液壓式香蕉莖稈粉碎機的設計

公 菲，張喜瑞，李 粵，梁 棟

(海南大學 機電工程學院，海口 570228)

0 引言

香蕉產業作為中國南亞熱帶地區農業的支柱性產業，2015年種植面積達到39.6萬hm2，產量932.05萬t[1-2]。按照每公頃香蕉可產生750t秸稈計，其產生的秸稈總量達到2 970萬t。根據農業部科技教育司《全國農作物秸稈資源調查與評價報告》中統計出秸稈資源利用比例：還田28.62%、廢棄及焚燒26.19%、飼料25.70%、燃料15.71%、工業原料1.95%、基料1.83%[2]，廢棄所占比例是很高的，造成秸稈資源很大損失。傳統農業在采摘完香蕉后多數將秸稈棄在田間，這會引起一系列問題。腐爛在田間的香蕉秸稈會產生大量的細菌，并且會不斷地擴散，從而使得香蕉減產，給農民帶來巨大的經濟損失；也會污染環境，與可持續發展相悖[3-5]。

香蕉秸稈中不僅含有大量的有機質，而且還含有豐富的鈣、鉀、磷、氮等對土壤有利的微量元素[6]。若將這些秸稈粉碎后再回歸到土壤中繼續給土壤提供養分，不僅能夠改善土壤的結構，而且增加土壤肥力，提供有機質及微量元素，還能夠延緩土壤板結及提高土壤的保水能力，從而使得農作物更好的生長，增加農作物的產量。

在國外，美國、日本、英國等國家其秸稈粉碎還田技術已經很先進，而且還田量占秸稈產量的所有有機殘余物的68%以上，排在世界前列[7]。在我國，雖然相關的技術也在不斷進步，但是秸稈還田機利用率遠遠不夠，仍有大量的秸稈需要靠人工解決或者為省農時直接丟棄在田地。基于“可持續發展”和“以人為本”的理念，應加強秸稈粉碎還田的應用，降低工人的勞動強度，也要避免秸稈處理不當而造成對人體的傷害。

根據以上所述，本文利用液壓傳動和控制等原理，設計出一種香蕉秸稈粉碎機。香蕉秸稈粉碎機將采用變量泵與定量馬達式的容積調速回路，可以改變一些工作部件的速度，從而最大可能地滿足不同生產效率及不同長度的香蕉秸稈粉碎要求。本機的使用不僅能夠增加農民收入，而且能夠提高熱帶農業綜合生產能力。因此，此設計的香蕉秸稈粉碎機會有很大的市場及較高的使用價值。

1 結構和工作原理

1.1 整機結構

液壓式香蕉莖稈粉碎機主要包含輸送裝置、喂入裝置、粉碎裝置、齒輪傳動裝置、液壓傳動裝置、行走輪及機殼等裝置，如圖1所示。

1.2 工作原理

香蕉秸稈通過皮帶傳送到喂入裝置，經喂入裝置喂入壓輥將香蕉秸稈固定住后，由粉碎刀將其進行粉碎。粉碎完成后，經粉碎刀輥的慣性將粉碎后的物料拋到出口去，落入粉碎刀下面的凹板；喂入裝置中的喂入壓輥與粉碎裝置位于機殼內，粉碎裝置的定刀安裝在兩個喂入壓輥后的機殼上，喂入壓輥上方的輥子裝有一個彈性機構，用來調節兩喂入壓輥之間的距離，以便適應不同大小的秸稈。

1.輸送裝置 2.喂入裝置 3.粉碎裝置 4.機架 5.行走輪 圖1 液壓式香蕉莖稈粉碎機結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of hydraulic structure of banana stalk chopper

液壓式香蕉秸稈粉碎機使用兩個變量泵和兩個定量液壓馬達進行一對一驅動。其中，一個液壓馬達帶動傳送帶進行香蕉秸稈的傳送，將其送到喂入口；另一個液壓馬達帶動粉碎刀軸旋轉，從而完成粉碎刀對香蕉秸稈的粉碎。同時，皮帶輪與喂入壓輥通過齒輪進行傳動。本機采用了兩個變量泵來驅動和控制兩個定量液壓馬達，依據改變變量泵的輸出流量就會以液壓馬達發生速度的變化原理來進行作業，當想要機器粉碎后的秸稈長度變短時，就可以增加粉碎刀輥的轉速，反之亦然。另一方面，要想增加粉碎效率，可同時控制這兩個液壓馬達，進行提速，即可實現。當然速度的變化都是在合理的范圍內進行調節，本機調節速度的方法便捷且很容易實現。

2 主要工作部件及參數

2.1 喂入裝置

在喂入裝置中兩喂入壓輥將經過皮帶傳送的香蕉秸稈夾住，隨后將其送到粉碎入口。喂入裝置位于整個機器的中部，主要由兩個對輥以及彈性機構組成，結構如圖2所示。

彈性機構設置在上喂入壓輥上，當鋸齒式喂入壓輥將香蕉秸稈抓住時，上喂入壓輥可以根據香蕉秸稈的大小通過滑塊變更對輥之間的寬度，從而能夠將一定限度內不同大小、粗度的香蕉秸稈喂入。鋸齒式喂入壓輥的作用是防止粉碎香蕉秸稈時產生相對滑動，能夠使秸稈速度均勻地喂入粉碎，提高了粉碎質量[8]。

1.鋸齒式喂入壓輥 2.彈性裝置 3.滑塊 4.T型支架 圖2 喂入裝置結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of feeding device

在喂入對輥的圓周表面上設有7對鋸齒條，增大了與香蕉秸稈接觸的壓強。當對輥轉動時，上輥的轉動方向與下輥的轉動方向相反，上輥從右往左看為逆時針旋轉，如圖3所示。喂入對輥的設計克服了粉碎香蕉秸稈時滑動的問題，為保證順利粉碎秸稈提供了保障，是粉碎機的關鍵部分。

(b) 喂入壓輥側視圖 圖3 喂入壓輥結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the feed roller structure

香蕉秸稈粉碎機喂入壓輥輥筒的直徑由以下公式[9]進行計算，即

(1)

式中Dmin—壓輥滾筒最小直徑(mm)；

A—香蕉秸稈喂入壓輥前的直徑，取值240～360mm；

kn—壓延比，取值50%[10]；

P—喂入壓輥與香蕉秸稈之間的正壓力(N)；

F—秸稈與喂入壓輥之間的摩擦力(N)；

Α—摩擦角(°)。

由庫侖定理可知，摩擦因數μ=F/P[11]，從而得知，μ=tanα。經過測定得μ=0.7～0.87 ，計算得α=40°～50°，代入式(1)后，得出：Dmin為101～209mm。

考慮到一些因素，壓輥輥筒的直徑既不能過大也不能過小：如果壓輥輥筒直徑太小，遇到莖稈細的香蕉秸稈時，不容易將其抓牢固，導致粉碎時不徹底，影響粉碎機的工作；如果壓輥輥筒直徑過大，雖然能夠很好地抓緊香蕉秸稈，但卻增加了秸稈粉碎機的能耗。結合上面所說的這兩種情況，選取壓輥輥筒直徑D為130 mm。

兩喂入壓輥軸線之間的距離亦不能過大或過小，首先應滿足基礎條件：距離h需保證h

喂入壓輥的轉速對香蕉秸稈粉碎機的粉碎效果效果有著相當大的影響。香蕉秸稈經傳送帶送入到喂入壓輥之前的速度為輸送速度v(m/s)，若喂入壓輥轉速n過大，會消耗過多的能量；若喂入壓輥轉速n過小，將導致秸稈向推動壓輥方向用力，也會增加能耗。經測定后，若秸稈的輸送速度，與喂入壓輥的線速度v(m/s)的相對速度相同時，即可滿足香蕉秸稈能夠穩定的喂入。因此，應該使得喂入壓輥線速度與輸送速度相同，取v=0.6～0.9m/s[12]。

喂入壓輥轉速為

(2)

由上面的計算，將確定好的壓輥輥筒直徑D=130mm,喂入壓輥轉速v線為0.6～0.9m/s，代入式(2)。經計算，得出喂入壓輥的轉速n范圍為88～132r/min。進行液壓調速時可在這一范圍進行速度的調節。

2.2 粉碎裝置

粉碎裝置是本設計香蕉秸稈粉碎機的核心部件，它由粉碎刀軸、粉碎刀輥、彎形粉碎刀以及螺栓組成，如圖4所示。粉碎刀輥是由4個環形支架構成，粉碎刀輥上分布著兩排粉碎刀座，每個粉碎刀座通過螺栓固定在粉碎刀輥的兩支架上，呈相互錯開排列，等距離排列18對粉碎刀座。方形粉碎刀片固接在粉碎刀座上。

1.粉碎刀軸 2.粉碎刀輥 3.彎型刀 圖4 粉碎裝置結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the grinding device

當裝置啟動時，粉碎刀輥的旋轉方向從前往后看為逆時針方向(即與彈性喂入壓輥的旋轉方向相同)；粉碎完后的香蕉秸稈在粉碎刀的作用力的慣性下拋向物料出口[13]。

粉碎刀片的形狀為半圓筒，與常用的直刀型相比，這種刀片粉碎的有效長度大，刀刃要比直刀型更鋒利一些，因此粉碎效果會更好。采用的彎型刀片通過螺栓便于拆卸，當刀刃磨損時可進行替換，降低了使用成本。

由于香蕉秸稈的含水率要比其他秸稈要高，對粉碎刀的要求是使用能夠抗腐蝕的材料。因此，選用的刀片材料為硬度較高，耐磨的的65Mn鋼，通過精密鍛壓成型等作用，整個刀刃部分焊接經過淬火處理的硬質合金條，并在刀的表面噴焊了層Niwc合金粉末加用來強化整個刀表面的強度[14]。該粉碎裝置因為其緊密的工作過程，具有噪音小、振動小、粉碎能力強及粉碎長度可調節等優點。

3 液壓傳動與調速

液壓馬達的轉速隨著輸入流量的增大而增大，隨著液壓馬達的排量增大而變小。故針對變量馬達來說， 改變液壓馬達的轉速， 一方面可以通過改變馬達的排量實現，另一方面可以改變馬達的輸入流量來實現[15]。

在本文設計的香蕉秸稈粉碎機中采用的調速原理是前者，通過改變馬達的排量來改變粉碎裝置以及輸送裝置的速度。圖5為香蕉秸稈粉碎機系統原理圖。

圖5中，單向閥的作用就是限制回路系統中的壓力，避免在回路中出現油壓過高的情況，若油壓過高在回路系統中是非常不安全的。因此，安全閥在液壓系統中的作用是非常重要的。在容積調速回路中油液是不斷循環的運動，其散熱性非常差，很容易發生油液溫度過高這一問題。解決這一問題就要在回路中連接一個定量泵，這樣回路的油液就可以從溢流閥流回到油箱中[16]，輔助泵是低壓小流量即可，這樣就可保障系統的安全性。

1.油箱 2、5、8、13. 過濾器 3.輔助泵 4.單向閥 6、15.變量泵 7、14換向閥 9、12 定量馬達 10、11、16． 溢流閥 圖5 粉碎機液壓系統的工作原理圖Fig.5 Hydraulic system of the working principle diagram

當香蕉秸稈粉碎機工作時，第一步就是電磁鐵1YA和2YA 得電，隨后二位三通電磁換向閥在回路中在有電流的流通后發生動作。其中，變量泵與液壓定量馬達構成液壓回路，另一個變量泵與液壓馬達構成液壓回路。液壓定量馬達帶動粉碎裝置，另一液壓定量馬達帶動輸送喂入裝置。在此過程中，若想改變粉碎速度以及輸送速度，可以分別通過調節變量泵來作相應的改變。當香蕉秸稈的粉碎工作完成后，要停止香蕉秸稈粉碎機工作時，只要把將電磁鐵1YA和 2YA 斷電即可結束粉碎機的粉碎工作，本機操作簡單方便。

4 結論

1)基于香蕉秸稈含水量高，纖維豐富等特點，設計了一種針對性解決此特點的粉碎刀片，能夠將香蕉秸稈粉碎徹底。

2)香蕉秸稈粉碎的喂入對輥裝置上帶有彈性裝置不僅能適應不同大小的香蕉秸稈，而且還能起到在粉碎裝置粉碎香蕉秸稈時起到防止滑動的作用。設計的一種彎型刀要比普通的直刀、Y型刀鋒利一些，且有效工作長度要長，通過螺栓進行替換，減少成本。

3)通過改變馬達排量的方法來改變在一定范圍

內喂入速度以及粉碎的速度。

該機的成功研制將提高香蕉秸稈利用率，滿足不同農戶的需要，提高經濟和社會效益。

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