青饲料收获机籽粒破碎装置的设计

薛 飞，陈立东，6*，李亚婧，杨宗炜，杨彩媛，李学永，孙明伟

(1 河北科技师范学院机电工程学院，河北 秦皇岛，066600；2 河北省滦南县职业教育中心；3 河北广电网络信息集团股份有限公司滦南分公司；4 河北省滦南县倴城镇中心学校；5 唐山鑫万达实业股份有限公司；6 河北科技师范学院农业机械工程技术中心)

青饲料收获机籽粒破碎装置的设计

薛 飞1，陈立东1，6*，李亚婧2，杨宗炜3，杨彩媛4，李学永5，孙明伟1

(1 河北科技师范学院机电工程学院，河北 秦皇岛，066600；2 河北省滦南县职业教育中心；3 河北广电网络信息集团股份有限公司滦南分公司；4 河北省滦南县倴城镇中心学校；5 唐山鑫万达实业股份有限公司；6 河北科技师范学院农业机械工程技术中心)

针对青饲料收获机在茎穗收获作业时蜡熟期籽粒难破碎，影响青饲料适口性及消化吸收难的问题，设计了用于提高青贮玉米籽粒破碎效率的对辊式籽粒破碎装置，基于SolidWorks对盘刀及破碎辊轴进行了静力学特性分析。经初步生产应用，该籽粒破碎装置结构紧凑，工作面长度远远超过了传统的破碎辊，大大降低了能耗，籽粒破碎率达到了90%以上。

青饲料收获机；籽粒破碎装置；刀盘；有限元分析

国内青饲料收获机械研发起步较晚，多是仿造国外产品，其性能和可靠性与国外产品相比还有较大差距。籽粒破碎技术在青饲料收获机上的应用越来越广泛，该技术可以提高青贮玉米特别是蜡熟期玉米的籽粒破碎率，促进青贮饲料的适口性及牲畜的消化吸收，如美国约翰迪尔7380型自走式青饲料收获机应用揉搓辊式玉米籽粒破碎技术，实现了对玉米籽粒的有效破碎，拆装方便，大大提高了维护保养效率[1]。国内青饲料收获籽粒破碎技术的研究还处于初始阶段，亟需设计出专用于青饲料收获机的籽粒破碎装置，以提高青饲料的切碎效果，促进饲料的消化吸收[2]。

1 总体结构设计

1.1 总体结构

籽粒破碎装置位于青饲料收获机的机架和抛料筒之间，是青饲料收获机在物料破碎领域的关键部件，其主要由破碎轴、锥形刀盘、刀盘间隙调节机构、壳体、带轮等组成，籽粒破碎装置的位置见图1，其基本结构组成见图2。

1.2 工作过程

青饲料收获机作业时，发动机的动力通过传动系统传到籽粒破碎装置的左右两个破碎轴上，刀轴高速旋转带动安装在刀轴上的多组刀盘相对转动，当玉米籽粒和秸秆通过左右刀轴上的刀盘间隙时，不同转速下(左侧刀盘组高速旋转，右侧刀盘组转速较慢)的两个破碎辊对物料进行揉搓、剪切破碎，在高速刀盘的带动下对物料产生向上的抛力，同时破碎装置刀盘旋转产生向上的气流推进了物料的抛送，从而使破碎的籽粒及粉碎的秸秆沿抛料筒抛送到随车料斗或运料车上，完成整个工作过程。

2 籽粒破碎装置关键部件的设计

2.1 破碎辊的设计

破碎辊由多组对置刀盘组组成，并分别安装在两个破碎轴上。每个破碎辊轴上设有20个锥形刀盘，相邻刀盘组之间形成工作槽，左右破碎轴上的刀盘组工作槽与刀盘组相对安装，使两破碎辊之间的工作面长度相比传统的破碎辊显著增加，并形成“丝”字形工作间隙(图3)。

2.1.1 刀盘的设计 刀盘设计为锥形刀盘，刀盘上加工出径向直刃的均匀的刀齿，相邻刀齿之间形成凹槽，其材料采用合金工具钢9SiCr[3]，形状见图4。

图1 青饲料收获机籽粒破碎装置的位置

图2 籽粒破碎装置的总体结构

2.1.2 刀盘静力学特性分析 刀盘静力学分析采用Solidworks进行仿真分析[4]，刀盘材料的弹性模量为190 GPa，泊松比取0.3，密度为7.9×103 kg/m3。

(1) 网格划分 采用四面体单元进行网格划分[5]，划分结果如图5所示。

(2) 约束条件 对刀盘轴孔施加全约束，对键槽同样施加全约束。

(3) 施加载荷 由于刀盘在切割时，物料中不仅有籽粒还有秸秆碎料，因此受力情况复杂。将作用在刀齿上的作用力简化为均布载荷，单元节点距为5 mm，施加力的大小为150 N[6]。

图3 青饲料收获机籽粒破碎装置中的破碎辊

1 斜面，2 刀齿，3 切削刃，4 键槽，5 轴孔，6内斜面图4 青饲料收获机籽粒破碎装置中的刀盘

经计算求解可以得到刀盘应力云图(图6)。从刀盘应力云图可以看出，本次设计的盘刀在使用中所受变形微小，符合大中型青贮的工作要求，而变形最严重的地方出现在刀齿两端的刃尖上。但是，由于盘刀在刀轴上的排列方式为相向排列，两个盘刀恰好合为一体，从而大大增加了刀片在高速旋转工作时的坚韧性，因此，此种刀盘的设计适合于用在该种机型的籽粒破碎装置中，相比其他的破碎部件，更适合于高速切削[7]。

图5 刀盘网格划分受力图 图6 刀盘应力云图

2.1.3 籽粒在刀盘间隙中的受力分析 工作时，籽粒受到左侧破碎辊上刀盘刀齿的力为F1，受右侧破碎辊上刀盘刀齿的力为F2，籽粒所受重力为G，左侧刀盘速度为v1，右侧刀盘速度为v2，且v1>v2。因此，破碎在刀盘上的综合受力为F1-F2-G，由于所受重力与刀盘作用力相比很小，可以忽略，因此，总的受力约等于F1-F2。由于经过一次切碎抛送装置时，左右刀盘速度不一样，籽粒在相对速度v相对及刀盘作用力下形成对秸秆及籽粒的揉搓撕裂作用，当F1-F2形成的剪切力大于籽粒的结合力时，秸秆或籽粒便被撕裂，其受力如图7所示。

图7 破碎装置工作时籽粒的受力分析

2.2 调节机构的设计

调节机构主要由刻度尺、调节螺栓(顶针)、摇杆、连杆、张紧弹簧、被顶件等组成(图8)。调节机构设计在破碎辊轴的两端，通过调节螺栓改变两个破碎辊轴的中心距，从而改变两破碎辊刀盘的间隙，当调节螺栓顺时针旋转时，摇杆以连杆的轴线为旋转中心向右转动，右侧破碎辊轴远离左侧破碎辊，两辊间隙变大，反之亦然(其间隙调整范围约为0～15 mm)，该调节机构可使籽粒破碎装置适应不同的作物籽粒的破碎作业要求。刻度尺的作用有两个：一是反映两辊间隙的大小，二是通过观察刻度尺上的数据使右侧破碎辊轴调整到轴线与左侧破碎辊平行的位置，否则，机体可能无法正常运转。张紧弹簧配合调节螺栓及连杆对刀轴起到固定、缓冲的作用[8]。

2.3 壳体的设计

为方便物料向上输送，需对籽粒破碎装置处的壳体进行特殊设计。籽粒破碎装置的壳体采用厚度为5 mm的钢板，壳体的两侧设有肋板，以增加其牢固性，壳体材料是屈服强度为235 MPa的碳素结构钢，壳体整体尺寸为540 mm×500 mm×1 400 mm。

2.4 破碎辊轴的设计

2.4.1 辊轴的结构 破碎辊轴长580 mm，材料选为42CrMo调质钢，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.28，密度为7.8×103kg/m3。使用Solidworks创建破碎辊模型，采用四节点四面体单元，并对其进行实体网格划分，其划分结果见图9。

1 刻度尺，2 调节螺栓(顶针)，3 摇杆，4 连杆，5 张紧弹簧，6 被顶件

2.4.2 辊轴的静力特性分析 施加约束和载荷：针对含水率为20%的玉米籽粒，单元节点距为5 mm，则刀盘在工作时所受的平均切割阻力为150 N，每个破碎辊上有20个刀盘，理想状态下，整体受切割阻力为3 000 N，将该阻力施加在破碎轴键槽的侧面，并在破碎辊轴与轴承的配合面上施加全约束，力学和位移云图仿真结果如图10所示。仿真结果表明，辊轴的键槽处受应力变形较大，在轴承安装和刀盘安装之间安装锁紧件的部位受应力相对大一些。不过，对于材料的本身来讲，这些应力仅仅对破碎轴造成微小的变化。在高速切割过程中，受离心力的影响，破碎轴也会发生径向膨胀，由于影响不大，该材质的破碎轴可以用来作为籽粒破碎装置的主轴。

图9 破碎辊轴网格划分 图10 破碎辊轴应力、位移云图

3 生产试验

籽粒破碎装置安装于唐山鑫万达实业股份有限公司生产的9QZ-3000型青饲料收获机上，2015年10月15日在河北省滦南县八合居村进行了初步的生产试验。试验条件和试验结果见表1。本次研究所设计的青饲料收获机籽粒破碎装置对蜡熟半熟期玉米籽粒破碎率达到了92.1%，秸秆切碎长度合格率为90.3%，达到了青贮饲料对籽粒破碎的要求，对提高牲畜青饲料营养物质的吸收有较好的促进作用。

表1 籽粒破碎装置生产试验条件和试验结果

4 结 论

设计了对置刀盘式青饲料收获机籽粒破碎装置，其主要由破碎轴、锥形刀盘、刀盘间隙调节机构、壳体、带轮等组成，对破碎辊、刀盘、破碎辊轴、壳体进行了设计，并对刀盘和破碎辊轴进行静力学特性分析。

通过调整刀盘轴间隙可以实现不同作物青饲料籽粒的破碎，可以大大提高适应性及籽粒破碎效果。

[1] 石博，卢妍妍.约翰迪尔7380型自走式青贮收获机[J].现代化农业，2015(9):43.

[2] 王锁良.我国玉米青贮机械化现状和发展方向[J].农业机械，2005(11):71-72.

[3] 中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册(下)[M].北京:机械工业出版社，1988.

[4] 刘洋.玉米青贮机滚筒式切碎装置的设计与有限元分析[D].杨凌:西北农林科技大学，2008.

[5] 李开泰，黄艾香，黄庆怀.有限元方法及其应用[M].北京:科学出版社，2006.

[6] 张永丽，高连兴，刘红力，等.玉米籽粒剪切破碎的实验研究[J].农机化研究，2007(5):136-138.

[7] 孟海波.秸秆切割破碎与揉切机刀片耐用性试验研究[D].北京:中国农业大学，2005.

[8] 何晓鹏,刘春和,师建芳,等.挤搓式玉米脱粒机的研制[J].农业工程学报，2003，19 (2):105-108.

(责任编辑：朱宝昌)

Design of Grain Crushing Device for Green Fodder Harvester

XUE Fei1, CHEN Lidong1，6, LI Yajing2, YANG Zongwei3,YANG Caiyuan4, LI Xueyong5, SUN Mingwei1

(1 College of Mechanical and Electrical Engineering, Hebei Normal University of Science & Technology,Qinhuangdao Hebei，066600; 2 Luannan County Vocational Education Center; 3 Hebei Radio and Television Network Information Group Co., Ltd; 4 Bencheng Town Central School of Luannan County;5 Tangshan Xinwanda Industrial Co., Ltd; 6 Research Center of Agricultural Mechanical Engineering Technology, Hebei Normal University of Science & Technology；China)

A new-type grain crushing device was designed to overcome the low crushing rate in maize which decreased the forage palatability as well as digestion and absorption of nutrients. A statics analysis of the disc knife and a crushing roller shaft was carried out based on SolidWorks. Practical application of the device demonstrated that the grain crushing device displayed a compact structure with longer working surface and lower energy consumption. The grain crushing rate might be as high as 90%.

green fodder harvester; grain crushing device; cutter head; finite element analysis

10.3969/J.ISSN.1672-7983.2016.03.012

国家农业科技成果转化资金项目(项目编号：2013GB2A200044)。

2016-05-27; 修改稿收到日期: 2016-07-31

S817.11+7

A

1672-7983(2016)03-0071-05

薛飞(1993-)，在读硕士研究生。主要研究方向：机械工程。

*通讯作者，男，副教授，硕士。主要研究方向：农业机械创新设计。E-mail:chentian-940308@163.com。