ZF802 有机肥翻抛机的翻抛装置设计

张翠英，刘学峰，仪垂良，张成保，齐自成，张锋

（1.250100 山东省 济南市 山东农业机械科学研究院；2.250214 山东省 济南市 章丘区农业机械技术推广中心）

0 引言

随着乡村振兴步伐的推进，作物秸秆及粪便等农牧废弃物的处理亟需解决，目前最经济环保的途径就是就地轻简化堆肥利用[1-3]。目前国内市场上主要是适用于硬化后的标准场地的条垛式翻抛机，不能实现就地轻简化堆肥利用，而且前期场地建设投入较高[4-7]。山东省农业机械科学研究院针对小型农户使用需求研发了适用于现场崎岖不平场地的ZF802 液压自平衡翻抛机，解决了不平场地工作时，现有翻抛机易发生倾斜，造成某一侧的结构距离地面较近，进而出现旋转翻抛装置触地、工作部件损坏、侧翻等问题。

1 ZF802 结构与工作原理

ZF802 液压自平衡翻抛机结构如图1 所示，包括机架、翻抛装置、履带行走装置、液压系统、电控系统、发动机及附件、驾驶室和集料装置。

图1 ZF802 液压自平衡翻抛机结构Fig.1 Structure of ZF802 hydraulic self-balancing compost turner

工作时，安装在机架上方的发动机为整机提供动力。翻抛装置安装在机架下方，由液压马达驱动其绕自身中心轴线旋转，旋转方向与整机前进时履带行走装置驱动轮的转动方向相反，对堆肥物料进行切削和抛掷，调节物料中的氧气含量，控制物料的含水率和温度。机架左右两侧装有履带行走装置，通过液压控制系统可以独立调节每个履带行走装置的高度，以使得机架体时刻处于水平状态。机架前方两侧设置的集料装置可以使物料顺利进入机架下方，保证所有物料能够得到翻抛。

ZF802 液压自平衡翻抛机主要性能参数见表1。

表1 ZF802 液压自平衡翻抛机主要性能参数Tab.1 Main performance parameters of ZF802 hydraulic self-balancing compost turner

2 翻抛装置设计

翻抛装置是粉碎物料的关键部件，也是翻抛机的主要执行部件，由刀辊和破碎刀组成。

2.1 翻抛装置的结构

根据翻抛机的实际作业状况，本机的翻抛装置采用整根钢管制成刀辊，并在其左右两端各焊接一片螺旋带钢，方便聚拢物料，螺旋带钢上留有安装孔，使用螺栓将蝴蝶刀安装在螺旋带钢上。两个螺旋带钢之间焊接破碎刀刀座，使用螺栓将破碎刀安装在刀座上。蝴蝶刀和破碎刀都是易损件，可以更换。破碎刀工作面有两个锯齿形槽口，可以增加作用面积，保证大块物料的打散与切断，提高物料的松散程度。翻抛装置具体结构如图2所示。

图2 ZF802 翻抛装置结构Fig.2 Structure of ZF802 working device

翻抛机工作要考虑水分、温度及透气性的影响，翻抛装置不仅要充分翻动物料，还要粉碎物料，促进物料发酵。破碎刀的排列与结构对翻抛效果和粉碎效率影响很大，改变刀具角度和切削角可以调节翻抛距离[8-9]。为此，翻抛装置右边的螺旋带钢为螺距500 mm 的右旋螺旋，左边的螺旋带钢为螺距500 mm 左旋螺旋，其上每隔45°在迎来物料侧安装一把蝴蝶刀，两边各安装8 把；左右两边顺着螺旋带钢的旋向，每隔36°螺旋布置一个破碎刀刀座，螺距为500 mm，刀座与刀辊轴线成30°夹角，左右两边各安装10把斜破碎刀；然后左右两边顺着螺旋带钢的旋向，每隔72°布置一个破碎刀刀座，螺距为230 mm，刀座与刀辊轴线平行，总共安装9 把正破碎刀。蝴蝶刀和破碎刀的具体布置如图3 所示。

图3 ZF802 翻抛装置刀具布置图Fig.3 Breaking tools layout of ZF802 working device

翻抛装置刀辊直径为450 mm，安装刀具后，翻抛装置的最大外径为800 mm。

经过试验表明，螺旋布置刀具可以有效收拢物料、降低轴向力，还增大了翻抛装置在工作过程中的接触面积和物料的搅动次数，提高了抛送力。蝴蝶刀纵向剪切力较大，正破碎刀横向剪切力较大，使物料更好地破碎。

2.2 翻抛装置的驱动力

作物秸秆及粪便等农牧废弃物作为有机肥原料，其含水率、抗剪强度、黏聚力、内摩擦系数、压缩载荷等物理特性参数变化较大，则所需的驱动力矩范围比较大。为了有效解决蔬菜副产物粉碎的难题，针对其含水率高、黏稠、表面有蜡质层、多纤维等特点，本机的翻抛装置选用液压传动，能够满足传动效率高、大力矩传动、无级调速等要求。

本机选用GM2 500 7HGP D40 型液压马达，其性能参数见表2。

表2 选用液压马达性能参数Tab.2 Main performance parameters of selected hydraulic motor

在按规定最大翻抛速度进行作业时，液压系统的工作压力（马达压力差）应与所选择的液压泵、马达以及比例阀组的安全压力（高压溢流阀的调定压力）相匹配，当系统压力大于安全压力时，工作液压马达停止工作。本机的高压溢流阀压差设定值为170 bar，所以液压马达最大输出转矩Tmax=170×7.69=1 307.3 N·m。

3 翻抛装置有限元静应力分析

简化后的翻抛装置如图4 所示。利用SolidWorks 中的Simulation 模块对其进行静应力分析。零部件材料全部选普通碳钢，屈服强度为220 MPa，两端加载刚性轴承夹具，断面轴向固定，重力G=460 kg×9.8 m/s2=4.5 kN，方向如红色箭头所示，加载液压马达最大输出转矩Tmax=1 307.3 N·m，方向与刀辊工作时的旋转方向相反，将其作为最大载荷。

图4 翻抛装置力学模型Fig.4 Mechanical model of working device

网格化时选择根据零件大小进行网格控制，达到网格相对精确的同时，尽量减少计算时间。分析结果如图5、图6、图7 所示。

图5 翻抛装置应力云图Fig.5 Stress nephogram of working device

图6 翻抛装置变形（位移）云图Fig.6 Displacement nephogram of working device

图7 翻抛装置应变云图Fig.7 Strain nephogram of working device

如图5 所示，翻抛装置整体应力分布均匀，最大应力位于轴承连接处，最大应力为29.4 MPa，在材料许用应力范围内，满足强度要求。翻抛装置对称布置，两个轴承处所受反作用力都为2.3 kN。翻抛装置一端使用轴承UCP212（GB/T 7810-1995 ）固定在机架上，其许用额定动载荷为62.8 kN，脂润滑工况下极限转速为5 000 r/min；另一端使用轴承6316-2RZ（GB/T 276-1994）与液压马达连接座连接，其许用额定动载荷为94.57 kN，脂润滑工况下极限转速为3 800 r/min。选择的轴承都满足工作要求。

如图6 所示，翻抛装置最大变形位于正破碎刀顶端，最大变形量为0.03 mm，破碎刀长度为120 mm，厚度为10 mm，属于小变形量，在弹性变形范围内，对翻抛工作影响不大，能够满足刚度要求。

如图7 所示，翻抛装置最大应变位于轴承连接处，最大应变为0.01%，轴承连接处轴径为60 mm，到与刀辊连接盘固定端长度为196 mm，轴的材料为45 钢，其伸长率为16%，说明翻抛装置设计满足强度要求。

4 结论

（1）确定了满足实际作业要求的ZF802 液压自平衡翻抛机主要性能参数，完成了翻抛机的结构设计。

（2）基于翻抛机的性能参数要求，结合力学与物料特性，设计了滚筒式翻抛装置,确定了破碎刀的结构与排列方式。

（3）建立了翻抛装置的力学模型，利用Simulation 进行了有限元静应力分析，得出了应力云图、应变云图、变形云图。

（4）分析结果表明，翻抛装置整体应力分布均匀、变形较小，最大应力也在许用应力范围内，能够满足使用材料的强度和刚度要求。

（5）为以后的样机试验提供了理论基础与依据。