丘陵山地悬挂式枝条粉碎机设计

王 林 蒋辉霞 徐 一 随顺涛 万先起 李光辉 蒋金巧 魏鼎才

（四川省农业机械研究设计院，四川成都 610066）

随着四川省“10+3”现代农业产业体系建设不断深入，从粮油种植向经果种植转型，“川果”产业发展迅速。四川省境内果、茶、桑种植面积较大，并且逐年扩大。目前，全省果树种植面积达61.33万hm2，居全国第六位。在果园、茶园、桑园管理中每年都会产生大量的废弃枝条，但修剪下来的枝条形状各异、大小不一、粗细不均匀、整体蓬松、体积大，故收集整理十分不便且运输过程安全性差、效率低。目前，果园处理废弃枝条主要采用堆积或集中焚烧的方式处理。一方面堆积处理容易滋生细菌，加大果园病虫害风险，还存在火灾隐患；另一方面集中焚烧造成环境污染，也浪费资源[1]。

废弃枝条粉碎具有十分重要的意义。一是乡村发展、区域产业发展、产业发展等的现实需要。废弃枝条粉碎还田是乡村振兴中生态宜居建设的需要。为有效实施乡村振兴战略和推动宜居乡村、生态农业建设，合理利用农业废弃物是内在要求。四川丘陵山区林果产业发展迅速，枝条粉碎需求迫切[2]。二是“10+3”现代农业产业发展的需要。随着果树产业发展迅速，枝条处理问题逐渐凸显。枝条粉碎合理利用是降低产业生产成本和促进产业可持续、高质量发展的现实需要。三是破解丘陵山地农机化发展难题的需要[3]。现有枝条粉碎机以大型固定式为主，机具田间转移困难、购置和运行成本高，不适用于丘陵山区[4]。大型固定式机械主要以自带动力驱动或电动机驱动，应用于丘陵山区果园存在以下问题：系统复杂，能耗高，运行成本高，运行不稳定，噪声大[5]；大型果树枝条粉碎机难以克服面积小、分散的客观局限，大型粉碎机的应用推广难度较大。因此，研发一种适用于丘陵山地的枝条粉碎机是丘陵山地农机化发展的内在需要。四是破解农林枝条处理难题的需要。采用堆积、焚烧、运输丢弃等方式处理枝条存在诸多弊端。堆积处理影响田间管理，不利于果树生长，还易滋生细菌，导致果园病虫害传播风险增大；废弃枝条运输处理效率低、成本高，不利于产业发展。枝条粉碎处理技术是解决枝条处理难的关键。因此，研发一种适宜于丘陵山地的枝条粉碎机，不仅可以有效解决“川果”产业发展中日益凸显的枝条处理难题，还是实施乡村振兴战略和发展“10+3”现代农业产业的现实需要。

本文针对目前经果林废弃枝条处理过程中费时费力、污染环境、资源浪费、存在安全隐患等现实问题，设计了一种适用于丘陵山地的悬挂式枝条粉碎机。该机械以农用拖拉机为动力来源，可将经果林管理过程中产生的废弃枝条就地粉碎，从而减少废弃枝条堆积，减少运输成本、人力成本，也减少园区病虫害传播[3]。将废弃枝条粉碎还田可有效减少化学肥料使用，节约资源；同时可降低机具购置成本，实现拖拉机的一机多用，节约成本。

1 设计原则及组成

1.1 设计原则

1.1.1 适用于四川丘陵山区经果林废弃枝条就地粉碎。四川丘陵山区地形地貌变化大且可利用地块较为分散，缓坡规模种植、依山就势小地块阶梯种植是果园的主要种植形式。四川丘陵山区果园废弃枝条以柑橘、葡萄等为主，其直径大小不一、茎多且韧性强、硬度大、粉碎难度大。废弃枝条粉碎机械要求适用于水分含量大的废弃枝条粉碎。对于四川丘陵山区经果林种植地理条件而言，常年潮湿多雨，地面湿度大，不利于机具田间运输。复杂的地理条件要求机具适应强，特别是要能适应四川丘陵山区自然气候条件。

1.1.2 以农用拖拉机作为动力来源，提高拖拉机使用效率，降低机具购置成本。目前，四川果园种植主体以中小规模种植专业合作社和家庭农场为主，结合农机普及率等方面进行考虑，采用拖拉机作为动力来源可有效降低机具购置成本，促进产业发展。

1.1.3 对作业地形适应性强，适用于多种类型废弃枝条和多种地形条件，机具粉碎效率高、成本低。根据不同直径的枝条分段预设动力模式和动力大小，切换发动机动力输出，动态匹配变速箱输出轴与输入轴的传动比，使得转子产生高速气流并随刀片方向旋转。物料在气流中加速并反复冲击、切割摩擦，达到高效粉碎、高适应性的效果[6]。

1.2 装置组成

本装置由支撑系统、动力传输系统、粉碎系统组成（图1）。支撑系统包含部件安装机构、三点悬挂器和高度调节器。机架作为整体机具的支撑，与各零部件集中安装于底座，采用矩管焊接组成。动力传输系统由动力输入轴、齿轮变速箱、动力输出轴组成。其主要功能是将拖拉机输出动力传输至粉碎系统，同时具备动力调节功能，以适应不同转速输入动力。粉碎系统由粉碎刀盘、机壳、喂料口、出料口组成，是机具的核心部件，起到粉碎物料的作用。

2 方案设计

2.1 适宜于丘陵山地地形特点的支撑系统设计

丘陵山地复杂的地形条件要求机具的支撑系统具有布局合理、结构紧凑、动力传输距离短、动力损耗低、稳定可靠、轻便灵活等特点。支撑系统采用矩管焊接组成矩形四点支撑结构；机架下方支撑点处安装滚轮，以便于整体机具移动；下方支撑点设有高度调节器，以实现在非水平地面作业，增强机具的多地形适应性。

2.1.1 部件安装机构。粉碎机各零部件安装机构采用预留孔设计，各部件采用螺栓、螺母紧固安装。机架主要安装传动变速箱、粉碎机和三点式悬挂器。三点悬挂器采用焊接方式与机架相连，具有更高的强度和更强的连接稳定性。变速箱与粉碎机采用螺栓、螺母固定，各安装孔采用长方形设计，以增强安装灵活性，同时可保证安装精度。

2.1.2 三点悬挂器。三点连接装置根据拖拉机连接机构进行设计，以提高机具的适用性。其与拖拉机实现刚性连接，可减轻震动，提高可靠性。三点悬挂连接机构主要实现牵引运输和定点粉碎作业时与拖拉机的刚性连接，同时在运输过程中可调整机具高度，从而起到运输方便、增强地形适应性的作用。三点悬挂连接结构由加厚钢管和钢板加工制成，焊接于机架前端，即动力输入轴所在机架一侧，与拖拉机连接的三点成等腰三角形，使连接更可靠。

2.1.3 高度调节器。为提高整机稳定性，高度调节器以液压缸作为主要部件，通过拖拉机液压输出控制液压缸伸缩长度，实现高度调节。为提高机具与地面接触的稳定性，高度调节器底端采用放大地面接触面积设计。地面接触板采用正方形加厚钢板，焊接在高度调节器液压缸底端，以提升机具工作的稳定性。

2.2 高效平稳的动力传输系统设计

在动力传输平稳条件下，提高转速匹配效率可以提高机具性能。本机采用传动轴→齿轮变速箱→皮带传动的方式实现输入转速可变且输出转速可手动调节，以保证动力传输平稳、转速匹配高效。此设计提高了机具的适用性，同时降低了机具购置成本。

2.2.1 动力输入轴。动力输入轴的一端与变速箱本体连接，另一端通过键连接与拖拉机输出轴相连。动力输入轴上还可安装万向铰链，以实现枝条粉碎机与拖拉机处于不同位置仍可工作。动力输入轴设计依据粉碎机所需功率采用花键连接设计，具体扭矩设计与粉碎机功率匹配。

2.2.2 齿轮变速箱。传动变速箱的主要作用是将拖拉机输出的转速、方向和扭矩转变成为适用于枝条粉碎机工作所需的转速、方向和扭矩。为实现此功能，变速箱本体采用齿轮变速箱，可实现高速变低速和低速变高速，通过操纵杆转换两级变速功能，以适应不同转速输出的拖拉机。

2.2.3 动力输出轴。动力输出轴是实现动力由传动变速箱传输至粉碎机的动力传输组件。动力输出轴自由端伸入机壳内，并与机壳壁活动连接。动力输出轴与粉碎机之间安装联轴器进行动力传输。输出轴与传动变速箱内输出齿轮相连，采用键连接方式实现动力传输。因为动力输出轴传动转速一定，所以满足使用需求即可。

2.3 高效、高可靠性粉碎系统设计

高效、高可靠性粉碎系统主要由粉碎刀盘、皮带轮、机壳、喂料口、出料口组成。粉碎机刀盘与切碎物料垂直，喂料口安装于主轴方向，使物料轴向进入刀盘旋转面。皮带轮带动主轴和刀盘旋转，定刀与物料产生相对运动进行物料切割。切割后的物料在机体内受动刀锤片产生高强度的撞击力、切割力、摩擦力被二次粉碎，从而达到高强度的粉碎效果。粉碎的物料最终受离心力作用，通过刀盘切线方向安装的出料口排出机体。

2.3.1 粉碎刀盘。粉碎刀盘包括安装轴套、定刀架、定刀、动刀架、动刀和销轴。安装轴套固定穿套在动力输出轴上。定刀架呈圆周方式设置在安装轴套外，其长度方向与安装轴套直径方向一致，一端与安装轴套表面连接。定刀安装在定刀架上，刀刃朝向其旋转方向。相邻的2个定刀架为一组，动刀架两端分别与同组内的2个定刀架连接，动刀架也可以连续设置。相邻刀盘上的定刀错开设置，销轴固定在动刀架上，刀的一端与销轴连接。动刀能以销轴为转动中心旋转，刀盘在旋转过程中，定刀与废弃枝条相对运动并对其进行切片，动刀自身的旋转可对废弃枝条进行二次粉碎。

2.3.2 机壳。机壳呈圆饼状，由钢板切割焊接而成，其轴向中心与动力输出轴的转动中心重合。机壳包括上机壳和下机壳。上机壳与下机壳焊接，或者用螺栓连接成一个封闭的整体，将粉碎刀盘与粉碎物料封闭于机壳内部。粉碎机构悬空安装在动力输出轴所在的机架一侧，主要用于对废弃枝条进行粉碎。粉碎刀盘均匀安装在位于机壳内的动力输出轴上，其随着动力输出轴快速旋转而对废弃枝条进行粉碎。

2.3.3 喂料口。喂料口位于下机壳远离传动变速箱的侧面，由钢板切割焊接制成，并通过螺栓与下机壳连接，实现物料导向功能。喂料口主要由夹紧装置与导向槽组成。夹紧装置采用一端固定、一端弹簧可动的设计，通过弹簧可动端进行主动喂料。主动喂料动力来源于粉碎机主轴上安装的圆锥伞齿轮，可主动向粉碎机内部传送物料。喂料夹紧口设计与主动设计可适应不同物料的粉碎，以减少粉碎物料震动，提高安全性。

2.3.4 出料口。粉碎机出料口采用钢板焊接，出料口位于上机壳圆弧壁上的最高点，邻近机壳朝向传动变速箱的一侧，出料方向与上机壳圆弧壁相切。出料口采用圆柱形设计，圆柱直径与机壳整体厚度相适应。在出料口顶端安装物料导向板，导向板呈圆弧状，可降低物料输出阻力。导向板设计上，以出料口圆心为轴进行360°旋转，与旋转套安装卡死，可实现多方位堆放粉碎物料。

3 结语

目前，四川省果树种植面积达61.33万hm2，居全国第六位。随着四川省“10+3”现代农业产业发展不断深入，“川果”产业快速发展，大量新型经营主体不断涌现，果树种植面积不断扩大。对其生产过程中产生的大量废弃枝条进行粉碎还田和资源化利用是生态农业建设的必然要求。丘陵山地悬挂式枝条粉碎机能有效解决废弃枝条粉碎问题，因而具有广阔的应用前景。

本文所述的丘陵山地悬挂式枝条粉碎机对拓宽现代科学技术在农业机械中的应用领域和促进现代农机朝着机械化方向发展发挥着重要的促进和推动作用。推广示范运用后将改变示范区域以往废弃枝条堆积、焚烧等处理方式，可有效解决果园废弃枝条运输难、处理难、焚烧污染环境、堆积易引发植物病虫害等问题。同时，将废弃枝条资源化利用可降低农业生产成本，提高经济效益，促进产业可持续、高质量发展，社会现实意义显著。

本文设计的丘陵山地悬挂式枝条粉碎机，结合现有技术条件和农业生产实际，选择农用拖拉机作为动力来源，采用适宜于丘陵山地地形特点的支撑系统、高效平稳的动力传输系统和高效、高可靠性的粉碎系统，实现对丘陵山地废弃枝条就地粉碎，大大降低了废弃枝条的处理成本，提高了废弃枝条综合利用率，降低了废弃枝条带来的生态风险，为经果林规范化生产、生态生产起到了促进作用。该机械的设计研发有利于提高“川果”产业的机械化、现代化水平，可为乡村振兴战略实施、宜居乡村建设提供技术支持。