葡萄残枝粉碎机的设计与试验研究

2016-04-23马龙兵孟海明李景彬石河子大学机械电气工程学院新疆石河子832000

安徽农业科学 2016年6期

关键词：设计

马龙兵，张杰，孟海明，李政，王华，坎杂，李景彬　(石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832000)

葡萄残枝粉碎机的设计与试验研究

马龙兵，张杰，孟海明，李政，王华，坎杂，李景彬*(石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832000)

摘要针对新疆葡萄残枝产量大、利用率低、传统焚烧易污染环境等问题，结合传统秸秆粉碎机的结构及葡萄枝条的力学特性，设计一种新型的“刨削+粉碎”相结合的枝条粉碎机，重点确定了葡萄残枝粉碎机的切削机构、粉碎机构、传动机构等关键机构，并进行了粉碎试验。试验结果表明，该葡萄残枝粉碎机生产率为800 kg/h，用筛分法得出粒度在1～5 mm的占比为73.63%，主要性能指标达到设计要求。

关键词粉碎机；葡萄残枝；设计；传动式

Design and Test Research of Grape Branch Debris Pulverizer

MA Long-bing, ZHANG Jie, MENG Hai-ming, LI Jing-bin*et al

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi, Xinjiang 832000)

AbstractDue to the large output of grape debris, the low utilization ratio and the environmental pollution by traditional burning in Xinjiang, we designed a new branch pulverizer combining planing with grinding, based on the mechanical property of grape branch and the structure of traditional straw pulverizer.The cutting mechanism, crushing mechanism and transmission mechanism of grape debris pulverizer were determined.Crushing test was carried out.Research results showed that the productivity of grape branch debris pulverizer was 800 kg/h; the 1-5 mm particle size by sieving method accounted for 73.63%; and the main performance index reached the design requirements.

Key wordsPulverizer; Grape branch debris; Design; Driving style

葡萄原产于欧洲、西亚和北非一带[1]，我国栽培葡萄也已有2 000多年历史，品种有上千个。我国新疆的地理位置、气候条件及其独特的自然生态环境等十分有利于葡萄的生长，生产的葡萄具有品质好、单产高、营养丰富等特点，并且病虫害轻，极少使用农药，具有其他葡萄产区无法比拟的独特优势[2]。近年来，新疆依托优势资源，大力发展特色产业和进行农业结构调整，葡萄产业得到了快速健康的发展，种植面积、产量和深加工能力大幅提高[3-4]。

越冬前，要对葡萄藤蔓、枝条进行修剪。据调研，新疆地区每年修剪后的葡萄残枝高达10万t[5]。目前，修剪后的残枝一般采用集堆(条)后焚烧处理，影响土壤肥力且造成环境污染。为了更好地处理葡萄残枝，应研制残枝粉碎处理相关机具，对残枝进行粉碎后掩埋，可有利于残枝的腐化，改善土壤品质。而目前，新疆地区此环节还没有实现机械化，完全依靠人工在田间将残枝收拢拉至田间地头焚烧。因此，亟需研制出葡萄残枝粉碎机以解决大量葡萄残枝就地及时直接还田问题。

1总体结构与原理

注：1.联轴器;2.齿轮箱;3.V带;4.进料口;5.上机体;6.出料口;7.带轮;8.转子;9.筛片;10.扇叶片;11.锤片;12.切削刀;13.刀盘;14.U形卡;15.车。　Note: 1.Coupling; 2.Gear box; 3.V belt; 4.Feed inlet; 5.Upper engine body; 6.Discharge hole; 7.Belt wheel; 8.Rotor; 9.Mesh pieces; 10.Fan blades; 11.Hammer; 12.Cutting chin; 13.Cutter; 14.U-shaped card; 15.Trolley.图1　葡萄残枝粉碎机结构Fig.1　Structure of grape branch debris pulverizer

1.1葡萄残枝粉碎机结构及组成该葡萄残枝粉碎机由机体、切削装置、粉碎装置、传动装置及进、出料口等组成。如图1所示，机体分上机体和下机体两部分。上机体设有切向进料的进料口，下机体内安装有筛片且设有排料口。切削装置主要为刀盘，刀盘上装有切削刀。粉碎装置包括锤架板、锤片、销钉、扇叶片和隔套等。传动装置中，由拖拉机输出轴将动力传递给齿轮箱，齿轮箱通过V带传动将动力输出给转子带动粉碎机主体工作。1.2工作原理该葡萄残枝粉碎机工作时，葡萄残枝由进料口进入机体，首先由切削装置进行削段，削段后的葡萄残枝在重力的作用下落入切向式粉碎装置粉碎室进行粉碎，经高速旋转的锤片打击，并在打击力作用下飞向筛板，与之撞击后被弹回，再次受到锤片的打击和筛板的撞击，如此反复，达到粉碎粒度，并从筛孔中漏出。从筛孔中漏出的碎料在扇叶片辅助吹动下快速出料，实现进料、削段、粉碎、出料过程。

2关键部件的结构设计及分析

2.1传动机构葡萄残枝粉碎机由拖拉机动力输出轴输出，若直接采用动力输出轴输出则转速达不到联合机所需转速要求，且拖拉机动力输出轴的旋转方向与联合机主轴的旋转方向不在同一平面内，而是分别在两个近似正交的平面。因此，需要设计换向变速机构，通过对速度的升高和转动方向的改变,实现动力传递的正确性。

该粉碎机通过联轴器将拖拉机输出轴动力传递给齿轮箱，齿轮箱中由2个锥齿轮换向，后带动V带传动。工作机构中，齿轮箱通过V带传动带动转子，转子轴转动带动切削装置与粉碎装置进行切削粉碎。转速先由齿轮箱变速，其传动比i=2，再通过传动比i=2的带轮传动使转速再次提高以达到所需转速，示意图如图2所示。

注：1.联轴器；2.齿轮箱；3.V带；4.刀盘。Note: 1.Coupling; 2.Gear box; 3.V belt; 4.Cutter. 图2　传动机构示意Fig.2　Schematic diagram of driver

2.2切削机构切削刀盘作为粉碎机的关键部件之一，其作用是将葡萄残枝切削成细片状，因此切削刀盘的转速、切削刀的安装参数对切削力和切削功率都有很大影响。在刀盘上布置切削刀时要考虑满足削片的条件，保证连续切削和最小功率。在该葡萄残枝粉碎机中刀盘上装有4把切削刀，呈圆周排列，受到转子轴、轴承座以及进料口的影响，留有适当的余量，同时考虑切削刀通过进料口的组合长度应大于进料口的宽度，即根据切削刀的尺寸设计安装孔的位置，较近的切削刀安装槽到转子轴中心线的距离为75 mm，较远的切削刀距转子轴中心线的距离为145 mm(75 mm+70 mm)，再加上切削刀宽度及边缘尺寸，取刀盘的外径为500 mm较为合理。考虑刀盘作为飞轮，必须保证能够提供较大的转动惯量，以产生足够大的切削力切削较大直径的残枝，取刀盘厚度为40 mm。切削机构简图如图3所示。

注：1.切削刀；2.刀盘。Note: 1.Cutter blade; 2.Plate.图3　切削刀盘结构简图Fig.3　Schematic diagram of cutter blade plate

切削刀是葡萄残枝粉碎机的主要部件之一，其性能对葡萄残枝粉碎机的工作起重要作用[6]。考虑到葡萄枝有分出的枝桠，且是多根进料，进料口设计得相对较大，取150 mm×150 mm；根据这些主要参数，切削刀采用100 mm×60 mm合金钢，厚度为10 mm，并进行调制处理，以增强耐磨性。切削刀有刃口，磨损后能够磨刃，刀上开有长孔，以固定在刀盘上，可以根据切削要求来调节切削刀与刀盘的间隙，同时增加或减少垫片，来调节冲出量。切削刀结构简图如图4所示。

图4　切削刀的设计Fig.4　Design of cutter blade

2.3粉碎机构粉碎机构主要由锤片、扇叶片、筛网组成，结构示意如图5所示。被切削后的物料进入粉碎机构，然后进一步粉碎，达到粒度要求。在粉碎机构中，安装了3组锤片，每组安装2把，每个锤片的端部加工成梯形，这样增加了锤片的刃口，同时每个锤片均开刃，增强了粉碎效果，满足要求[7]。

注：1.主轴;2.扇叶片;3.锤片;4.筛网。Note: 1.Principal axis; 2.Fan blades; 3.Hammer; 4.Screen cloth.图5　粉碎机结构示意Fig.5　Schematic diagram of pulverizer

扇叶片主要为葡萄枝削片粉碎机提供风力并对削片后的葡萄枝木片进行锤打来起到一定的粉碎作用。考虑到径向型叶片磨损和积垢较小，加工方便等优点，该粉碎机采用径向型叶片，扇叶片的直径为242 mm。

从动平衡的因素和制造周期考虑，3片扇叶片及锤片安装支架采用两两夹角120°焊接而成[8]。粉碎扇叶片结构简图如图6所示。

图6　粉碎扇叶片结构简图Fig.6　Structure of crushing fan blades

锤片是粉碎机最主要的、也是最易损耗的工作部件[9]，其尺寸、形状、工作密度与排列方式、材料材质与制造工艺等，对粉碎效率和工作质量均有较大的影响。所以此次设计所选用的锤片为双孔型矩形锤片，锤片选用的材料为45号中碳钢，热处理后淬火区硬度应达到HRC 50～57，结构简图如图7所示。

图7　锤片的设计Fig.7　Design of hammer

锤片选用对称交错排列，对应两组锤片对称安装，转子上对应两销轴上所受的力可以相互平衡，转子运行更加平稳，且锤片安装简单方便，各锤片磨损较为同步。排列方式见图8所示。

图8　对称交错排列方式Fig.8　Symmetric staggered arrangement mode

筛片是锤片式粉碎机主要的工作部件和易损件之一，其

对粉碎效率和粉碎质量有较大影响[10]。筛片选用圆柱形孔筛，结构简单，制造方便，应用最广，如图9所示。

筛孔的孔形状和筛片厚度以及有效筛孔面积(开孔率)都是影响粉碎机工作特性的因素，筛孔直径设计为6 mm。

图9　圆柱形冲孔筛片Fig.9　Mesh pieces of cylindrical punching

3实验结果与分析

2014年4月，笔者课题组在石河子大学机械电气工程学院实验场采用葡萄残枝进行切削粉碎试验，残枝主要来源于秋后剪枝，平均含水率为6.21%，平均直径在50～150 mm，主要对葡萄残枝粉碎机的生产率及粉碎颗粒度等参数进行检测，结果如图10所示。经测试，该葡萄残枝粉碎机的平均生产率为800 kg/h，用筛分法得出粒度在1～5 mm的占比73.63%。由实验结果可知，整机的设计强度和制造工艺基本达到要求，且整机操作简单、安全可靠。

4结论

该研究采用先切削后粉碎的原理，设计了切削粉碎刀盘，提高了对葡萄残枝的切削粉碎能力，在此基础上研究开发了一种基于“刨切+锤片式粉碎”相结合的葡萄残枝粉碎机。选用直径为50～150 mm的葡萄残枝，机器运行平稳，生产率达800 kg/h，粉碎后的颗粒度1～5 mm的占比为73.63%，粒度质量较好，能够满足成型要求。