切碎組合式木薯秸稈粉碎機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

鄭美云，廖宇蘭，劉世豪，楊　怡，王　濤

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，?？凇?70228)

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切碎組合式木薯秸稈粉碎機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

鄭美云，廖宇蘭，劉世豪，楊怡，王濤

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，?？?70228)

摘要：針對收獲后木薯秸稈資源浪費(fèi)程度高和機(jī)械化處理程度低等問題，設(shè)計(jì)了一種木薯秸稈切碎機(jī)。該機(jī)采用先切斷再粉碎的組合方式將木薯秸稈集中切斷并粉碎。該機(jī)主要由間歇輸送裝置、切割裝置和粉碎裝置組成。切割刀具采用鋸齒形圓盤刀，切割斷面好、工作效率高，并選定液壓缸作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對木薯秸稈切割的循環(huán)作業(yè)。木薯秸稈輸送裝置采用不完全齒輪帶動滾筒間歇性運(yùn)轉(zhuǎn)，通過帶傳動，實(shí)現(xiàn)輸送裝置的間歇性輸送。粉碎刀具采用具有很高硬度和耐磨性的優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼T12作為刀具材料，形狀選用Y型甩刀，可緩解拐角處的應(yīng)力集中，而且斜切的方式更省力。刀具排列方式采用均力免震法，可提高機(jī)器的平衡性和減少振動。

關(guān)鍵詞：木薯秸稈；切割刀具；間歇性輸送裝置；粉碎刀具

0引言

木薯用途廣泛，可食用、加工成飼料及各種工業(yè)開發(fā)利用[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界木薯產(chǎn)量的65% 是用于人類食用[2]。木薯還是一種生物質(zhì)能源，可以制成燃料乙醇。作為一種重要的糧食、經(jīng)濟(jì)和能源作物[3-4]，木薯的市場需求逐年增大，據(jù)2013年統(tǒng)計(jì)，我國木薯的種植面積約46.7萬hm2多，產(chǎn)量高達(dá)900萬t多[5]。為了推進(jìn)木薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，研發(fā)集回收秸稈、收獲木薯、塊根分離和收集薯塊等功能為一體的木薯聯(lián)合收獲機(jī)械必將是未來的發(fā)展趨勢[6]。

木薯秸稈高、粗、分支多，占木薯產(chǎn)量的70%～80%[4]。目前，我國木薯種植一直是采取人工處理收獲后的木薯秸稈，勞動強(qiáng)度大，機(jī)械化程度低，限制了木薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。木薯秸稈富含粗纖維和碳水化合物，具有廣泛的用途，可制成燃料、肥料和食用菌基料。為充分發(fā)揮木薯秸稈的利用價(jià)值，可將收獲后的木薯秸稈進(jìn)行集中粉碎，然后再加以利用。本文借鑒樹干切斷粉碎的原理和方法，制定了切碎組合式木薯秸稈粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)方案，采用先切斷再粉碎的組合方式，可有效提高木薯秸稈的粉碎程度。

1總體結(jié)構(gòu)及工作原理

整機(jī)由不完全齒輪間歇輸送裝置、切割裝置、粉碎裝置及液壓系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

1.木薯秸稈　2.皮帶　3.滾筒　4.不完全齒輪間歇機(jī)構(gòu)

工作時(shí)，首先將收獲后的木薯秸稈收集成小捆，手動將成捆的木薯秸稈放到輸送裝置上由輸送裝置中的滾筒帶動秸稈向切斷裝置方向進(jìn)給；進(jìn)給一段距離后，不完全齒輪的無齒部分使?jié)L筒停止運(yùn)動，同時(shí)切斷裝置上的旋轉(zhuǎn)的刀具下降將秸稈切斷，最后落入到粉碎裝置中被粉碎；然后切割刀具上升，滾筒在間歇機(jī)構(gòu)的作用下繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，木薯秸稈繼續(xù)進(jìn)給，為下一步切斷木薯秸稈做準(zhǔn)備。

2輸送裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　輸送裝置工作原理

輸送裝置是整機(jī)的重要組成部分，它影響著整個(gè)機(jī)器工作的可靠性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。木薯秸稈長度不一，且粗細(xì)不均，差別較大，為了保證木薯秸稈的穩(wěn)定輸送，對輸送裝置有較高耐沖擊能力和實(shí)現(xiàn)間歇輸送等要求。綜合分析，木薯秸稈輸送裝置采用不完全齒輪間歇機(jī)構(gòu)，帶動滾筒間歇性運(yùn)轉(zhuǎn)，再通過帶傳動，實(shí)現(xiàn)輸送裝置的間歇性輸送，以達(dá)到木薯秸稈的輸送后切斷。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

1.擋板　2.滾筒　3.皮帶　4.不完全齒輪間歇機(jī)構(gòu)

2.2　間歇機(jī)構(gòu)和帶傳動

不完全齒輪結(jié)構(gòu)簡單，從動輪靜止和運(yùn)動的時(shí)間比例不受機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的限制，適用于低速或輕載場合[7]。木薯秸稈在傳送過程中要與切割裝置配合實(shí)現(xiàn)間隙進(jìn)給，不完全齒輪機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)這一要求。不完全機(jī)構(gòu)由主動輪和從動輪組成，如圖3所示。主動輪的有齒部分與從動輪嚙合時(shí)，從動輪跟隨主動輪轉(zhuǎn)動；主動輪無齒部作用時(shí)，從動輪無法嚙合而停止不動，從動輪在主動輪做連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)可以得到間歇運(yùn)動。

圖3　不完全齒輪間歇機(jī)構(gòu)簡圖

帶傳動運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小，因本輸送裝置的兩軸中心距離較大，因此選用帶傳動。傳遞帶具有彈性，可緩和木薯秸稈的沖擊和載荷的振動，帶打滑時(shí)也可防止機(jī)器中其他零件的損壞[8]。不完全齒輪的間歇運(yùn)動帶動滾筒的間歇性運(yùn)動，再通過滾筒與皮帶之間的帶傳動，帶動整個(gè)輸送裝置實(shí)現(xiàn)間歇性運(yùn)動。

2.3　不完全齒輪參數(shù)計(jì)算

選K=5(從動輪所占的齒數(shù))，Z2=Z1-1+K,Z1=9,Z2=13，則

Ra=

3切割裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1　切割原理

切割裝置如圖4所示。其中，液壓馬達(dá)支撐于機(jī)架上，通過聯(lián)接軸與刀具連接。聯(lián)接軸的一端用聯(lián)軸器與液壓馬達(dá)的連接軸相配合聯(lián)接；另一端用螺栓、螺母將刀具與焊接在聯(lián)接軸上的鋼塊直接固定。工作時(shí)，液壓馬達(dá)直接帶動刀具旋轉(zhuǎn)，液壓缸帶動刀具和液壓馬達(dá)上下移動；向下移動時(shí)進(jìn)行秸稈的切割，切割后往上移動到原位，再進(jìn)行下一段切割。

3.2　切割器的種類及其確定

1)往復(fù)式切割器：割刀結(jié)構(gòu)簡單，做往復(fù)運(yùn)動，適應(yīng)性廣泛。當(dāng)往復(fù)式切割器切割粗莖稈作物時(shí)，由于切割時(shí)間長，刀片易變形，易出現(xiàn)撞刀、崩刀現(xiàn)象，且莖稈割茬不夠整齊，切割器的磨損現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，往復(fù)式切割器不適合切割木薯秸稈這類粗莖稈作物[9]。

2)圓盤式切割器：圓盤式切割器的割刀做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，運(yùn)動較平穩(wěn)、切割速度高、切割能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是其鋸齒刃部一旦磨損，切割的阻力就會明顯增加，導(dǎo)致切割的效率顯著下降。該類切割器分有支撐切割和無支撐切割兩種形式[10]。

3)甩刀式回轉(zhuǎn)切割器：切割時(shí)振動大，功率損耗也大，產(chǎn)品初加工的質(zhì)量也降低[11]。

經(jīng)對以上3種切割器優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際需要，采用圓盤式切割器的無支撐切割形式。

1.刀具　2.連接軸　3.鍵　4.軸端蓋　5.軸承

3.3　切割刀具的設(shè)計(jì)

木薯秸稈材質(zhì)脆硬[12]，選用鋸齒形圓盤刀具，這類刀具具有工作效率高、切割斷面較好等特點(diǎn)。查刀具設(shè)計(jì)手冊[13]，根據(jù)切割強(qiáng)度和裝置的整體布局等要求，設(shè)計(jì)鍵槽直徑D=63 mm，刀具直徑d=200 mm，齒數(shù)為30，相鄰兩齒頂之間的夾角θ=57°，刀具厚度L=4 mm。為了提高刀片材料的抗沖擊韌性，采用65Mn合金鋼[14]，將鋸齒形根部加工成小圓弧形，可防止在高速切割時(shí)發(fā)生應(yīng)力集中損壞刀口。刀具結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4粉碎刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

粉碎刀具的形狀、材質(zhì)、排列方式對粉碎效果有很大影響。木薯秸稈富含纖維且韌性較高，粉碎刀具的材料應(yīng)該具有很高的硬度和耐磨性。因此，刀具選用優(yōu)質(zhì)的碳素工具鋼T12材料，形狀選用Y型甩刀。這種形狀的刀具可緩解拐角處的應(yīng)力集中，而且斜切的方式更省力，刀片有效長度為140mm，厚度為15mm，寬度為60mm，結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖5　鋸齒形圓盤刀

圖6　Y型刀示意圖

合理的刀具排列方式可提高機(jī)器的平衡性和減少振動。刀具排列應(yīng)滿足刀軸受力均勻、徑向受力平衡、相鄰兩刀片徑向夾角較大等要求，本設(shè)計(jì)采用均力免震法，排列方式如圖7所示。

圖7　刀具排列示意圖

5液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本液壓系統(tǒng)控制刀具在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成木薯秸稈切割，其工作循環(huán)是快進(jìn)→工進(jìn)→快退→停止。因?yàn)橐簤焊椎墓ぷ鞣较蚴谴怪钡孛娴?，所以其工作?fù)載為所要移動的總重量約為686N，工進(jìn)進(jìn)給要求的速度是0.2m/s，快進(jìn)的速度是0.04m/s，快退的速度為0.32m/s。選定液壓缸作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了自動實(shí)現(xiàn)上述工作循環(huán)，采用行程開關(guān)及電磁換向閥實(shí)現(xiàn)順序動作。

該系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動，采用差動聯(lián)接。在行程控制中采用機(jī)動滑閥，可使快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)時(shí)運(yùn)行的速度平穩(wěn)轉(zhuǎn)換；當(dāng)工進(jìn)結(jié)束快退到終點(diǎn)時(shí)電器行程開關(guān)被壓下然后運(yùn)動停止?？爝M(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)后，系統(tǒng)不再差動聯(lián)接，因?yàn)橄到y(tǒng)壓力逐漸升高導(dǎo)致遙控順序閥將被打開，此時(shí)回油經(jīng)背壓閥流回油箱。背壓閥在此起到的作用是使工進(jìn)時(shí)的運(yùn)動平穩(wěn)。液壓系統(tǒng)原理圖如圖8所示。

1.濾油器　2.變量泵　3、6.單向閥　4、7.電磁換向閥

6結(jié)論

1)采用先切斷再粉碎的組合方式，制定了木薯秸稈切碎機(jī)的設(shè)計(jì)方案，將收獲后的木薯秸稈進(jìn)行集中粉碎，可提高木薯秸稈的利用價(jià)值。

2)采用圓盤鋸齒形切割器，切割斷面好，工作效率高。選定液壓缸作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，自動實(shí)現(xiàn)刀具快進(jìn)→工進(jìn)→快退→停止的工作循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)對木薯秸稈切割的循環(huán)作業(yè)。 木薯秸稈輸送裝置采用不完全齒輪帶動滾筒間歇性運(yùn)轉(zhuǎn)， 再通過帶傳動，實(shí)現(xiàn)輸送裝置的間歇性輸送。

3)粉碎刀具形狀選用Y型甩刀，采用具有很高硬度和耐磨性的優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼T12作為刀具材料。這種形狀的刀具可緩解拐角處的應(yīng)力集中，而且斜切的方式更省力。刀具排列方式采用均力免震法，可提高機(jī)器的平衡性和減少振動。

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Abstract ID:1003-188X(2016)09-0176-EA

The Key Component Design of Chopped Combined-type Cassava Stalk Crushing Machine

Zheng Meiyun， Liao Yulan， Liu Shihao， Yang Yi ，Wang Tao

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Hainan University， Haikou 570228， China)

Abstract：For the high degree of resource waste and low level of mechanization processing after harvest of cassava straw, a kind of chopped combined-type cassava stalk crushing machine was designed. The machine is mainly composed of intermittent transmission device, cutting device, and crushing device. Using the serrated disc cutter which having a good cutting section and high work efficiency to be a cutting tool. Choose a hydraulic cylinder as actuator of the cutting tool to realize the cutting cycle operation of cassava stalk. The cassava straw conveying device adopted incomplete gear intermittent mechanism and through belt transmission to realize the intermittent transportation. Crushing tool adopted carbon tool steel T12 which has high hardness and wear resistance. Y type knives can alleviate the stress concentration around the corner and the oblique way is more efficient. Cutting tool arrangement divided the stress to improve machine balance and reduce vibration.

Key words：cassava stalk; cutting tool; intermittent conveying device; crushing tool

中圖分類號：S817.12+2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0176-04

作者簡介：鄭美云(1989-)，女，江西上饒人，碩士研究生，(E-mail) 474223041@qq.com。通訊作者：廖宇蘭(1967-)，女，廣東興寧人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail) liaoyulan@sina.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51365011)

收稿日期：2015-09-25