雜交狼尾草切鍘機的設計

羅新文，楊陸強，陳 釗，高彥玉，趙玉清，高志超，朱加繁

(云南農業大學 機電工程學院，昆明 650201)

0 引言

雜交狼尾草(Pennisetum americanum x P．purpureum)是一種暖季型多年生禾本科牧草，屬于C4植物，其產量高、生長期長，具有廣泛的適應性[1]。雜交狼尾草的木質素含量約為8.92%，纖維素含量為36.15%左右，半纖維素含量為21.01%左右[2]。其木質素含量低于玉米秸稈，而纖維素和半纖維含量較玉米秸稈的相似，具有與玉米秸稈相似的韌性和小于玉米秸稈的硬度。作為優質牧草，其用途主要體現在以下兩方面：一是作為青貯飼料[3]；二是作為生物質能源(如沼氣發酵等)[2，4]。

切鍘機的主要功能是用來切斷稻谷、麥秸、玉米秸等作物莖稈，較適用于農作物乳熟期的青貯。按規格大小的不同，可分為小型、中型和大型；按切割方式的不同，可分為滾筒式和圓盤式；按作業方式的不同，可分為田間直接收獲機和固定式切碎機。雜交狼尾草的再生能力強，一年內可刈割多次，其鮮草的單產可達90～120t/hm2[5-6]。切鍘作業后，狼尾草莖稈葉的適口性和消化反應率將得以有效提高，且產業的經濟效益也將隨之增加。切鍘作為狼尾草飼料化及能源化利用的基礎環節，將有效提高狼尾草資源化利用的效率。

為簡化雜交狼尾草切鍘機的機型，提高狼尾草草料的生產率，并降低切鍘機的功率消耗，研究設計了一種臥式圓盤式雜交狼尾草切碎機。利用ANSYS Workbench有限元分析軟件，對其核心工作部件刀盤進行了包括靜力學分析在內的數值模擬，旨在為雜交狼尾草切鍘機的優化設計提供理論依據，并縮短其設計制造周期。

1 總體機構與工作原理

1.1 總體結構

該切鍘機主要由機架、傳動機構、喂入裝置及切鍘裝置等構成，如圖1所示。其中，機架上焊接有電機機架，電機機架上安裝有電動機，在電動機上安裝有兩槽V帶輪，帶輪通過V帶將電機動力傳遞于主軸，機架上通過一組軸承座來支持切碎機主軸；主軸上安裝有刀盤，刀盤的一面安裝有3組動刀，另一面裝有3組拋板；主軸的另一端與減速箱連接，減速箱的輸出軸通過齒輪和喂入輥連接。

1.2 工作原理及過程

切碎機作業時，在電動機的作用下，帶輪及皮帶將帶動切碎機主軸轉動，刀盤及安裝在其上的刀片將獲得一定的轉速；在上下喂入輥相向轉動的卷送作用下，狼尾草被壓送進入喂料口，隨后被高速旋轉的刀片所鍘斷；被鍘斷的草料會隨刀盤的離心轉動，在拋送葉片的攜帶作用下被排送出排料道，最終完成狼尾草的喂料、切鍘和排送作業。

1.3 主要技術參數

該雜交狼尾草切碎機的主要技術參數：外形尺寸為772.5mm×1 477.5mm×965mm(長×寬×高)，機架尺寸為772.5mm×385mm×530mm(長×寬×高)，電機型號為Y132S-6Y系列三相異步電動機，刀片圓弧刃的弧長為131mm，狼尾草莖稈葉的切碎長度為10mm，生產效率為400kg/h。

1.機架 2.喂入槽 3.喂入輥 4.軋距調節裝置 5.罩殼 6.刀片 7.刀盤 8.拋送葉片 9.排料道 10.減速箱 11.皮帶

2 關鍵部件設計

2.1 傳動系統

該機傳動機構主要由安裝在機架下部的電動機、其上的皮帶輪和V帶、刀盤傳動軸和喂入輥傳動軸及其上的直齒輪，以及變速系統中的錐齒輪和直齒輪等構成，如圖2所示。

1.帶輪 2.刀盤 3.小圓柱齒輪 4.軸承座 5.小錐齒輪

由于主軸旋轉方向和喂入輥旋轉方向成90°夾角，為了改變旋向加入了一組錐齒輪。同時，考慮到喂入機構有卡死的情況，把錐齒輪組改為了星齒輪組，當撥叉撥到不同位置時，可以實現喂入輥的正轉、倒轉、靜止3種狀態。其中，帶輪選用灰鑄鐵HT200作為加工材料，小帶輪直徑D1=170mm，大帶輪直徑D2=320mm，選用2根三角膠帶；齒輪選用45鋼經調制處理加工而得。

2.2 喂入裝置

喂入裝置由軋距調節裝置、喂入槽、上喂入輥及下喂入輥構成，動力通過齒輪傳遞給喂入輥，如圖3所示。為避免物料堵塞，該裝置帶有間隙調節裝置，上喂入輥上下移動的范圍大, 能承受較大的喂入量, 故生產率高。上喂入輥軸承與滑塊軸承座相連，滑塊軸承座與喂入輥上蓋相連，喂入輥上蓋又通過雙頭螺柱與機架相連，使上喂入輥能隨飼草層的厚度而上下調整，以適應物料層厚薄的變化并保證物料能夠被均勻地壓緊。切鍘機工作時，上下喂入輥以相反方向轉動，草料被均勻地壓緊送入，由刀片將其切成碎段。其中，上下喂入輥均為溝槽形，由于設計中喂入輥載荷不大，但要求韌性較高，所以喂入輥由20鋼經正火處理得到；根據秸稈加工質量和生產率[7]，確定喂入口的高為50mm，寬為100mm。則有

計算得喂入輥的轉速n1=64r/min。

針對喂入槽，為保證喂入輥連續不斷地向切碎室喂料，并防止物料掉落，在設計中，將其設計為雙槽重疊式。其中，利用5mm厚的鋼板將外面的鋼槽焊接而成，其兩側則用鋼板加厚；在鋼槽內再插一個薄壁進料槽，料槽的長度根據整體機型定為1.2m，用螺栓固定。

1.軋距調節裝置 2.喂入槽 3.喂入輥

2.3 機架

根據狼尾草切鍘機的使用環境，確定該狼尾草切鍘機的機架材料為Q235B等邊角鋼(30×30×4)，通過手工電弧焊將其焊接而成。另外，在機架刀盤的罩殼四周安放一塊10mm厚的鋼板以便固定各零部件。根據各零部件的設計尺寸，最終將機架的整體尺寸設計確定為772.5mm×385mm×530mm(長×寬×高)。

2.4 刀軸

在切鍘機的工作過程中，刀軸將承受來自刀盤的扭矩和電機的驅動力矩，會產生扭曲、彎曲等組合變形，并伴隨著強烈的沖擊和振動。所以，刀軸的材料應當滿足強度、剛度、耐磨性和耐高溫等條件[8]，在此選擇45鋼，并對其實施調質處理，其基本尺寸為：總長300mm，軸徑35mm。

由相關數據計算得，皮帶輪傳遞于刀軸的扭矩為

根據刀軸的受力情況，按第三強度理論校核其最大彎矩和扭矩截面的強度為

由于軸的計算強度小于材料的最大許用強度，設計合理。

2.5 刀盤及刀片

刀盤是連接刀片和拋送裝置的機構，安裝在主軸上，如圖4所示。作為狼尾草秸稈切碎機的核心工作部件，刀片的質量和壽命直接影響其切碎性能和生產率。根據青貯原料韌性大、強度低的特點，選擇圓盤式凹凸刃刀片相結合的滑切設計方案[9]。其中，刀片制作材料選擇65Mn[10]，其長度為131mm，圓弧刃所在圓的半徑為375mm，刃口角度為40°，厚度為10mm，其上均布3個直徑為12mm的螺紋孔。

3 切鍘機刀盤有限元仿真分析

3.1 模型網格劃分

刀盤的制作材料為45鋼，在其中心軸孔的外圍設計有環形的加強筋；將SolidWorks建立的刀盤三維模型以IGS文件的格式導出，運用ANSYS Workbench有限元分析軟件對其進行網格劃分，如圖5所示。

圖5 網格劃分圖

3.2 刀盤靜力學分析

通過靜力學分析，結合其等效應力云圖(見圖6)可以發現：在圓周方向上，應力分布由3個相似部分所組成，刀盤應力主要集中在軸孔到丫形交叉點之間，最大值為204.46MPa，小于材料的屈服強度355MPa。結合其等效應變圖(見圖7)發現：應力集中部位與應變較大部位基本吻合，最大應變值為1.03×10-3mm。結合其總變形云圖(見圖8)發現：位移以軸孔為中心呈中心對稱分布，位移最大值處在安裝刀片的枝丫的最外端，最大的位移為0.54mm。

圖6 等效應力圖

3.3 刀盤模態分析

模態是指機械結構的固有振動特性，每一個模態都有特定的固有頻率、 阻尼比和模態振型， 隨著分析

階數的逐漸增大，誤差也會隨之變大。 在這里，采用Block lanczos法分析提取該刀盤的前6階模態，得到相應的結果如表1所示。振型云圖如圖9～圖14所示。

圖8 總變形云圖

Hz

圖9 刀盤1階振型云圖

圖10 刀盤2階振型云圖

圖11 刀盤3階振型云圖

圖12 刀盤4階振型云圖

圖13 刀盤5階振型云圖

圖14 刀盤6階振型云圖

從分析結果可以看出：刀盤的2階模態和3階模態振動頻率較為接近；4階模態、5階模態、6階模態也較為接近，分別是振動方程的兩個二重根。針對對稱結構，這樣的分析結果是正常的[11]。從各階振型云圖可以看出：隨著與軸孔中心位置距離的加大，刀盤的位移量也逐漸變大，最大位移值處在最外端邊緣處。

刀盤的干擾頻率與軸的轉速存在如下關系，即

n=60f

其中，n為轉速(r/min)；f為干擾頻率(Hz)。

切鍘機刀軸轉速為500r/min，由公式可得刀盤的干擾頻率為8.3Hz，該值遠小于刀盤的前6階模態振頻，說明該機在工作過程中可遠離共振現象的出現。

4 試驗效果

試驗材料為栽種于云南農業大學后山的雜交狼尾

草，距上次刈割期有60天。將切鍘機主軸轉速設定為500r/min，平穩、均勻地將收割到的雜交狼尾草從喂入裝置喂入。試驗發現：該切鍘機的生產率可達400kg/h，近95%的雜交狼尾草莖稈葉的切斷長度為10～11mm，整機在工作過程中運行平穩，能夠滿足實際作業需求。

5 結論

)根據雜交狼尾草的性狀及特征，設計了一種雜交狼尾草切鍘機，介紹了該機的整體結構與工作原理，闡述了其關鍵部件的設計思路。

2)采用數值模擬的方法，運用ANSYS Workb-ench有限元分析軟件，對其核心工作部件刀盤做了工作過程的仿真分析。通過仿真分析發現，刀盤應力主要集中在軸孔到丫形交叉點之間，最大值為204.46MPa，小于材料的屈服強度355MPa；應力集中部位與應變較大部位基本吻合，最大應變值為1.03×10-3mm；其位移最大值處在安裝刀片的枝丫的最外端，最大的位移為0.54mm；干擾頻率8.3Hz遠小于前6階模態振頻。