一种高效秸秆切碎器的设计研究

２０１　１年５月　农机化研究　第５期　一种高效秸秆切碎器的设计研究　吴丽丽，刘天舒，吕黄珍，董世平，黄希国，孙玉峰　（中国农业机械化科学研究院，北京　１０００８３）　摘要：切碎器是秸秆切碎机的核心工作部件，它直接影响切碎机切碎质量、功率消耗和抛送性能。为此，设计　ＴＪ式滚筒切碎器，分析了滚筒切碎器结构参数对切碎性能和抛送性能的影响，确定了较优工作参数。经　Ｔ：￣过切碎棉秆试验表明，该切碎器切碎性能优良，切段均匀，抛送性能强。　关键词：切碎器；平板刀；切碎滚筒　中图分类号：ｓ２２４．２９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—１８８ｘ（２０１１）ｏ５—０１３３—０３　据秸秆高效切碎的需要，本文设计采用平板滚刀式切　０　引言　切碎器是秸秆切碎机的核心部件，其设计参数是　否合理，对切碎设备的切碎质量、工作效率以及功率　消耗等具有重要影响。因此，良好的切碎器必须具有　碎器。　１　切碎器总体结构设计与工作原理　切碎器主要切碎部件结构位置图如图１所示；切　碎滚简体装配图如图２所示。　结构紧凑、刀片制造方便、便于刃磨安装、切割省力、　负荷均匀及秸秆相对刃线不打滑等特点¨　。综合各　种切碎形式和结构特点，目前切碎器技术发展的主流　是滚筒式切碎器　］。滚筒式切碎器常用的３种形式　有螺旋滚刀式、直刃斜装滚刀式和平板滚刀式。螺旋　滚筒式切碎器的动刀片的刀刃是螺旋线，定刀刃具有　直线刀刃，安装时与动刀刀刃绕轴旋转形成圆柱面的　母线相平行，可以保证相等的切割间隙；动刀属于等　滑切角切刀，它具有工作负荷均匀、机器振动小的显　著特点。滚筒在较低转速时，仍可获得较短的切碎　段，但缺点是刀片的制造、刃磨和间隙调整比较麻烦，　不易保证切割质量，故其使用也受到一定程度限制。　直刃斜装滚刀式切碎器是我国近年首创并获得普遍　推广的新型切碎器，结构简单紧凑，动刀刃和定刀刃　都是直线刃，而且都是倾斜安装，制造和刃磨都比较　方便，动刀片刃线回转形成的轨迹是一个旋转单叶双　曲面。其定刀的正确安装位置只有一个，为某一转角　时动刀刃线的共轭线，如果偏离了这个位置，就会引　起刀片间隙两端小、中间大，导致切割质量严重下　４　３　２　ｌ　１．滚筒式切碎装置２．定刀座３．定刀４．偏心螺母　图１　主要切碎部件结构位置图　Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｓｈｒｅｄ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　Ｉ　２　３　降　。平板滚刀式切碎器动、定刀都是平直的，但是　动刀刃线实际上是螺旋线的一段，其滑切角沿滚筒长　度方向是变化的　Ｊ，这种设计的刀片具有良好的切碎　和抛送功能，刀片的制造、刃磨和间隙调整方便。根　收稿日期：２０１０—０８—０２　作者简介：吴丽丽（１９８１一），女，河南安阳人，工程师，硕士，（Ｅ—　ｍａｉｌ）ｏｋｗｌｉｌｉ＠ｙａｈｏｏ．ｅｏｍ．ｃｎ。　１．输入带轮２．动刀３．切碎滚简体　图２切碎滚筒体装配图　Ｆｉｇ．２　Ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ　ｏｆ　ｓｈｒｅｄｄｉｎｇ　ｄｒｕｍ　２０１　１年５月　农机化研究　ｚ　：６０　０００Ｖｗ（１—　第５期　）：１５ｍｍ　滚筒式切碎装置滚筒体直径６００ｍｍ；切碎为由定　刀有支撑的切割配合动刀完成切碎过程。定刀组件　上的定刀在偏心螺母的作用下，可以前后移动，以保　证动刀和定刀之问的间隙，其间隙一般为０．５　ｍｍ　～／／，Ｚ　其中，　为打滑系数，一般取０．０５—０．０７，设计取　值为０．０５。只有当秸秆垂直地喂入，实际切碎长度方　１．０ｍ。动刀分左右两组排列，均匀交错地对称安装　能接近理论切碎长度。当切碎晾晒后的作物或其它未　排列好的秸秆时，实际切碎长度可能平均比理论调节　在滚筒体上，每组６片，均匀地与轴线呈６。分布于简　体上，以保证以滑切方式将秸秆切碎。滑切比砍切省　力，主要原因有两方面原因：一是微观状态下刀刃为　值大一倍，其中包括一些比理论调节值长数倍的切段。　具体确定切碎长度应遵循这样的原则：粗硬秸秆应切　得更短，细软秸秆可稍长些　。本设计以棉秆为目标　切碎物料，设计理论切碎长度为１５ｍｍ。　２．２切碎滚筒有关参数的确定　锯齿状，砍切时秸秆仅受压应力，滑切同时受压应力　与张应力，而秸秆的破碎张应力小于压碎应力；二是　滑切时刀刃斜置，故单位长度刃口的切割阻力小　』，　从而可减少功率消耗，改善切碎质量。动刀片的数量　可以根据切段长度调整，但当滚筒转数、喂入量和切　段长度不变时，刀片数太少，会使喂入的物料层太厚，　容易造成动刀朝喂人轮方向推挤物料，从而影响切段　质量，所以采用多刀片和较低切刀线速度可以满足切　设计选用直抛式平板型滚刀式切碎器，它的平板　式动刀和抛送板安装在一起，不需要另设抛送器，抛　送能力强。平板形动刀在滚筒体上的结构参数，如图　３所示　碎要求同时降低功耗。动刀片与凹板的间隙也很重　要，太大的间隙会使抛送性能下降从而产生堵塞，其　调整范围为０．５～３　ｍｍ。　２主要参数设计研究　２．１　切碎长度的确定　理论切碎长度是指在相邻刀片两次切断动作之　问喂人装置的进给量，切碎段长度ｆ　取决于喂入辊的　喂入速度　切碎器的转速ｎ和切碎器上动刀片数ｚ。　理论切碎长度可由下式　表示，即　２　２　：６０　０００％　图３平板形动刀在滚筒体上的结构参数　Ｆｉｇ．３　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｐｌａｎｅ　ｔａｂｌｅ—ｋｎｉｆｅ　Ｏｉｌ　ｓｈｒｅｄｄｉｎｇ　ｄｒｕｍ　２．２．１　刀片安装前倾角西的确定　（１）（）　平板刀刃口曲线是椭圆曲线的一部分，在　ｚ０　式中ｆ　一切碎段长度（ｍｍ）；　一平面坐标系中（坐标系与平板刀底面重合），椭圆长半　轴ｏ＝＿　，短半轴ｂ＝Ｒ，曲线方程式为　ｖ２，７２　喂入辊的喂人速度（ｍ／ｓ）；　ｎ一切碎器的转速（ｒ／ｍｉｎ）；　切碎器上的动刀片数。　Ｒ２　／　Ｒ　、　２　（２）　在式（１）中，切碎器转速ｎ应由其要求的切割线速　度和切碎器直径来定，所以一般不采用切碎器转速的　改变来调节切碎段长度。调节切碎段的方法主要是改　变喂入速度　和刀片数　。本设计喂人辊外圆直径Ｄ　＝１３０ｍｍ，喂入辊转速为／Ｚ　＝３２８　ｒ／ｍｉｎ，所以喂入辊喂　入速度　＝　１，ｒｒＤ　／６０　０００＝２．２３ｍ／ｓ（喂入装置采用　上、下各一个喂入辊，上喂人辊可以随喂入量的大小上　平板刀结构参数间的关系可表示为　Ｚｔｇａ＝Ｒｓｉｎ￣ｂ　（３）　式中ｚ一刀刃上Ａ点的坐标值（ｍｍ）；　一倾斜角，平板刀刀面所在平面与滚筒中心线　的夹角（。）；　Ｒ一切碎滚筒刀刃轨迹半径（ｍｍ）；　一下浮动，由压簧压紧，使喂入的物料始终处于压实状　态；下喂人辊采用光辊结构固定在机架上，只能转动，　不能移动，这样有利于切碎，并可保证切碎质量）；切碎　滚筒转速／＇ｔ＝１　３８７ｒ／ｍｉｎ，切碎滚筒圆周上均布６片刀，　考虑到喂人辊的打滑因素，理论切碎长度为　平板刀刃上Ａ点的安装前倾角（。）。　刀片安装前倾角的大小直接决定了抛送条件是否　满足。此角越大，其切碎性能越好，但抛送性能越差。　因此，在平板刀设计中，　角的选取应在保证能抛送切　碎物的前提下，尽量大些。多次试验验证，安装前倾角　２０１　１年５月　农机化研究　第５期　取５０。，可以同时兼顾切碎性能和抛送性能。　衡试验，结果如表２所示。　２．２．２倾斜角Ｏ／的确定　表１　平板刀式滚筒切昨器主要技术规格　倾斜角即刀片刃线相对于回转轴线的转角，由于　Ｔａｂ．１　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｐｌａｎｅ　ｔａｂｌｅ—ｋｎｉｆｅ　ｏｎ　ｓｈｒｅｄｄｉｎｇ　ｄｒｕｍ　受平板刀切碎滚筒的结构限制，一般取　＝４。～７。，试　滚筒转速　滚筒直径　动刀片数切碎段长度　生产率　项目　验验证取值　＝６。。　／ｒ　ｒ・　ａｉｎ　．　Ｉ／ｍｍ　／把　把　／ｍｌｎ　／ｋｇ．ｈ—ｌ・一　　２．２．３滑切角　的确定　３　６（）０　数值　１　３８７　６００　１２　３０　棉花秸秆　滑切角指刀片上某点的速度矢量与该点刃口曲　线法平面之间的夹角　］。滑切角ｔｒ的大小直接影响　表２动（静）平衡试验结果　动刀的切割阻力矩的大小，一般来说滑切角越大，切　Ｔａｂ．２　Ｍｅａｓｕｒｅ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｂａｌａｎｃｅ　割越省力，剪切功率越小。其原因是切割功耗不仅用　于切断物料，也用于克服刀面对秸秆的摩擦阻力。当　平衡方位　平衡施ｉｎ一　平衡值／ｇ　／￣ｒｌ－ｉ　不平衡值／ｇ　校验日期　期　／ｒ　．　一　不　／　切割层变厚时，摩擦力增大，此时增大滑切角虽然可　左端４００　２０　２　２００８—１２—０３　使切割力减小，但摩擦力也会增加，其增大值将超过　右端４００　２０　４　２００８—１２—０３　切割力的减小值¨　］。综合考虑安装要求，滑切角ｒ　确定为７。。　４　结论　２．２．４刃角　刃角指刀刃磨刃面与背面的夹角。刃角对切割　滚筒式切碎装置中定刀轴向固定，动刀与轴线倾　斜布置，分左右交错对称布置在滚筒体上，刃口向内　比功（切割每单位面积断面秸秆所消耗的能量）有很　大影响。研究证明：随刃磨角的增大，切割比功也增　倾斜一定角度，产生滑切，减少切碎阻力，可以实现高　大；而刃角过小时，又不耐磨。平板刀的刃角　一般　效切碎。样机试制完成后，经过在山东和新疆连续３　都较小，常取为２１。～２５。＿　，考虑到刀刃的强度，经过　年收获切碎棉秆作业，试验表明该机具有优良的切碎　性能，切段均匀，抛送性能强。　试验研究，本机选用刃角为２５。。　２．２．５推挤角　和摩擦角　参考文献：　切碎器动刀刃（或其切线）与定刀刃（或其切线）　［１］　黄德超，王瑞丽．铡草机切碎器性能分析［Ｊ］．农业科技与　在切割点的夹角，称作推挤角。不推挤滑出棉秆以保　装备，２００９（６）：４３—４７．　证正常切割的前提为　［２］　赵清华，车刚，万霖，等．新型青贮饲料收获机滚筒切碎器　的设计与试验研究［Ｊ］．黑龙江八一农垦大学学报，２００６，　≤艿ｌ＋６２　（４）　１８（６）：４３—４６．　式中　一推挤角；　［３］　王宏立，王文春，杨天维，等．青饲机平板刀式滚筒切碎器　６　一动刀对棉秆的摩擦角；　的设计研究［Ｊ］．黑龙江八一农垦大学学报，２００４，１６（３）：　６　一定刀对棉秆的摩擦角。　４９—５２．　切割过程中　是变化的，故要求其最大推挤角　［４］　庞声海．饲料加工机械［Ｍ］．北京：中国农业出版社，１９８３：　９Ｏ一９４．　满足上式条件，通常取　＝３２。，６　：１８。，故　一般　小于５０。。　［５］　赵毅彬，迟淑筠．玉米青贮机滚筒式切割装置的设计［Ｊ］．　工艺设备，２００５（１５）：ｌＯ一１３．　２．２．６滚筒其它参数的确定　［６］　中国农业机械化科学研究院．农业机械设计手册［Ｋ］．北　滚筒直径选定为６００ｒａｍ，长度，Ｊ为７００ｍｍ，转速　京：中国农业科学技术出版社，２００７．　ｎ为１　３８７ｒ／ｍｉｎ。经大量实验表明，此参数选择可以　［７］　中国农机学会农机化学会科技交流中心．农作物秸秆利　兼顾切碎性能和抛送性能，同时滚筒运转平稳，功率　用技术与设备［Ｍ］．北京：中国农业出版社，１９９６．　消耗也较小。　［８］滕绍民，王泽群，李洋，等．切割方式与切割阻力的理论研　究［Ｊ］．农机化研究，２００９，３１（５）：８９—９６．　３切碎器性能试验　［９］　闫秀芳，李林，张三强，等．盘刀式切碎器等滑切角刀刃曲　根据以上分析研究和秸秆高效切碎技术要求，设　线动刀片的虚拟设计及其性能分析［Ｊ］．农村牧区机械　计的平板刀式滚筒切碎器主要技术规格如表１所示，　化，２００８（２）：２４—２６．　并对其核心部件滚筒焊合（工件重１７０ｋｇ）进行了动平　（下转第１３９页）　・１３５・　２０１　１年５月　农机化研究　第５期　ｆ　ａ．Ｆａｃｕ１ｔｖ。ｆ　Ｂａｓｉｃ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｎｌ１ａｔｉ。ｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｂ．Ｆａｃｕｌｔｙ。ｆＬａｎｄｓｃａｐｅ　ａｎｄ　Ｈｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒｅ，Ｙｕｎｎａｎ　Ａ　ｃｕｌｔｕ　ａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｖ。Ｋｕｎｒｕｉｎｇ　６５０２０１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅ　ａｉｍｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｐｒｏｄｕｅｔｉ。ｎ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎ。１。ｇＹ　ｏｆ　ａｐｐ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