槽式翻抛机关键部件设计与试验

孙家伟，陶志影，张林，黄娥慧，何金成

(福建农林大学机电工程学院，福建 福州 350002)

中国每年会有38亿t畜禽粪污产生，畜禽粪污综合利用率不足60%[1].大量畜禽粪污没有得到有效利用，带来的污染已成为中国农村地区污染的主要来源[2-4].农业部把粪污处理技术分为粪污垫料回用、污水深度处理、粪污全量化收集还田利用、污水肥料化利用、粪污专业化能源利用、异位发酵床和污水达标排放七种模式，异位堆肥发酵被列为中国7种经济实用处理粪污的技术模式之一，国家鼓励福建、浙江、广西等地区使用“异位发酵床”模式[5-6].异位发酵床技术改善了畜禽的生活环境并能有效的处理大量的粪污[7].为了能够保证微生物的繁殖和发育并加速发酵，垫料在发酵过程中需要进行定期地翻抛作业，给发酵床中的微生物增加氧气避免出现死床、除去垫料中多余水分加速垫料干化、调节发酵温度湿度、起到粪污与垫料的均匀混合等作用，从而为微生物生长繁殖提供有利条件[8-9].因此，翻抛机是粪污堆肥发酵处理过程中必不可少的一个设备[11].

槽式翻抛机根据翻抛装置的不同可以分为链板式、滚筒式、拨齿式和螺旋式四类，其中耙齿式翻抛能力大，对物料具有一定的破碎和搅拌功能，因此在生活中槽式翻抛机应用广泛[12].翻抛耙刀作为翻抛机与翻抛垫料直接接触的工作部件，其结构形状对翻抛机的翻抛深度、翻抛效果和作业功耗有不可忽视的影响，其作业性能的优劣直接关系着翻抛机翻抛方案的成败.拨板式耙刀和旋切式耙刀是目前槽式翻抛中常用的2种类型耙刀.拨板式耙刀结构和加工制造简单，但工作过程中，不易切入料堆、翻抛阻力大、功耗大；旋切式耙刀设有滑切角，降低了翻抛阻力和翻抛功耗，但是刀具设计比较复杂，加工精度和成本比较高，只能单向翻抛，且翻抛深度较浅[13-15].本文对翻抛机耙刀和滚筒的结构进行设计，对耙刀在滚筒上的排列方式和翻抛性能进行分析，通过ANSYS软件对耙刀受力进行分析，通过运用ADAMS软件对耙刀3种排布方案进行运动仿真分析，并且进行现场试验与验证，得出奇偶四螺旋排列的锄头式双向耙刀具有良好的翻抛性能.

1 翻抛机结构设计和工作原理

1.1 整机结构设计

槽式翻抛机由动力装置、升降装置、行走装置和翻抛装置组成，其中行走装置由下机架、传动轴和行走轮等组成，为翻抛机提供行走动力；翻抛装置由滚筒、滚筒轴和耙刀组成.整机技术参数如表1所列，整机结构如图1所示.

表1 槽式翻抛机主要技术参数

1：动力装置；2:机架;3:行走装置;4:翻抛装置.1:Power device;2:Frame;3:Walking device;4:Turning device.图1 槽式翻抛机结构Figure 1 A schematic diagram of the structure of the troughed compost turner

1.2 工作原理

翻抛机行走装置由4个轮子组成，前面2个轮子安装在一根阶梯轴的两端，后面2个轮子独立安装，减速电机通过链条带动轴转动，从而带动翻抛机在发酵槽上匀速前进.翻抛装置中的刀辊上固定有若干把耙刀，在链条的带动下做匀速圆周运动，耙齿不停的翻动垫料，将发酵垫料粉碎并向后抛撒，使垫料与空气充分混合、控制发酵床的温度、并蒸发掉多余的水分.升降装置安装在上机架和行走底盘之间，由两个液压缸组成，液压驱动实现整个上机架与滚筒组件的向上提升，在工作过程中便于调节翻抛深度，同时可以避免与刚性障碍物发生磕碰，并方便翻抛机在非工作状态下进行无负载行走.翻抛机到达发酵槽终点时，可以改变方向继续工作，打破现有翻抛机单向翻抛、空载返回的局面，也可以通过移位机将翻抛机转移到另一个槽，继续工作.

2 关键部件设计

2.1 耙刀结构设计

翻抛耙刀作为翻抛机与发酵床垫料直接接触的工作部件，其结构形状对翻抛机的翻抛深度、翻抛效果和作业功耗有不可忽视的影响，其作业性能的优劣直接关系着翻抛机翻抛方案的成败.为使设计翻抛机能够达到工作要求，在综合现有耙刀的基础上，本文设计了一种新耙刀结构命名为双向锄头式耙刀，该耙刀是由1个刀柄、1个耙齿和2块矩形板焊合而成，外形类似锄头.具体结构如图2所示.

1:刀柄;2:翻抛板;3:耙齿.1:Hilt;2:Rectangular plate;3:Blade.图2 翻抛耙刀结构Figure 2 Flip rake blade structure drawing

槽式翻抛机通过翻抛轴带动耙刀做旋转运动，来完成对垫料的翻抛作业，故设计的翻抛装置回转直径须大于等于翻抛深度，取回转直径为2 m；考虑到现有翻抛机完成一次翻抛后，出现空载行驶，退回到起始端.因此将耙刀设计为结构对称的、不具有方向性的双向锄头式耙刀，实现双向翻抛，提高了设备的利用率及翻抛效率；为尽可能多的提升翻抛垫料，将切削下来的垫料在空中的抛撒行程达到2～3 m，因此本翻抛耙刀的耙齿设计成有切削刃和齿尖，具有良好的切入垫料堆的能力，完成纵向切入作业及回转翻抛.

耙刀是槽式翻抛机与垫料进行直接接触，实现翻抛作业的关键部件，为悬臂梁结构，回转方向为主要受力方向，因此刀柄在旋转面上较厚，轴向方向较薄.将翻抛耙齿设计成六边形且耙齿各个端面均设有切削刃，能有效降低切削阻力，减少耙齿磨损，还可以实现往返程翻抛，翻抛效率高.图3所示，r表示耙齿楔角，楔角按被加工材料来选择，一般切削软材料，楔角取30°～50°，垫料属于软材料，考虑垫料中含有较多硬杂质和刀具的使用寿命，将r取为45°[14]；a表示耙齿的滑切角，在一定的范围内增大滑切角可降低功耗，一般滑切角取20°～55°，本文耙齿的滑切角取45°；在耙刀刀柄的两侧中部增设翻抛板，目的是为了增加耙刀刀柄的强度，翻抛板的底端面与所述翻抛耙齿的顶端面之间存在间隙既能有效防止窝积物料，又能减少物料回带前抛.

图3 耙齿结构Figure 3 Rake tooth structure drawing

图4 刀盘Figure 4 Cutter head

刀盘通过焊接将其焊在滚筒轴组件上，刀盘上设有2组对称的螺栓孔，1组有3个，通过螺栓连接将耙刀固定在刀盘上，更换方便，维修成本低.1台翻抛机设计有3种刀盘，如图4所示—中间刀盘(左)，端面刀盘(中)，侧刀盘(右).

滚筒轴焊合件主要由刀盘、实心轴、无缝钢管和刀盘等焊接而成的，结构如图5所示.

图5 滚筒轴焊合件Figure 5 Drum shaft welded parts

2.2 耙刀工作时阻力分析及运动学分析

2.2.1 耙刀工作阻力分析 耙刀工作时阻力示意图如图6所示，刀辊上的耙刀在进行翻抛作业时，受到的反作用力主要有垫料对耙刀的压力、切削阻力、摩擦力等.

图6 耙刀工作时阻力示意图Figure 6 Schematic diagram of resistance during rake operation

忽略耙刀在工作过程中的纯切削阻力，则耙刀受到x、y方向上的反作用力分别为：

Fx=Tsinβ+μTcosβ

(1)

Fy=Tcosβ+μTsinβ

(2)

式中，Fx为耙刀在x方向受到的阻力，T为耙刀工作的法向载荷，μ为耙刀与垫料的摩擦系数，β为耙刀工作时与槽底的夹角.

2.2.2 耙刀运动学分析 翻抛机工作时，翻抛装置作匀速圆周运动，翻抛机自身作匀速直线运动，故耙刀端点的绝对运动是由翻抛机的移动和耙刀的转动合成的，称作余摆线运动[16].耙刀端点运动轨迹如图7所示.

以刀辊轴心为坐标原点，翻抛机前进方向x轴的正向，垂直向上方向为y轴的正向.耙刀端点的运动方程为：

图7 耙刀端点运动轨迹图Figure 7 Rake blade end point motion trace

(3)

式中，x、y为耙刀端点的位移，v0为翻抛机前进速度，R为耙刀端点转动半径，θ为耙刀的初始相位，ω为刀辊旋转角速度，t为工作时长.

翻抛速比是指耙刀端点的线速度与翻抛机行走线速度之比，翻抛机的耙刀端点要作余摆线运动，翻抛速ε比须大于1.翻抛速比对翻抛进给量的大小有直接的影响，是影响着翻抛机工作质量和功率的关键参数，翻抛速比计算公式如下.

(4)

式中，ε为翻抛速比，v1为耙刀端点的线速度.

根据相关文献及前期试验[17-18]，当刀辊转速n和翻抛深度不变的情况下，翻堆机前进速度v0与功耗W之间的关系近似呈线性递增关系，本文取行走电机频率为10 Hz、v0为1.9 m/min；当前进速度v0和翻抛深度不变时，刀辊转速n与功耗W的关系也呈近似的线性递减关系，本文取n为90 r/min；线性递增关系翻抛速比在43.82～300范围内，翻堆机的翻抛效果随着翻抛速比增大而变好，故本文翻抛速比取为300.

2.3 耙刀排列设计

翻抛装置的耙刀排列是影响翻抛机作业稳定性和垫料平整度的重要因素.目前使用较多的是单螺旋布置与对称双螺旋布置，但单螺旋布置会造成垫料朝一侧翻抛堆积，左右摆动且运行不稳，双螺旋布置会造成翻抛后的垫料不平整.本文以滚筒轴共安装36把耙刀为案例对刀具进行排列布置，运用Visual C++6.0软件对耙刀排列辅助设计.先以滚筒轴长度方向的中心面作为分割面，再以滚筒轴的直径所在的面分割，得到1/4的滚筒轴，取9把耙刀作为耙刀组，进行计算，结果如图8所示.

耙刀环线排列问题没有前后与首尾之分，运用DFS深度优先搜索算法对耙刀位置进行排列设计，所有结果都是按20、100、180、80、160、60、140、40、120排列，数字相对位置不变，任取一个角度作为第一把耙刀安装角，以从左到右或者从右到左的顺序将耙刀安装在滚筒上，得到刀具排列的径向图及轴向图，如图9所示.

图8 程序运行结果图Figure 8 Program run result diagram

图9 刀具排列径向图(左)及刀具排列轴向图(右)Figure 9 Radial diagram of tool arrangement (left) and axial diagram of tool arrangement (right)

上图可以直观的看出，奇数位置和偶数位置的耙刀各为1条螺旋线，本设计中螺旋升角为20°，最后运行计算结果为1个完整的翻抛装置上，耙刀按奇偶错开排列在刀辊的4条螺旋线上，本文将其称为奇偶四螺旋排列.这种排列的耙刀沿滚筒轴向和周向均匀对称分布，按规定顺序依次工作，且每次只有两把耙刀同步切入垫料，轴向相邻耙刀周向夹角相等，较好的保证了刀辊运行时受力平衡以及翻抛的均匀性、平整度.

3 耙刀校核及仿真分析

3.1 耙刀强度校核

耙刀作为翻抛机主要的受力部件，必须具备良好的强度、刚度和耐磨性[20-23].耙刀采用GB/T699规定的45#钢制造，已知翻抛机的翻抛额定功率为22 kW，翻抛轴转速约在50～140 r/min之间.扭矩与传递功率成正比，与回转的转速成反比，所以可得到最大翻抛扭矩：

则耙刀所受到的外部载荷为：

正常工作时两把耙刀同步切入垫料，考虑最危险情况，一把耙刀受力4 202 N，根据受力面积，耙刀刃部所受压强为3 001 429 Pa.对耙刀有限元模型进行求解，刀形变图及等效应力图如图10～11所示.

由仿真分析可知，耙刀的变形形式为沿受力方向绕固定端弯曲变形，变形最大处为耙刀末端耙齿，最大变形量为0.340 857 mm，不会影响翻抛机正常的作业，耙刀主要受到弯曲应力的作用，受力较大处是受力方向的耙齿与刀柄的焊接处，最大为91.5 MPa，远小于耙刀材料335 MPa的屈服极限，安全系数约为1.4，符合设计要求.

图10 耙刀的总变形图Figure 10 The total deformation diagram of rake blade

图11 耙刀等效应力云图Figure 11 Equivalent stress nephogram of rake blade

3.2 耙刀排列方式仿真分析

耙刀排列布置不合理将会影响翻抛机的翻抛平整度和整机运行的稳定性，使整机受力不均造成振动.本文基于Adams对单螺旋排列、对称双螺旋排列及本文提出的奇偶四螺旋排列3种排列布置方案进行运动仿真，对翻抛机工作平稳性进行分析[24].

将模型简化为垫料槽、机架、滚轴和耙刀四部分，图12-A为单螺旋排列的耙刀刀辊三维模型，图12-B为对称双螺旋排列的耙刀刀辊三维模型，图12-C为奇偶四螺旋排列的耙刀刀辊三维模型.

图12 耙刀刀辊三维模型Figure 12 A three-dimensional model of harrow knife roller

根据实际工况，添加固定约束在垫料槽和地面上，在翻抛装置与翻抛机机架间添加转动副，在翻抛机行走架与垫料槽之间添加移动副，将每把耙刀与滚轴通过添加固定副固结在一起，在虚拟样机的机架与垫料槽的移动副处添加滑移驱动，速度v0=0.033 m/s；添加旋转驱动在翻抛装置与行走机架的转动副上，线速度v1=9.425 m/s，以模拟翻抛机的运动.在模拟前给每把翻抛耙刀上添加不同的初始相位角和相同的周期性方波载荷，周期性方波载荷，如图13所示.

图13 施加的载荷波形图Figure 13 Wave chart of applied load

翻抛机左右受力不均衡是翻抛机左右振动、偏离轨道甚至脱轨的主要影响因素，因此本文通过将机架与垫料槽的移动副约束改成平面副约束，在翻抛装置与行走架的转动副上添加旋转驱动，分别测试3种排列方式的在xoy平面的运动情况.最后得到的机架与垫料槽的相对位移、相对速度及相对加速度随时间变化的关系图，分别如图13～15所示.

通过分析图13～15得到，在同样情况下，奇偶四螺旋排列和对称双螺旋排列的耙刀刀辊在y轴方向均不产生相对位移、速度以及相对加速度，数值上始终为0，表明在仿真条件下，奇偶四螺旋排列和对称双螺旋排列的两种耙刀刀辊受力比较均衡、运行比较平稳、减少振动和有效防止脱轨.

单螺旋排列的耙刀刀辊会使翻抛机在y轴方向产生运动位移、速度以及加速度，其中，运行5 s中产生了150 mm的相对位移，相对运动的位移随翻抛装置旋转运动时间增大而幅度加快，说明单螺旋排列的刀辊在工作过程中容易产生脱轨；运动速度随翻抛装置旋转运动时间呈现出周期振荡式增大的趋势，说明在翻抛过程中运动速度的改变会导致垫料翻抛不均匀；相对加速度的方向随时间呈周期性变化，且加速度的绝对值大小随时间的增加而越来越大，根据牛顿第二定律，加速度的方向和所受作用力的方向一致，意味着单螺旋排列方式长时间运作会造成行走轮和行走轨道严重磨损和破坏.

图14 相对位移随时间变化关系Figure 14 Diagram of relative displacement over time

图15 相对速度随时间变化关系Figure 15 Diagram of relative velocity over time

4 翻抛试验

耙刀排列的效果以翻抛机作业的平稳性和翻抛平整度为主要评价指标.翻抛机耙刀轴向和周向排列分布不对称、垫料不均匀等会对翻抛机造成冲击力，导致翻抛机整机受力不平衡，影响翻抛机平稳运行.翻抛平整度是被翻抛的物料堆落在槽内后，所形成的表面纵向方向上的凹凸量的偏差值.单螺旋排列方式因结构上分布不对称，所以会造成翻抛机左右来回振动，且翻抛效果不佳.因此本文对奇偶四螺旋和对称双螺旋2种排列方式的翻抛机进行现场试验，翻抛机的试验工作参数：滚筒转速90 r/min、行走电机频率10 Hz、行走速度2 m/min、速比为300，翻抛效果图如图17所示.

图16 相对加速度随时间变化的关系Figure 16 The relationship between relative acceleration and time

图17 垫料翻抛过后的表面平整度Figure 17 Surface evenness after turning over of bedding material

图17-A是在南平政和县杨源镇的堆肥厂采用对称双螺旋排列的翻抛机翻抛后的垫料堆置图，可能是由于耙刀在刀辊上连续的螺旋作用，使得被翻抛的垫料往槽的中间抛送形成垄，垄的高度约为40～60 cm.图17-B是在福建福清堆肥厂采用奇偶四螺旋排列的翻抛机翻抛后的垫料堆置图，翻抛后基本平整，形成的垄最高不超过10 cm，比对称双螺旋排列降低了至少30 cm；奇偶四螺旋排布是奇偶耙刀错开，大大地减弱螺旋对垫料轴向抛掷的作用.两种排布形式的翻抛机翻最大抛深度均能够达到1.6 m；采用对称双螺旋排列的翻抛机单位能耗为0.065 kW·h/t，采用奇偶四螺旋排列的翻抛机单位能耗为0.057 6 kW·h/t，能耗节省了11.4%，均符合GB/T 28740-2012中要求翻抛设备单位能耗小于等于0.2 kW·h/t的标准.目前奇偶四螺旋的排列方式也已被福建省农科农业发展有限公司采用，是现有机型的耙刀排列方案.

5 结论

1) 本文对翻抛机的关键部件耙刀及耙刀在刀辊上的排列方式设计研究，提出了双向锄头式翻抛耙刀和耙刀奇偶四螺旋排列布置的方法，该耙刀可以实现双向翻抛，且较好的保证了刀辊运行时受力平衡.

2) 通过ADAMS仿真分析3种耙刀排列方式，得到机架与垫料槽的相对位移、相对速度及相对加速度随时间变化的关系图，分析发现耙刀以单螺旋排列方式长时间运作会造成行走轮和行走轨道磨损和破坏严重，对称双螺旋和奇偶四螺旋排列方式可以使翻抛机轴向方向受力均衡、运行平稳、减少振动和有效防止脱轨；

3) 翻抛机以滚筒转速90 r/min、行走电机频率10 Hz、行走速度2 m/min、速比为300为试验参数进行现场试验，对称双螺旋排列的翻抛机，翻抛后的垫料会在槽中间形成一条垄，垂直方向上的高度差在40～60 cm；以奇偶四螺旋排列的耙刀，翻抛后的垫料表面基本平整，表面垂直方向的高度差不超过10 cm.两种排列方式的翻抛机最大翻抛深度均可达到1.6 m.奇偶四螺旋排列的翻抛机单位能耗比对称双螺旋排列的翻抛机节省了11.4%.奇偶四螺旋排列布置的双向锄头式翻抛耙刀满足翻抛性能要求，改善了现有翻抛机的不足.