為碎料.王景鋒等[10]進行了氣流式分離機分離不同形態秸稈碎料試驗；任德志等[11]研制的玉米秸稈皮瓤分離碾壓輥，基于玉米秸稈碾壓后皮瓤產生彈塑性變形時的差異，對秸稈群碾壓、揭皮、剪切實現皮瓤分離.另一種為整稈式分離，將整根秸稈直接送入分離機加工，經分離后的秸稈外皮仍然保持完整.高夢祥等[12]提出了一種沖擊除葉方法，以排列在主軸上的鋼絲為沖擊構件進行除葉；朱新華等[13]研制的玉米秸稈除葉裝置采用壓扁搓擦法進行秸稈莖葉分離，利用壓輥將秸稈壓扁后使秸稈進入具有一定線速差的剝葉帶中實現莖葉分離；李利橋等[14]研制的玉米秸稈皮瓤葉分離機，利用除葉輥上高速旋轉的V字齒板對玉米秸稈進行六邊包絡除葉，并對除葉后的秸稈切削剝瓤.綜上可知，我國已進行了大量的玉米秸稈皮瓤葉分離研究，但仍存在生產率、分離率、可靠性較低以及振動、噪音等問題，亟待開展更深入的理論與試驗研究.

因此文中通過對分離機的結構和工作原理分析，設計一種將整根秸稈一次完成除葉以及剝瓤作業的玉米秸稈皮瓤葉分離機.重點運用笛卡爾坐標系與極坐標系相結合的方式對除葉機構進行設計，利用三面楔原理對切展關鍵部件進行設計，以及組合切割剝瓤與下拋原理對剝瓤機構進行設計，并分別對除葉裝置與剝瓤裝置進行分離性能試驗，確定玉米秸稈皮瓤葉分離機合理的結構參數和工作參數，為其關鍵結構設計及其研究提供支持.

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

文中設計的玉米秸稈皮瓤葉分離機主要由除葉機構、切展機構、剝瓤機構、傳動系統等組成，除葉機構分前、后除葉機構，切展機構包括剖切輥組、展開總成和碾壓機構，其結構如圖1所示.該分離機可一次完成玉米秸稈除葉、剝瓤等作業，最終將整株秸稈分離成葉、瓤、皮3部分.

圖1 玉米秸稈皮瓤葉分離機結構示意圖

1.2 工作原理

玉米秸稈皮瓤葉分離機主要工作機構為除葉機構與剝瓤機構，作業時，秸稈首先進入除葉機構，在喂入輥的夾持作用下進行兩級除葉，在除葉機構中秸稈與安裝在除葉輥上的除葉齒板組(包括定除葉齒板、動除葉齒板)接觸，對秸稈上的葉片、殘留苞葉、葉鞘進行打擊、梳刷、搓擦.除葉后的莖稈被輸送到切展機構，被切割輥夾持定位并沿莖稈中部剖切，再由分展器展開，而后在碾壓機構中被碾壓輥碾平并夾持輸送入剝瓤機構，剝瓤輥沿軸向均布6把切刀，高速旋轉的切刀將秸稈皮與瓤分離，隨后秸稈皮被輸出，分離后的秸稈皮完整、瓤為均勻顆粒，分離機技術參數如下：外形尺寸為3.5 m×1.0 m×1.2 m；總質量為800 kg；配套動力為5.5 kW；同時加工株數為4株；除葉率>95%；瓤殘留率<5%；生產率>0.5 t·h-1.

2 關鍵機構設計

2.1 除葉機構設計

設計的玉米秸稈皮瓤葉分離機設置了兩道除葉工序，由前除葉機構、后除葉機構組成.每道除葉機構分別由上除葉輥、下除葉輥組成，每個除葉輥上沿軸向布置4個安裝架，安裝架上沿周向設置3個安裝板，每個安裝板上前后成對安裝有定除葉齒板、動除葉齒板，如圖2所示.

圖2 除葉機構示意圖

除葉齒板是除葉機構的主要工作部件，其結構對除葉率有較大影響，考慮到秸稈本身物理參數：通常長度1 500～2 500 mm、根部平均直徑28 mm，且秸稈直徑自根部至頂部逐漸減小，針對此特點，提出一種定、動除葉齒板組合的除葉齒板結構，并運用笛卡爾坐標系與極坐標系相結合的方式對除葉齒板組進行設計，使其能夠完成對秸稈進行定位、除葉作業.

定除葉齒板結構如圖3所示，主要由安裝板以及固定在安裝板上的左右定齒板組成.

圖3 定除葉齒板結構示意圖

文中在笛卡爾坐標系上對定除葉齒板總體結構進行設計，根據秸稈植株參數，定除葉齒板中距d1(定齒板工作表面中點的連線)滿足秸稈根部平均直徑d1=28 mm，此時定除葉齒板與秸稈根部兩側接觸，在笛卡爾坐標系中該接觸處可用定齒板工作表面上的定點表示.該方法設計的定除葉齒板能夠將大部分葉片除掉、將殘留在秸稈上的團狀苞葉除去或劃成細條狀、將節位處葉鞘劃開，由于定除葉齒板能夠承受較大應力且中徑較大，遂將定除葉齒板配置在安裝板前，使其首先與秸稈接觸.利用笛卡爾坐標系設計的定除葉齒板總體結構，其中距為定值，由于秸稈直徑不斷變化，無法保證秸稈時刻與雙側定齒板接觸.根據預試驗，確定定齒板的工作表面設置頂角70°、高度10 mm三角形齒，左右定齒板之間初始夾角20°，定除葉齒板高度50 mm.

為提高除葉適應性，文中為定除葉齒板匹配了動除葉齒板(定、動除葉齒板在安裝板上分別前后安裝)，如圖4所示，主要由安裝板、左右動齒板以及與其相連的齒輪、彈簧等組成.為了使除葉齒板更好地隨著秸稈直徑的變化對秸稈進行搓擦除葉，除葉齒板與秸稈的接觸點也應不斷變化，將接觸點用極坐標系中的極點、極角和極徑表示，以齒輪嚙合點為極點、動齒板與秸稈接觸點與極點間的距離為極徑、極徑與x軸的夾角為極角，運用極坐標系對動除葉齒板總體結構進行設計.保證工作時，若秸稈直徑增大則極角減小、極徑增大，左右動齒板在齒輪與彈簧的作用下，分別向左右轉動相同角度，秸稈中心始終在y軸上，時刻保持雙側動齒板緊貼秸稈進行梳刷、搓擦除葉，使動除葉齒板具有一定的仿形功能.根據預試驗，取動除葉齒板中徑d2=18 mm，左右動齒板之間初始夾角15°，動齒板齒形工作表面設置頂角60°、高度5 mm的三角形齒，動除葉齒板高度50 mm.

圖4 動除葉齒板結構示意圖

將動除葉齒板中齒輪的分度圓直徑dc設計為25 mm，將左右齒板設計成同步轉動，傳動比為1，所以兩齒輪的分度圓直徑都是25 mm，故兩齒輪的中心距為

(1)

式中：ac為兩齒輪間中心距，mm；dc1為左齒板齒輪分度圓直徑，mm；dc2為右齒板齒輪分度圓直徑，mm.

將分度圓直徑帶入式(1)得到中心距為ac=25 mm，并利用機械設計軟件根據以上參數對齒輪進行參數設計.

彈簧決定著動齒板與秸稈間摩擦力的大小(忽略離心力對動齒板的影響)，因此彈簧的選擇對除葉率有著重要影響，根據玉米秸稈莖葉連接力，當含水率在10%～20%時，莖葉連接力一般為0.7～16.0 N，因此除葉齒板對秸稈的最小摩擦力應大于16.0 N.根據公式：

F=μFN，

(2)

FN=kx，

(3)

(4)

化簡得

(5)

式中：F為齒板與秸稈間的摩擦力，N；μ為摩擦系數，取0.8；FN為彈簧彈力，N；K為勁度系數，N·mm-1；x為彈簧形變量，mm；G為剛性模數，MPa；d為彈簧線徑，mm；Nc為有效圈數,圈；Dm為彈簧中徑，mm.

根據整體結構，選擇彈簧內徑為8 mm、長度35 mm，彈簧預壓縮長度為10 mm，其材料為65Mn碳素彈簧鋼絲，將已確定的參數帶入式(5)并與莖葉連接力對比，初選彈簧線徑為1.0 ，1.2和1.4 mm.

除葉齒板對玉米秸稈的作用力分析如圖5所示.

圖5 秸稈受力分析

計算公式如下：

P=ωxT，

(6)

(7)

T=TxR，

(8)

式中：P為除葉輥輸入功率，W；ωx為除葉輥角速度，rad·s-1；T為除葉輥輸入扭矩，N·m；nx為除葉輥轉速，r·min-1；Tx為除葉齒板組對葉片的沖擊力，N；R為除葉輥半徑(除葉齒板組與秸稈接觸點到除葉輥軸心的距離)，m.

化簡得

(9)

Tx1=Txsinδ，

(10)

Tx2=Txcosδ，

(11)

(12)

式中：Tx1為除葉齒板對秸稈葉沖擊力的軸向分力，N；Tx2為除葉齒板對秸稈葉沖擊力的切向分力，N；δ為除葉齒板對秸稈葉的沖擊力與切向分力之間的夾角，(°)；τ為除葉齒板對秸稈葉的剪切應力，N；S為秸稈葉的橫截面面積，mm2.

工作過程中，秸稈在喂入輥的夾持作用下勻速向后輸送，由于玉米秸稈葉為生物材料，生物材料屬于正交各向異性材料有5個基本強度值[15]，在工作過程中，秸稈葉在秸稈的支撐作用下受到除葉齒板組的作用，主要破壞形式有橫縱向拉伸與剪切，只要葉片上的任何一個應力分量大于葉片相應的基本強度值，秸稈葉便被在薄弱處(秸稈葉分為葉片與葉鞘兩部分，葉片與葉鞘的薄弱處在葉片處，葉鞘與秸稈的薄弱處在節位連接處)被破壞.除葉齒板組對秸稈葉的作用分為2個階段：第1個階段為除葉齒板組剛接觸秸稈時對葉片作用沖擊力Tx的過程，此時沖擊力的垂向分力Tx2最大且主要對秸稈葉作用剪切應力，由式(9)可知，除葉齒板組對葉片沖擊力的大小與除葉輥轉速、除葉輥半徑以及輸入功率有關，其中輸入功率與扭矩有關，因此當除葉輥半徑確定后，文中針對除葉輥轉速對除葉率的影響進行研究；第2個階段為除葉齒板組對秸稈的梳刷搓擦過程，當除葉齒板繼續運動時Tx由沖擊力變為搓擦力Ty，Ty1，Ty2為搓擦力Ty的分力，且Ty1逐漸增大，除葉齒板對葉鞘沿纖維絲方向的橫向拉伸力不斷增大，當除葉齒板與秸稈軸心垂直時Ty1達到最大值，經前期測量，當含水率在10%～20%時，沿纖維絲方向拉伸時秸稈莖葉連接力為5.0～16.0 N，垂直于纖維絲方向拉伸時秸稈莖葉連接力為0.7～10.0 N.根據式(5)，文中所設計的動除葉齒板對秸稈的最小搓擦力大于葉片基本強度值，能夠完成除葉工作.由于定除葉齒板的中距較大，主要參與第1個階段除葉，能夠打擊掉秸稈上的葉片、殘留苞葉等，動除葉齒板中距較小，且有仿形功能，主要參與除葉的第2個階段，能夠對殘留的葉鞘持續搓擦.根據預試驗及式(6)，除葉輥轉速較大時，工作過程中分離機振動、噪音以及能耗等逐漸增加，對秸稈梳刷打擊的次數也不斷增加，除葉輥轉速較小時除葉率較低，根據預試驗當除葉輥半徑為85 mm時，初選除葉輥轉速為400～780 r·min-1.玉米秸稈皮瓤葉分離機中喂入機構的喂入線速度決定了生產率，同時喂入線速度和除葉輥轉速對除葉率均有較大影響，在保證生產率的前提下根據文獻[14]甘蔗除葉要求以及預試驗，初選喂入機構的喂入線速度為1.0～2.0 m·s-1.

2.2 切展機構設計

切展機構用于將除葉后的秸稈定位、沿莖稈中部剖切、展開并輸送給碾壓機構.文中設計的切展機構主要由剖切輥組、展開總成組成，如圖6所示.

圖6 切展機構示意圖

其中剖切輥組與展開總成分別由上下平行設置的輸送輥、定位切割輥與上壓輥、分展器組成.在切割輥組中秸稈能夠被準確定位并沿秸稈中心切開深度為秸稈直徑的2/3左右；在展開總成中分展器能夠準確沿著秸稈被切開的縫隙經過3個階段將秸稈展開，且切開深度與展開幅度不應過大，因秸稈皮屬于脆性纖維材料，彎曲幅度過大時秸稈皮會沿著纖維絲排列方向出現裂紋，在剝瓤過程中會增大瓤殘留率與外皮破損.分展器是切展機構中關鍵部件，利用三面楔原理結合秸稈的植株參數對分展器進行設計，根據預試驗，三面楔原理能夠保證秸稈在切展機構中按階段逐漸展開的同時外皮不會出現裂痕，具體結構如圖7所示.

圖7 分展器設計示意圖

計算公式如下：

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

式中：α為載荷角，(°)；β為楔角，(°)；γ為展開面傾斜角，(°)；θ為安裝角，(°).

分展器的工作過程主要分3個階段，當秸稈剛接觸分展器A點時為定位微展；AO之間為雙側推稈，當秸稈到達B點時左右兩部分秸稈之間的夾角已經達到90°；OE之間為雙側翻稈，由于ED的長度大于OC的長度，當秸稈運動到OE之間時左右兩部分秸稈之間的夾角遠遠大于90°；經過后續碾壓輥的碾壓，秸稈被完全展開.根據秸稈展開后的實際尺寸，選取OA，OB，OC，OE分別為50，40，40和50 mm，根據上式計算得到載荷角α、楔角β、展開面傾斜角γ、安裝角θ分別為39°，53°，45°和39°.

2.3 剝瓤機構設計

根據資料分析及前期試驗研究，文中組合切割剝瓤與下拋原理設計剝瓤機構，該剝瓤機構主要由剝瓤輥、切刀、頂板等組成，用于將碾壓輥夾持喂入的已展開的玉米秸稈經剝瓤輥上高速旋轉切刀的切削作用實現秸稈瓤向下拋送分離、秸稈皮向后輸送分離.

2.3.1剝瓤輥的結構參數設計與受力分析

經前期研究，根據預試驗將切刀最大旋轉半徑設計為90 mm，切刀沿剝瓤輥周向均布，為了使切刀剝瓤變為有支撐切割，切刀頂部設置頂板.工作時秸稈在剝瓤機構的受力如圖8所示.

圖8 剝瓤過程分析

計算公式如下：

F1+F3-f=ma，

(18)

F3=F2cosθ，

(19)

N=F2sinθ，

(20)

式中：F1為碾壓輥對秸稈的輸送力，N；F2為切刀對秸稈的作用力，N；F3為切刀對秸稈作用力的水平分力，N；N為切刀對秸稈作用力的垂直方向分力，N；f為秸稈運動總阻力，N；θ為剝瓤輥垂直中心線與剝瓤輥中心和切刀尖連線的夾角，(°)；η為切刀安裝角，(°).

由于秸稈被展平碾壓后寬度約為60～100 mm，選取切刀長度110 mm，而剝瓤輥切刀的旋轉半徑為90 mm，根據剝瓤機構整體結構將切刀尺寸設計為110 mm×45 mm×5 mm，其中刀刃刃角為45°.由拋瓤軌跡可知，采用下拋原理，高速旋轉的剝瓤輥會將剝下的瓤沿拋物線軌跡向下拋送，使之迅速分離，因此采用剝瓤輥下置結構.根據受力分析可知，切刀的安裝角度η對剝瓤與拋瓤效果均有一定影響，且具有一定安裝角可以使剝瓤輥的切削方式由橫切變為削切，在切割纖維性秸稈時削切與橫切相比切割阻力下降30%[16]，初步設定切刀的安裝角度為15°，30°和45°.作業時秸稈在剝瓤機構中水平運動，由于秸稈皮的厚度為1～2 mm，切刀與頂板間的間隙不應過小，由預試驗可知切刀與頂板間的間隙對剝瓤效果有很大影響，初選頂板與切刀間間隙為1.8，2.3和2.8 mm.

2.3.2理論剝瓤節距的計算

剝瓤機構在工作時，切刀隨著剝瓤輥做高速回轉運動將瓤切成顆粒狀與皮分離，剝瓤過程屬于有支撐切瓤，秸稈在運動過程中相對穩定，因此瓤粒均勻.喂入輥的線速度、剝瓤輥的轉速、切刀的數量是影響瓤粒長度的重要參數，瓤粒的長度為相鄰的兩把切刀做切割運動時秸稈的輸送長度，故瓤粒的長度為

(21)

式中：L為瓤粒的理論長度，m；vm為秸稈的喂入線速度，m·s-1；Nt為剝瓤輥的轉速，r·min-1；Z為切刀數量.

由式(21)可以看出，當剝瓤機構的結構參數確定后，影響瓤粒的長度主要因素為碾壓輥轉速與剝瓤輥轉速比、切刀數量，根據秸稈喂入線速度與預試驗，初步選擇剝瓤輥的轉速為480 ～780 r·min-1，且瓤粒長度越大，瓤殘留率越高.

2.3.3拋瓤軌跡分析

切刀將秸稈瓤剝離后，秸稈皮被輸送至分離機后方，瓤粒沿拋物線軌跡向下拋送使皮瓤直接分離，將瓤?？闯少|點并忽略空氣阻力的影響，則瓤粒運動軌跡為

(22)

式中：v1為碾壓輥的喂入速度，m·s-1；t為剝瓤輥的運動時間，s；ω為剝瓤輥的旋轉角速度，rad·s-1；R1為剝瓤輥半徑，m；g為重力加速度，取9.8 m·s-2；κ為起拋角度，即剝瓤刀與x軸夾角，(°).

秸稈在分離機中保持水平運動，實際測量皮瓤分離后秸稈外皮的彎曲特性，當秸稈外皮伸出長度為350 mm時，秸稈向下彎曲50 mm，根據預試驗當秸稈彎曲量小于外皮輸出輥半徑時，外皮輸出輥能夠完成對外皮的夾持輸送工作，文中設計的外皮輸送輥半徑為50 mm，所以外皮輸出輥組與剝瓤機構的軸心距應小于350 mm，由式(22)可知，瓤粒在水平方向的運動距離與喂入輥轉速、剝瓤輥轉速、切刀安裝角度、剝瓤輥半徑有關，根據前面已經確定的參數結合拋瓤軌跡與外皮的彎曲特性，為避免瓤粒落在外皮輸出輥組上，使瓤粒堆積在分離機下方的瓤粒收集區域，以減小整機尺寸為原則選擇剝瓤輥與外皮輸出輥之間的軸心距為300 mm.

3 試驗設計與數據分析

除葉機構與剝瓤機構是玉米秸稈皮瓤葉分離機的關鍵機構，文中分別進行除葉機構與剝瓤機構臺架試驗.

3.1 試驗材料

選取東北農業大學校區試驗田成熟且自然風干的完整玉米秸稈，試驗前隨機選取30株秸稈進行植株參數測量，每株測量3次并取平均值，得到主要植株參數如下：植株高度2 301.6 mm；平均穗位6節；秸稈根部平均直徑28.2 mm；秸稈皮厚1.0～2.1 mm；莖稈含水率21.5%；葉片含水率12.9%.試驗前將秸稈去掉直徑小于18 mm的稍部并進行含水率測量，測試儀器設備主要有FR-F740-45K-CHT1型變頻器(日本三菱公司)，DHG-9410A型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海一恒科學儀器有限公司)、BSA3202S型電子天平(最大量程3 200 g，精度0.01 g，奧多利斯科學儀器有限公司)，游標卡尺，SW6236C型數顯轉速表等.

3.2 試驗方法

文中分別選取L9(34)與L27(313)正交表對除葉機構與剝瓤機構設計試驗，每種處理重復5次試驗并取平均值，根據結構設計、理論分析以及預試驗，分別選取對除葉與剝瓤影響較大的因素做為試驗因素，其中除葉試驗因素包括彈簧線徑、喂入輥線速度、除葉輥轉速，試驗因素水平表如表1所示；剝瓤試驗因素包括切刀安裝角度、切刀數量、切刀與頂板之間的間隙、剝瓤輥轉速，試驗因素水平表如表2所示.

表1 除葉試驗因素與水平

表2 剝瓤試驗因素與水平

根據玉米秸稈皮瓤葉分離機性能要求，除葉試驗選擇除葉率為評價指標，剝瓤試驗選擇瓤殘留率為評價指標.

除葉率指玉米秸稈經除葉作業后，除掉的葉片的質量占本株秸稈葉片總質量的百分比，計算公式如下：

(23)

式中：Y1為除葉率；m1為除掉葉片的質量，g；m0為本株秸稈葉片的總質量，g.

瓤殘留率指玉米秸稈經剝瓤作業后，未剝掉瓤的質量占本株秸稈瓤總質量的百分比，計算公式為

(24)

式中：Y2為瓤殘留率；m3為未剝掉瓤的質量，g；m2為本株秸稈瓤的總質量，g.

3.3 結果分析

3.3.1除葉試驗結果分析

除葉試驗結果與極差分析如表3所示，各考察因子的極差值越大，說明該因子對試驗指標的影響越大，表中A，B，C為因素水平值.

表3 除葉試驗方案與結果

由極差分析結果可知，影響除葉率的因數主次順序為：除葉輥轉速、喂入輥線速度、彈簧線徑，最佳組合方案是A3B1C3，即當彈簧線徑為1.4 mm、喂入輥線速度為1 m·s-1、除葉輥轉速為700 r·min-1時，除葉率可以控制在較優范圍.

為了驗證上述各因素對試驗指標影響顯著性的準確性，運用Design-Expert 8.0.6軟件對正交試驗數據進行方差分析，結果如表4所示，由方差分析結果可知，除葉輥轉速對除葉率影響極顯著(P<0.01)，喂入輥線速度對除葉率影響極顯著(P<0.01)，彈簧線徑對除葉率影響顯著(P<0.05)，表明3個參數正確，是影響除葉率的主要因素，符合極差分析規律.

除葉輥轉速、喂入輥線速度對除葉率均有極顯著影響，由試驗結果可知，隨著除葉輥轉速增加除葉率逐漸增大，當喂入輥線速度一定時，除葉輥轉速越大，除葉輥上定、動除葉齒板對單位長度秸稈梳刷、打擊的次數越多，使除葉率升高.隨著喂入輥線速度增大除葉率逐漸降低，當除葉輥轉速一定時，喂入輥線速度越大，單位時間內除葉輥對秸稈梳刷、打擊的次數越少，導致除葉率降低.彈簧線徑對除葉率有顯著影響，隨著彈簧線徑的增加除葉率逐漸增大，彈簧線徑影響彈簧剛度，從而對除葉齒板與秸稈間摩擦力有直接影響，隨著彈簧線徑的增加彈簧剛度不斷增加，使動除葉齒板的預壓力逐漸增大，在工作過程中動除葉齒板與秸稈貼合更緊密，增加了動除葉齒板與秸稈間的搓擦力，使除葉率不斷增加.

表4 除葉試驗方差分析結果

3.3.2剝瓤試驗結果分析

剝瓤試驗結果與極差分析如表5所示，各考察因子的極差值越小，說明該因子對試驗指標的影響越大，試驗結果的方差分析如表6所示，表中A，B，C，D為因素水平值.

表5 剝瓤試驗方案與結果

表6 剝瓤試驗方差分析結果

由極差分析可知，影響瓤殘留率的因素主次順序為：切刀數量、頂板間隙、剝瓤輥轉速、切刀安裝角度，最佳組合方案是A3B3C1D3，即當切刀安裝角度45°、切刀數量6把、頂板間隙1.8 mm、剝瓤輥轉速780 r·min-1時，瓤殘留率可控制在較優范圍.

為了驗證上述各因素對試驗指標影響顯著性的準確性，運用Design-Expert 8.0.6軟件對正交試驗數據進行方差分析，結果如表6所示，由方差分析結果可知，切刀數量與切刀與頂板間隙對瓤殘留率影響極顯著(P<0.01)，剝瓤輥轉速對瓤殘留率影響顯著(P<0.05)，切刀安裝角度對瓤殘留率影響較顯著(P<0.1)，符合極差分析規律.

切刀數量與剝瓤輥轉速分別對瓤殘留率有極顯著影響與顯著影響，當切刀數量或剝葉輥轉速增加時根據公式(21)，切刀對單位長度秸稈的切削次數逐漸增加，從而降低瓤的殘留率，根據實際試驗隨著切刀刀數或剝葉輥轉速增加時瓤粒尺寸明顯逐漸減小，且瓤粒越小瓤殘留率越低.頂板與切刀間隙對瓤殘留率有極顯著影響，根據試驗當頂板與切刀之間的間隙逐漸增大時，瓤的殘留率逐漸增加，由于秸稈皮的厚度為1.0～2.1 mm，隨著頂板與切刀之間的距離逐漸增大，切刀對瓤的切削深度逐漸減小，導致靠近秸稈皮的部分瓤無法完全被切削掉，致使含瓤率逐漸升高.切刀安裝角度對瓤殘留率有顯著影響且隨著切刀安裝角度的增加瓤殘留率緩慢降低，根據公式(20)隨著切刀角度的增加，切刀對秸稈的切砍作用逐漸減弱，導致秸稈皮的破損減少，而此部分的瓤未被剝掉，因此瓤殘留率緩慢降低.

4 分離機設計與試驗

依據上述試驗優化結果，研制了玉米秸稈皮瓤葉分離機，根據預試驗與上述分析，考慮到葉片的拋送與纏輥回帶等問題，將前除葉機構、喂入機構、后除葉機構、剖切輥組、展開總成、碾壓機構、剝瓤機構、外皮輸出輥組間軸心距分別設置為240，240，180，100，140和300 mm，樣機及分離后所獲得的葉、皮、瓤如圖9所示.對較優參數組合進行試驗驗證，試驗地點為東北農業大學畜牧機械實驗室，為減小誤差，重復5次試驗取平均值，試驗結果如表7所示，驗證試驗表明玉米秸稈皮瓤葉分離機各個機構均運轉正常，性能穩定，工作過程中無堵塞現象發生，能夠完成玉米秸稈皮瓤葉分離作業.

表7 驗證試驗結果 %

圖9 分離機及分離后的樣品

5 結 論

1) 通過對設計的玉米秸稈除葉機構與剝瓤機構試驗分析，確定影響除葉的關鍵因素為彈簧線徑、喂入輥線速度、除葉輥轉速；影響剝瓤的關鍵因素為切刀角度、切刀數量、頂板與切刀間隙、剝瓤輥轉速.運用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗數據進行分析，得出影響除葉率的較優參數組合：彈簧線徑1.4 mm、喂入輥線速度1 m·s-1、除葉輥轉速700 r·min-1；得出影響瓤殘留率的較優參數組合為切刀數量6把、頂板間隙1.8 mm、剝瓤輥轉速780 r·min-1、切刀安裝角度45°.

2)玉米秸稈皮瓤葉分離機驗證試驗表明：在以上較優組合參數下，除葉率為97.5%，瓤殘留率為2.8%，外皮完整，瓤粒均勻，各個機構均運轉正常，性能穩定.