香蕉樹切碎還田機設計與試驗研究

張久雷

(廣東職業技術學院 機電工程系， 廣東 佛山 528041)

0 引言

香蕉是我國最重要的經濟作物之一，種植區域主要分布在廣東、廣西、海南及臺灣等省區[1]。目前，各產區對香蕉樹的處理主要是采用人工鋤砍蕉樹后，搬到田邊空閑地堆放[2]，這種處理方法勞動強度高、生產效率低、生產成本高，又會導致阻礙道路、河流、農田水利等，還極大地造成了環境污染和香蕉樹的資源浪費。現有的香蕉樹切碎還田機主要采用后置作業方式，大都通過大功率拖拉機輸出軸傳入動力，使圓盤切割器在水平面內做高速旋轉運動，對進入機殼里的香蕉樹進行切削、打擊、切碎，具有結構簡單、機械化程度高等優點；但存在不必要的重復打擊和切碎, 刀盤與土壤、石塊的接觸而使刀盤易損壞問題，功耗浪費等問題，而且機具易纏繞，切碎效果并不理想。

針對以上存在的問題，根據張久雷等提出的先分段再切塊還田的工藝思想[3]，以多把圓盤鋸齒刀背刀交錯布置在兩條轉軸上的類似對輥式運動原理的切塊方法[4]，設計制作了蕉樹切塊試驗臺，驗證了切塊還田方案的可行性，并進行了香蕉樹莖的力學特性試驗研究等。按照設計方案、試驗參數和東風-250輪式拖拉機的結構及其配制的移動液壓站，設計制作了液壓驅動的香蕉樹切碎還田樣機，并進行了切碎合格率和功率試驗。

1 設計原理

1.1 總體設計方案

本文提出一種液壓驅動型香蕉樹切碎還田方案，仿真試驗臺如圖1所示。其主要結構有：一是切割部分，由20英寸鋸木用的圓鋸片和尼龍定位擋圈組成；二是傳動部分，由傳動軸、聯軸器及液壓馬達組成；三是支承部分，由鋁合金異型材所做的機架和軸承組成；四是送料部分，由低速傳送帶組成。

圖1 香蕉樹切碎試驗臺仿真圖Fig.1 Simulation of banana tree chopping test bench

1.2 作業機理

工作時，動力經兩個液壓馬達傳遞給兩傳動軸，從而帶動兩傳動軸上的圓盤鋸齒刀做相向旋轉運動，類似對輥式運動；操縱人員先將香蕉樹切成小段，然后把小段香蕉樹經喂料裝置輸送到切割區域內，以此對進入切割范圍的香蕉樹進行切碎還田。

2 主要結構設計

2.1 切割系統設計

2.1.1 切割系統結構

切割系統采用臥式結構，主要由圓鋸片組、傳動軸、軸承和機架組成，如圖2所示。其主要結構參數有兩傳動軸之間的夾角α、鋸片直徑D和數量、傳動軸近端距離S，以及兩傳動軸的轉速n1、n2。

圖2 切割系統主要結構參數Fig.2 Cutting system structural parameters

2.1.2 傳動軸夾角α的確定

1)α對切塊大小的影響?，F研究α的變化引起鋸片投影面積變化來說明α對切碎能力的影響，如圖3所示。圖3中雙點畫線代表直徑是250mm，長為280mm的香蕉樹斷面。

圖3 投影面分析Fig.3 Projection surface analysis

當取圓盤鋸片的直徑為508mm、轉軸近端距離為300mm、鋸片距近端最近的距離為105mm時，α取16°、20°、24°，可以算得鋸片投影面積S1、S2、S3，計算結果如表1所示。

從表1可得出：隨兩轉軸夾角α的減小，鋸片之間的投影面積在同一位置的面積也減小。投影面積的大小體現了圓盤鋸片之間的交叉程度，投影面積越小，交叉就越多，即α越小切碎能力就越好。

2)α對切割功耗的影響。香蕉樹在切割過程中的受力簡圖，如圖4所示。圖4中，F1x、F2x為鋸片對樹莖作用力在水平面的分力，同理其他鋸片。所有鋸片對樹莖作用力的合力在水平面的分力合成得到一個合力F'，如圖4(a)所示。在F'的作用下，樹莖會對鋸片產生擠壓。從圖4(b)中可以看出：當α增大時，F1x、F2x與F'的夾角減?。籉'增大，鋸片變形就增大，鋸片與假莖間的摩擦力增大，切割器的功耗增大。

表1 不同傳動軸夾角α對切碎度的影響Table 1 Effect of the angle on the shredding mm2

(a)

(b)圖4 切割器受力分析Fig.4 Cutter force analysis

分別取夾角α為16°、20°、24°進行單因素功耗測量試驗，每個試驗重復3次，取單邊功率平均值，以轉軸夾角為橫坐標，切碎機構工作功率為縱坐標對數據分析作圖，如圖5所示。從圖5中可以看出：功耗隨α的增大，先是減小，再增大，在20°時出現最小值。在對切割器受力分析時，功耗是隨α的增大而增大，但試驗結果發現在20°時出現最小值。隨著α減小，切深增加，樹莖對鋸片的切向力Ft增加。

圖5 α對切割功耗的影響曲線Fig.5 Impact on cutting power consumption

從以上論述可知：隨著α減小，切碎度也提高，但所需功耗也提高；對比α取16°和20°時，其切碎能力相差不大，但其功耗相差幾乎一倍，由此取α=20°為設計參數。

2.1.3 刀盤直徑尺寸對切碎度的影響

在α=20°條件下，對直徑為20英寸、22英寸鋸片進行研究分析其切碎度。

從圖6中可以看出：當取圓盤鋸片直徑d=20英寸時，切碎能力增加了，但其有效切割面積小，需要增加刀數，但功耗也隨刀數增加而增加；當取d=22英寸時，雖然有效切割面積增加了，但投影面積大，切碎度差。因此，圓盤鋸片的直徑不能過小，也不能過大，既要保證能夠把香蕉樹切斷切碎，又不能浪費功耗；本文選用圓盤鋸片直徑d=20英寸。

(a) 直徑d=20英寸

(b) 直徑d=22英寸圖6 鋸片直徑對切碎度的影響仿真圖Fig.6 Effect of blade diameter on chopping degree

2.1.4 傳動軸近端距離S的確定

切割器要正常工作，香蕉樹莖不能超過兩傳動軸之間的距離，否則就會被卡住而無法工作。香蕉樹是多年生常綠大型草本植物，根據廣東省果樹研究所香蕉樹直徑調查結果表明：地上200mm處直徑的平均值252.78mm，最大值283.76mm；現取傳動軸近端的距離S為300mm，可以保證切割系統不會被卡住。

2.1.5 兩傳動軸的轉速n1、n2的確定

由功率公式p=T·ω可知，當扭矩T一定時，角速度ω越大，功率就越大；當n1=n2時，樹莖受到兩鋸片組對其的作用力大小、方向幾乎相同，切割器工作平穩，出料流暢；當n1≠n2時，轉得快的鋸片組切割深度較大，容易出現卡死現象[4]。

2.2 傳動系統設計

樣機傳動方案采用拖拉機的液壓系統+切割系統裝置，動力源為配備液壓系統的拖拉機。傳動液壓系統主要由液壓站、液壓馬達、油管、聯軸器及轉軸組成，為切割系統提供動力。該傳動液壓馬達的停止、轉動、正反轉和調速可以通過液壓閥來控制，操作方便簡單。液壓系統工作原理如圖7所示。

1.液壓馬達 2.節流閥 3.壓力表 4.換向閥 5.溢流閥 6.液壓泵 7.油箱圖7 液壓系統傳動方案原理圖Fig.7 Hydraulic system transmission plan schematic

3 樣機制作

3.1 懸掛及受力分析

由于掛板與拖拉機前端配掛件是通過螺栓而緊固的，因此可以看成是固定端。固定端A處的約束作用力可簡化為兩個約束力FAx、FAy和一個約束力偶MA，其受力簡圖如圖8所示。其中，G為樣機自身重力；F1為支撐桿的推力。從樣機的受力簡圖中可以看出：支撐桿是受壓的。因此，假設支撐桿受到拉應力或不受力時(即圖中的F1的實際方向與圖示相反或等于零)，對A點求主矢和主矩。

圖8 懸掛的受力分析Fig.8 Suspension force analysis

設FR為A點處的主矢，FRx、FRy分別為主矢FR在x、y軸上的投影。其中，F1x、F1y分別是F1在x、y軸上的投影，y為F1的作用點到A點的距離，l為重力G的作用點到A點在X方向上的距離，則有

∑FRx=FAx+F1x

∑FRy=FAy+F1y+G

Mo=Mo(FR)=G·l+F1x·y+MA

3.2 樣機裝配

樣機主要由可移動液壓站所提供的動力系統、拉桿、緊固板、機架、切割系統、防堵卸料裝置、上罩板及進料裝置等組成，如圖9所示。

1.掛板 2.圓盤踞切割器 3.軸承及傳動軸 4.防堵卸料裝置 5.機架 6.液壓馬達固定板圖9 樣機組成Fig.9 Prototype composition

樣機裝配效果圖如圖10所示。其中，上罩板與機架通過活扣聯接起來，進料口對準切割器的切碎區域。工作時，啟動移動液壓站馬達，把動力傳遞給切割系統，帶動切割器旋轉工作；此時，香蕉樹莖段經進料裝置到達切割區域，被切割器切塊后甩出，完成香蕉樹莖切碎還田的工作過程。

圖10 香蕉樹切碎還田樣機效果圖Fig.10 Prototype assembly

4 樣機切碎效果及功率影響試驗

4.1 試驗材料

試驗用香蕉樹直徑在130～200mm，長度取270mm。

4.2 試驗方法

現選取如表2所示的試驗因素與水平為切碎效果和影響功耗試驗內容，采用單因素重復試驗的方法，每個試驗重復3次，研究切碎效果、功耗和各因素之間的規律。

表2 試驗因素水平值的選取Table 2 Selection of test factor level value

4.3 試驗結果與分析

4.3.1 切碎效果及分析

切割器轉速為190r/min試驗條件下，樣機切碎效果如圖11所示，試樣經切碎后呈葉片狀。

切碎質量合格率的測定結果：切塊碎片大多數集中在50g以下這個區域內，只有少數幾塊大的、沒有散開的碎片大于150g；從碎片的數目上看，94%以上的碎片集中在110×60的區域內；若以碎片質量為統計樣本，則切碎合格率大于84%。在理想工作狀態下，生產效率可達900棵/h(按平均每棵樹高2.1m，切成8段算)，約0.35hm2/h(香蕉種植密度按平均1棵/2.2m計)。由此可以看出：此香蕉樹切碎還田機的切碎能力較好，生產效率較高。

圖11 香蕉樹切碎效果圖Fig.11 Chopped renderings

4.3.2 功率影響試驗結果及分析

在香蕉樹切碎試驗臺上進行不同轉軸夾角、不同蕉樹莖、不同切割速度對工作功率的單因素影響試驗，各試驗結果如表3所示。

表3 各因素對工作功率影響試驗結果Table 3 Various factors affect the power test (a) 不同轉軸夾角對工作功率的影響試驗結果

(b) 不同蕉樹莖對工作功率的影響試驗結果

(c) 不同切割速度對工作功率的影響試驗結果

從表3中可以看出：香蕉樹切碎樣機的工作功率隨傳動軸夾角的增大而先減小后增大，隨蕉樹莖、切割速度增大而增大。根據兩傳動軸夾角、蕉樹莖、切割速度對工作功率影響試驗結果，進行單因素方差分析，結果如表4所示。

通過表4中的各單因素方差分析，得到兩傳動軸夾角角度、香蕉假莖直徑和切割速度顯著值分別為0.005、0.002、0.012，均小于0.05，證明兩傳動軸夾角角度、香蕉假莖直徑和切割速度都對工作功率有顯著影響。

表4 各因素對工作功率影響的單因素方差分析Table 4 Single factor analysis of variance. (a) 傳動軸夾角對功率影響的單因素方差分析

(b) 蕉樹莖對功率的影響的單因素方差分析

(c) 切割速度對功率的影響的單因素方差分析

5 結論

1)以交錯布置的圓鋸片作為蕉樹莖切割器，對蕉樹莖沿著軸向切割，可以得到體積均勻的葉片狀碎片，且切割功耗低，滿足了蕉樹莖還田的要求。

2)蕉樹莖切碎試驗表明：切碎機的功耗隨兩傳動軸間的夾角增大而增大，隨著圓鋸片的直徑增大而增大。

3)在兩傳動軸近端距離一定的條件下，切割器的切碎能力隨著圓鋸片的直徑減小而增強，但有效切割面積也隨之減小。

4)在選取的3個因素影響功耗試驗中，直徑、切割器和轉軸夾角是功耗的主要影響因素。因此，在設計制作樣機時，需要先確定最低功耗的刀盤組合所對應的轉軸夾角，然后在保證能夠進行香蕉樹切碎的前提下，盡量降低轉速。