家庭式香蕉芯自動化切碎機的設(shè)計與仿真

于新悅，徐曉烽，巫蘭軒，唐 賓，陸婷婷，盛智鑫，張儀煒

（廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

世界上栽培香蕉的國家有130多個，以中美洲產(chǎn)量最多，其次是亞洲。我國香蕉主要分布在廣東、廣西、福建、臺灣、云南和海南，貴州、四川、重慶也有少量栽培。香蕉具有生長周期短和產(chǎn)量高等特點，每年收獲大量香蕉產(chǎn)品的同時也產(chǎn)生幾乎等量的香蕉芯等農(nóng)業(yè)廢棄物。在國內(nèi)，由于香蕉芯分布零散、體積大、收集勞動強度高、運輸成本高，且缺乏適應(yīng)的機械化處理技術(shù)，蕉農(nóng)多采用在田間堆棄腐爛、焚燒等方式處理香蕉芯。這樣不僅污染環(huán)境、勞動強度高，而且香蕉芯堆肥過程中的利用率低。香蕉莖稈除含有豐富的纖維資源，可以用于造紙、飼料、燃料、醫(yī)用等方面，是一種可回收利用的農(nóng)作物資源。香蕉芯回收利用的一大途徑是用來制成飼料，其切碎后禽畜食用方便，營養(yǎng)價值高[1-3]。

現(xiàn)有的香蕉芯切碎機械,普遍存在功耗大、刀具易損壞等問題，尚缺乏操作安全、功能全面、價格經(jīng)濟、適合于廣大農(nóng)民個體使用的機型。針對這一現(xiàn)狀,我們所設(shè)計與制作一個適用于農(nóng)民個體的家庭式香蕉芯自動化切碎機，便于普及使用。

1 切碎機的結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

家庭式香蕉芯自動化切碎機主要由電機、減速電機、傳動部分、自動輸送自動調(diào)節(jié)裝置及切碎滾筒刀組成。具體結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)裝置

1.2 裝置工作原理

裝置電機作為驅(qū)動源，通過皮帶傳動為滾筒刀運作提供驅(qū)動力；減速電機作為驅(qū)動源，通過電機軸給自動輸送自動調(diào)節(jié)裝置運作提供驅(qū)動力。工作時，將物料夾持在上、下輥筒間隙，后物料隨輸送輥筒組勻速喂入切碎滾筒刀,使之被切割成長度均勻的香蕉芯塊，以保證切碎質(zhì)量,最后香蕉芯塊掉落在切碎裝置下方，方便下一步加工處理。本切碎機采用行星輪系根據(jù)物料直徑自動調(diào)節(jié)上下輥筒間隙大小，采用雙彈簧和輔助調(diào)節(jié)螺栓螺母保證物料夾緊。

1.3 關(guān)鍵部件設(shè)計

1.3.1 行星輪系

行星輪系用來實現(xiàn)本裝置的自動調(diào)節(jié)功能，具體途徑是上下兩輥筒高度可以根據(jù)喂入香蕉芯的直徑通過行星輪系變更，從而切碎機能夠?qū)⒁欢ㄏ薅葍?nèi)喂入的不同直徑的香蕉秸稈切碎。行星輪系結(jié)構(gòu)如圖2所示。上下輥筒間隙隨中心輪和行星輪嚙合位點的改變而改變，當(dāng)物料直徑大時，行星輪正轉(zhuǎn)一定角度使上下輥筒間隙增大，以保證物料可夾緊在間隙處，反之亦然。受齒面磨損以及調(diào)節(jié)范圍的影響，齒間間隙一般取0.1～0.2 mm，中心輪和行星輪按常用材料20CrMnTi和20CrNi2MoA選取，按滲碳、淬火處理，從而獲得較高硬度、耐磨性。

圖2 行星輪系結(jié)構(gòu)

1.3.2 切碎滾筒刀

切碎滾筒刀用來實現(xiàn)本裝置喂入物料的切碎功能。切碎滾筒刀結(jié)構(gòu)如圖3所示。按刀片刃線運動方式,切割可分為砍切和滑切，由于滑切使刀片斜置切入,實際刃角相應(yīng)變小，切割阻力減少,因此滑切比砍切省力,本裝置切碎刀傾斜角度選擇在5°～35°。輥筒內(nèi)側(cè)每120°設(shè)置一對刀固定塊，三把切碎刀傾斜安裝在三對刀固定塊上。由于香蕉芯韌性好、不易切割，故選用具有高硬度和高耐磨性的刀具材料W6Mo5Cr4V3。切碎刀經(jīng)淬火處理，長度360 mm，厚度2 mm，設(shè)計為可拆卸結(jié)構(gòu)，便于刀具的維修和護理。

圖3 切碎滾筒刀結(jié)構(gòu)

2 動態(tài)仿真與試驗結(jié)果

2.1 動態(tài)仿真

將三維建模軟件UG建立的3D模型導(dǎo)入Adams虛擬樣機中，添加所需的約束與力得到其仿真約束圖，如圖4所示。

圖4 仿真約束

2.2 試驗結(jié)果

根據(jù)仿真圖制作物理樣機如圖5所示。選用功率為1 kW的電機和減速電機進行試驗。

選用相同長度為2 m、直徑為200 mm、平均含水率為80%、平均纖維含量為4%的多根香蕉芯進行5組1 min切割試驗，為消除隨機誤差，每組試驗重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。通過變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，從而使?jié)L筒刀轉(zhuǎn)速分別調(diào)至1000 r/min、1050 r/min、1100 r/min、1150 r/min；通過調(diào)節(jié)減速電機轉(zhuǎn)速，使進料速度分別維持在0.9、1.0、1.1、1.2 m/s。其中，切塊長度不超過20 mm為合格。

從表1的試驗數(shù)據(jù)可以看出，滾筒刀轉(zhuǎn)速和喂料速度均會影響切碎的合格率。隨著滾筒刀轉(zhuǎn)速或喂料速度的增大，切碎合格率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，功耗均呈現(xiàn)上升的趨勢，且兩影響因素間不存在交互作用。因此最優(yōu)參數(shù)的選取應(yīng)在保證香蕉芯切碎率大的同時降低功耗，故滾筒刀轉(zhuǎn)速1100 r/min、喂料速度為1.1 m/s為最優(yōu)組合。

3 結(jié)語

本文應(yīng)用機械設(shè)計、機械原理等理論和UG及仿真軟件，設(shè)計與研制了家庭式香蕉芯切碎機，并對其進行性能試驗。從試驗結(jié)果來看：

切碎機切碎良好，符合香蕉芯切碎的農(nóng)藝要求，操作安全、結(jié)構(gòu)較簡單、易于控制，能夠?qū)崿F(xiàn)香蕉芯切碎的機械化、普及化，具有顯著的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。

在實際作業(yè)時考慮滾筒刀轉(zhuǎn)速和喂料速度兩因素，并在保證切碎合格率的條件下降低功耗，試驗各組中最優(yōu)組合為滾筒刀轉(zhuǎn)速1100 r/min、喂料速度為1.1 m/s，相應(yīng)得到切碎合格率為93.3%，功耗為0.72 kW。