葡萄殘枝粉碎機的設計與試驗研究

馬龍兵， 張 杰， 孟海明， 李 政， 王 華， 坎 雜， 李景彬　(石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子 832000)

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葡萄殘枝粉碎機的設計與試驗研究

馬龍兵， 張 杰， 孟海明， 李 政， 王 華， 坎 雜， 李景彬*(石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子 832000)

摘要針對新疆葡萄殘枝產量大、利用率低、傳統焚燒易污染環境等問題，結合傳統秸稈粉碎機的結構及葡萄枝條的力學特性，設計一種新型的“刨削+粉碎”相結合的枝條粉碎機，重點確定了葡萄殘枝粉碎機的切削機構、粉碎機構、傳動機構等關鍵機構，并進行了粉碎試驗。試驗結果表明，該葡萄殘枝粉碎機生產率為800 kg/h，用篩分法得出粒度在1～5 mm的占比為73.63%，主要性能指標達到設計要求。

關鍵詞粉碎機；葡萄殘枝；設計；傳動式

Design and Test Research of Grape Branch Debris Pulverizer

MA Long-bing, ZHANG Jie, MENG Hai-ming, LI Jing-bin*et al

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi, Xinjiang 832000)

AbstractDue to the large output of grape debris, the low utilization ratio and the environmental pollution by traditional burning in Xinjiang, we designed a new branch pulverizer combining planing with grinding, based on the mechanical property of grape branch and the structure of traditional straw pulverizer.The cutting mechanism, crushing mechanism and transmission mechanism of grape debris pulverizer were determined.Crushing test was carried out.Research results showed that the productivity of grape branch debris pulverizer was 800 kg/h; the 1-5 mm particle size by sieving method accounted for 73.63%; and the main performance index reached the design requirements.

Key wordsPulverizer; Grape branch debris; Design; Driving style

葡萄原產于歐洲、西亞和北非一帶[1]，我國栽培葡萄也已有2 000多年歷史，品種有上千個。我國新疆的地理位置、氣候條件及其獨特的自然生態環境等十分有利于葡萄的生長，生產的葡萄具有品質好、單產高、營養豐富等特點，并且病蟲害輕，極少使用農藥，具有其他葡萄產區無法比擬的獨特優勢[2]。近年來，新疆依托優勢資源，大力發展特色產業和進行農業結構調整，葡萄產業得到了快速健康的發展，種植面積、產量和深加工能力大幅提高[3-4]。

越冬前，要對葡萄藤蔓、枝條進行修剪。據調研，新疆地區每年修剪后的葡萄殘枝高達10萬t[5]。目前，修剪后的殘枝一般采用集堆(條)后焚燒處理，影響土壤肥力且造成環境污染。為了更好地處理葡萄殘枝，應研制殘枝粉碎處理相關機具，對殘枝進行粉碎后掩埋，可有利于殘枝的腐化，改善土壤品質。而目前，新疆地區此環節還沒有實現機械化，完全依靠人工在田間將殘枝收攏拉至田間地頭焚燒。因此，亟需研制出葡萄殘枝粉碎機以解決大量葡萄殘枝就地及時直接還田問題。

1總體結構與原理

注：1.聯軸器;2.齒輪箱;3.V帶;4.進料口;5.上機體;6.出料口;7.帶輪;8.轉子;9.篩片;10.扇葉片;11.錘片;12.切削刀;13.刀盤;14.U形卡;15.車。　Note: 1.Coupling; 2.Gear box; 3.V belt; 4.Feed inlet; 5.Upper engine body; 6.Discharge hole; 7.Belt wheel; 8.Rotor; 9.Mesh pieces; 10.Fan blades; 11.Hammer; 12.Cutting chin; 13.Cutter; 14.U-shaped card; 15.Trolley.圖1　葡萄殘枝粉碎機結構Fig.1　Structure of grape branch debris pulverizer

1.1葡萄殘枝粉碎機結構及組成該葡萄殘枝粉碎機由機體、切削裝置、粉碎裝置、傳動裝置及進、出料口等組成。如圖1所示，機體分上機體和下機體兩部分。上機體設有切向進料的進料口，下機體內安裝有篩片且設有排料口。切削裝置主要為刀盤，刀盤上裝有切削刀。粉碎裝置包括錘架板、錘片、銷釘、扇葉片和隔套等。傳動裝置中，由拖拉機輸出軸將動力傳遞給齒輪箱，齒輪箱通過V帶傳動將動力輸出給轉子帶動粉碎機主體工作。1.2工作原理該葡萄殘枝粉碎機工作時，葡萄殘枝由進料口進入機體，首先由切削裝置進行削段，削段后的葡萄殘枝在重力的作用下落入切向式粉碎裝置粉碎室進行粉碎，經高速旋轉的錘片打擊，并在打擊力作用下飛向篩板，與之撞擊后被彈回，再次受到錘片的打擊和篩板的撞擊，如此反復，達到粉碎粒度，并從篩孔中漏出。從篩孔中漏出的碎料在扇葉片輔助吹動下快速出料，實現進料、削段、粉碎、出料過程。

2關鍵部件的結構設計及分析

2.1傳動機構葡萄殘枝粉碎機由拖拉機動力輸出軸輸出，若直接采用動力輸出軸輸出則轉速達不到聯合機所需轉速要求，且拖拉機動力輸出軸的旋轉方向與聯合機主軸的旋轉方向不在同一平面內，而是分別在兩個近似正交的平面。因此，需要設計換向變速機構，通過對速度的升高和轉動方向的改變,實現動力傳遞的正確性。

該粉碎機通過聯軸器將拖拉機輸出軸動力傳遞給齒輪箱，齒輪箱中由2個錐齒輪換向，后帶動V帶傳動。工作機構中，齒輪箱通過V帶傳動帶動轉子，轉子軸轉動帶動切削裝置與粉碎裝置進行切削粉碎。轉速先由齒輪箱變速，其傳動比i=2，再通過傳動比i=2的帶輪傳動使轉速再次提高以達到所需轉速，示意圖如圖2所示。

注：1.聯軸器；2.齒輪箱；3.V帶；4.刀盤。Note: 1.Coupling; 2.Gear box; 3.V belt; 4.Cutter. 圖2　傳動機構示意Fig.2　Schematic diagram of driver

2.2切削機構切削刀盤作為粉碎機的關鍵部件之一，其作用是將葡萄殘枝切削成細片狀，因此切削刀盤的轉速、切削刀的安裝參數對切削力和切削功率都有很大影響。在刀盤上布置切削刀時要考慮滿足削片的條件，保證連續切削和最小功率。在該葡萄殘枝粉碎機中刀盤上裝有4把切削刀，呈圓周排列，受到轉子軸、軸承座以及進料口的影響，留有適當的余量，同時考慮切削刀通過進料口的組合長度應大于進料口的寬度，即根據切削刀的尺寸設計安裝孔的位置，較近的切削刀安裝槽到轉子軸中心線的距離為75 mm，較遠的切削刀距轉子軸中心線的距離為145 mm(75 mm+70 mm)，再加上切削刀寬度及邊緣尺寸，取刀盤的外徑為500 mm較為合理。考慮刀盤作為飛輪，必須保證能夠提供較大的轉動慣量，以產生足夠大的切削力切削較大直徑的殘枝，取刀盤厚度為40 mm。切削機構簡圖如圖3所示。

注：1.切削刀；2.刀盤。Note: 1.Cutter blade; 2.Plate.圖3　切削刀盤結構簡圖Fig.3　Schematic diagram of cutter blade plate

切削刀是葡萄殘枝粉碎機的主要部件之一，其性能對葡萄殘枝粉碎機的工作起重要作用[6]。考慮到葡萄枝有分出的枝椏，且是多根進料，進料口設計得相對較大，取150 mm×150 mm；根據這些主要參數，切削刀采用100 mm×60 mm合金鋼，厚度為10 mm，并進行調制處理，以增強耐磨性。切削刀有刃口，磨損后能夠磨刃，刀上開有長孔，以固定在刀盤上，可以根據切削要求來調節切削刀與刀盤的間隙，同時增加或減少墊片，來調節沖出量。切削刀結構簡圖如圖4所示。

圖4　切削刀的設計Fig.4　Design of cutter blade

2.3粉碎機構粉碎機構主要由錘片、扇葉片、篩網組成，結構示意如圖5所示。被切削后的物料進入粉碎機構，然后進一步粉碎，達到粒度要求。在粉碎機構中，安裝了3組錘片，每組安裝2把，每個錘片的端部加工成梯形，這樣增加了錘片的刃口，同時每個錘片均開刃，增強了粉碎效果，滿足要求[7]。

注：1.主軸;2.扇葉片;3.錘片;4.篩網。Note: 1.Principal axis; 2.Fan blades; 3.Hammer; 4.Screen cloth.圖5　粉碎機結構示意Fig.5　Schematic diagram of pulverizer

扇葉片主要為葡萄枝削片粉碎機提供風力并對削片后的葡萄枝木片進行錘打來起到一定的粉碎作用。考慮到徑向型葉片磨損和積垢較小，加工方便等優點，該粉碎機采用徑向型葉片，扇葉片的直徑為242 mm。

從動平衡的因素和制造周期考慮，3片扇葉片及錘片安裝支架采用兩兩夾角120°焊接而成[8]。粉碎扇葉片結構簡圖如圖6所示。

圖6　粉碎扇葉片結構簡圖Fig.6　Structure of crushing fan blades

錘片是粉碎機最主要的、也是最易損耗的工作部件[9]，其尺寸、形狀、工作密度與排列方式、材料材質與制造工藝等，對粉碎效率和工作質量均有較大的影響。所以此次設計所選用的錘片為雙孔型矩形錘片，錘片選用的材料為45號中碳鋼，熱處理后淬火區硬度應達到HRC 50～57，結構簡圖如圖7所示。

圖7　錘片的設計Fig.7　Design of hammer

錘片選用對稱交錯排列，對應兩組錘片對稱安裝，轉子上對應兩銷軸上所受的力可以相互平衡，轉子運行更加平穩，且錘片安裝簡單方便，各錘片磨損較為同步。排列方式見圖8所示。

圖8　對稱交錯排列方式Fig.8　Symmetric staggered arrangement mode

篩片是錘片式粉碎機主要的工作部件和易損件之一，其

對粉碎效率和粉碎質量有較大影響[10]。篩片選用圓柱形孔篩，結構簡單，制造方便，應用最廣，如圖9所示。

篩孔的孔形狀和篩片厚度以及有效篩孔面積(開孔率)都是影響粉碎機工作特性的因素，篩孔直徑設計為6 mm。

圖9　圓柱形沖孔篩片Fig.9　Mesh pieces of cylindrical punching

3實驗結果與分析

2014年4月，筆者課題組在石河子大學機械電氣工程學院實驗場采用葡萄殘枝進行切削粉碎試驗，殘枝主要來源于秋后剪枝，平均含水率為6.21%，平均直徑在50～150 mm，主要對葡萄殘枝粉碎機的生產率及粉碎顆粒度等參數進行檢測，結果如圖10所示。經測試，該葡萄殘枝粉碎機的平均生產率為800 kg/h，用篩分法得出粒度在1～5 mm的占比73.63%。由實驗結果可知，整機的設計強度和制造工藝基本達到要求，且整機操作簡單、安全可靠。

4結論

該研究采用先切削后粉碎的原理，設計了切削粉碎刀盤，提高了對葡萄殘枝的切削粉碎能力，在此基礎上研究開發了一種基于“刨切+錘片式粉碎”相結合的葡萄殘枝粉碎機。選用直徑為50～150 mm的葡萄殘枝，機器運行平穩，生產率達800 kg/h，粉碎后的顆粒度1～5 mm的占比為73.63%，粒度質量較好，能夠滿足成型要求。

圖10　 粉碎顆粒度分布Fig.10　Distribution of particle size

參考文獻

[1] 王建文,王有年.歐洲葡萄栽培和釀酒在中國的傳播[J].北京農學院學報,2006,21(1):45-49.

[2] 佚名.新疆種植葡萄及釀制葡萄酒的歷史[EB/OL].(2007-11-06)[2015-12-20].http://www.tianshannet.com.cn/special/content/2007-11/06/content_2269275_3.htm.

[3] 趙中華.新疆葡萄生產機械應用現狀及發展方向[J].農業技術與裝備,2008(4):33-34.

[4] 陳虹.新疆統計年鑒2014[M].北京：中國統計出版社，2014.

[5] 畢于運,王亞靜,高春雨.中國主要秸稈資源數量及其區域分布[J].農機化研究,2010(3):1-7.

[6] 申慶泰,金敏,池少英,等.飼料粉碎機錘片磨損特征與自磨刃強化處理[J].農業機械學報,2010(S1):229-232.

[7] 劉寶,宗力,張東興.錘片式粉碎機空載運行中錘片的受力及運動狀態[J].農業工程學報,2011(7):123-128.

[8] 包那日那,劉偉峰,曹玉,等.粉碎機錘片磨損機理分析及粉碎性能試驗研究[J].農機化研究,2011(11):153-156.

[9] 劉啟文.錘式粉碎機最佳負荷的研究[J].農業工程學報,1988(3):46-53.

[10] 俞佳芝,余泳昌,朱星賢,等.4Q-1.5型秸稈粉碎機主要工作部件參數確定與校核[J].農機化研究,2006(9):74-76，79.

中圖分類號S 224.29

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)06-300-03

收稿日期2016-01-08

作者簡介馬龍兵(1992- )，男，新疆昌吉人，本科生，專業：機械設計制造及其自動化。*通訊作者，副教授，碩士生導師，從事機械設計制造及其自動化研究。

基金項目國家大學生創新創業訓練項目(201410759032)；石河子大學重大科技攻關技術項目(gxjs2012zdgg0402)。