全自动高效多功能秸秆切碎机的设计与试验

2019-12-22陈玉华宋占华闫银发田富洋李法德张忠良

农机化研究 2019年5期

陈玉华，宋占华，闫银发，田富洋，李法德，张忠良

(1.山东农业大学机械与电子工程学院/山东省园艺机械与装备重点实验室，山东泰安 271018；2.肥城市畜丰农牧机械有限公司，山东泰安 271608)

0 引言

我国是一个农业大国，每年农作物生产的秸秆达7亿t多，占世界秸秆总产量的20%～30%[1-10]。自2000年以来，由于秸秆收集整理与运输成本等因素，出现了秸秆综合利用经济效益差、商品化和产业化程度低等问题。在粮食主产区，农民为抢农时播种，焚烧秸秆现象屡禁不止，不仅污染了环境，而且资源严重浪费，已成为一个严重的社会生态问题[11-18]。

目前，作物秸秆综合利用的途径主要是秸秆饲料、生物质能源、粉碎还田、秸秆生物有机肥料、生物基料及工业原料等，这首先要涉及到秸秆切碎。针对畜牧养殖业饲料青贮，研制生产的铡草机存在着结构简单，工作可靠性、安全性差，人工劳动强度大，以及适应范围窄、生产效率低等缺点。为了提高作物秸秆的加工效率，达到一机多用、高效低耗、安全环保即经济实用的目的，本文提出的全自动高效多功能秸秆切碎机对适应社会生产发展的需要具有一定的积极意义。

全自动高效多功能秸秆切碎机通过在作物秸秆切碎过程中的高效喂料、切碎分丝帚化、自动调节喂入量和作业负荷等特点，显著提高秸秆切碎机的生产效率和自动化程度。

1 主要构造及工作原理

1.1 主要构造

全自动高效多功能秸秆切碎机的结构示意图，如图1所示。主要技术指标如表1所示。

全自动高效多功能秸秆切碎机主要由喂料、碎草系统组成：喂料系统能够接收不同几何尺寸的麦草、棉秆、木片、芦苇、树枝、树皮、玉米秸秆及青秸秆等物料，按切碎长度进给提供给碎草系统；碎草系统主要完成秸秆切碎，具有高速锤打和切割的功能及高产效率。自动控制系统主要由电机驱动、速度和进料调节及相关传感器等部分组成，整机系统达到高效上料、自动调节喂入量及自动检测作业负荷等功能。

1.2 工作原理

全自动高效多功能秸秆切碎机采用自动化、智能化技术设计，可对直径3cm以下棉秆、树枝，厚度2cm以下树皮等植物秸秆进行破碎，也可用于各种农作物秸秆、牧草、玉米芯及粮食的破碎加工，均可实现软硬兼“撕”，粉碎效果均匀，不破坏秸秆纤维，迎“韧”而解。工作时，通过抓草机或装载机将物料投放在旋转柱形喂料仓内，料仓侧壁上装有推草板，推草板拨动物料随料仓一起转动，在旋转的柱形储料仓、固定在仓壁上的推草板和物料的自重压力的作用下，可将物料源源不断地送往下方的碎草系统；碎草系统装置在一辊轴上安装数片锤片，高速旋转的锤片与上方送来的物料产生相对撞击、撕裂，从而完成对物料的粉碎加工。该机可采用PLC编程控制，当负荷加重时，电机会自动减慢转速，待负荷正常时电机自动返回到额定工作转速,可分别与喂料异步电动机和碎草异步电动机相连接；在整机4个支架上还增装4个称重传感器，当料仓内破碎物质少于规定质量时，报警器会自动报警，提醒上料人员及时上料。

(a) 主视图

(b) 侧视图

项目单位参数外形尺寸(L×W×H)mm3800×3420×2870切料长度mm2040刀盘直径mm680

续表1

2 关键部件设计

2.1 喂料系统装置的设计

喂料系统由旋转柱形喂料仓、链条、限位轮、支撑轮、推草板、斜圆弧翻草块,以及喂料三相异步电动机等组成。作物秸秆由抓草机或装载机放入无轴旋转喂料仓内，靠惰轮机构来支撑和定向的旋转式喂料仓，通过装在旋转喂料仓的内侧壁上的推草斜板、仓底板上的斜圆弧翻草块并依靠秸秆原料的自重压力，将原料源源不断地送往下方的碎草系统，完成自动喂料；旋转喂料仓为无轴旋转结构，悬空挂置在支撑轮上，由数件定位轮定位，摩擦小，能耗低，旋转平稳。

旋转柱形喂料仓是无轴旋转,由若干个支撑轮来支撑，在旋转柱形喂料仓的外侧装有链条，喂料三相异步电动机将动力传给减速机，减速机的链轮与链条相啮合，带动旋转柱形喂料仓旋转。在旋转柱形喂料仓的内侧壁上装有推草板，作用在于将饲草料推向格栅的入口位置。在喂料仓底板上装有斜圆弧翻草块，斜圆弧翻草块的上表面是一个斜面结构，所以农作物秸秆很容易会被甩至喂料仓底部的出料口，不易在喂料仓内抱团打结，斜圆弧翻草块起到翻草的作用。喂料系统装置实物图如图2所示。

2.2 碎草系统装置的设计

碎草系统由辊轴、合金锤片、刀盘、销轴、碎草变频电动机，以及格栅等组成。合金锤片、刀盘及销轴组成环锤转子安装在辊轴上，在三相异步电机的带动下做高速旋转，与上方喂料系统输送来的物料产生相对撞击与撕裂，从而完成对秸秆原料碎解；锤片可在180°范围内摆动，当遇到硬物或难破碎的物料时，摆动受阻，锤片反弹，从而起到对锤片的缓冲和保护的作用。格栅安装在辊轴的上方与仓底板的开口处，经格栅的移动与升降,可实时调整秸秆喂料量的大小，破碎以后的秸秆碎料可经底部的皮带输送机送往后续设备进一步处理。

图2 喂料系统

刀盘安装在辊轴上，锤片通过销轴与刀盘相连接，该碎草系统装置的内腔不是封闭的，而是在辊轴的上方与柱形喂料仓底板的开口处增装了格栅，辊轴的侧部还装有底筛，辊轴的下方是出料口。格栅使锤片与秸秆原料隔离，秸秆原料被锤片撞击后，从格栅的长型孔再次进入，然后与锤片进行二次撞击、拉扯与撕裂，最终达到高效破捆和碎草的目的。其中，格栅在机架上的位置可做调整，实现格栅与辊轴锤片间距的调整，进而可调整农作物秸秆的粉碎长度，调节格栅的位置可控制锤片与秸秆原料接触的深度，以便控制秸秆出草量的多少。此外，碎草三相异步电动机的转速是可以改变的，可调整秸秆物料碎草度，以适应不同秸秆原料和不同用户的要求。碎草系统装置实物图如图3所示。

(a) 仰视图

(b) 俯视图

2.3 控制系统的设计

采用自动报警和实时控制，实现自动喂料、自动润滑、自动稳定调节、自动计量及自动监控报警。通过格栅的移动与升降可自动调整秸秆喂料量的大小；借助封闭式内部润滑泵装置，控制各润滑点进行自动加油、定时加油，完成链条等构件的自动润滑。

格栅的一端与位移传感器相连，当达到设定位移大小数值时，直角连杆带动位移传感器的拉杆产生的位移变化，以电变量形式，传到信号放大器和可编程逻辑控制器，与设定的定位移大小数值对比，若相等，立即使步进电机停止运转，定位移大小的调整完成。在辊轴下方的一侧装有速度传感器，当要调整刀盘转速时，可通过智能显示器面板上“设置”“输入”按钮，输入要调整的转速值，并按“确认”按钮，使正在工作的刀盘的转速发生变化，当达到设定转速时，速度传感器会将转速变化引起的电变量传到信号放大器和可编程逻辑控制器。与设定的转速值对比，若相等，会立即使刀盘继续保持恒速旋转。此外，当辊轴负荷超载,电流升高(转速下降时,碎草度降低,影响切碎质量) 时，反馈到PLC控制中心经过程序分析后,可自动控制喂料量的酌量添加,待辊轴转速升高后,喂料即可恢复正常,确保机器的正常运转,碎草度保持一致，从而实现秸秆切碎机设备的自动稳定调节。

当然，称重控制模块可从现场检测皮带秤的质量信号和速度信号,经过程序控制中心分析计算,得出输出物料的质量,实现自动计量；通过智能模块采集机器设备各运行点的相关参数，按照预先设定的参数值，对设备运行状态进行实时监控，出现异常状态能够及时报警。旋转柱形喂料仓在变频电机、支撑轮和限位轮的作用下，实现无轴周向转动，促使农作物秸秆物料产生周向运动惯性，配合破捆碎草装置在竖直方向上产生的切割力，实现秸秆的高效切割断裂，显著提高农作物秸秆的破碎效果，明显降低农作物秸秆易于缠绕和堵塞的不利影响。

3 机器的试验

2017年10-11月，在山东省肥城市进行了全自动高效多功能秸秆切碎机的性能测试试验。试验对象为小麦秸秆，试验仪器包括：烘干箱、成套测功仪表、转速表、秒表、磅秤、米尺、天平(感量0.1)、游标卡尺，以及声级计等。从待碎小麦秸秆物料中不同位置处取样次，每次抽样100g左右，烘干到质量不再变化为止，然后再称其质量。按式(1)计算并取平均值，即

(1)

其中，Hr为物料相对含水率(%)；Gb为烘干前样品质量(g)；Ga为烘干后样品质量(g)。

将待切碎物料称重，从喂入开始至喂入结束时停止，记录净工作时间，按式(2)计算净工作小时生产率，即

(2)

其中，En为净工作小时生产率(kg/h)；G为切碎物料质量(kg)；tn为净工作时间(h)；H为物料标准含水率，16.5%。

测定净工作小时生产率的同时，测定耗电量，按式(3)计算千瓦小时产量，即

(3)

其中，Pc为千瓦小时产量(kg/kW·h)；W为切碎时间内的电能消耗(kW·h)。

以秸秆样品中带节饲草为测定对象，在测试的始、中、末阶段，从切碎机出料口处各取样3次，混合后依照十字交叉法取出样品200g，按照式(4)计算秸秆物料始、中、末阶段各自的破节率并最后取平均值,即

(4)

其中，Cs为秸秆饲草各阶段破节率(%)；Ms为样品被破碎成两节以上或压扁的带节饲草的总质量(g)；Mt为秸秆物料样品中带节饲草总质量(g)。

通过试验数据计算得到小麦秸秆物料相对含水率平均值为22.5%，净工作小时生产率为16 800kg/h，千瓦小时产量为186.7kg/(kW·h)，物料秸秆破节率平均值达96%。试验所得秸秆的切段长度及生产率符合秸秆破碎机相关验收要求。样机试验现场如图4所示。