秸稈低速剪切粉碎機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

王振偉，趙維松，陳明江，韓柏和，付菁菁，馬標(biāo)

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量豐富，秸稈綜合利用需求旺盛[1]，多數(shù)的利用方式需要把秸稈粉碎至合適長度。我國對粉碎設(shè)備的研究已經(jīng)有幾十年的歷史，研制了多種不同粉碎原理的秸稈粉碎設(shè)備，每種設(shè)備都有自己的優(yōu)勢與不足[2]。

秸稈粉碎機(jī)按照粉碎機(jī)理與工作部件結(jié)構(gòu)主要可分為鍘刀式、錘片式、揉切式和組合式4種類型[3-6]。鍘刀式粉碎機(jī)是我國應(yīng)用較廣泛的一種，主要是通過刀具在粉碎室內(nèi)對秸稈進(jìn)行多次反復(fù)切割，直到秸稈長度滿足要求，胡宏[7]利用ADAMS對鍘刀粉碎機(jī)的轉(zhuǎn)子總成進(jìn)行了模擬與仿真，研究其從啟動(dòng)到平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的整個(gè)過程。錘片式粉碎機(jī)通過主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)錘片運(yùn)動(dòng)，工作時(shí)錘片與秸稈發(fā)生碰撞，然后反彈至粉碎室周邊進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，再與錘片反復(fù)撞擊，直到將秸稈粉碎，并且對粉碎的物料具有揉搓效果，薛雲(yún)恒等通過研究得出切割線速度、齒板數(shù)量、箱體傾角對秸稈的粉碎率有顯著影響。揉切式粉碎機(jī)[8]介于鍘切式與揉搓式之間，先利用鍘切功能將秸稈切碎，再結(jié)合揉搓功能將粉碎的秸稈揉搓成絲狀，趙小娟等利用Solidworks Simulation軟件對粉碎刀和刀軸進(jìn)行了模態(tài)分析，獲得粉碎刀的最大應(yīng)力為20.7 MPa。組合式破碎結(jié)合了以上粉碎機(jī)的各項(xiàng)特點(diǎn)，是一種復(fù)合式粉碎機(jī)，相對于單一粉碎方式，組合式粉碎機(jī)[9-11]的粉碎質(zhì)量明顯提高，鮑振博等對組合式粉碎機(jī)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，并對動(dòng)刀間隙、錘片與篩網(wǎng)間隙、動(dòng)刀與錘片形狀進(jìn)行了研究。

但以上幾種粉碎機(jī)都存在以下幾點(diǎn)不足：一是粉碎粒度不集中，過粉碎現(xiàn)象較為嚴(yán)重。通常通過篩網(wǎng)控制粉碎粒度，但篩網(wǎng)會(huì)造成秸稈多次粉碎，形成嚴(yán)重的粉塵；二是粉碎能耗較高，以上幾種粉碎機(jī)都屬于高速粉碎機(jī)，錘片或切刀在與秸稈發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)消耗很大一部分動(dòng)能，這也造成了粉碎噪音過大和粉碎部件磨損加快；三是現(xiàn)有粉碎機(jī)的作業(yè)對象主要是青貯飼料或樹枝，對秸稈尤其是水稻秸稈適應(yīng)性較差。

針對上述問題和秸稈粉碎需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種低速剪切式粉碎機(jī)并開展了理論分析、樣機(jī)試制和試驗(yàn)驗(yàn)證，以期研制出粉碎粒度集中、噪音低、粉塵少的秸稈粉碎機(jī)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

低速剪切式粉碎機(jī)主要由電機(jī)、減速機(jī)、底座、箱體、清理齒、間隔盤、主粉碎輥、副粉碎輥、粉碎齒盤及導(dǎo)流板組成，如圖1所示。其中粉碎齒盤是周向?yàn)榈洱X的圓盤結(jié)構(gòu)，是粉碎機(jī)的關(guān)鍵部件，粉碎齒盤與間隔盤交替安裝粉碎輥上，主粉碎輥與副粉碎輥上的粉碎齒盤交錯(cuò)安裝，清理齒深入相鄰的兩個(gè)粉碎齒盤之間，減速機(jī)直接與粉粹輥相連，并驅(qū)動(dòng)粉碎輥相向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Machine structure1.電機(jī) 2.減速機(jī) 3.底座 4.箱體 5.清理齒 6.間隔盤7.主粉碎輥 8.副粉碎輥 9.粉碎齒盤 10.導(dǎo)流板

1.2 工作原理

秸稈放置在粉碎輥上方，在粉碎輥轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，粉碎齒盤上的齒帶動(dòng)秸稈向中間聚攏，當(dāng)兩個(gè)齒盤的齒交錯(cuò)時(shí)，完成對秸稈的切割；清理齒可以將粉碎齒盤間的物料清除，以防止物料卡住粉碎齒盤而導(dǎo)致堵塞，若粉碎負(fù)荷超出設(shè)定值，電機(jī)反轉(zhuǎn)后再正轉(zhuǎn)，將堵塞的物料調(diào)整姿態(tài)后重新粉碎。

秸稈低速剪切粉碎機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)Tab. 1 Main technology index

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

粉碎齒盤的實(shí)物圖如圖2所示，低速剪切粉碎機(jī)的工作部件材質(zhì)使用了工具鋼，具有任性好，耐磨強(qiáng)度大的特性。該部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全影響了設(shè)備的性能，如秸稈粉碎長度、生產(chǎn)效率、能耗等，因此是本次研究的重點(diǎn)。其粉碎秸稈的機(jī)理如下。

粉碎齒盤的圓周上均勻分布有若干個(gè)齒，假設(shè)每個(gè)齒有正面和背面，如圖3所示，正面和背面重合的邊稱為正刃，正面和背面與粉碎齒盤側(cè)面相交的邊為正邊刃與背邊刃，相鄰粉碎齒之間的部分稱為粉碎腔室。

圖2 粉碎齒盤實(shí)物圖Fig. 2 crushing gear disc

圖3 齒盤結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Structure diagram of crushing gear disc1.秸稈 2.背邊刃 3.正刃 4.正邊刃

工作時(shí)，秸稈落在粉碎輥上方，如圖4所示，在重力和轉(zhuǎn)動(dòng)作用下，秸稈落入粉碎腔室并強(qiáng)制向中間擠壓，在擠壓的過程中，秸稈由蓬松變?yōu)榫o實(shí)，當(dāng)主粉碎輥上粉碎齒盤的正邊刃、背邊刃與副粉碎輥上粉碎齒盤交叉時(shí)形成對秸稈的剪切作用，從而實(shí)現(xiàn)秸稈粉碎，如圖5所示。

圖4 秸稈粉碎過程示意圖Fig. 4 Schematic diagram of straw crushing process

圖5 秸稈剪切示意圖Fig. 5 Schematic diagram of straw crushing1.粉碎齒盤 2.秸稈

2.1 粉碎齒盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

假設(shè)秸稈與粉碎齒盤軸向的夾角α，理想狀態(tài)下秸稈與軸線平行時(shí)，秸稈的切斷長度最短，如圖6中的狀態(tài)1所示。因?yàn)榇蟛糠值慕斩捊?jīng)過由蓬松到緊實(shí)的過程后與齒面形成的夾角α較小，形成如圖6中的狀態(tài)2、狀態(tài)3，此時(shí)秸稈的理論切碎長度為d/sinα。存在一種特殊情況，即如圖6中狀態(tài)4所示，與齒面形成的夾角α接近90°，此種狀態(tài)下，粉碎齒盤的側(cè)刃無法切割秸稈，秸稈被正刃切割，如圖7所示，理論上的長度為相鄰兩個(gè)正刃的距離相等。所以，秸稈的理論切斷長度

l1≤l

(1)

式中：d——齒盤厚度，mm；

α——秸稈與齒盤軸向夾角，(°)；

l——齒距，mm。

因?yàn)榻斩拰?shí)際上并非是理想直線形狀的，而是彎曲的或者是彎折的，因此存在長度l1大于l的粉碎物料。

本次研究要求秸稈粉碎粒度要求達(dá)到30 mm以下，所以齒距l(xiāng)取值為30 mm，齒盤厚度d取值為10 mm，秸稈粉碎粒度理論長度大部分集中于10～30 mm之間。

圖6 秸稈切割狀態(tài)示意圖Fig. 6 Status of cutting straw

圖7 粉碎齒盤正刃切割示意圖Fig. 7 Schematic diagram of cutting edge1.粉碎齒盤 2.秸稈 3.正刃

按照設(shè)計(jì)要求，研制生產(chǎn)效率為1.5 t/h以上，粉碎長度小于30 mm，粉碎合格率大于80%的粉碎機(jī)。本次研究中設(shè)計(jì)了厚度為10 mm，齒距為30 mm的粉粹齒盤，其余的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 粉碎齒輥設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 2 Design parameters

生產(chǎn)效率是衡量秸稈粉碎機(jī)性能的指標(biāo)之一，生產(chǎn)效率的估算方法則是粉碎機(jī)設(shè)計(jì)的依據(jù)。秸稈低速剪切粉碎機(jī)的生產(chǎn)效率與粉碎齒盤的轉(zhuǎn)速、外徑、齒深、齒數(shù)及齒間草料的充滿系數(shù)有關(guān)。秸稈被粉碎齒盤強(qiáng)制帶動(dòng)的部分(即填充于粉碎齒盤齒間的秸稈)為可以粉碎的秸稈，因秸稈流動(dòng)性極差，不能完全填充在粉碎齒盤之間，將可填充的草料與粉碎齒之間的體積比值定義為填充系數(shù)k，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，填充系數(shù)約在0.2～0.4之間較為合理，本文中取填充系數(shù)為0.28。因粉碎齒盤的外形多樣，齒面多有弧線設(shè)計(jì)，不利于計(jì)算，關(guān)于低速剪切粉碎機(jī)的相關(guān)研究資料甚少。本文采用三角形法，粗略計(jì)算。具體方法如圖8所示，連接相鄰粉碎齒的齒尖和齒根，構(gòu)成直角三角形，則三角形的高為等于齒深h，斜邊的長度等于齒距l(xiāng)，面積

(2)

式中：S——三角形的面積，m2；

h——齒深，mm。

假設(shè)粉碎齒盤的齒數(shù)有n1個(gè)，粉碎齒輥的長度為l2，則轉(zhuǎn)一圈粉碎的秸稈的體積

(3)

2個(gè)齒輥同時(shí)工作，則秸稈的粉碎效率

(4)

(5)

式中：n——粉碎輥轉(zhuǎn)速，r/min；

m——粉碎秸稈的質(zhì)量，kg；

ρ——秸稈密度，kg/m3。

圖8 齒間面積圖示Fig. 8 Area between two teeth

理論上滿足以生產(chǎn)效率為1.5 t/h生產(chǎn)條件下，粉粹齒盤的外形結(jié)構(gòu)，齒輥的長度及轉(zhuǎn)速有多種選擇，在此理論的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇了齒深為12 mm，齒數(shù)為13，粉碎輥長度為0.8 m的結(jié)構(gòu)。

2.2 粉碎齒盤的安裝

切割可分為正切與滑切，滑切相對正切切割阻力小，因此在切割的過程中，應(yīng)盡量減少粉碎齒盤對秸稈的正切作用，降低工作負(fù)載。假定在主軸與副軸上的粉粹齒盤結(jié)構(gòu)相同，則在主軸與副軸的中心上分別建立坐標(biāo)系O1和O2，假設(shè)距離O1坐標(biāo)系x軸正方向最近的粉碎刀齒正刃和粉碎圓盤中心的連線與x軸的夾角為安裝相位角θ1，距離O2坐標(biāo)系x軸負(fù)方向方向最近的粉碎刀齒正刃和粉碎圓盤中心的連線與x軸的夾角為安裝相位角θ2，θ1與θ2的差值為θ。如圖9(a)所示，當(dāng)差值θ為0時(shí)，則在切割物料時(shí)，物料受力左右對稱，切割時(shí)難以產(chǎn)生滑動(dòng)，此時(shí)的切割主要為正切。當(dāng)θ值不為0時(shí)，假設(shè)秸稈的質(zhì)心為O，背邊刃與秸稈接觸的點(diǎn)的曲率中心為O3，正邊刃與秸稈接觸點(diǎn)的曲率中心為O4，連接O與O1，O與O2并分別做垂線，垂線方向?yàn)榻斩捯苿?dòng)的速度的方向，分別為v2、v1，運(yùn)動(dòng)速度合成定理確定實(shí)際瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)方向v，連接O與O3，O與O4，表示正切刃與背切刃切割秸稈的法向方向，從圖10中可看出正切刃與背切刃的法線方向均與秸稈的運(yùn)動(dòng)方向存在一定的夾角，由此判定此時(shí)粉碎齒盤對物料的切割主要為滑切作用。因此，為降低切割對動(dòng)力的需求，應(yīng)增加對物料切割時(shí)的滑切作用，減少對物料切割的正切作用，可采用不同外形的粉碎齒盤、粉粹齒盤直徑、不同的軸的轉(zhuǎn)速或控制安裝相位角等方法。

因可通過設(shè)置主粉碎輥、副粉碎輥上粉碎齒盤的不同外形、粉碎齒盤不同直徑或不同的轉(zhuǎn)速來相應(yīng)地減少正切作用，增加滑切作用。為了降低研究難度與成本，本文采用主粉碎輥和副粉碎輥上外形結(jié)構(gòu)相同的粉碎齒盤，且主粉碎輥和副粉碎輥轉(zhuǎn)速相同，通過控制安裝相位角的方法增加滑切作用，安裝相位角差采用相差半個(gè)齒距，剪切秸稈的狀態(tài)如圖9(b)所示。

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(6)

式中：z——粉碎齒數(shù)。

(a)

(b)圖9 相位角安裝示意圖Fig. 9 Diagram of installation phase angle

圖10 滑切示意圖Fig. 10 Schematic diagram of sliding cutting

3 秸稈粉碎試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)設(shè)備主要有多功能電度表，型號(hào)：DTZ4921，用于測量電耗；水分測量儀，型號(hào)：PM-8188-A，用于測量秸稈含水率；電子天平，精度為0.1 g，用于測量取樣樣品的重量。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的低速剪切粉碎機(jī)的性能，搭建了如圖11所示的試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)平臺(tái)包含上料機(jī)、對輥粉碎機(jī)、緩存料箱、輸送皮帶等，工作時(shí)將秸稈連續(xù)均勻鋪放在在上料機(jī)上，經(jīng)上料機(jī)提升后落入對輥粉碎機(jī)中，粉碎后的物料經(jīng)緩存料箱和皮帶輸出。

圖11 試驗(yàn)裝置Fig. 11 Test device1.上料機(jī) 2.粉碎機(jī) 3.緩存料箱 4.輸送皮帶

3.2 試驗(yàn)方案

稱量200 kg的玉米秸稈作為試驗(yàn)原料，記錄粉碎所用的時(shí)間、電耗及測量含水率，重復(fù)3次，測平均值；粉碎完成后再隨機(jī)取樣粉碎后物料作為樣本，按照長度0～10 mm、10～20 mm、20～30 mm、30 mm以上4種規(guī)格進(jìn)行分類，并稱量重量，用于計(jì)算粉碎長度比重，計(jì)算方法如下。

(7)

式中：mi——每個(gè)粉碎長度區(qū)間的物料重量，g；

mz——隨機(jī)取樣的物料重量，g；

粉碎效率

(8)

式中：mg——秸稈總重，kg；

t——粉碎時(shí)間，s；

N1——粉碎效率，t/h。

單位能耗

(9)

式中：P——粉碎秸稈的噸能耗，(kW·h)/t；

w1——粉碎前多功能電度表度數(shù)，kW·h；

w0——粉碎后多功能電度表度數(shù)，kW·h；

ma——粉碎秸稈的總重量，kg。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

粉碎后的玉米秸稈形狀規(guī)則成條狀，切口整齊，如圖12所示，說明在粉碎過程中主要存在剪切作用，粉碎揉搓作用不明顯。測量數(shù)據(jù)如表3所示，玉米秸稈粉碎長度分布如圖13所示。

圖12 玉米秸稈粉碎后狀態(tài)Fig. 12 Status of straw crushing

表3 玉米秸稈粉碎試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)Tab. 3 Statistics of straw crushing test data

圖13 玉米秸稈粉碎長度統(tǒng)計(jì)Fig. 13 Statistics of crushing length of corn straw

從表3可以看出，秸稈的噸能耗為6.7～6.9(kW·h)/t，單位粉碎能耗穩(wěn)定。秸稈的含水率對粉碎效率有影響，含水率越高時(shí)，粉碎效率越高，當(dāng)含水率為55%時(shí)，粉碎效率最高達(dá)2 t/h，粉碎腔室的填充與秸稈的體積關(guān)聯(lián)緊密，理論上單位時(shí)間內(nèi)粉碎的秸稈的體積是不變的，含水量增加后，粉碎秸稈的重量增加。

從圖13可以看出，粉碎齒盤厚度為10 mm，齒距為30 mm時(shí)，玉米秸稈的粉碎長度相對集中于10～20 mm 范圍區(qū)間內(nèi)，比重達(dá)51%～53%；粉碎長度在0～30 mm之間的比重達(dá)92%～95%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。秸稈長度在30 mm以上的比重達(dá)5%～8%，符合理論分析結(jié)果，這部分的比重值應(yīng)取決于物料本身的物理特性。

4 結(jié)論

1) 本文對低速剪切粉碎機(jī)的粉碎原理、齒盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及齒盤的安裝方式進(jìn)行了研究，得出秸稈的理論粉碎長度主要由齒盤的厚度和齒距決定，并設(shè)計(jì)了厚度為10 mm，齒距為30 mm，直徑為125 mm粉碎齒盤，為低速剪切式粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

2) 通過對玉米秸稈的試驗(yàn)，秸稈的粉碎長度小于30 mm的合格率達(dá)92%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；秸稈的含水率對生產(chǎn)效率有影響，含水率高時(shí)，粉碎效率高；粉碎齒盤主要對秸稈形成剪切作用，秸稈的粉碎形態(tài)規(guī)整，切口整齊。