切碎组合式木薯秸秆粉碎机关键部件设计

郑美云，廖宇兰，刘世豪，杨　怡，王　涛

(海南大学 机电工程学院，海口　570228)



切碎组合式木薯秸秆粉碎机关键部件设计

郑美云，廖宇兰，刘世豪，杨怡，王涛

(海南大学 机电工程学院，海口570228)

摘要：针对收获后木薯秸秆资源浪费程度高和机械化处理程度低等问题，设计了一种木薯秸秆切碎机。该机采用先切断再粉碎的组合方式将木薯秸秆集中切断并粉碎。该机主要由间歇输送装置、切割装置和粉碎装置组成。切割刀具采用锯齿形圆盘刀，切割断面好、工作效率高，并选定液压缸作执行机构，以实现对木薯秸秆切割的循环作业。木薯秸秆输送装置采用不完全齿轮带动滚筒间歇性运转，通过带传动，实现输送装置的间歇性输送。粉碎刀具采用具有很高硬度和耐磨性的优质碳素工具钢T12作为刀具材料，形状选用Y型甩刀，可缓解拐角处的应力集中，而且斜切的方式更省力。刀具排列方式采用均力免震法，可提高机器的平衡性和减少振动。

关键词：木薯秸秆；切割刀具；间歇性输送装置；粉碎刀具

0引言

木薯用途广泛，可食用、加工成饲料及各种工业开发利用[1]。据统计，全世界木薯产量的65% 是用于人类食用[2]。木薯还是一种生物质能源，可以制成燃料乙醇。作为一种重要的粮食、经济和能源作物[3-4]，木薯的市场需求逐年增大，据2013年统计，我国木薯的种植面积约46.7万hm2多，产量高达900万t多[5]。为了推进木薯产业的发展，研发集回收秸秆、收获木薯、块根分离和收集薯块等功能为一体的木薯联合收获机械必将是未来的发展趋势[6]。

木薯秸秆高、粗、分支多，占木薯产量的70%～80%[4]。目前，我国木薯种植一直是采取人工处理收获后的木薯秸秆，劳动强度大，机械化程度低，限制了木薯产业的发展。木薯秸秆富含粗纤维和碳水化合物，具有广泛的用途，可制成燃料、肥料和食用菌基料。为充分发挥木薯秸秆的利用价值，可将收获后的木薯秸秆进行集中粉碎，然后再加以利用。本文借鉴树干切断粉碎的原理和方法，制定了切碎组合式木薯秸秆粉碎机的设计方案，采用先切断再粉碎的组合方式，可有效提高木薯秸秆的粉碎程度。

1总体结构及工作原理

整机由不完全齿轮间歇输送装置、切割装置、粉碎装置及液压系统等组成，如图1所示。

1.木薯秸秆　2.皮带　3.滚筒　4.不完全齿轮间歇机构

工作时，首先将收获后的木薯秸秆收集成小捆，手动将成捆的木薯秸秆放到输送装置上由输送装置中的滚筒带动秸秆向切断装置方向进给；进给一段距离后，不完全齿轮的无齿部分使滚筒停止运动，同时切断装置上的旋转的刀具下降将秸秆切断，最后落入到粉碎装置中被粉碎；然后切割刀具上升，滚筒在间歇机构的作用下继续运转，木薯秸秆继续进给，为下一步切断木薯秸秆做准备。

2输送装置的结构设计

2.1　输送装置工作原理

输送装置是整机的重要组成部分，它影响着整个机器工作的可靠性和结构的复杂程度。木薯秸秆长度不一，且粗细不均，差别较大，为了保证木薯秸秆的稳定输送，对输送装置有较高耐冲击能力和实现间歇输送等要求。综合分析，木薯秸秆输送装置采用不完全齿轮间歇机构，带动滚筒间歇性运转，再通过带传动，实现输送装置的间歇性输送，以达到木薯秸秆的输送后切断。其结构简图如图2所示。

1.挡板　2.滚筒　3.皮带　4.不完全齿轮间歇机构

2.2　间歇机构和带传动

不完全齿轮结构简单，从动轮静止和运动的时间比例不受机构结构的限制，适用于低速或轻载场合[7]。木薯秸秆在传送过程中要与切割装置配合实现间隙进给，不完全齿轮机构可实现这一要求。不完全机构由主动轮和从动轮组成，如图3所示。主动轮的有齿部分与从动轮啮合时，从动轮跟随主动轮转动；主动轮无齿部作用时，从动轮无法啮合而停止不动，从动轮在主动轮做连续回转运动时可以得到间歇运动。

图3　不完全齿轮间歇机构简图

带传动运转平稳、噪声小，因本输送装置的两轴中心距离较大，因此选用带传动。传递带具有弹性，可缓和木薯秸秆的冲击和载荷的振动，带打滑时也可防止机器中其他零件的损坏[8]。不完全齿轮的间歇运动带动滚筒的间歇性运动，再通过滚筒与皮带之间的带传动，带动整个输送装置实现间歇性运动。

2.3　不完全齿轮参数计算

选K=5(从动轮所占的齿数)，Z2=Z1-1+K,Z1=9,Z2=13，则

Ra=

3切割装置的结构设计

3.1　切割原理

切割装置如图4所示。其中，液压马达支撑于机架上，通过联接轴与刀具连接。联接轴的一端用联轴器与液压马达的连接轴相配合联接；另一端用螺栓、螺母将刀具与焊接在联接轴上的钢块直接固定。工作时，液压马达直接带动刀具旋转，液压缸带动刀具和液压马达上下移动；向下移动时进行秸秆的切割，切割后往上移动到原位，再进行下一段切割。

3.2　切割器的种类及其确定

1)往复式切割器：割刀结构简单，做往复运动，适应性广泛。当往复式切割器切割粗茎秆作物时，由于切割时间长，刀片易变形，易出现撞刀、崩刀现象，且茎秆割茬不够整齐，切割器的磨损现象严重。因此，往复式切割器不适合切割木薯秸秆这类粗茎秆作物[9]。

2)圆盘式切割器：圆盘式切割器的割刀做回转运动，运动较平稳、切割速度高、切割能力强。缺点是其锯齿刃部一旦磨损，切割的阻力就会明显增加，导致切割的效率显著下降。该类切割器分有支撑切割和无支撑切割两种形式[10]。

3)甩刀式回转切割器：切割时振动大，功率损耗也大，产品初加工的质量也降低[11]。

经对以上3种切割器优缺点进行比较，根据本设计的实际需要，采用圆盘式切割器的无支撑切割形式。

1.刀具　2.连接轴　3.键　4.轴端盖　5.轴承

3.3　切割刀具的设计

木薯秸秆材质脆硬[12]，选用锯齿形圆盘刀具，这类刀具具有工作效率高、切割断面较好等特点。查刀具设计手册[13]，根据切割强度和装置的整体布局等要求，设计键槽直径D=63 mm，刀具直径d=200 mm，齿数为30，相邻两齿顶之间的夹角θ=57°，刀具厚度L=4 mm。为了提高刀片材料的抗冲击韧性，采用65Mn合金钢[14]，将锯齿形根部加工成小圆弧形，可防止在高速切割时发生应力集中损坏刀口。刀具结构如图5所示。

4粉碎刀具的结构设计

粉碎刀具的形状、材质、排列方式对粉碎效果有很大影响。木薯秸秆富含纤维且韧性较高，粉碎刀具的材料应该具有很高的硬度和耐磨性。因此，刀具选用优质的碳素工具钢T12材料，形状选用Y型甩刀。这种形状的刀具可缓解拐角处的应力集中，而且斜切的方式更省力，刀片有效长度为140mm，厚度为15mm，宽度为60mm，结构示意图如图6所示。

图5　锯齿形圆盘刀

图6　Y型刀示意图

合理的刀具排列方式可提高机器的平衡性和减少振动。刀具排列应满足刀轴受力均匀、径向受力平衡、相邻两刀片径向夹角较大等要求，本设计采用均力免震法，排列方式如图7所示。

图7　刀具排列示意图

5液压系统的设计

本液压系统控制刀具在一定的时间范围内完成木薯秸秆切割，其工作循环是快进→工进→快退→停止。因为液压缸的工作方向是垂直地面的，所以其工作负载为所要移动的总重量约为686N，工进进给要求的速度是0.2m/s，快进的速度是0.04m/s，快退的速度为0.32m/s。选定液压缸作执行机构，为了自动实现上述工作循环，采用行程开关及电磁换向阀实现顺序动作。

该系统为了实现快速运动，采用差动联接。在行程控制中采用机动滑阀，可使快进转工进时运行的速度平稳转换；当工进结束快退到终点时电器行程开关被压下然后运动停止。快进转工进后，系统不再差动联接，因为系统压力逐渐升高导致遥控顺序阀将被打开，此时回油经背压阀流回油箱。背压阀在此起到的作用是使工进时的运动平稳。液压系统原理图如图8所示。

1.滤油器　2.变量泵　3、6.单向阀　4、7.电磁换向阀

6结论

1)采用先切断再粉碎的组合方式，制定了木薯秸秆切碎机的设计方案，将收获后的木薯秸秆进行集中粉碎，可提高木薯秸秆的利用价值。

2)采用圆盘锯齿形切割器，切割断面好，工作效率高。选定液压缸作执行机构，自动实现刀具快进→工进→快退→停止的工作循环，以实现对木薯秸秆切割的循环作业。 木薯秸秆输送装置采用不完全齿轮带动滚筒间歇性运转， 再通过带传动，实现输送装置的间歇性输送。

3)粉碎刀具形状选用Y型甩刀，采用具有很高硬度和耐磨性的优质碳素工具钢T12作为刀具材料。这种形状的刀具可缓解拐角处的应力集中，而且斜切的方式更省力。刀具排列方式采用均力免震法，可提高机器的平衡性和减少振动。

参考文献：

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[3]黄洁,李开绵,叶剑秋,等.中国木薯产业化的发展研究与对策[J].中国农学通报,2006(5): 421-426.

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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

中图分类号：S817.12+2

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0176-04

作者简介：郑美云(1989-)，女，江西上饶人，硕士研究生，(E-mail) 474223041@qq.com。通讯作者：廖宇兰(1967-)，女，广东兴宁人，教授，硕士生导师，(E-mail) liaoyulan@sina.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51365011)

收稿日期：2015-09-25