基于方捆机秸秆切割揉碎装置研究

罗金海 赵小娟 高晓宏 张平

摘要：切割揉碎装置设计的合理性是影响秸秆切割揉碎打捆机的切割质量、工作性能和整机平衡性的主要因素。通过对切割揉碎装置的粉碎刀的密度及其排列方式的研究，利用Solid Works Simulation分析软件对粉碎刀和刀轴进行了有限元分析，获得了粉碎刀的最大应力为20.7Mpa，可知粉碎刀具有足够的强度支撑对秸秆的切削，刀轴实际工作中的转速远低于其最低临界转速，满足实际工作的需求。

关键词：切割;揉碎;秸秆;有限元;Solid Works Simulation

中图分类号：S225.91+9  文献标识码：A

引言

实践表明，在田间使用秸秆切割揉碎打捆机对秸秆直接进行打捆收获，不仅是解决秸秆浪费和就地焚烧等问题的有效方法，还对推动秸秆资源规模化、工业化使用，提高秸秆资源的综合利用率，具有显著的经济和社会效益[1]。

现有的秸秆切割揉碎装置存在粉碎质量差、刀片安装和排列方式以及刀片的结构参数不合理而产生的振动大、可靠性差等亟待解决的问题。根据秸秆切割揉碎打捆机的工作要求，本文设计采用粉碎刀在刀轴上双螺旋形式排布，通过研究切割揉碎装置的粉碎刀的密度及其排列方式，利用Solid Works Simulation分析软件对粉碎刀和刀轴进行有限元分析，为合理设计打捆机切割揉碎部件提供理论依据。

1切割揉碎装置结构及工作原理

1.1结构

切割揉碎装置主要由齿轮箱、安全挡板、安全吊帘、揉碎室、滑掌、观察口、连接板、吊杆连接座和切碎器等组成。该装置适用于收集和粉碎水稻秸秆、玉米秸秆和小麦秸秆。

1.2工作原理

工作时，切割揉碎装置中高速旋转的切碎器对地面上站立的秸秆进行砍切，并且在喂入口处负压的作用下将其吸入揉碎室内，在安装在切碎器上的粉碎刀和安装在揉碎室内壁的定刀的共同作用下，多次被砍切、打击、撕裂、揉搓成碎段和纤维状，然后依靠粉碎刀旋转产生的离心力，将揉碎的秸秆输送到喂入装置中进行下一道作业工序。

2切碎器的结构及参数研究

2.1粉碎刀密度

切碎器的粉碎刀的数量是影响机器揉碎质量、工作性能的重要因素之一。粉碎刀的数量并非越多越好，过多或过少都会使揉碎质量及工作性能下降。因此，粉碎刀的数量有一个最佳值，即粉碎刀密度C，计算公式[2]如下：

式中：

C——粉碎刀密度，片/m

N——粉碎刀的总数量，片

L——粉碎刀在转轴上分布的长度，m

对于Y型甩刀，C的通常取值范围是20～40片/m[3]。秸秆切割揉碎打捆机的设计幅宽为2.2m，由公式（1）计算得刀片数N可取44～88片。

2.2 粉碎刀的排列方式

粉碎刀在刀轴上常见的排列方式有螺旋线排列、对称排列和交错平衡排列。根据现有文献对粉碎刀排列的研究，本机采用对称螺旋线排列的方式。螺旋状分布能够使各组切刀依次切割秸秆，减少刀轴作业时的冲击负载，同时大幅降低功耗，对称螺旋线排列能使刀轴左右两边的负载比较均衡，减少由负载不平衡造成的刀轴轴承座损坏。

3 切碎器的仿真分析

3.1粉碎刀的有限元分析

基于Solid Works建立Y型甩刀的三维模型，刀片的材料为65Mn，故定义模型的材料属性为：密度ρ=7.82×103kg/m3，弹性模量E=2.11×105MPa，泊松比，u=0.3。然后，对粉碎刀网格划分。划分完网格后，对粉碎刀施加约束条件和施加外力。对粉碎刀施加13.4N/mm的均布载荷，求解运算。

粉碎刀的最大变形量为0.067mm。粉碎刀的最大应力为20.7MPa，远小于材料的应力屈服极限620MPa，粉碎刀具有足够的强度支撑对秸秆的切削。

3.2 刀轴的模态分析

利用Solid Works Simulation对刀轴进行模态分析，获取其固有频率，得到其临界转速，为合理地确定切碎器刀轴的转速提供理论参考。

根据刀轴的材料设定材料属性：密度ρ=7.85×103kg/m3，弹性模量E=2.07×105MPa，泊松比u=0.3。对刀轴施加约束条件，在左右轴端上施加轴承支撑和固定夹具，再添加重力和扭矩载荷，然后划分网格，得到的有限元模型。经过运算求解，得到刀轴从一阶到六阶模态对应的振型图。

刀轴的固有频率和临界转速的关系公式[4]：

ni=60×ωi

式中：

ni——第i阶的临界转速，r/min

ωi——第i阶的固有频率，Hz

本文切割揉碎装置的切割转速约为2000 r/min，远小于刀轴的临界转速，避免了共振现象的产生，而且刀具切割效果较好[5]。因此通过利用Solid Works Simulation对刀轴进行模态分析，验证了切割揉碎装置刀轴转速选取的可行性。

4结论

通过利用Solid Works Simulation分别对粉碎刀和刀轴进行有限元分析，获得粉碎刀的最大应力为20.7Mpa，远小于材料的应力屈服极限620Mpa，可知粉碎刀具有足够的强度支撑对秸秆的切削;刀轴实际工作中的转速远低于其最低臨界转速，满足实际工作的需求。

参考文献

[1]杨莉，董忠义，王振华.自走式饲草收割打捆机[J].农业工程，2015，5（3）：68～71.

[2]路世康.玉米秸秆粉碎还田机及气吸式小麦精量播种机的设计与试验[D].泰安：山东农业大学，2014.

[3]薄鸿明，林静.玉米秸秆还田机的设计与参数研究[J].农机化研究，2016，（11）：99～103.

[4]潘德军，张家库.高速电主轴系统固有频率与临界转速分析[J].轴承，2008，10：24～27.

[5]陈艳，王春耀，陈发等.棉秆粉碎还田机刀辊的研究[J].农机化研究，2009，08：36～38.

中国机械工业集团有限公司重大科技专项-粮食生产机械作业智能测控与大数据应用-智能化秸秆收获装备研制

作者简介：罗金海，高级工程师，主要从事农牧业机械化工程方面的研究，E-mail：richard2008ljh@163.com