棉花秸稈無篩粉碎機粉碎刀輥設計與試驗

摘要：

為解決有篩粉碎機粉碎過程中存在的粉碎效果不理想和篩片易堵塞等問題，設計一種棉花秸稈無篩粉碎機的粉碎刀輥。通過對錘片工作過程分析，明確影響粉碎刀輥工作的主要參數；優化粉碎刀輥的L改進型錘片和總體結構設計。ANSYS Workbench軟件對L改進型錘片的靜力學分析顯示，錘片最大變形量為1.4823mm，最大應力為145.88MPa，滿足工作時錘片強度需要；由粉碎主軸模態分析可知，粉碎主軸轉動過程中不會產生激烈振動現象。對粉碎刀輥在2060r/min、2360r/min、2660r/min不同轉速情況下進行單因素試驗，粉碎刀輥轉速為2660r/min時，粉碎效果達到最好，粉碎粒徑合格率為92.4%。與已有秸稈無篩粉碎機進行性能對比試驗，結果表明，該棉花秸稈無篩粉碎機粉碎粒徑合格率提高2.1%。研究結果為棉花秸稈無篩粉碎機粉碎刀輥的設計和作業分析提供參考。

關鍵詞：棉花秸稈；無篩粉碎；粉碎刀輥；錘片；模態分析；靜力學分析

中圖分類號：S226.3

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 03-0115-09

收稿日期：2023年7月17日" 修回日期：2023年10月11日*

基金項目：新疆維吾爾自治區自然科學基金項目（2020D01B37）

第一作者：曹瑋釗，男，1998年生，山東菏澤人，碩士研究生；研究方向為農業機械裝備。E-mail： 1970260398@qq.com

通訊作者：班婷，女，1986年生，新疆新源人，碩士，高級工程師，碩導；研究方向為農業機械裝備。E-mail： 39448221@qq.com

Design and experiment of crushing roller for no-sieve cotton straw crusher

Cao Weizhao1， Shen Weiqiang2， Guo Zhaofeng2， Ma Yan2， Zhi Heng1， Ban Ting1， 2

（1." College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， 830052， China；

2. Institute of Agricultural Mechanization， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences， Urumqi， 830091， China）

Abstract：

In order to solve problems such as unsatisfactory effect and easily blocked in the process of cotton straw crushing with sieve crusher， a kind of crushing roller based on the principle of no-sieve crushing was designed. After analyzing the working process of the hammers， the mathematical model of the collision process between the L-improved hammer blade and the cotton straw and the influence process of the crushing roller on the axial movement of the cotton straw is established， the main parameters affecting the operation of the crushing roller are clarified， the structure， quantity and arrangement of L-improved hammer blade are determined furtherly， and the design of the crushing knife roller throwing device and the overall structure is carried out. The static analysis of the L-improved hammer blade by ANSYS Workbench software shows that the maximum deformation of the hammer is 1.4823mm and the maximum stress is 145.88MPa， which can meet the strength requirements of the hammer blade during operation， the modal analysis of the crushing spindle indicates" that crushing spindle will not produce intense vibration phenomenon during the rotation. The results of the single-factor experiment on the crushing roller in 2060r/min， 2360r/min， 2660r/min different speeds， show that the crushing effect is the best when the rotating speed of the grinding roller is 2660r/min， and the qualified rate of grinding particle size is 92.4%. Comparative performance test with the existing no-sieve cotton straw crusher is carried， the results show that the no-sieve cotton straw crusher crushing particle size qualification rate increases by 2.1%. The research results can provide reference for the design and operation analysis of the crushing roller of the cotton straw no-sieve crusher.

Keywords：

cotton straw; no-sieve crush; crushing roller; hammer blade; modal analysis; static analysis

0 引言

新疆棉花播種面積、產量居于全國第一［1］。傳統的棉花秸稈利用模式是直接粉碎還田，但由于棉花秸稈屬于硬質秸稈，結構特殊，表層非常堅硬，根部木質化較高，粉碎還田的棉稈來年不易腐爛，培肥地力效果不佳，還有土傳病害的問題，嚴重影響下茬播種效果，對農業生產造成嚴重影響。因此，必須對棉花秸稈進行粉碎或相應處理。

秸稈粉碎機主要分為有篩粉碎機和無篩粉碎機，秸稈粉碎機在我國應用廣泛，種類也非常多，解決了我國部分地區秸稈焚燒污染環境的問題，推動了我國畜牧業的發展［2］。范國強等［3］設計了一種旋筒供料錘式飼草粉碎機，對粉碎機拋送距離、回轉半徑等關鍵參數進行設計，并運用EDEM對關鍵因素進行了仿真分析，樣機粉碎后的羊草飼喂效果較好，達到了設計目標。章明浩［4］對進料系統、粉碎系統和篩網零部件進行理論分析確定主要參數，秸稈在粉碎室內粉碎，達到粉碎粒度后經篩網進入出料系統后拋出機外。方雷等［5］設計的立式無篩秸稈揉搓粉碎桶，其揉搓部分的轉子采用立式錐形筒，采用無篩形式，可提高生產率，降低電耗。Ezurike等［6］設計圓形底殼和半圓形篩網，對傳統錘片式秸稈粉碎機中存在粉碎物料沿著篩網移動、排料效率低等問題進行改進。有篩粉碎機存在功耗大、篩孔堵塞和篩片磨碎嚴重等問題，主要原因是粉碎室內飼料層重量較大的物料由于離心力較大，分布在外層緊貼著篩面運動，導致粉碎細度達到要求的物料無法及時排出機外，被迫繼續做環形運動，排粉效率遠低于粉碎效率，發生重復粉碎和過度粉碎所消耗的功率約占總粉碎功率的80%［7］。棉花秸稈中殘留的棉絮易堵塞且燃點低，使用有篩粉碎機粉碎棉花秸稈還存在火災隱患。無篩粉碎技術利用風量來控制物料的粉碎粒度，使達到粉碎要求的物料能夠及時排出機外，能極大地提高粉碎效率，降低能耗。

本文針對有篩粉碎機粉碎效率低、篩孔堵塞等問題，結合棉花秸稈組織結構和力學特性，設計一種適用于棉花秸稈無篩粉碎機的粉碎刀輥，對粉碎刀輥的關鍵部件進行設計，并通過樣機試驗驗證設計的可行性，為棉花秸稈無篩粉碎機整機設計與改進提供參考。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構與刀輥結構

棉花秸稈無篩粉碎機整機主要由喂料輸送裝置、粉碎裝置、傳動系統、機架等部件組成，如圖1（a）所示。粉碎裝置由粒度調節裝置和粉碎刀輥（粉碎主軸、L改進型錘片和拋送裝置）等組成，如圖1（b）所示。該機的傳動系統分為兩部分，即采用鏈傳動的喂料輸送裝置和V型皮帶傳動的棉花秸稈粉碎裝置。鏈傳動比較準確，傳送效率高；皮帶傳動吸振緩沖，有過載保護作用。基于無篩粉碎技術，采用改變出料口的面積來代替有篩粉碎機篩片的作用，利用風量控制棉花秸稈的粉碎力度，一定程度上克服了有篩粉碎機排料困難、物料過度粉碎和篩孔堵塞等問題。

粉碎刀輥是棉花秸稈無篩粉碎機的核心部件，主要由L改進型錘片、粉碎主軸、銷軸、架板、拋送裝置構成，結構如圖2所示。粉碎刀輥旋轉方式為逆時針旋轉（作業過程中，L改進型錘片從粉碎倉下殼體切入，上殼體切出），棉花秸稈在L改進型錘片的撿拾和正面撞擊作用下，在慣性的作用下拋向棉花秸稈無篩粉碎機上殼體，與上殼體齒板發生碰撞并下落，下落過程中又遇到L改進型錘片的打擊、揉搓。該過程反復進行，可完成多次切割，提高粉碎效果。

1.2 工作原理

工作時，粉碎電機的動力輸出經過主軸帶輪二次增速帶動粉碎刀輥高速旋轉，粉碎刀輥上的L改進型錘片剪切、打擊棉花秸稈；同時L改進型錘片和拋送裝置對入料口的氣體做功，使氣體流速增加，氣壓減小，形成負壓區；棉花秸稈在入料口負壓和L改進型錘片的作用下進入粉碎室，并在L改進型錘片和齒條的多次剪切、揉搓和打擊等綜合作用下被粉碎成小段或纖維狀；通過改變出料口截面積，實現棉花秸稈粉碎粒徑的調節，粉碎后的棉花秸稈在高速旋轉的L改進型錘片和拋送裝置產生的氣流和離心力的作用下從出料口拋出。

2 刀輥工作過程分析及參數確定

2.1 錘片與棉花秸稈碰撞過程時受力分析

錘片的結構參數對粉碎的效果和整機的結構穩定性具有重要影響。工作過程中，在離心力的作用下，甩刀近似位于徑向位置，錘片受到均勻的切割阻力，一部分動能克服切割阻力，導致錘片產生偏轉角，如圖3所示［8， 9］。忽略銷軸對錘片的摩擦力，在銷軸中心O1產生力矩的力有錘片重力mg、切割阻力F、離心力F1，作用的力臂分別為L2sinγ、L1、L0。如圖3所示，L0為離心力F1對銷軸中心O1的力臂，mm；L1為銷軸中心O1到切割阻力F作用點的垂直距離，mm；L2為銷軸中心O1到L改進型錘片質心的距離，mm；L3為銷軸中心O1到切割阻力F作用點的距離，mm；γ為錘片偏轉角，（°）；R0為架板回轉中心O到銷軸中心O1的距離，mm；R1為架板回轉中心O到錘片頂部的距離，mm；R2為架板回轉中心O到錘片質心的距離，mm；ω粉碎刀輥角速度，rad/s。

由圖3中幾何關系可知

L1=L3cosγ

（1）

R2R0=L2sinγL0

（2）

穩定作業轉速下錘片與銷軸處于相對靜止狀態，則銷軸中心O1合力矩MO1為0。

由圖3中的力矩可知

M=FL1=FL3cosγ

M1=mω2R2L0=mω2R0L2sinγ

M2=mgL2sinγ

（3）

式中： M——粉碎阻力力矩，N·m；

M1——離心力矩，N·m；

M2——重力力矩，N·m；

m——L改進型錘片質量，kg；

g——重力加速度，9.8m/s2。

錘片相對于銷軸中心O1的力矩平衡方程為

FL3cosγ+mgL2sinγ=mω2R0L2sinγ

（4）

整理后可得

tanγ=FmL2L3（ω2R0-g）

（5）

由式（5）可看出，偏轉角γ影響棉花秸稈的粉碎效果，偏轉角γ越小粉碎效果越好。主要影響因素：錘片的質量m、錘片的結構L2/L3的值、粉碎刀輥轉速n。當錘片的尺寸及粉碎刀輥的安裝位置一定的情況下，可以通過選擇L改進型錘片增加錘片的質量m來減小偏轉角γ；錘片質量確定時，通過增加錘片的粉碎刀柄長度，使錘片的質心外移增大L2/L3的值，使偏轉角γ變小；增大刀輥轉速n，也可以使偏轉角γ減小。

2.2 粉碎刀輥對棉花秸稈軸向移動影響過程分析

棉花秸稈經粉碎刀輥的剪切、揉碎，在L改進型錘片和拋送裝置所形成氣流作用下，被氣流移動所形成的負壓吸到出料口并排出，如圖4所示。vs為錘片對物料的軸向推進速度，m/s；vm為粉碎室內的軸向氣流速度，m/s。

棉花秸稈單元在粉碎室所形成的氣流作用下向出料口移動，移動過程中受到氣流推力Fe的影響，氣流推力Fe的計算如式（6）所示。

Fe=C0AKa（vs-vm）22g

（6）

式中： C0——棉花秸稈單元阻力系數；

A——

棉花秸稈單元在其運動方向上的投影面積，mm2；

Ka——粉碎室內空氣密度，kg/m3。

其中，粉碎室內的軸向氣流速度vm的計算如式（7）所示。

vm=qvπ4（D2-Da2）ηv

（7）

式中： qv——

拋送裝置輸送的氣體體積流量，cfm；

Da——架板直徑，mm；

ηv——葉柵系數。

聯立式（6）、式（7）可得

Fe=C0KaAvs-qvπ4（D2-Da2）ηv22g

（8）

氣流推力Fe直接影響棉花秸稈的粉碎和排出效果，由式（8）可以看出，棉花秸稈單元在橫切面內所受氣流推力Fe受錘片回轉直徑D、架板直徑Da的影響。因此，為提高棉花秸稈的排出效率，設計合理的錘片回轉直徑和架板直徑是極其重要的。

3 棉花秸稈無篩粉碎機粉碎刀輥的設計

3.1 刀具設計與校核

我國秸稈粉碎機的錘片種類較多，按照形狀分為直刀型、L型及其改進型、T型和錘爪型［10］。不同形狀的錘片對粉碎效果有很大程度的影響。直刀型以砍切為主，滑切為輔，但對物料的撿拾作用差。L型及其改進型體積和重量小，L改進型錘片的特殊設計能夠使錘片刃線的長度得到延長，刀片質量小、功耗小，對不同農作物秸稈的粉碎效果好［11］。T型在切碎的過程中刀柄的刃部進一步對物料進行打碎，但主要用于還田機上。錘爪型利用高速旋轉的大質量錘爪來撕裂物料，旋轉時能量大，常用于大重型秸稈還田機上［12］。

L改進型錘片斜切比L型錘片橫切方式在切割阻力和功耗消耗方面降低30%～40%［13］，考慮到提高生產效率、粉碎效果，錘片設計為L改進型。目前一般使用2～5mm的錘片［14］，隨著錘片厚度的減小，粉碎機效率會有所上升，設計L改進型錘片的厚度a為2mm，刀柄的長度b為126mm，L改進型錘片主要實現棉花秸稈的切割、撿拾、揉碎和拋撒，所以不僅要求錘片其物理性能要好，還必須要對粉碎室底部的棉花秸稈有較高的撿拾性能，因此，在L型錘片的基礎上分別設計兩處折彎角，彎折角β的優化范圍在110°～130°時，錘片的應力達到較小值，隨后應力值隨彎折角的增大而增大，設計Q處的折彎角β為120°，并采用圓弧過渡處理，減少應力集中，錘片的折彎結構使錘片的質心外移，增加了錘片旋轉時的轉動慣量，粉碎效率得到提高；同時為了確保錘片的質心與刀柄處于同一平面，提高了旋轉時的穩定性，設計O處的折彎角δ為175°。根據L改進型錘片工作特點和作業條件，為延長錘片的使用壽命，L改進型錘片采用的材料為65Mn并進行淬火處理，具有較強的硬度和耐磨性，L改進型錘片結構如圖5所示。

為保證L改進型錘片在粉碎過程中的正常工作，錘片在工作過程中不發生彎曲變形，利用ANSYS Workbench軟件對L改進型錘片進行靜力學分析［15］。L改進型錘片的材料選用65Mn，彈性模量210GPa，泊松比0.29，密度7850kg/m3，許用應力為367.5MPa［16］。L改進型錘片在粉碎過程中任意一點受到的棉花秸稈反作用力為Fd，可分解為沿錘片刃口水平方向的Ff和垂直于錘片刃口方向的Fn，如圖6所示。其關系如式（9）～式（11）所示。

Fd=Fn2+Ff2

（9）

Fn=qΔl

（10）

Ff=μFn

（11）

式中： q——

比阻值（單位刃口長度的切割阻力），取值為27.79N/mm［17］；

Δl——

有效切割的刃口長度，取值41.50mm；

μ——切割滑動摩擦系數，取值0.14。

代入數據可得：Ff為161.46N，Fn為1153.29N，以L改進型錘片為研究對象，對錘片與棉花秸稈的接觸面分別施加兩個作用力。

如圖7所示，L改進型錘片總變形云圖反映錘片在粉碎過程下的變形情況，這與棉花秸稈無篩粉碎機的L改進型錘片在實際工況下相符。

從圖7可以看出，錘片最大變形量為1.4823mm，變形主要分布在L改進型錘片末端邊緣處，原因是工作時錘片高速旋轉與棉花秸稈發生碰撞，錘片剪切面刃口受到棉花秸稈的反作用力，因此變形明顯。但65Mn鋼具有較好的韌性，變形相較于整體可以忽略不計。

如圖8所示，L改進型錘片應力云圖反映L改進型錘片在各種載荷作用下的強度特性，可以看出，錘片最大應力出現在錘片與銷軸的連接處，錘片和銷軸的連接處不僅需要承受工作過程中高速旋轉過程中產生較大的扭矩，還要承受切割過程中錘片與棉花秸稈剪切受阻后所傳遞的反作用力，因此，二者連接處應力較大，最大應力為145.88MPa，遠低于65Mn材料常溫下的許用應力（367.50MPa）。說明錘片的強度是足夠的，在切割過程中不會因強度不足而出現問題。

3.2 刀輥關鍵參數確定

棉花秸稈無篩粉碎機粉碎過程中粉碎刀輥做高速轉動，機具產生較大的振動，合理的錘片和架板排列方式影響粉碎機的粉碎質量和使用壽命。設L改進型錘片、銷軸、架板為質量均勻的剛體，三者視為沿錘片質點繞粉碎刀輥轉動，粉碎刀輥的受力如圖9所示。

粉碎刀輥在平穩轉動過程中達到動平衡，如式（12）所示。

Fq=m2ω2Rc

Fqk=∑Fqcosπ2-θ=0

Fqt=∑Fqsinπ2-θ=0

（12）

式中： m2——

L改進型錘片、架板和銷軸的總質量，kg；

Rc——質心到粉碎主軸中心的距離，mm；

θ——質心離心力Fq與y軸的夾角，（°）；

Fqk——

質心離心力Fq在x軸方向的分力，N；

Fqt——

質心離心力Fq在y軸方向的分力，N。

粉碎刀輥的平衡影響其粉碎效果和機器的穩定工作，由式（12）可知，粉碎刀輥的平衡與L改進型錘片、架板和銷軸的質量總和m2、粉碎刀輥轉速n和錘片回轉直徑D有關。L改進型錘片、架板和銷軸的排布從整體上看應該遵循軸向分布均勻，使得刀輥在空載旋轉時負荷均勻，由錘片產生的離心力為0。

現有秸稈粉碎錘片回轉直徑為480～800mm［18］，考慮機具的排粉效率和粉碎刀輥的穩定性等因素，設計錘片回轉直徑D為630mm，架板直徑Da為380mm。錘片末端線速度是影響棉花秸稈粉碎的關鍵因素，錘片末端線速度過高時，物料受到錘片的打擊，揉碎作用加強，增加物料的粉碎粒度，但無篩粉碎機的空轉功率、噪音也隨之增加，國內的粉碎機錘片末端線速度v一般為65～90m/s［19］。粉碎刀輥轉速是棉花秸稈無篩粉碎機的重要工作參數，是棉花秸稈粉碎合格率的主要因素之一。粉碎刀輥轉速與錘片回轉直徑、錘片末端線速度有關，粉碎刀輥轉速、錘片回轉半徑與錘片末端線速度關系可表示為式（13）。

ω=2πn60

v=ωD2×1 000

（13）

將已知條件代入式（13）求解可得粉碎刀輥轉速n=1970～2728r/min。本文選取粉碎刀輥轉速2060r/min、2360r/min、2660r/min進行單因素試驗。

L改進型錘片的數目對粉碎效率和物料的粗細度影響明顯。錘片數目過多時，對物料的打擊率降低和錘片運動阻力增大，造成物料的過度粉碎產生不必要的動力消耗，導致粉碎機功耗增大。錘片數目較少時，粉碎效果變差粉碎效率變低，確定錘片數目［20］計算如式（14）所示。

Z=k1Ba

（14）

式中： k1——錘片配置密度系數，取0.28；

B——粉碎室寬度，取值1000mm；

Z——L改進型錘片數目，把；

a——L改進型錘片厚度，取值2mm。

該機設計為140把L改進型錘片，棉花秸稈無篩粉碎機粉碎刀輥上刀具排列應滿足同一回轉平面上錘片對稱布置，140把L改進型錘片分4組分別安裝在架板的4根銷軸上，沿粉碎主軸軸向分布架板的數目為8個。粉碎主軸相鄰兩組架板的安裝間距直接影響無篩粉碎機的作業效果，間距過小，容易引起錘片布置不合理、棉花秸稈纏繞和機器故障率增加，因此，將相鄰架板安裝的間距設為110mm。合理的錘片排列不僅能提高粉碎質量，同時機具平衡性也會得到提升，粉碎刀輥相鄰刀組的L改進型錘片采取反向排列的方式，又組成Y型錘片，這種排列方式既有L改進型錘片耐磨好、對于硬質秸稈粉碎效果好的特點，又兼具Y型錘片功耗小、對不同農作物秸稈適應性強的特點［21］。

3.3 拋送裝置

粉碎刀輥的拋送裝置由拋送葉片、間隔套筒、架板和用于放置拋送葉片的銷軸組成，如圖10所示。帶有拋送葉片設計的粉碎裝置，相比僅利用錘片來進行粉碎和拋送秸稈的粉碎刀軸，增加的拋送葉片能提高粉碎室內氣流速度，在粉碎室內形成較大的負壓，促使粉碎室合格的棉花秸稈均勻快速地從出料口排出，提高粉碎效率。

拋送葉片轉速一定的情況下，拋送葉片的回轉半徑越大，頂部線速度越高，輸送能力越強。因此，設計合理的拋送葉片半徑，是影響棉花秸稈無篩粉碎機排料的關鍵因素［22］。在排料過程中，棉花秸稈的排出需要獲得一定的拋送速度，拋送裝置中棉花秸稈的運動分析如圖11所示。圖11中，vc為拋出物料最小速度，m/s；vp為拋出物料末速度，取值15m/s；vd拋送葉片垂直方向拋出物料最小速度分量，m/s；vn拋送葉片水平方向拋出物料最小速度分量，m/s。

粉碎后的棉花秸稈在被拋送的瞬間，與拋送葉片發生非彈性體碰撞，將粉碎合格的棉花秸稈拋出，此時拋送葉片給予棉花秸稈在vc方向上的加速度ac，拋出的棉花秸稈受重力的作用減速下落，由動能定理可得

12mnvc2=mng（1+μ1）H+12mnvp2

（15）

式中： mn——拋送棉花秸稈重量，kg。

可得拋送葉片最小速度為

vc=vp2+2gH（1+μ1）

（16）

根據速度矢量合成關系，最小拋送速度vc可分為垂直于拋送葉片的速度vd和沿風機葉片的切向運動速度vn，由于棉花秸稈在拋送過程中拋送葉片會對棉花秸稈造成打擊，因此，引入拋送葉片物料損失μ2，取值0.55。并以π/2-λ的夾角進入出料口拋出，拋送葉片最小速度vc和輸送高度H與末速度vp關系如式（17）所示。

vc=（1+μ2）vp2+2gH（1+μ1）cos（π/2-λ）

（17）

式中： H——

輸送高度（即刀輥中心到出料筒頂端的距離），取值0.5m；

μ1——

管壁摩擦及空氣阻力損失，取值0.22；

λ——拋出水平角度，取值60°。

由式（17）計算可得拋送葉片最小線速度vc為27.54m/s。在本文設計中，拋送裝置和粉碎刀輥同軸，所以粉碎刀輥轉速和拋送葉片轉速相同，設計粉碎刀輥的轉速n為2660r/min。拋送葉片遠心端線速度取最小值vc時，拋送葉片需要的最小回轉直徑

Dc=60vcπn

（18）

可得拋送葉片最小回轉直徑Dc為0.20m，考慮棉花秸稈無篩粉碎機不具有篩片，只能通過改變粉碎室內的氣流來實現物料的篩選，因此，取拋送葉片回轉直徑Dc為690mm。比較3葉片、4葉片及5葉片的拋送裝置，其中4葉片的對稱性最好，所以，在設計拋送裝置時選用4葉片形式的拋送裝置［23］。并確定4個拋送葉片分別位于4個銷軸的末端，采取對稱排列的方式，拋送葉片選用長為210mm，寬為135mm，厚度為4mm的鋼板彎折而成。一部分棉花秸稈在錘片的導入及拋送裝置的氣吸共同作用下沿軸向方向進入拋送工作區，秸稈在壓強的作用下排出機體；另外一部分棉花秸稈在粉碎之后到達拋送區，被葉片撞擊后與殼體內的氣流混合后拋出。

3.4 粉碎主軸模態分析

為了避免粉碎主軸在工作中出現共振問題，影響機器的穩定性和安全性，對粉碎主軸轉動頻率進行模態分析。根據振動理論可知，共振主要由固有頻率較小的頻率所引起，根據粉碎裝置的運動形式及受力狀況，考慮粉碎主軸在工作過程中高速轉動，對粉碎主軸的前六階振型進行提取和分析。

前六階模態頻率如表1所示，粉碎刀輥的模態振型如圖12所示。棉花秸稈無篩粉碎機粉碎裝置的模態頻率分布在265.75～388.07Hz，并且隨著振型的增加而增加，粉碎主軸的變形形式主要以彎曲變形為主，同時伴有扭轉和伸縮變形。粉碎主軸的最小振動頻率f為265.75Hz，根據公式n=f×60得出最小轉速為15945r/min，遠大于棉花秸稈無篩粉碎機的最大轉速，因此不會產生共振。

4 樣機試驗

4.1 試驗條件

試驗在巴音郭楞蒙古自治州博湖縣進行，試驗物料選擇棉花秸稈，通過相關計算確定粉碎刀輥的結構參數和工作參數，并采用以上參數對棉花秸稈無篩粉碎機整機作業效果進行測試，試驗開始前調節棉花秸稈無篩粉碎機的出料口面積為136500mm2。試驗主要儀器包括電子天平秤、秒表、鋼卷尺、游標卡尺等。

4.2 試驗指標及測試方法

為研究不同粉碎刀輥轉速對棉花秸稈粉碎性能的影響，通過前期對粉碎轉子范圍的計算，粉碎刀輥轉速設定為2060r/min、2360r/min、2660r/min，通過改變傳動帶輪和皮帶張緊度的方法來實現粉碎刀輥轉速的調節。參考農業行業標準NY/T 509—2015《秸稈揉絲機質量評價技術規范》，采用測定粉碎粒徑合格率作為棉花秸稈粉碎效果的評價指標，粉碎粒徑合格率是指粉碎成品長度為5～40mm且幾何寬度不大于3mm的絲狀物。錘片實物以及整機作業效果如圖13所示。

棉花秸稈無篩粉碎機負載試驗開始5min后，每間隔5min在成品出口橫斷接取成品樣品1次，共接取3次，每次接取粉碎棉花秸稈不少于200 g，將3次樣品混合稱其質量，挑出其中不符合粉碎要求的棉花秸稈粉碎稱量質量，按照式（19）計算粉碎粒徑合格率。

y1=（m3-m4）m3×100%

（19）

式中： m3——3次接取棉花秸稈樣品總質量，g；

m4——不符合粉碎要求的棉花秸稈，g。

4.3 試驗結果

利用上述測定方法進行計算，測得不同轉速下秸稈粉碎粒徑合格率如表2所示。

由表2可知，粉碎粒徑合格率與粉碎刀輥轉速呈現正相關的關系，即隨著粉碎刀輥轉速的增加，棉花秸稈的粒徑合格率呈現出逐漸上升的趨勢。粉碎刀輥轉速在2060r/min時，轉速過低導致棉花秸稈粉碎不徹底，拋送裝置輸送能力極差，出料口出料不暢，并出現棉花秸稈纏繞轉子的問題，機器正常作業受到影響；但轉速過快，功耗增加，機器工作的平衡性得到破壞，尤其是棉花秸稈的高頻率撞擊機殼，噪聲增加明顯。綜上所述，選取粉碎刀輥轉速為2660r/min，對應的試驗結果：棉花秸稈粒徑粉碎率為92.4%，棉花秸稈不同粉碎長度分布如圖14所示。

粉碎過程中粉碎刀輥運行平穩，無異響，性能基本滿足設計要求可以實現連續穩定運行。粉碎后的棉花秸稈形狀成絲狀，如圖15所示，說明在粉碎過程中主要為L改進型錘片對棉花秸稈的揉搓作用，兩者之間的剪切作用不明顯。

4.4 對比試驗

為驗證優化設計后的機具粉碎效果，將樣機與本課題組之前設計研制的秸稈無篩粉碎機在巴音郭楞蒙古自治州博湖縣進行田間對比試驗，在兩種機具最優參數組合下分別進行粉碎試驗，取平均值，結果如表3所示。

試驗表明，該棉花秸稈無篩粉碎機較已有秸稈無篩粉碎機粉碎粒徑合格率高2.1%，分析其主要原因：已有秸稈無篩粉碎機使用的直刀型錘片，無法對粉碎室底部棉花秸稈進行撿拾，粉碎效果不徹底；該棉花秸稈無篩粉碎機使用L改進型錘片，所以粉碎粒徑合格率較已有秸稈無篩粉碎機高。

5 結論

1） 設計一種適用于棉花秸稈無篩粉碎的粉碎刀輥，對L改進型錘片與棉花秸稈碰撞過程和粉碎刀輥對棉花秸稈軸向移動影響過程進行分析，確定影響粉碎刀輥工作的主要參數，完成粉碎刀輥總體結構、L改進型錘片結構和拋送裝置的設計。運用ANSYS Workbench軟件對L改進錘片進行靜力學分析，在正常工作條件下，錘片最大變形量為1.4823mm，最大應力為145.88MPa，最大變形量遠小于材料的極限變形量，最大應力低于材料的屈服強度，粉碎刀輥模態分析顯示一階固有頻率為265.75Hz，對應的轉速為15945r/min，遠大于主軸轉速，粉碎主軸轉動過程中不會產生激烈振動現象，結構設計合理，能保證作業的穩定性和可靠性。

2） 對安裝粉碎刀輥的棉花秸稈無篩粉碎機整機進行不同粉碎刀輥轉速下對棉花秸稈粉碎粒徑影響的單因素試驗，發現刀輥轉速在2660r/min時，粉碎粒徑合格率最好，為92.4%，粉碎過程中喂料輸送裝置喂入順暢，粉碎裝置排料無堵塞，可以實現連續穩定運作。

3） 與前期研制的秸稈無篩粉碎機通過田間試驗對比得出，該棉花秸稈無篩粉碎機較已有秸稈無篩粉碎機粉碎粒徑合格率提高2.1%。

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