基于方捆機秸稈切割揉碎裝置研究

羅金海 趙小娟 高曉宏 張平

摘要：切割揉碎裝置設計的合理性是影響秸稈切割揉碎打捆機的切割質量、工作性能和整機平衡性的主要因素。通過對切割揉碎裝置的粉碎刀的密度及其排列方式的研究，利用Solid Works Simulation分析軟件對粉碎刀和刀軸進行了有限元分析，獲得了粉碎刀的最大應力為20.7Mpa，可知粉碎刀具有足夠的強度支撐對秸稈的切削，刀軸實際工作中的轉速遠低于其最低臨界轉速，滿足實際工作的需求。

關鍵詞：切割;揉碎;秸稈;有限元;Solid Works Simulation

中圖分類號：S225.91+9 ?文獻標識碼：A

引言

實踐表明，在田間使用秸稈切割揉碎打捆機對秸稈直接進行打捆收獲，不僅是解決秸稈浪費和就地焚燒等問題的有效方法，還對推動秸稈資源規模化、工業化使用，提高秸稈資源的綜合利用率，具有顯著的經濟和社會效益[1]。

現有的秸稈切割揉碎裝置存在粉碎質量差、刀片安裝和排列方式以及刀片的結構參數不合理而產生的振動大、可靠性差等亟待解決的問題。根據秸稈切割揉碎打捆機的工作要求，本文設計采用粉碎刀在刀軸上雙螺旋形式排布，通過研究切割揉碎裝置的粉碎刀的密度及其排列方式，利用Solid Works Simulation分析軟件對粉碎刀和刀軸進行有限元分析，為合理設計打捆機切割揉碎部件提供理論依據。

1切割揉碎裝置結構及工作原理

1.1結構

切割揉碎裝置主要由齒輪箱、安全擋板、安全吊簾、揉碎室、滑掌、觀察口、連接板、吊桿連接座和切碎器等組成。該裝置適用于收集和粉碎水稻秸稈、玉米秸稈和小麥秸稈。

1.2工作原理

工作時，切割揉碎裝置中高速旋轉的切碎器對地面上站立的秸稈進行砍切，并且在喂入口處負壓的作用下將其吸入揉碎室內，在安裝在切碎器上的粉碎刀和安裝在揉碎室內壁的定刀的共同作用下，多次被砍切、打擊、撕裂、揉搓成碎段和纖維狀，然后依靠粉碎刀旋轉產生的離心力，將揉碎的秸稈輸送到喂入裝置中進行下一道作業工序。

2切碎器的結構及參數研究

2.1粉碎刀密度

切碎器的粉碎刀的數量是影響機器揉碎質量、工作性能的重要因素之一。粉碎刀的數量并非越多越好，過多或過少都會使揉碎質量及工作性能下降。因此，粉碎刀的數量有一個最佳值，即粉碎刀密度C，計算公式[2]如下：

式中：

C——粉碎刀密度，片/m

N——粉碎刀的總數量，片

L——粉碎刀在轉軸上分布的長度，m

對于Y型甩刀，C的通常取值范圍是20～40片/m[3]。秸稈切割揉碎打捆機的設計幅寬為2.2m，由公式（1）計算得刀片數N可取44～88片。

2.2 粉碎刀的排列方式

粉碎刀在刀軸上常見的排列方式有螺旋線排列、對稱排列和交錯平衡排列。根據現有文獻對粉碎刀排列的研究，本機采用對稱螺旋線排列的方式。螺旋狀分布能夠使各組切刀依次切割秸稈，減少刀軸作業時的沖擊負載，同時大幅降低功耗，對稱螺旋線排列能使刀軸左右兩邊的負載比較均衡，減少由負載不平衡造成的刀軸軸承座損壞。

3 切碎器的仿真分析

3.1粉碎刀的有限元分析

基于Solid Works建立Y型甩刀的三維模型，刀片的材料為65Mn，故定義模型的材料屬性為：密度ρ=7.82×103kg/m3，彈性模量E=2.11×105MPa，泊松比，u=0.3。然后，對粉碎刀網格劃分。劃分完網格后，對粉碎刀施加約束條件和施加外力。對粉碎刀施加13.4N/mm的均布載荷，求解運算。

粉碎刀的最大變形量為0.067mm。粉碎刀的最大應力為20.7MPa，遠小于材料的應力屈服極限620MPa，粉碎刀具有足夠的強度支撐對秸稈的切削。

3.2 刀軸的模態分析

利用Solid Works Simulation對刀軸進行模態分析，獲取其固有頻率，得到其臨界轉速，為合理地確定切碎器刀軸的轉速提供理論參考。

根據刀軸的材料設定材料屬性：密度ρ=7.85×103kg/m3，彈性模量E=2.07×105MPa，泊松比u=0.3。對刀軸施加約束條件，在左右軸端上施加軸承支撐和固定夾具，再添加重力和扭矩載荷，然后劃分網格，得到的有限元模型。經過運算求解，得到刀軸從一階到六階模態對應的振型圖。

刀軸的固有頻率和臨界轉速的關系公式[4]：

ni=60×ωi

式中：

ni——第i階的臨界轉速，r/min

ωi——第i階的固有頻率，Hz

本文切割揉碎裝置的切割轉速約為2000 r/min，遠小于刀軸的臨界轉速，避免了共振現象的產生，而且刀具切割效果較好[5]。因此通過利用Solid Works Simulation對刀軸進行模態分析，驗證了切割揉碎裝置刀軸轉速選取的可行性。

4結論

通過利用Solid Works Simulation分別對粉碎刀和刀軸進行有限元分析，獲得粉碎刀的最大應力為20.7Mpa，遠小于材料的應力屈服極限620Mpa，可知粉碎刀具有足夠的強度支撐對秸稈的切削;刀軸實際工作中的轉速遠低于其最低臨界轉速，滿足實際工作的需求。

參考文獻

[1]楊莉，董忠義，王振華.自走式飼草收割打捆機[J].農業工程，2015，5（3）：68～71.

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[3]薄鴻明，林靜.玉米秸稈還田機的設計與參數研究[J].農機化研究，2016，（11）：99～103.

[4]潘德軍，張家庫.高速電主軸系統固有頻率與臨界轉速分析[J].軸承，2008，10：24～27.

[5]陳艷，王春耀，陳發等.棉稈粉碎還田機刀輥的研究[J].農機化研究，2009，08：36～38.

中國機械工業集團有限公司重大科技專項-糧食生產機械作業智能測控與大數據應用-智能化秸稈收獲裝備研制

作者簡介：羅金海，高級工程師，主要從事農牧業機械化工程方面的研究，E-mail：richard2008ljh@163.com