玉米秸稈打捆機撿拾機構(gòu)設(shè)計

劉慶剛，劉玻江，許 智,2，于新奇，李洪濤

（1.河北科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，石家莊 050018；2.河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗研究院，石家莊 050001）

0 序言

生物質(zhì)能開發(fā)與利用是緩解目前廣泛存在的能源危機的一種有效的手段[1～3]，玉米秸稈是我國分布最為廣泛的生物質(zhì)能源[4～6]，因此針對玉米秸稈回收利用技術(shù)和裝備的研究一直以來都是生物質(zhì)能利用領(lǐng)域的研究重點。為了提高玉米秸稈回收利用效率，工程技術(shù)人員設(shè)計了一系列的玉米秸稈打捆機、玉米秸稈壓塊機以及玉米秸稈的燃燒及能源利用裝置[7～9]。其中，玉米秸稈的收集和儲運是其開發(fā)利用的首要任務(wù)，本文主要針對玉米秸稈回收利用裝置打捆機的撿拾機構(gòu)開展研究，其相關(guān)成果對于推動生物質(zhì)能的利用具有一定的意義。

1 撿拾機構(gòu)總體設(shè)計

秸稈打捆機的撿拾機構(gòu)需要完成秸稈的收集和破碎兩項工作。秸稈收集過程中，要求撿拾干凈，遺漏率低；秸稈破碎過程中，要求破碎程度適中，破碎程度過低導(dǎo)致秸稈尺寸較大，在打捆機內(nèi)部輸送困難，容易造成卡塞，破碎程度過高則會造成難以打捆，容易發(fā)生散捆，影響秸稈的道路運輸效率。另外，撿拾機構(gòu)還要具備合適的強度和操作彈性，避免撿拾過程中發(fā)生阻塞或者發(fā)生斷裂。根據(jù)以上要求，設(shè)計了一種具有Y形甩刀的柔性撿拾機構(gòu)，如圖1所示。

如圖1所示，撿拾機構(gòu)由導(dǎo)向板、變速機箱、皮帶輪、集料箱、甩刀和甩刀軸組成。工作中，拖拉機牽引玉米秸稈打捆機，并通過變速機箱輸入動力。經(jīng)過變速機箱調(diào)整轉(zhuǎn)速后，由皮帶輪帶動甩刀軸運動，甩刀軸帶動Y形甩刀高速運動，完成撿拾和破碎工作。Y形甩刀的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 玉米秸稈打捆機撿拾機構(gòu)示意圖

圖2 Y形甩刀結(jié)構(gòu)圖

Y形甩刀通過銷軸與甩刀軸相連，既可以在甩刀軸的帶動下與甩刀軸同步高速選裝，當(dāng)阻力過大時，又可以繞銷軸旋轉(zhuǎn)，避免過載時發(fā)生斷裂。因此，Y形甩刀撿拾機構(gòu)屬于一種柔性撿拾機構(gòu)，既能滿足撿拾的要求，又能起到過載保護作用。

2 甩刀結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于Y形甩刀是撿拾機構(gòu)中起主要作用的部件，因此，Y形甩刀的設(shè)計是整個撿拾結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。Y形甩刀的幾何尺寸如圖3所示。

圖3 Y形甩刀幾何尺寸示意圖

如圖3所示，Y形甩刀的幾何尺寸主要包括甩刀柄長度L，甩刀片高度H，甩刀柄厚度T1，甩刀厚度T2、折彎角a以及甩刀的寬度B。

甩刀柄L和刀片高度H與甩刀旋轉(zhuǎn)時甩刀前端的線速度有關(guān)，甩刀前端的線速度與破碎和撿拾效果有關(guān)，甩刀軸角速度相同時，L和H越大，甩刀前端的線速度越大，破碎效果越強；刀柄厚度T1，甩刀厚度T2以及甩刀寬度B與甩刀的強度有關(guān)，需要根據(jù)強度分析確定。折彎角a與秸稈屬性有關(guān)，對于玉米秸稈，a一般取20度[10]。

工作過程中，假設(shè)甩刀繞著甩刀軸轉(zhuǎn)動的角速度為w，牽引拖拉機的運行速度為vm。假設(shè)拖拉機前進的方向為x方向，甩刀軸軸線方向為z方向，垂直于x和z所確定平面的方向為y方向。甩刀前端運動的位移方程可以由式(1)表示。

式(1)中，S(x)和S(y)表示甩刀前端的位移函數(shù)；R表示甩刀的旋轉(zhuǎn)半徑，如果忽略甩刀軸的直徑，則R=L+H。

對式(1)求導(dǎo)可得到速度方程(2)。

則甩刀前端的線速度絕對值v按照式(3)計算。

根據(jù)研究，甩刀前端速度達到35m/s以上才能實現(xiàn)玉米秸稈的撿拾和破碎，達到48m/s時，才能達到最佳撿拾和破碎效果[11]。因此可以根據(jù)這一速度，按照式(3)進行Y形甩刀角速度w和半徑R的設(shè)計。

3 甩刀在刀軸上的布置設(shè)計

甩刀在刀軸上的布置設(shè)計包括軸向間距和環(huán)向角度兩個方面。對于玉米秸稈，一般甩刀軸向間距一般取0.02～0.04片/mm，根據(jù)打捆機的工作幅度可以計算出沿軸線方向需要布置甩刀的數(shù)量。

甩刀沿著軸向的布置需要考慮動平衡和工作穩(wěn)定性，按照涂建平等[12]提出了“均力免震假設(shè)”設(shè)計。

甩刀在工作過程中的受力情況如圖4所示。

圖4 甩刀受力分析

圖4中，各參數(shù)關(guān)系如式(4)和式(5)所示。

式(4)和式(5)中，F(xiàn)ax和Fay分別表示某一甩刀平面上的力F在A平面x軸和y軸方向上的投影；Fbx和Fby表示某

【】【】甩刀力F在B平面x軸和y軸方向上的投影。甩刀軸設(shè)計時，為了避免振動和沖擊，一般要求式(4)和式(5)均等于0。

根據(jù)“均力免震假設(shè)”玉米秸稈撿拾機構(gòu)的甩刀可以按照如圖5的形式進行布置。

圖5中，沿著圓周方向均勻布置3把甩刀，相鄰兩組甩刀之間相位相差60°。這樣的布置對于多數(shù)工作環(huán)境，能夠保證甩刀軸受力平穩(wěn)，不發(fā)生明顯的沖擊。

圖5 Y型甩刀布置圖

4 結(jié)論

針對玉米秸稈打捆機設(shè)計了一種柔性撿拾機構(gòu)，撿拾機構(gòu)主要工作部件為Y形甩刀和甩刀軸。通過對甩刀的運動軌跡進行分析，得到了甩刀幾何尺寸、甩刀軸轉(zhuǎn)動角速度和拖拉機牽引速度之間的關(guān)系；對甩刀軸進行了受力分析，給出了適用于多數(shù)工作環(huán)境的甩刀在甩刀軸上的布置方案。論文的工作對于推進秸稈打捆機的設(shè)計具有一定的意義。

[1]姜洋,周濤滔.生物質(zhì)能源綜合效益及評價方法研究綜述[J].林業(yè)經(jīng)濟,2015,(10):107-112.

[2]謝小天,張培棟,楊艷麗.生物質(zhì)固體能源產(chǎn)業(yè)政策發(fā)展分析[J].資源開發(fā)與市場,2016,32(10):1184-1184,1168.

[3]高建偉,張昊渤,縱翔宇.生物質(zhì)電廠秸稈收購優(yōu)化方案及其成本估算模型[J].可再生能源,2017,35(1):141-147.

[4]田宜水,徐亞云,侯書林,等.儲存方式對生物質(zhì)燃料玉米秸稈儲存特性的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2015,31(9):223-229.

[5]姜慶宏,姜月,張鐵軍,等.玉米秸稈真菌降解液生產(chǎn)燃料乙醇的發(fā)酵條件優(yōu)化[J].可再生能源,2015,33(12):1872-1875.

[6]曾曦,敖先權(quán),曹陽,等.玉米秸稈與煤流化床的共氣化特性[J]. 過程工程學(xué)報,2017,13(3):551-557.

[7]馬北一,王鳳輝,卜雪君.五柱塞式秸稈燃料成型機沖壓機構(gòu)主軸強度仿真分析[J].制造業(yè)自動化,2015,35(5下):141-145.

[8]于新奇,寧鵬輝,高慧琴,等.環(huán)模式秸稈壓塊機的結(jié)構(gòu)分析[J].可再生能源,2011,29(6):150-152.

[9]李洪濤,徐有寧,張亞寧,等.燃燒方式對生物質(zhì)理論燃燒溫度的影響[J].可再生能源,2015,33(5):771-776.

[10]楊中平,楊林青,郭康權(quán),等.玉米秸外皮碎料板制板工藝的初步研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報,1995,10(3):67-72.

[11]付雪高,李明.秸稈粉碎還田機甩刀的研究進展[J].中國農(nóng)機化,2011,(1):83-87.

[12]涂建平,徐雪紅,夏忠義.秸稈還田機刀片及刀片優(yōu)化排列的研究[J].農(nóng)機化研究,2003,(2):102-104.