液压进料PTO传动树枝粉碎机的设计研究

孟庆军， 张 斌

(东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150006)

果园树枝修剪作业中会产生大量杂枝，目前果园大部分采用小型移动式树枝粉碎机或大型牵引式粉碎机。前者粉碎功率小，需要人工喂料，树枝粉碎效率较低，不能满足中小型果园的需求，后者大多采用液压自动喂料，采用大马力多缸柴油机或汽油机，整体结构复杂，自重大移动不便，转运困难，在泥泞的路上容易陷入，大型树枝粉碎机自身无行驶动力，一般需要车辆拖运。特别是大马力多缸汽油机，功耗太高，油耗大，粉碎过程中需反复加油，不利于果园持续作业。

目前国内没有比较适合中小型果园使用的树枝粉碎设备，亟需一种适合中小型果园的树枝粉碎机，该树枝粉碎机的主要特点是面向小范围(农户、小果园等)，能降低劳动强度、减少作业成本和提高劳动安全性，对生态、环境起到保护作用，粉碎后的树枝节约空间，粉碎后的木片加速微生物对其的降解，能有效保持土壤肥力，避免化学肥料对土壤造成的污染。因此，对提高林木加工副产品的处理效率和美化环境有重要意义[1-3]。

1 树枝粉碎机方案设计与工作原理

本文研究的枝条粉碎机参考现有国内外枝条粉碎机结构优点，并结合中小果园粉碎枝条直径不大于130 mm且细小杂枝较多的实际情况。本研究设计的枝条粉碎机在传统的结构上进一步优化，树枝粉碎机的最大粉碎直径为135 mm，参照现有粉碎机的粉碎效率，预设机器粉碎效率为2～3 m3/h，碎料以片状或粉状呈现，碎料尺寸不大于20 × 20 mm。

1.1 方案确定

该粉碎机整机形式为固定式，利用拖拉机的三点悬挂装置在工作地点移动，传动方案利用拖拉机PTO端提供动力，粉碎机构采用鼓式切削机构。进料方式为液压强制进料，出料方式为机械出料。树枝粉碎机如图1所示。

图1 树枝粉碎机

1.2 整机基本工作原理

树枝粉碎机其工作过程为：树枝修剪下来随之喂入停候在林间的树枝粉碎机的进料口，通过带有刀齿滚子的液压进料系统自动将树枝送到刀箱进行粉碎，液压进料系统能够实现正反转过程，防止树枝过粗而卡料。刀箱通过高速旋转的转子带动上面的刀片将树枝粉碎，粉碎的木片、木屑通过转子上焊接的扇片带动的高速气流吹出刀箱，通过出料口排放到指定的区域。

2 切削机构主要部件的设计

2.1 转子结构和尺寸的设计

按照对鼓式削片机进行切削参数确定，切削角θ=π/4，木料半径R取加工最大尺寸，由此来设计削片机的切削机构，能有效进行切削，节约能源[4]。

刀在转子上的切削角取θ=π/4，木料半径R取加工最大尺寸R=67.5 mm。由于工作环境冲击载荷大，采用9 CrSi钢。飞刀数量Z=2。设计最大粉碎尺寸为135 mm，转子半径为R=161 mm。在转子两侧焊接8个均匀分布的扇片，利用转子旋转的高速气流将粉碎的木片、木屑吹出刀箱。鼓式树枝粉碎机的切削过程如图2所示。

图2 粉碎机切削过程

转子上的飞刀与安装在刀箱上的定刀共同组成粉碎机构，飞刀与定刀之间相互剪切完成树枝粉碎，从图2可以看出，鼓式削片机的切削过程属于纵端向切削，我国北方果园的树种大多以苹果、桃树为主，其粉碎所需功率的相关计算公式如下[5-6]：

(1)

式中：P为物料单位面积切削阻力，N/mm2；r为最大原木半径，mm；α1为进料槽的垂直倾角，°；α2为进料槽的水平偏角，°；N为刀盘转速，r/min；z为刀盘上的飞刀数。

其中P取物料单位面积切削阻力(N/mm2)，按最常见的苹果枝条作为物料，取90 N/mm2；r取135 mm；本研究采用强制式喂料方式，因此α1为0°，α2为90°，n为2 200 r/min，z为2，可得粉碎刀辊所需功率23.14 kW。

由于本次设计的切削系统最多一次只能切削2根直径最大为135 mm的树枝，故本机的总驱动功率为：N=46.28 kW。

2.2 进料设计

设计的进料方式为液压进料，需对所需液压马达进行计算分析：

(2)

式中：F为主切削力，N；r为最大粉碎直径，mm；P为物料单位面积切削阻力，N/mm2；其中P取90 N/mm2，可求得F=1.29×103N。

进料由液压马达带动进料滚，液压马达理论输出扭矩T为：

(3)

式中：ηm1为传动机械效率；由于传动方式为带传动，ηm1取0.95，已知进料滚直D=300 mm，计算得出液压马达扭矩为183.8 N/m。

2.3 定刀、飞刀设计

定刀安装在进料口底部，可通过调节定刀位置来调节粉碎后的木片的大小。定刀为长方体金属合金块，要求耐冲击并具有一定的耐磨性，并具有可调节的特征，故选用金属牌号65 Mn材料。定刀长度要求与进料口相同，利用螺栓与进料口相连，放置于进料口上方，与飞刀形成配合，要求有2 mm左右的间隙，且间隙能够进行调节。定刀如图3所示。

图3 定刀设计图

飞刀是切削机构重要的组成部分，飞刀的好坏关系着粉碎质量的好坏。目前飞刀材料多用合金钢并进行热处理，飞刀属于易损件，由于采用高碳合金钢进行锻造，多发生的失效形式为磨损和崩刃(断裂)失效，其加工过程中残存的应力对其力学性能起到了重要的影响，加工过程为锻造、淬火、回火、退火。飞刀尺寸为375×72×8 mm，刀口楔角32°，要求硬度54～57 HRC，刀具组织均匀致密，不存在明显缺陷，表面涂油防锈。飞刀如图4所示。

图4 飞刀设计图

3 其他结构设计

3.1 三点悬挂

树枝粉碎机以三个铰接点与拖拉机机体联结，根据GB/T 7120-2009指出的拖拉机三点悬挂标准进行树枝粉碎机的三点悬挂装置的设计，利用拖拉机悬挂提升连接在悬挂上的树枝粉碎机进行作业地点的转运，在转运过程中与拖拉机铰接的连接处受到树枝粉碎机的全部重量，因此需要对连接处的强度进行校核[7]。在Ansys中对材质进行指派，考虑在行走时只受重力影响，将机器简化为等重匀质立方体，故与位移图与等效应力图如图所5示。

(a)等效应力图

连接处的最大等效应力为38.2 MPa，小于钢材许用应力，最大变形为0.042 mm，在设计允许范围内，满足设计要求。

3.2 旋转出料口设计

粉碎后的木料在出料口出料时受风力影响较大，当风速过大时，从出料口吹出的木屑距离较近，扬尘较多，工作条件差，因此采用旋转出料口，能根据不同的工况条件下选择合适的位置进行灵活作业。旋转出料口可自由旋并以固定角度进行锁定，具体实施方式如图6所示。

图6 旋转出料口

4 总结

本研究针对果园的实际需求设计适合果园的树枝粉碎机，对树枝粉碎机做出了整体方案设计，总体结构包括：变速箱、喂料装置、粉碎装置、出料口、底盘等组成。计算了切削机构的切削功率及切削力，对进料系统的液压马达的扭矩进行计算，并对移动过程进行整机Ansys校核通过有限元分析，连接处的强度满足设计要求。设备具有该粉碎机结构简单，生产效率高，经济性好移动方便等特点，能有效适用于果园环境。