切碎組合式木薯秸稈粉碎機關鍵部件設計

鄭美云，廖宇蘭，劉世豪，楊　怡，王　濤

(海南大學 機電工程學院，海口　570228)

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切碎組合式木薯秸稈粉碎機關鍵部件設計

鄭美云，廖宇蘭，劉世豪，楊怡，王濤

(海南大學 機電工程學院，海口570228)

摘要：針對收獲后木薯秸稈資源浪費程度高和機械化處理程度低等問題，設計了一種木薯秸稈切碎機。該機采用先切斷再粉碎的組合方式將木薯秸稈集中切斷并粉碎。該機主要由間歇輸送裝置、切割裝置和粉碎裝置組成。切割刀具采用鋸齒形圓盤刀，切割斷面好、工作效率高，并選定液壓缸作執行機構，以實現對木薯秸稈切割的循環作業。木薯秸稈輸送裝置采用不完全齒輪帶動滾筒間歇性運轉，通過帶傳動，實現輸送裝置的間歇性輸送。粉碎刀具采用具有很高硬度和耐磨性的優質碳素工具鋼T12作為刀具材料，形狀選用Y型甩刀，可緩解拐角處的應力集中，而且斜切的方式更省力。刀具排列方式采用均力免震法，可提高機器的平衡性和減少振動。

關鍵詞：木薯秸稈；切割刀具；間歇性輸送裝置；粉碎刀具

0引言

木薯用途廣泛，可食用、加工成飼料及各種工業開發利用[1]。據統計，全世界木薯產量的65% 是用于人類食用[2]。木薯還是一種生物質能源，可以制成燃料乙醇。作為一種重要的糧食、經濟和能源作物[3-4]，木薯的市場需求逐年增大，據2013年統計，我國木薯的種植面積約46.7萬hm2多，產量高達900萬t多[5]。為了推進木薯產業的發展，研發集回收秸稈、收獲木薯、塊根分離和收集薯塊等功能為一體的木薯聯合收獲機械必將是未來的發展趨勢[6]。

木薯秸稈高、粗、分支多，占木薯產量的70%～80%[4]。目前，我國木薯種植一直是采取人工處理收獲后的木薯秸稈，勞動強度大，機械化程度低，限制了木薯產業的發展。木薯秸稈富含粗纖維和碳水化合物，具有廣泛的用途，可制成燃料、肥料和食用菌基料。為充分發揮木薯秸稈的利用價值，可將收獲后的木薯秸稈進行集中粉碎，然后再加以利用。本文借鑒樹干切斷粉碎的原理和方法，制定了切碎組合式木薯秸稈粉碎機的設計方案，采用先切斷再粉碎的組合方式，可有效提高木薯秸稈的粉碎程度。

1總體結構及工作原理

整機由不完全齒輪間歇輸送裝置、切割裝置、粉碎裝置及液壓系統等組成，如圖1所示。

1.木薯秸稈　2.皮帶　3.滾筒　4.不完全齒輪間歇機構

工作時，首先將收獲后的木薯秸稈收集成小捆，手動將成捆的木薯秸稈放到輸送裝置上由輸送裝置中的滾筒帶動秸稈向切斷裝置方向進給；進給一段距離后，不完全齒輪的無齒部分使滾筒停止運動，同時切斷裝置上的旋轉的刀具下降將秸稈切斷，最后落入到粉碎裝置中被粉碎；然后切割刀具上升，滾筒在間歇機構的作用下繼續運轉，木薯秸稈繼續進給，為下一步切斷木薯秸稈做準備。

2輸送裝置的結構設計

2.1　輸送裝置工作原理

輸送裝置是整機的重要組成部分，它影響著整個機器工作的可靠性和結構的復雜程度。木薯秸稈長度不一，且粗細不均，差別較大，為了保證木薯秸稈的穩定輸送，對輸送裝置有較高耐沖擊能力和實現間歇輸送等要求。綜合分析，木薯秸稈輸送裝置采用不完全齒輪間歇機構，帶動滾筒間歇性運轉，再通過帶傳動，實現輸送裝置的間歇性輸送，以達到木薯秸稈的輸送后切斷。其結構簡圖如圖2所示。

1.擋板　2.滾筒　3.皮帶　4.不完全齒輪間歇機構

2.2　間歇機構和帶傳動

不完全齒輪結構簡單，從動輪靜止和運動的時間比例不受機構結構的限制，適用于低速或輕載場合[7]。木薯秸稈在傳送過程中要與切割裝置配合實現間隙進給，不完全齒輪機構可實現這一要求。不完全機構由主動輪和從動輪組成，如圖3所示。主動輪的有齒部分與從動輪嚙合時，從動輪跟隨主動輪轉動；主動輪無齒部作用時，從動輪無法嚙合而停止不動，從動輪在主動輪做連續回轉運動時可以得到間歇運動。

圖3　不完全齒輪間歇機構簡圖

帶傳動運轉平穩、噪聲小，因本輸送裝置的兩軸中心距離較大，因此選用帶傳動。傳遞帶具有彈性，可緩和木薯秸稈的沖擊和載荷的振動，帶打滑時也可防止機器中其他零件的損壞[8]。不完全齒輪的間歇運動帶動滾筒的間歇性運動，再通過滾筒與皮帶之間的帶傳動，帶動整個輸送裝置實現間歇性運動。

2.3　不完全齒輪參數計算

選K=5(從動輪所占的齒數)，Z2=Z1-1+K,Z1=9,Z2=13，則

Ra=

3切割裝置的結構設計

3.1　切割原理

切割裝置如圖4所示。其中，液壓馬達支撐于機架上，通過聯接軸與刀具連接。聯接軸的一端用聯軸器與液壓馬達的連接軸相配合聯接；另一端用螺栓、螺母將刀具與焊接在聯接軸上的鋼塊直接固定。工作時，液壓馬達直接帶動刀具旋轉，液壓缸帶動刀具和液壓馬達上下移動；向下移動時進行秸稈的切割，切割后往上移動到原位，再進行下一段切割。

3.2　切割器的種類及其確定

1)往復式切割器：割刀結構簡單，做往復運動，適應性廣泛。當往復式切割器切割粗莖稈作物時，由于切割時間長，刀片易變形，易出現撞刀、崩刀現象，且莖稈割茬不夠整齊，切割器的磨損現象嚴重。因此，往復式切割器不適合切割木薯秸稈這類粗莖稈作物[9]。

2)圓盤式切割器：圓盤式切割器的割刀做回轉運動，運動較平穩、切割速度高、切割能力強。缺點是其鋸齒刃部一旦磨損，切割的阻力就會明顯增加，導致切割的效率顯著下降。該類切割器分有支撐切割和無支撐切割兩種形式[10]。

3)甩刀式回轉切割器：切割時振動大，功率損耗也大，產品初加工的質量也降低[11]。

經對以上3種切割器優缺點進行比較，根據本設計的實際需要，采用圓盤式切割器的無支撐切割形式。

1.刀具　2.連接軸　3.鍵　4.軸端蓋　5.軸承

3.3　切割刀具的設計

木薯秸稈材質脆硬[12]，選用鋸齒形圓盤刀具，這類刀具具有工作效率高、切割斷面較好等特點。查刀具設計手冊[13]，根據切割強度和裝置的整體布局等要求，設計鍵槽直徑D=63 mm，刀具直徑d=200 mm，齒數為30，相鄰兩齒頂之間的夾角θ=57°，刀具厚度L=4 mm。為了提高刀片材料的抗沖擊韌性，采用65Mn合金鋼[14]，將鋸齒形根部加工成小圓弧形，可防止在高速切割時發生應力集中損壞刀口。刀具結構如圖5所示。

4粉碎刀具的結構設計

粉碎刀具的形狀、材質、排列方式對粉碎效果有很大影響。木薯秸稈富含纖維且韌性較高，粉碎刀具的材料應該具有很高的硬度和耐磨性。因此，刀具選用優質的碳素工具鋼T12材料，形狀選用Y型甩刀。這種形狀的刀具可緩解拐角處的應力集中，而且斜切的方式更省力，刀片有效長度為140mm，厚度為15mm，寬度為60mm，結構示意圖如圖6所示。

圖5　鋸齒形圓盤刀

圖6　Y型刀示意圖

合理的刀具排列方式可提高機器的平衡性和減少振動。刀具排列應滿足刀軸受力均勻、徑向受力平衡、相鄰兩刀片徑向夾角較大等要求，本設計采用均力免震法，排列方式如圖7所示。

圖7　刀具排列示意圖

5液壓系統的設計

本液壓系統控制刀具在一定的時間范圍內完成木薯秸稈切割，其工作循環是快進→工進→快退→停止。因為液壓缸的工作方向是垂直地面的，所以其工作負載為所要移動的總重量約為686N，工進進給要求的速度是0.2m/s，快進的速度是0.04m/s，快退的速度為0.32m/s。選定液壓缸作執行機構，為了自動實現上述工作循環，采用行程開關及電磁換向閥實現順序動作。

該系統為了實現快速運動，采用差動聯接。在行程控制中采用機動滑閥，可使快進轉工進時運行的速度平穩轉換；當工進結束快退到終點時電器行程開關被壓下然后運動停止。快進轉工進后，系統不再差動聯接，因為系統壓力逐漸升高導致遙控順序閥將被打開，此時回油經背壓閥流回油箱。背壓閥在此起到的作用是使工進時的運動平穩。液壓系統原理圖如圖8所示。

1.濾油器　2.變量泵　3、6.單向閥　4、7.電磁換向閥

6結論

1)采用先切斷再粉碎的組合方式，制定了木薯秸稈切碎機的設計方案，將收獲后的木薯秸稈進行集中粉碎，可提高木薯秸稈的利用價值。

2)采用圓盤鋸齒形切割器，切割斷面好，工作效率高。選定液壓缸作執行機構，自動實現刀具快進→工進→快退→停止的工作循環，以實現對木薯秸稈切割的循環作業。 木薯秸稈輸送裝置采用不完全齒輪帶動滾筒間歇性運轉， 再通過帶傳動，實現輸送裝置的間歇性輸送。

3)粉碎刀具形狀選用Y型甩刀，采用具有很高硬度和耐磨性的優質碳素工具鋼T12作為刀具材料。這種形狀的刀具可緩解拐角處的應力集中，而且斜切的方式更省力。刀具排列方式采用均力免震法，可提高機器的平衡性和減少振動。

參考文獻：

[1]余瑞明,廖宇蘭,劉世豪,等. 木薯收獲機夾持輸送機構設計與力學分析[J].農機化研究,2015，37(8): 74.

[2]方佳,濮文輝,張慧堅.國內外木薯產業發展近況[J].中國農學通報,2010,26(16): 353-361.

[3]黃潔,李開綿,葉劍秋,等.中國木薯產業化的發展研究與對策[J].中國農學通報,2006(5): 421-426.

[4]陳漢東.木薯秸稈綜合利用技術應用淺析[J].廣西農業機械化,2011(5): 26-28.

[5]易宗平.木薯不但是主糧替代食物,而且可應用于生物能源等領域——院士在儋州講述木薯故事[N].海南日報,2014-01-14-(006).

[6]廖宇蘭,劉世豪,孫佑攀,等.基于靈敏度分析的木薯收獲機機架結構優化設計[J].農業機械學報,2013,44(12):56.

[7]孫桓,陳作模,葛文杰.機械原理[M].北京:高等教育出版社,2010.

[8]濮良貴,紀名剛.機械設計[M].北京:高等教育出版社,2011.

[9]李寶筏.農業機械學[M].北京:中國農業出版社,2003.

[10]萬其號.沙生灌木圓盤式切割器對比試驗研究[D].呼和浩特:內蒙古農業大學, 2007.

[11]恩和,畢玉革.沙生灌木平茬工藝及切割機理的分析[J].林業機械與木工設備,2004,32(8): 43,50.

[12]楊望,楊堅,鄭曉婷,等.木薯力學特性測試[J].農業工程學報,2011,27(12): 50-54.

[13]袁哲俊,劉華明.金屬切削刀具設計手冊[M].北京:機械工業出版社,2008.

[14]劉燕萍.工程材料[M].北京:國防工業出版社,2009.

Abstract ID:1003-188X(2016)09-0176-EA

The Key Component Design of Chopped Combined-type Cassava Stalk Crushing Machine

Zheng Meiyun， Liao Yulan， Liu Shihao， Yang Yi ，Wang Tao

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Hainan University， Haikou 570228， China)

Abstract：For the high degree of resource waste and low level of mechanization processing after harvest of cassava straw, a kind of chopped combined-type cassava stalk crushing machine was designed. The machine is mainly composed of intermittent transmission device, cutting device, and crushing device. Using the serrated disc cutter which having a good cutting section and high work efficiency to be a cutting tool. Choose a hydraulic cylinder as actuator of the cutting tool to realize the cutting cycle operation of cassava stalk. The cassava straw conveying device adopted incomplete gear intermittent mechanism and through belt transmission to realize the intermittent transportation. Crushing tool adopted carbon tool steel T12 which has high hardness and wear resistance. Y type knives can alleviate the stress concentration around the corner and the oblique way is more efficient. Cutting tool arrangement divided the stress to improve machine balance and reduce vibration.

Key words：cassava stalk; cutting tool; intermittent conveying device; crushing tool

中圖分類號：S817.12+2

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0176-04

作者簡介：鄭美云(1989-)，女，江西上饒人，碩士研究生，(E-mail) 474223041@qq.com。通訊作者：廖宇蘭(1967-)，女，廣東興寧人，教授，碩士生導師，(E-mail) liaoyulan@sina.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51365011)

收稿日期：2015-09-25