秸秆农作物切片装置的设计与制作

巫兰轩，徐晓烽，于新悦，李 竞，周 湛，徐向前，廖章浩

（广西大学机 械工程学院，广西 南宁 530004）

0 引言

农作物秸秆是农业生产活动中一项重要的生物质资源，同时也是可持续农业的重要组成部分[1]。农作物秸秆中含有大量的矿质元素，所以针对农作物秸秆的综合价值[2（]包括营养价值、经济价值、再利用价值等）的研究对于提高作物产量以及秸秆的再利用有着重大的意义[3]。

在秸秆研究的过程中需要将其切成大量可以透光的薄片制成标本进行实验。但不同的纤维组织将会导致秸秆的力学性能不同[4]，因此，在制作标本的过程中，由于秸秆纤维组织的变化容易出现切不断或切片厚度不能满足研究要求等问题，极大地增加了切片难度。与此同时，目前市场上还没有一种装置可以达到研究过程中所需秸秆薄片标本的切片要求，所以目前多采用手工切片来制作标本，但人工切片不能精准控制切片厚度，所以切片合格率极低。

针对现有的情况，本文设计一种秸秆农作物切片装置。该装置应用螺杆传动实现农作物秸秆的自动进给，保证了所切秸秆薄片的厚度均匀一致，同时通过调整上刀片的安装角度可以实现对不同纤维组织的秸秆进行切片，具有较强的实用性。

1 整体设计及工作原理

驱动电机产生动力，通过链轮链条将动力传递到减速器减速后以最佳转速带动偏心轮作整周回转运动，由于偏心轮和刀杆以及刀杆固定架组成了曲柄滑块机构，因此可以使得与刀杆连接的上刀片能够实现对作物秸秆的切片处理。在刀杆摆动切削的过程中，自动定位进给机构带动秸秆进给，通过调节进给电机的转速实现对切片厚度的调节。机器整体三维结构图如图1所示。

图1 秸秆农作物切片试验机结构

2 关键结构设计

2.1 旋滑双定位切片机构

旋滑双定位切片机构中上刀片用螺栓连接在刀杆中部，且是向偏离切片定位座一侧倾斜安装在刀杆上，以实现针对不同纤维组织的秸秆倾斜不同的角度实现平稳切削，同时还能避免上下刀片的刀刃直接碰撞导致刀刃崩碎。刀杆两端用刀杆固定架固定，从而防止刀杆产生周期性激励振动使得切出的秸秆薄片表面不平整。旋滑双定位切片机构如图2所示。

图2 旋滑双定位切片机构结构

2.2 自动定位进给机构

本装置中的秸秆进给机构采用螺杆传动，螺杆每旋转一周，秸秆向前进给的距离为1个螺距。因此，通过调节进给电机的转速，可以实现螺杆传动速度和切片速度的联动，使得当秸秆进给所需厚度的距离后，切片机构恰好实现对秸秆的切片，从而获得预期厚度的秸秆薄片。

在秸秆进给切片时，进给惯性和机器运作的振动会改变秸秆的空间位置，需要定位机构固定秸秆，保证切片的厚度和平整度符合要求。定位机构采用秸秆定位环、压紧螺栓、复位弹簧以及直动压紧轴等对秸秆进行压紧定位。自动定位进给机构如图3所示。

图3 自动定位进给机构结构

3 虚拟仿真与样机试验

3.1 虚拟仿真

将秸秆农作物切片装置的三维模型导入Adams虚拟样机中，添加仿真所需的连接、力和驱动后，进行装置的虚拟仿真试验。由于旋滑双定位切片机构的刀杆所做的运动是往复周期性摆动切削，因此其运动的速度方程应该是一三角函数曲线。故设定好仿真参数以后，得到的仿真结果如图4所示。

图4 上刀片竖直方向速度曲线

由仿真结果可知，仿真模拟运动得出的速度曲线与预期的三角函数曲线相符。因此，该装置在理论是是可行的，能完成预期的切片要求。

3.2 样机试验

3.2.1 样机切片准备

通过理论计算以及Adams仿真结果设计出实物样机，根据理论计算结果对驱动电机和进给电机进行调速后的高速超薄秸秆农作物切片试验机实物样机如图5所示。

图5 实物样机

3.2.2 实物切片试验

本试验共选取4根内部组织成分相近的甘蔗秸秆，选取的秸秆段平均长度为400 mm，最小长度为386 mm，最大茎径为35 mm，充分考虑人工切片难度较大，故本试验设定两个目标切片厚度，分别为0.5 mm和0.1 mm，将一分钟内机器切片的合格率以及切片效率与人工切片进行比较，从而验证机器的可行性。

机器性能试验指标见表1、表2。

表1 0.5 mm切片厚度试验结果

表2 0.1mm切片厚度试验结果

表1和表2结果表明：相对于人工切片，该装置在切片效率以及合格率方面都优于人工切片，即使提高切片难度，在人工切片无法满足切片要求的情况下，该装置依然能切出符合要求的切片，只是合格率略有下降。因此，本机设计合理，具有较高的使用价值。

4 结论

综上所述，得出以下结论：

（1）通过模型的虚拟仿真可知，装置设计合理，仿真所得速度轨迹曲线与理论运动方程相符合，装置能够实现预期切削运动。

（2）通过实物样机试验可知，与人工切片相比该装置能够有效提高切片合格率和切片效率，完全能够实现对秸秆农作物研究过程中的切片处理。

（3）本装置能够实现秸秆的自动进给，秸秆切片厚度均匀，可达0.1 mm，有效地解决了目前秸秆切片装置功能单一且厚度不均的问题。