槽式翻拋機工作部件動力傳動研究

張 林 ，郭釔浩 ，郭以圣 ，沈碧河 ，何金成 ，2

（1.福建農林大學機電工程學院，福建 福州 350002 2.現代農業裝備福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002）

隨著我國經濟的發展，我國對于肉類食品的需求也日益增多，這也刺激了我國畜禽養殖業的迅速發展。但是在我國畜禽養殖業迅速發展的同時，相應的配套處理設施并沒有跟上，從而對周邊環境造成不同程度的污染。

現代生產有機肥的方法是利用好氧微生物的發酵作用，使農業生產產生的農業廢棄物變成可以直接利用的優質有機肥，為了能夠保證微生物的繁殖和發育并加速發酵的過程，發酵床中的物料在發酵過程中需要進行定期地翻拋作業，因此翻拋機是發酵過程中的關鍵設備。此前福建農科科技發展有限公司與我院老師合作設計的翻拋機已經生產并投入使用，但是在使用過程中發現了不足，針對在使用過程中發現的問題進行研究并提出相應的改進措施。

1 槽式翻拋機組成及工作原理

1.1 槽式翻拋機的組成

如圖1所示，槽式翻拋機是應用于發酵槽物料翻拋的一種大型機械，它主要由行走系統、提升機構、機架、工作部件動力傳動系統、翻料工作部件組成，為了實現對多個發酵床的的翻拋，翻拋機應結合移位機使用。行走系統由行走機架、行走電機、鏈傳動系統、傳動軸、行走輪等組成，用來帶動翻拋機在軌道上運動；提升機構采用液壓缸對工作部件進行升降，以便調整翻拋深度；機架為電機、液壓系統、電器柜等提供安裝位置和支撐；工作部件動力傳動系統由電機、T型傳動箱、減速器、鏈傳動系統等組合而成，將電機動力傳遞到工作部件上為工作部件提供動力，工作部件在機器前進過程中，通過耙齒的旋轉運動將物料從下向上拋起，使其與空氣充分接觸。

圖1 翻拋機結構組成圖

1.2 槽式翻拋機的工作原理

發酵槽的兩側墻體上安裝有翻拋機行走用的軌道，翻拋機的行走系統由行走電機提供動力，通過鏈傳動帶動行走輪在軌道上來回運動。在翻拋機前進的同時，工作部件上的刀片作旋轉運動將發酵床中的下層墊料向前上方拋擲并破碎，在將墊料拋起的過程中使墊料與空氣充分接觸，同時可以調節墊料水分和溫度，從而促進微生物發酵。翻拋機到達發酵床終點后，利用液壓油缸將工作臺提升到一定高度，利用調頻裝置調節行走電機轉速，使裝置快速回到起點，完成一次工作過程。

2 國內外發展情況

2.1 國內發展情況

從20世紀70年代開始，我國開始了翻拋機的研究，出現了我國最早的翻拋機，但由于技術水平等制約導致其存在諸多問題。隨著科學技術的發展，我國翻拋機的種類、效率和工作性能都得到了大幅度的提升。

2008年南京農業機械化研究所研制了FP2500A型翻拋機，它可以對寬度2.5 m，高度低于0.85 m的物料堆肥進行作業，翻拋物料的同時還可以將成塊物料粉碎，翻拋后物料直徑小于20 mm。缺點在于該翻拋機采用“坡形”設計，因此前進阻力較大。

2011年，農業機械化科學研究院發明設計了一臺鏈板式翻拋機。該設備雖然前進阻力小，自動化程度高，但由于設備較大僅適用于大型發酵槽，且由于重量較大，不便于換槽。

機械科學研究總院設計發明一種滾筒式翻拋機，該翻拋機采用中間傳動方式，自動化程度和工作效率高，每小時能夠處理大約750 m3的物料。但是采用單臂支撐導致波分結構應力集中，振動較大，穩定性差，且制造成本較高。近幾年，國內的機械類公司也研制了多種翻拋機，其產品更傾向于小型化，農用通用化。

2.2 國外發展情況

德國、日本這些發達國家由于生態農業模式發達，利用農業廢棄物堆肥生產有機肥的發展較早，堆肥的生產工藝和生產設備的發展早于國內且趨于成熟，其堆肥翻拋設備正向著專業化、大型化和智能化的方向發展。目前國外最專業的翻拋機生產企業為德國的巴庫斯，其對于翻拋機的研究起步較早與其他發達國家，目前已經研發制造了適用于不同工作環境下的各種類型的翻拋機，出口到各個國家并得到了廣泛認可。巴庫斯積累了多年的設計經驗并在德國先進的制造水平下確保了設備具有穩定的工作性能和高性價比，主要產品包括槽式翻拋機、后翻式翻拋機、側翻式翻拋機。

3 工作部件動力傳動方式選擇

3.1 傳動方式選擇

傳動方式主要有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動和蝸輪蝸桿傳動，以下對幾種傳動方式做出比較。帶傳動結構簡單，運動平穩，造價便宜有緩沖減震作用，缺點在存在打滑現象，傳動比不穩定。鏈傳動平均傳動比準確，無打滑現象，傳動可靠，具有較強過載能力，可以在較差的工作環境下工作，成本便宜。缺點在瞬時傳動比不穩定，傳動平穩性較差，不適用于高速場合工作，特殊情況需要張緊裝置。齒輪傳動方式是應用最多傳動形式，傳動比穩定，能夠傳遞很大的動力，結構緊湊；但是當傳動間距較大時，用齒輪傳動會增加較大質量。蝸輪蝸桿傳動尺寸較緊湊，可以采用較大傳動比、工作平穩無噪聲且可以自鎖，但是傳動效率較低。在設計傳動系統時，選擇傳動類型主要指標有傳動效率、尺寸、質量、運動性能及是否適用于實際情況等。而鏈傳動比較適合大中心距傳動和低速重載的傳動，傳動效率較高且壓軸力較小，同時還能滿足翻拋機的惡劣的工作環境，故本裝置采用鏈傳動。

3.2 傳動方案選擇

在進行設計翻拋機的傳動方案時，由于旋耕機的作業方式與翻拋機類似，首先考慮借鑒目前發展比較成熟的旋耕機的傳動方案。旋耕機工作部件傳動方式主要有如圖2所示，中間傳動（a）、側邊齒輪傳動（b）和側邊鏈輪傳動（c）。由于文章采用鏈傳動，故接下來先將中間鏈傳動與側邊鏈傳動進行比較。

圖2 旋耕機傳動方式

中間傳動方式比側邊傳動的受力更加合理，能夠有效減少扭矩、扭轉角，且有減少振動的優點。側邊箱的制造簡單，拆裝方便，相比與中間傳動需要安裝較重的鑄件傳動箱，側邊傳動能夠有效減少機身重量。

方案1為中間鏈傳動方案，結構簡圖如圖3所示。

圖3 中間傳動方案

傳動原理為電機經減速器與聯軸器相連，將轉速降低至工作所需轉速。為了減小傳動距離，方便布置，將減速器輸出的轉矩經第一鏈輪系傳動至第二鏈輪系，通過第二鏈輪系傳至第二鏈輪系的從動輪；鏈輪主軸通過銷釘與工作部件主軸相連，刀具與刀軸用螺栓連接，通過鏈傳動最終帶動工作部件作旋轉運動。對于此種傳動方案，主要有以下幾個特點：

這種方案可以使整個裝置結構簡化，一定程度上縮小了裝置的體積；中間傳動方式的受力更為合理，有利于裝置的平衡與穩定；中間傳動箱需采用鑄造，成本較高；傳動箱下端不能進行翻拋，且由于傳動箱位于中間便于拆裝維修。

方案2為側邊鏈傳動方案，結構簡圖如圖4所示。

傳動原理為電機經減速器與聯軸器相連，將轉速降低至工作所需轉速。通過主動鏈輪將動力傳至從動鏈輪后，從動鏈輪主軸與刀軸相連，從而帶動工作部件轉動。對于此種傳動方案，主要有以下幾個特點：

加工制造方便，側邊傳動箱比中間傳動箱拆裝方便，便于維護；相比于中間傳動式的懸臂下端不能進行翻拋作業，這種方式的翻拋更完整；傳動側主軸的受力比較大且復雜，且主軸受力相比于中間傳動不夠合理。

圖4 側邊傳動方案圖

方案3是總結了前面討論的兩種方案，吸收其優點，設計出的雙邊鏈傳動方案。結構簡圖如圖5所示。

圖5 雙邊鏈傳動方案圖

傳動原理為動力經T型傳動箱傳遞至兩側輸出軸，中間軸將動力傳遞給減速器，減速器輸出軸安裝有鏈輪，通過鏈輪再將動力傳遞給工作部件，實現工作部件的旋轉運動。對于此種傳動方案，主要有以下幾個特點：

對于原翻拋機的結構的改動最小，減少了工作量；主軸的受力比較合理，利于裝置平衡與穩定；翻拋作業面積相比于中間傳動式更大更徹底。

4 結語

通過前面對于中間傳動和側邊傳動的對比分析，在此基礎上提出了由一個電機提供動力的雙邊鏈傳動的方案，這種方案解決了原方案采用兩個電機導致功率損耗的問題，同時也保證對于機械結構做最小的改動。