香蕉秸秆粉碎机的设计

吴松凌，张燕

摘要：根据香蕉秸秆的物理性质，结合切割粉碎、挤压粉碎等原理设计了一款高效节能的香蕉秸秆粉碎机。此机器的粉碎机构由粗粉碎机构、精粉碎机构、脱水机构三大部分组成。该机器的实现能够降低人工的劳动强度，使蕉农的利益最大化。

关键词：香蕉秸秆;粉碎;脱水

中图分类号：S224.29        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2014）23-5868-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.063

香蕉是深受人们喜爱的水果，主要种植在热带亚热带地区。在中国的海南省，香蕉种植是当地农业的支柱产业。

在香蕉成熟被采摘后，香蕉秸秆无法得到合适的处理，成为一个令人困扰的问题。由于中国农业机械化水平不高，大部分香蕉秸秆采用人工收割的方式。这种方式耗费人力，效率低，危险性高[1]，收割后的香蕉秸秆还会占用很多田地来堆放，不仅使香蕉秸秆无法得到利用，还延滞了香蕉产业的发展[2]。

由于香蕉秸秆含水率高并且粗大，现今研究的一些机械设备并不能很好地解决香蕉秸秆粉碎的问题。为此设计了一种香蕉秸秆粉碎脱水装置，可有效粉碎粗大的香蕉秸秆并脱水。设计的装置可使香蕉秸秆利用最大化，保证了蕉农的经济利益。

1  香蕉秸秆粉碎机总体结构及工作原理

1.1  香蕉秸秆粉碎机总体结构

设计的香蕉秸秆破碎脱水机由送料机构、切块装置、粉碎装置和脱水装置组成。送料装置由送料口下的滚动轴和送料口两侧的凸轮结构组成;切块装置由液压系统控制的刀具和刀具下方的凹槽组成;切碎装置由电机带动的一系列齿式轮组成;脱水装置由螺旋式脱水机构和滤网组成。香蕉秸秆粉碎机整体结构见图1。

1.2  香蕉秸秆粉碎机工作原理

香蕉秸秆由人工送至送料口凸轮处，轮转动挤压香蕉秸秆，装置在进料口下方的滚动轴处便于使其向右运动。运动一段距离后，由液压系统控制的刀具向下切割，为保证切断，在刀具下方设有凹槽。切断后的香蕉秸秆落下进入齿式轮破碎部分，由于香蕉秸秆自身重力，香蕉秸秆被充分破碎。破碎后的香蕉秸秆由斜板落入倾斜放置的螺旋脱水机。脱出的水分由滤网进入水箱，脱水后的秸秆由螺旋脱水装置尾部出料。至此香蕉秸秆破碎出料完成。系统工作流程见图2。

2  香蕉秸秆粉碎机主要结构设计

2.1  进料结构

由于香蕉秸秆含水量高，且粗大沉重，为了方便送料，采用凸轮挤压，滚动轴减小摩擦力的方式进料，也能更好地控制进料速度，便于刀具切割。位于进料口的滚动轴可以更方便地运料。在运送香蕉秸秆时，不可避免地会出现长时间的摩擦，滚动轴这一设计不仅提高了香蕉秸秆的运送效率，还大大减小了秸秆与机架间的摩擦。凸轮机构由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成。凸轮机构紧凑并且能够实现高速化，凸轮独特的运动特性大大减小了机构循环运动的时间。凸轮结构简单，这点保证了凸轮的长寿命，修复能力强。进料口结构图见图3。

2.2  切块装置

2.2.1  切块刀具的设计  香蕉秸秆的切割过程属于低速切割，不需要耐热性强的材料，但是要求刀具硬度高，耐磨性强，抗弯强度高，因此选用T10A碳素工具钢作为刀具材料。首先对刀具进行热轧，退火。750～770 ℃保温处理4 h，炉内冷却至500 ℃出炉，再经过770～790 ℃水油双淬，790～810 ℃油淬，180～200 ℃回火。由于秸秆含水量高，为防止刀具受腐蚀，对刀具进行氮化处理。刀具形状设计为凹弧形，可减小刀刃受力，提高刀具寿命;刀具长40 cm，固定在液压推杆上。刀具结构图见图4。

2.2.2  液压系统  由于凸轮挤压香蕉秸秆使其向前运动是周期性的，采用液压系统来控制刀具切割，可以实现刀具切割与进料周期一致。通过调节凸轮转速和液压系统可以控制机器的工作速率以及破碎精度，并且液压传动可以输出大的推力，实现大吨位运动，这样可保证香蕉秸秆一次性被切断，不会产生粘连等问题。液压系统执行元件相对较小，工作平稳，容易实现直线运动，又易于实现过载保护，因此选用液压传动系统来控制刀具切割。

液压泵在电动机的带动下旋转，油液由油箱经过滤器被吸入液压泵。由液压泵输入的压力油经过换向阀进入液压缸一侧推动活塞，带动推杆上的刀具进行切割运动，液压缸另一腔的油液经过换向阀流回油箱，推杆的移动速度可通过节流阀来调节。当节流阀开大时，进入液压缸的油液增多，推杆的移动速度增大，则刀具切割速度增大。当节流阀关小时，推杆的移动速度减小，则刀具切割速度减小。液压泵输出的压力油除了进入节流阀外，其余的打开溢流阀流回油箱。液压系统结构见图5。

2.3  齿式破碎装置

2.3.1  电机转速的设计  齿式破碎装置的传动机构主要由电动机、传动轴、一二级变速箱组成。一级变速箱为带轮传动，二级变速箱为齿轮传动，传动起到调节速度大小与方向的作用。一般粉碎机主轴转速为5 000 r/min，但是该粉碎装置只对秸秆进行切割，并不利用挤压力和剪切力对秸秆进行粉碎，因此主轴转速设计为2 000 r/min。电机选用转速为2 880 r/min的电机，高速电机的皮带轮小，摩擦力小，因此功率损失也小，效率更高。

2.3.2  粉碎刀具的设计  香蕉秸秆多为纵向纤维组织构成，采用一般粉碎机构的剪切力和挤压力很难粉碎。为此设计一种特殊的粉碎刀具，结构见图6。刀具在电机的带动下高速转动，刀齿有效地将纤维组织横向切断，达到粉碎的目的[3]。

2.4  螺旋脱水装置

用一般的挤压方式很难将含水量高、体积大的香蕉秸秆一次性脱水。为此，设计采用开口大、出口小的螺旋脱水装置。秸秆由进料口进入，利用螺旋轴转动使秸秆向下推进，由于螺旋槽空间逐渐变小，使秸秆受到挤压而脱水。螺旋叶片焊接在螺旋主轴上，其特点是成本低，加工方便。由于螺旋叶片长时间高强度的运作，磨损较快，会影响装置的使用寿命。因此螺旋叶片采用合金钢，在加工后进行表面淬火。其结构如图7所示。

3  小结

现如今，针对香蕉秸秆粉碎的装置种类为数不多，并且存在粉碎效率低，脱水不彻底等问题[4]。在中国热带亚热带的农业地区，研究此类项目很有必要。该香蕉秸秆粉碎机设计基于液压传动原理，采用二次粉碎和螺旋挤压脱水的方式，能够有效地提高粉碎效率与脱水效率。该设计的实现不仅降低了人工的劳动强度，使蕉农的利益最大化，而且合理利用了资源，促进生态循环，响应了中国发展生态循环农业的号召[5]。

参考文献：

[1] 张汉荣，刘长全，朱建荣.我国香蕉科技研究的几点思考与建议[J].热带农业科学，2006，26（6）：55-58.

[2] 陈赵匀，武传宇，胡旭东，等.农业机器人的研究进展及存在的问题[J].农业工程学报，2003，19（1）：20-24.

[3] 陈义厚，邹必昌.莲藕切片机的设计与研究[J].湖北农学院学报，2003，23（6）：442-444.

[4] 杨  华，许继宏.香蕉副产品的净化处理与综合利用[J].云南农业科技，2006（4）：62-64.

[5] 邓怡国，孙伟生，王金丽，等.热带农业废弃物资源利用现状与分析——香蕉茎叶综合利用[J].广东农业科学，2011（1）：19-22.endprint