復合式秸稈粉碎機的設計與研究

閆圣林 邱鳳云 杜文佳 王遲梅 郭昊讓 王天賜

（佳木斯大學 機械工程學院，佳木斯 154007）

我國擁有豐富的農業資源。據統計，2022 年我國秸稈資源量為9.77 億t，可收集資源量7.37 億t，全國農作物秸稈利用量6.62 億t，綜合利用率達89.80%[1]。目前，燃料化因燃料成型技術較為成熟、投資較小、秸稈燃料需求增加等因素，在秸稈“五化”利用技術中占有一定份額。在秸稈成型燃料的生產中，進入成型機前的秸稈粉碎效果直接影響成型設備的生產效率。另外，秸稈燃料生產企業的原料，多為捆包的形式或是從田地中直接收集的散料秸稈。秸稈捆包在粉碎前需要破包，然后進行粉碎。散料秸稈雖然不用破包，但是因其質量較輕、易起拱等，物料傳輸的流暢性影響了秸稈粉碎設備的生產能力。秸稈燃料市場上主要有直徑較大的棒狀或塊狀燃料和顆粒燃料兩類，由于一些中小型智能鍋爐具有自動上料功能，只能選用顆粒燃料，其比較大棒狀或塊狀燃料應用更廣泛，市場需求更大。但是，顆粒燃料對原料粉碎的效果要求更高。

秸稈粉碎程度是秸稈利用的關鍵環節。由于存在秸稈粉碎設備粉碎效果不理想、使用壽命短和粉碎效率低等問題，研制一種復合式秸稈粉碎機，不僅能夠解決秸稈燃料化利用的瓶頸問題，為企業創造良好的經濟效益，而且能夠更好地發揮我國秸稈資源豐富的優勢[2]。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

為提高粉碎效率，設計一款復合式秸稈粉碎機。整機結構主要由傳輸裝置、喂料裝置、粉碎裝置、電機以及機架等構成，如圖1 所示。

1.2 工作原理

秸稈粉碎機的主要工作部分為切斷動刀組。它在電動機的高速轉動下，通過帶輪傳動，在主軸帶動下在粉碎機的粉碎室內高速旋轉粉碎秸稈。在這一過程中，由于喂料輥的強制運送和粉碎室內部存在高速流場作用力，秸稈經傳輸裝置到達喂料裝置時被吸入粉碎室。秸稈在粉碎室中經過高速切斷、錘片錘擊、內壁撞擊等過程被粉碎，粉碎后的秸稈在錘片轉動產生的離心力作用下從出料出口排出。

2 關鍵裝置設計

2.1 傳輸裝置設計

傳輸裝置將秸稈送入喂料機構，由于散料秸稈在輸送過程中可能存在阻塞問題，在鏈條上焊接擋片帶動秸稈向前運動。鏈條傳輸裝置主要由軸承、機架、接料槽、鏈條、擋片以及梳料欄組成，如圖2 所示。

圖2 鏈條傳輸裝置

2.2 喂入裝置設計

采用喂料輥的形式喂入秸稈，在喂料輥處可能會出現打滑、堵塞的現象，需要對喂料機構進行優化設計。喂料能否順暢與喂料輥有很大關系，如果喂料輥采用光滑材料，那么在秸稈進入喂料機構后就會出現打滑現象。要想喂料輥能夠正常工作，需要盡可能增大秸稈和喂料輥之間的摩擦力，以增強喂料輥對秸稈的抓取能力[3]。根據相關文獻調研，文章將對現有的喂料輥形式進行優化改進，并分析不同喂料輥結構的特點及喂料效果。

需要粉碎的秸稈物料是經過秸稈打捆機預處理后的散料秸稈，因此采用容易加工的帶有周向矩形齒的喂入輥結構。如果此類喂入輥的直徑過小，其傳動比也會隨之減小，容易引起堵塞。設計大直徑的喂料輥，能夠增大傳動比，提高喂料穩定性[4]。秸稈粉碎機工作時，秸稈經過傳輸機構的破包、中間撥禾齒的撥動，通常會均勻進入喂料輥，此時可認為秸稈是一根根有順序地進入喂料輥的。可將散料秸稈簡化為圓柱形，當通過喂料輥時對其進行受力分析，如圖3 所示。

在粉碎機正常運轉時，秸稈正常喂入的條件為

式中：F為喂料輥對秸稈的壓力；f為秸稈與喂料輥的摩擦系數；α為F與上下喂料輥軸心連線的夾角；φ為秸稈對喂料輥的表面摩擦角，一般控制在16°～27°，此處取20°。

由式（1）可得，喂料輥將秸稈物料順利喂入的必要條件是φ≥α，因此可以通過增大喂料輥和秸稈物料之間的摩擦系數增加喂入量。

喂料輥工作過程中，假設秸稈的原始直徑為d，經過喂料輥的壓緊作用后變為d1，喂料輥直徑為D，則上、下喂料輥的中心間距L為

式中：μ為秸稈通過喂料輥的壓縮系數，一般為0.3～0.7，此處取0.5。

喂料輥直徑D的計算公式為

由于φ≥α，可得喂料輥的最小直徑為

秸稈直徑取45 mm，代入式（4）計算可得，Dmin為96.56 mm，為了便于加工取97 mm。

2.3 粉碎裝置設計

粉碎機構在秸稈粉碎機中占有重要地位，其核心部分為轉子組。在設備運轉過程中，秸稈物料通過撥禾輪從喂料輥進入粉碎室，粉碎室內部轉子組在電機驅動下高速轉動。進入內部的秸稈物料與錘片產生劇烈碰撞，物料被首次破壞。被破壞后的物料會繼續與粉碎室內壁產生二次碰撞，與粉碎室板發生剪切、搓擦或撞擊，從而使物料獲得更深層次的粉碎和破壞[5]。

2.3.1 錘片尺寸確定

錘片的尺寸對于提高粉碎機效率具有決定性作用。現有的粉碎機采用的錘片厚度一般為4～6 mm。采用更薄的錘片能夠提高物料的粉碎率、降低能耗，但是會大大降低耐抗擊能力和耐抗磨能力，縮短總體壽命，因此錘片厚度選擇5 mm 為宜。為保證在實際工作中轉子系統受力均勻，機器運行平穩，應適當加寬錘片長度。錘片的三維模型如圖4 所示，銷軸孔選取20 mm。

圖4 錘片三維模型

2.3.2 錘片排列方式確定

在結構設計上，不僅要保證錘片的勻速運動軌跡，還要保證轉子在正常運行下的動平衡。錘片通常有對稱排列、對稱交錯排列、交錯排列和螺旋線排列4 種布置方式。粉碎機以能耗少、粉碎率高為原則，設計的轉子如圖5 所示。錘片與轉子主軸一起轉動，各組轉盤實際間隔在80 mm 時，轉子運動動平衡較好，因此設定轉子上共10 個轉盤，且每個轉盤上均勻分布6 個錘片。裝配后，轉子的工作直徑為830 mm。

圖5 粉碎裝置轉子模型

3 結語

由于秸稈表面光滑，設計在輸送鏈條上面焊接擋板，能夠使秸稈順利進入喂入裝置，提高粉碎效率。通過分析錘片類型，確定錘片排列方式、錘片尺寸及粉碎裝置轉子。該裝置對秸稈的粉碎程度較高，有利于秸稈資源的開發和利用。