全自動高效多功能秸稈切碎機的設計與試驗

陳玉華，宋占華，閆銀發(fā)，田富洋，李法德，張忠良

(1.山東農業(yè)大學 機械與電子工程學院/山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018；2.肥城市畜豐農牧機械有限公司，山東 泰安 271608)

0 引言

我國是一個農業(yè)大國，每年農作物生產的秸稈達7億t多，占世界秸稈總產量的20%～30%[1-10]。自2000年以來，由于秸稈收集整理與運輸成本等因素，出現(xiàn)了秸稈綜合利用經濟效益差、商品化和產業(yè)化程度低等問題。在糧食主產區(qū)，農民為搶農時播種，焚燒秸稈現(xiàn)象屢禁不止，不僅污染了環(huán)境，而且資源嚴重浪費，已成為一個嚴重的社會生態(tài)問題[11-18]。

目前，作物秸稈綜合利用的途徑主要是秸稈飼料、生物質能源、粉碎還田、秸稈生物有機肥料、生物基料及工業(yè)原料等，這首先要涉及到秸稈切碎。針對畜牧養(yǎng)殖業(yè)飼料青貯，研制生產的鍘草機存在著結構簡單，工作可靠性、安全性差，人工勞動強度大，以及適應范圍窄、生產效率低等缺點。為了提高作物秸稈的加工效率，達到一機多用、高效低耗、安全環(huán)保即經濟實用的目的，本文提出的全自動高效多功能秸稈切碎機對適應社會生產發(fā)展的需要具有一定的積極意義。

全自動高效多功能秸稈切碎機通過在作物秸稈切碎過程中的高效喂料、切碎分絲帚化、自動調節(jié)喂入量和作業(yè)負荷等特點，顯著提高秸稈切碎機的生產效率和自動化程度。

1 主要構造及工作原理

1.1 主要構造

全自動高效多功能秸稈切碎機的結構示意圖，如圖1所示。主要技術指標如表1所示。

全自動高效多功能秸稈切碎機主要由喂料、碎草系統(tǒng)組成：喂料系統(tǒng)能夠接收不同幾何尺寸的麥草、棉稈、木片、蘆葦、樹枝、樹皮、玉米秸稈及青秸稈等物料，按切碎長度進給提供給碎草系統(tǒng)；碎草系統(tǒng)主要完成秸稈切碎，具有高速錘打和切割的功能及高產效率。自動控制系統(tǒng)主要由電機驅動、速度和進料調節(jié)及相關傳感器等部分組成，整機系統(tǒng)達到高效上料、自動調節(jié)喂入量及自動檢測作業(yè)負荷等功能。

1.2 工作原理

全自動高效多功能秸稈切碎機采用自動化、智能化技術設計，可對直徑3cm以下棉稈、樹枝，厚度2cm以下樹皮等植物秸稈進行破碎，也可用于各種農作物秸稈、牧草、玉米芯及糧食的破碎加工，均可實現(xiàn)軟硬兼“撕”，粉碎效果均勻，不破壞秸稈纖維，迎“韌”而解。工作時，通過抓草機或裝載機將物料投放在旋轉柱形喂料倉內，料倉側壁上裝有推草板，推草板撥動物料隨料倉一起轉動，在旋轉的柱形儲料倉、固定在倉壁上的推草板和物料的自重壓力的作用下，可將物料源源不斷地送往下方的碎草系統(tǒng)；碎草系統(tǒng)裝置在一輥軸上安裝數(shù)片錘片，高速旋轉的錘片與上方送來的物料產生相對撞擊、撕裂，從而完成對物料的粉碎加工。該機可采用PLC編程控制，當負荷加重時，電機會自動減慢轉速，待負荷正常時電機自動返回到額定工作轉速,可分別與喂料異步電動機和碎草異步電動機相連接；在整機4個支架上還增裝4個稱重傳感器，當料倉內破碎物質少于規(guī)定質量時，報警器會自動報警，提醒上料人員及時上料。

(a) 主視圖

(b) 側視圖

項目單位參數(shù)外形尺寸(L×W×H)mm3800×3420×2870切料長度mm2040刀盤直徑mm680

續(xù)表1

2 關鍵部件設計

2.1 喂料系統(tǒng)裝置的設計

喂料系統(tǒng)由旋轉柱形喂料倉、鏈條、限位輪、支撐輪、推草板、斜圓弧翻草塊,以及喂料三相異步電動機等組成。作物秸稈由抓草機或裝載機放入無軸旋轉喂料倉內，靠惰輪機構來支撐和定向的旋轉式喂料倉，通過裝在旋轉喂料倉的內側壁上的推草斜板、倉底板上的斜圓弧翻草塊并依靠秸稈原料的自重壓力，將原料源源不斷地送往下方的碎草系統(tǒng)，完成自動喂料；旋轉喂料倉為無軸旋轉結構，懸空掛置在支撐輪上，由數(shù)件定位輪定位，摩擦小，能耗低，旋轉平穩(wěn)。

旋轉柱形喂料倉是無軸旋轉,由若干個支撐輪來支撐，在旋轉柱形喂料倉的外側裝有鏈條，喂料三相異步電動機將動力傳給減速機，減速機的鏈輪與鏈條相嚙合，帶動旋轉柱形喂料倉旋轉。在旋轉柱形喂料倉的內側壁上裝有推草板，作用在于將飼草料推向格柵的入口位置。在喂料倉底板上裝有斜圓弧翻草塊，斜圓弧翻草塊的上表面是一個斜面結構，所以農作物秸稈很容易會被甩至喂料倉底部的出料口，不易在喂料倉內抱團打結，斜圓弧翻草塊起到翻草的作用。喂料系統(tǒng)裝置實物圖如圖2所示。

2.2 碎草系統(tǒng)裝置的設計

碎草系統(tǒng)由輥軸、合金錘片、刀盤、銷軸、碎草變頻電動機，以及格柵等組成。合金錘片、刀盤及銷軸組成環(huán)錘轉子安裝在輥軸上，在三相異步電機的帶動下做高速旋轉，與上方喂料系統(tǒng)輸送來的物料產生相對撞擊與撕裂，從而完成對秸稈原料碎解；錘片可在180°范圍內擺動，當遇到硬物或難破碎的物料時，擺動受阻，錘片反彈，從而起到對錘片的緩沖和保護的作用。格柵安裝在輥軸的上方與倉底板的開口處，經格柵的移動與升降,可實時調整秸稈喂料量的大小，破碎以后的秸稈碎料可經底部的皮帶輸送機送往后續(xù)設備進一步處理。

圖2 喂料系統(tǒng)

刀盤安裝在輥軸上，錘片通過銷軸與刀盤相連接，該碎草系統(tǒng)裝置的內腔不是封閉的，而是在輥軸的上方與柱形喂料倉底板的開口處增裝了格柵，輥軸的側部還裝有底篩，輥軸的下方是出料口。格柵使錘片與秸稈原料隔離，秸稈原料被錘片撞擊后，從格柵的長型孔再次進入，然后與錘片進行二次撞擊、拉扯與撕裂，最終達到高效破捆和碎草的目的。其中，格柵在機架上的位置可做調整，實現(xiàn)格柵與輥軸錘片間距的調整，進而可調整農作物秸稈的粉碎長度，調節(jié)格柵的位置可控制錘片與秸稈原料接觸的深度，以便控制秸稈出草量的多少。此外，碎草三相異步電動機的轉速是可以改變的，可調整秸稈物料碎草度，以適應不同秸稈原料和不同用戶的要求。碎草系統(tǒng)裝置實物圖如圖3所示。

(a) 仰視圖

(b) 俯視圖

2.3 控制系統(tǒng)的設計

采用自動報警和實時控制，實現(xiàn)自動喂料、自動潤滑、自動穩(wěn)定調節(jié)、自動計量及自動監(jiān)控報警。通過格柵的移動與升降可自動調整秸稈喂料量的大??；借助封閉式內部潤滑泵裝置，控制各潤滑點進行自動加油、定時加油，完成鏈條等構件的自動潤滑。

格柵的一端與位移傳感器相連，當達到設定位移大小數(shù)值時，直角連桿帶動位移傳感器的拉桿產生的位移變化，以電變量形式，傳到信號放大器和可編程邏輯控制器，與設定的定位移大小數(shù)值對比，若相等，立即使步進電機停止運轉，定位移大小的調整完成。在輥軸下方的一側裝有速度傳感器，當要調整刀盤轉速時，可通過智能顯示器面板上“設置”“輸入”按鈕，輸入要調整的轉速值，并按“確認”按鈕，使正在工作的刀盤的轉速發(fā)生變化，當達到設定轉速時，速度傳感器會將轉速變化引起的電變量傳到信號放大器和可編程邏輯控制器。與設定的轉速值對比，若相等，會立即使刀盤繼續(xù)保持恒速旋轉。此外，當輥軸負荷超載,電流升高(轉速下降時,碎草度降低,影響切碎質量) 時，反饋到PLC控制中心經過程序分析后,可自動控制喂料量的酌量添加,待輥軸轉速升高后,喂料即可恢復正常,確保機器的正常運轉,碎草度保持一致，從而實現(xiàn)秸稈切碎機設備的自動穩(wěn)定調節(jié)。

當然，稱重控制模塊可從現(xiàn)場檢測皮帶秤的質量信號和速度信號,經過程序控制中心分析計算,得出輸出物料的質量,實現(xiàn)自動計量；通過智能模塊采集機器設備各運行點的相關參數(shù)，按照預先設定的參數(shù)值，對設備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，出現(xiàn)異常狀態(tài)能夠及時報警。旋轉柱形喂料倉在變頻電機、支撐輪和限位輪的作用下，實現(xiàn)無軸周向轉動，促使農作物秸稈物料產生周向運動慣性，配合破捆碎草裝置在豎直方向上產生的切割力，實現(xiàn)秸稈的高效切割斷裂，顯著提高農作物秸稈的破碎效果，明顯降低農作物秸稈易于纏繞和堵塞的不利影響。

3 機器的試驗

2017年10-11月，在山東省肥城市進行了全自動高效多功能秸稈切碎機的性能測試試驗。試驗對象為小麥秸稈，試驗儀器包括：烘干箱、成套測功儀表、轉速表、秒表、磅秤、米尺、天平(感量0.1)、游標卡尺，以及聲級計等。從待碎小麥秸稈物料中不同位置處取樣次，每次抽樣100g左右，烘干到質量不再變化為止，然后再稱其質量。按式(1)計算并取平均值，即

(1)

其中，Hr為物料相對含水率(%)；Gb為烘干前樣品質量(g)；Ga為烘干后樣品質量(g)。

將待切碎物料稱重，從喂入開始至喂入結束時停止，記錄凈工作時間，按式(2)計算凈工作小時生產率，即

(2)

其中，En為凈工作小時生產率(kg/h)；G為切碎物料質量(kg)；tn為凈工作時間(h)；H為物料標準含水率，16.5%。

測定凈工作小時生產率的同時，測定耗電量，按式(3)計算千瓦小時產量，即

(3)

其中，Pc為千瓦小時產量(kg/kW·h)；W為切碎時間內的電能消耗(kW·h)。

以秸稈樣品中帶節(jié)飼草為測定對象，在測試的始、中、末階段，從切碎機出料口處各取樣3次，混合后依照十字交叉法取出樣品200g，按照式(4)計算秸稈物料始、中、末階段各自的破節(jié)率并最后取平均值,即

(4)

其中，Cs為秸稈飼草各階段破節(jié)率(%)；Ms為樣品被破碎成兩節(jié)以上或壓扁的帶節(jié)飼草的總質量(g)；Mt為秸稈物料樣品中帶節(jié)飼草總質量(g)。

通過試驗數(shù)據(jù)計算得到小麥秸稈物料相對含水率平均值為22.5%，凈工作小時生產率為16 800kg/h，千瓦小時產量為186.7kg/(kW·h)，物料秸稈破節(jié)率平均值達96%。試驗所得秸稈的切段長度及生產率符合秸稈破碎機相關驗收要求。樣機試驗現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 樣機試驗現(xiàn)場

4 結論

1)全自動高效多功能秸稈切碎機集高效喂料與物料破碎作業(yè)于一身，提高了工作效率和秸稈綜合利用率，同時減少了不必要的人工成本浪費，廣泛適用于再生能源、造紙廠、生物質發(fā)電廠、養(yǎng)殖場，以及人造板等眾多粉碎加工領域。

2)全自動高效多功能秸稈切碎機確保秸稈物料喂入通暢、不發(fā)生堵塞，顯著提高了秸稈的粉碎效率，切料長度為20～40mm，物料秸稈破節(jié)率平均值達96%。

3)本機能夠粉碎多種秸稈物料，通用性強，設計合理，作業(yè)效率高，生產能力可達10～30t/h，操作簡便，自動化程度高，省時省力，經濟實惠，安全可靠。