9R-60型揉碎機試驗臺設計及單因素試驗研究

閆 鵬，崔紅梅，趙滿全，張 濤，樊 琦

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 012000)

0 引言

自20世紀末開始，我國畜牧業得到了很大的發展，在秸稈大量需求的同時揉碎機的應用也非常普遍。揉碎機是介于鍘切與粉碎兩種機械加工工藝之間的一種新型加工方式[1]，秸稈通過揉碎機里高速旋轉的錘片打擊、齒板的摩擦、物料和機器表面的揉搓作用而破碎；但要達到一種細而柔軟、膨松、適長度的理想絲狀段秸稈還有著一定的差距，且功耗較大[2]。因此，對揉碎機新型揉碎原理及關鍵部件優化很有必要，本文在現有9R-60型揉碎機機型的基礎上設計一款試驗臺。

1 揉碎機測試試驗臺設計

由于直接對9R-60型揉碎機進行功率測試比較困難(見圖1)，因此需搭建9R-60型揉碎機試驗臺。通過SolidWorks設計秸稈揉碎性能試驗臺，即應用聯軸器、銜接主軸與軸承座，在皮帶輪和轉子軸之間接入扭矩轉速傳感器；電動機在提供動力傳遞到主軸的過程中，靠扭矩力把試驗臺與原機架運動起來，以便為揉碎機的功率測試提供平臺。設計好的功率測試試驗臺如圖2所示。

圖1 9R-60型揉碎機原圖Fig.1 Original 9R-60 type chopper

圖2 9R-60型揉碎機改裝三維圖Fig.2 Three-dimensional test bed of 9R-60 type chopper

1.1 傳感器型號選擇

考慮到揉碎機性能測試參數主要針對主軸轉距和功率，因此傳感器選擇扭矩轉速傳感器，而且應分別滿足試驗臺的轉矩和轉速測試范圍。

通過如下公式計算出揉碎機揉碎器主軸轉速和轉矩量，分別為

(1)

其中，n2為主軸轉速(r/min)；電動機額定轉速n1=1440r/min；d1為電機帶輪尺寸，取d1=260mm；d2刀盤主軸帶輪，取d2=180mm。

(2)

其中，T為電動機轉矩(N·m)；PN為電動機功率，已知PN=15kW。

根據公式(2)，并將額定轉速n1代入得

(3)

其中，T2為刀盤主軸轉矩(N·m)；T1=T=99.48N·m。

經計算得到,刀盤轉速n2=2080r/min，刀盤主軸轉矩為T2=68.87N·m。根據這兩個參數并結合市場的設備，選擇出扭矩傳感器為JN338-AN型網絡化智能數字式轉矩轉速傳感器，其規格型號為200AN，轉矩量程為0～200N·m，轉速量程為0～5 000r/min，準確度等級0.2級。計算出的轉速、轉矩都位于該型號傳感器測試范圍之內，且動力設備與負載之間有足夠的距離。同時，動力設備、負載是一個相對獨立體的旋轉動力系統，需用剛性或彈性聯軸器將傳感器安裝于動力設備與負載之間，即選擇JN338-AN系列直連式扭矩轉速傳感器[3-4]可以滿足要求。

1.2 銜接主軸與聯軸器的設計、加工和校核

1.2.1 銜接主軸的設計校核

為了保證揉碎機正常工作，銜接主軸在設計時應保證在負載情況下能正常工作，且軸不應發生扭曲變形，因此對銜接主軸進行強度校核非常必要[5]。

銜接主軸所受力和扭矩的計算公式為

(4)

計算功率PCA=KαP

(5)

(6)

計算轉矩TCA=KαT

(7)

其中，帶數Z=3；查表工況系數Kα=1.3；傳動帶單位長度的質量q=0.023kg/m；P為電機傳遞額定功率，P=15kW；n2為刀盤轉速，n2=2080r/min。

利用有限元分析(見圖3)，得出最大應力δ=14.82MPa，小于它的許用應力130MPa[6]。

圖3 銜接主軸有限元分析圖Fig.3 Finite-element analysis plot of the coupling shaft

1.2.2 聯軸器的設計與校核

聯軸器是機械傳動設計系統中很重要的零件，因剛性套筒聯軸器體積小、質量輕、拆裝方便、價格便宜，選用45剛性材料設計，經過強度校核滿足要求[6-7]。

其中，抗扭截面模量為

(8)

其中，d為聯軸器內徑，d=45mm；D為聯軸器外徑，D=78mm。

工作時，最大扭矩M=TCA，帶入公式中得出最大應力τmax為1.2N·mm-2,小于許用切應力[τ] =20N·mm-2[7]。

1.3 測試平臺搭建

對試驗機9R-60型揉碎機原機機架結構形式進行分析，得知原機動力傳輸鏈為：電動機帶動皮帶輪將轉動傳遞給主軸，主軸和刀盤同軸轉動，完成動能傳遞過程。現預想在試驗機上增加一套測試裝置,考慮到機架形式、測試的可行性及測試的準確性，降低結構形式不合理而給試驗測試帶來的誤差，設計框圖如圖4所示，三維結構圖如圖5所示，實物結構圖如圖6所示。該平臺在建立模型的基礎上，再次利用CATIA三維軟件對測試平臺各部件進行設計建模，并模擬裝配，解決實際加工、裝配、焊接中的干涉問題[8]。

圖4 測試平臺平面結構布置框圖Fig.4 The layout diagram of plane structure

1.主軸 2.剛性聯軸器 3.JN338-AN型傳感器 4.銜接主軸 5.1310軸承座 6.皮帶輪

圖6 測試平臺實物圖Fig.6 The physical map of the test platform

2 9R-60型揉碎機的性能測試

2.1 試驗原理

進行9R-60型揉碎機在不同揉碎速度、不同喂入速度、不同喂入量3種工況下的性能試驗，通過網線把在揉碎機上的扭矩轉速傳感器上的性能數據傳輸到電腦上，以便后期進行數據處理。

2.2 試驗儀器設備與材料

1)性能測試儀器：JN338-AN系列直連式扭矩轉速傳感器。

2)原材料：玉米秸稈。

3)其他輔助設備：變頻器、轉速儀、秒表、電子秤、電能表、篩子、筆記本電腦等。

2.3 試驗步驟

1)把大電機和大變頻器的線連接起來，小電機和小變頻器的線連接起來，確立起控制主軸轉速和喂入速度的通道。

2)連接傳感器與電腦之間的網線及電腦和數據采集前端的網線，調試設備并設置參數，確保它們之間建立起一個數據傳輸的平臺。

3)把電能表接到變頻器和電機之間，打開電源，通過轉速儀標定轉速和頻率的關系，如表1所示。

表1 頻率與速度的標定圖Table 1 Calibration chart of frequency and speed

4)按照單因素水平表上要求的稱取每個水平的秸稈15組，每次連續喂入5組，喂入3次，實際操作如圖7所示。

圖7 試驗操作圖Fig.7 Test operation diagram

5)每次喂入秸稈時分別收集性能測試數據、出料口揉碎的玉米秸稈，且記錄下從喂入到揉碎這5組秸稈完成時所需的時間。

6)在每個水平因素下收集的這3次秸稈用密封袋裝好并做標記，以便后期對揉碎質量做進一步的分析處理。

2.4 數據處理

2.4.1 揉碎質量的分析

揉碎質量的要求為:破節率達到90%以上[9]。根據9R-60型揉碎機設計說明書和該機的其他研究資料中對揉碎質量的測定，以4～12cm絲條長度為適宜長度，加工后秸稈先篩分后手工揀選，即采用篩分出碎屑、手工揀選出粗長絲條、然后稱量計算質量分數的方法來確定揉碎質量[10]。

對收集的玉米秸稈用篩子分選出符合要求的絲條，把得到的每個水平的3組數據取其平均值進行繪制，如圖8所示。

圖8 不同工況下秸稈絲化率變化示意圖Fig.8 Schematic diagram of changes in straw silage rate under different conditions

由圖8數據分析可知：

1)秸稈絲化率隨主軸轉速的增大呈現增大的趨勢，主軸轉速越大，秸稈絲化率越大。

2)秸稈絲化率隨喂入量的增大變化趨勢幾乎都在95%左右，喂入量較少時秸稈的絲化率達到較大；但喂入量超過機器本身所能承受的最大喂入量時，秸稈的絲化率開始下降。

3)秸稈絲化率隨喂入速度的增大呈現減小的趨勢，喂入速度較少時秸稈的絲化率達到較大。隨著喂入速度的增大，秸稈的絲化率開始下降。

2.4.2 功耗的分析

通過扭矩轉速傳感器收集的數據，依據公式T=9550P/n得到輸出功率，繪制功率隨不同工況下的圖形，如圖9所示。

由圖9數據分析可知：

1)揉碎機功耗與主軸轉速大致呈現正比的關系。主軸轉速越大，揉碎機功耗越大。

2)揉碎機功耗隨喂入量的增大呈現增大的趨勢。喂入量較少時，揉碎機功耗達到較低；隨著喂入量的增大，揉碎機功耗開始上升。

3)揉碎機功耗隨喂入速度的增大呈現增大的趨勢，喂入速度較小時秸稈的絲化率達到較小。隨著喂入速度的增大，揉碎機功耗大致呈現上升的趨勢。

圖9 不同工況下功耗變化示意圖Fig.9 Power consumption under different conditions diagram

3 結論

1)在傳動主軸和皮帶輪之間通過聯軸器、連接主軸和支架等接入JN338-AN系列直連式扭矩轉速傳感器，為后續開展揉碎機空載和負載情況下的功率等目標參數優化設計試驗提供了平臺。

2)揉碎機揉碎質量隨主軸轉速的增大呈現增大的趨勢，隨喂入速度的增大呈現減小的趨勢，隨喂入量的增大變化趨勢幾乎都在95%左右，但不能超過機器本身的最大容量。

3)揉碎機功耗隨主軸轉速、喂入量、喂入速度的增加呈現增大的趨勢。

4)性能測試的單因素試驗為后續開展正交實驗提供參考依據，進而為提高9R-60型揉碎機的生產率、度電產量及揉碎質量提供技術支持。