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STRAW CHOPPER MOUNTING FOR COMBINE
聯(lián)合秸稈粉碎還田器的安裝
This invention relates to an improved means for mounting a straw chopper on a combine
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的手段，即在聯(lián)合收割機(jī)上安裝秸稈粉碎還田機(jī)
When the straw or crop residue is thick, a straw chopper is used on a combine harvester to reduce the crop residue before it is spread so that such residue does not later cause tillage problems. However, in some conditions of crops, a straw chopper is not required, nor even desired. Under such circumstances, in the past the way such situation was handled was to remove the straw chopper from the combine. This was a tedious task as straw choppers are heavy and bulky attachments which do not lend themselves to attachment or detachment from a combine by one man.
當(dāng)玉米或作物殘留物很厚時(shí)，用聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行秸稈粉碎還田以減少作物殘留物，然后才鋪散開(kāi)，這樣這些殘留物以后就不會(huì)造成耕作問(wèn)題。然而，在一些作物條件下，秸稈粉碎還田機(jī)是不需要的，甚至也不理想。在這種情況下，在過(guò)去這種情況的處理方法是去除聯(lián)合秸稈粉碎還田機(jī)。這是一件單調(diào)乏味的工作，因?yàn)榻斩挿鬯闄C(jī)很重而且一個(gè)人并不能使笨重的附件相互依附或分離開(kāi)。
Accordingly, the present invention contemplates providing means on a combine for mounting a straw chopper in the conventional position on a combine harvester for chopping straw delivered thereto from the chopper will not interfere with the discharge of straw from such straw rack.
因此，本發(fā)明設(shè)想提供在聯(lián)合收割機(jī)傳統(tǒng)位置上安裝一個(gè)秸稈粉碎還田器的手段，這將不會(huì)干擾玉米等秸稈從機(jī)架中排出。
A further object of this invention is to provide mounting means for a straw chopper so that such chopper can remain mounted on a combine harvester at all times, but such straw chopper while so mounted can be shifted by one man from an operative straw chopping position to a neutral out of the way position.
本發(fā)明的進(jìn)一步目標(biāo)是提供一個(gè)安裝秸稈粉碎還田機(jī)的手段，使斬波器可以保持在任何時(shí)候都可以安裝在聯(lián)合收割機(jī)上，但當(dāng)這樣安裝時(shí)，一個(gè)人就可以從一個(gè)執(zhí)行秸稈粉碎的位置轉(zhuǎn)移到其對(duì)立的位置上。
In a combine having a longitudinally extending straw rack, a hood positioned over the end of said straw rack, said hood being provided with longitudinally extending opposed side walls joined by an overhead and end portion, the improvement comprising a longitudinally extending first channel member attached to each of said side walls, a straw chopper having longitudinally extending second channel member attached to each side and being complementary to said first channel members so that said straw chopper is supported from said hood by means of a nesting coaction between said first and second channel members, said straw chopper being slidably mounted for longitudinal movement along said first channel members, means for retaining said straw chopper in a first position in receiving relation to straw discharged from said straw rack and for relating said straw chopper in a forward neutral position relative to said discharge end of said straw rack.
在具有縱向延伸秸稈架結(jié)合位置，一個(gè)遮光罩定位在秸稈架末端，上述遮光罩由架空和結(jié)束部分加入的縱向延伸反向側(cè)墻提供，這一改進(jìn)包括一個(gè)縱向延伸第一個(gè)通道，它與上述側(cè)墻的每一面相連接，秸稈粉碎還田器有縱向延伸的第二通道，它連接到側(cè)墻的每一面并且加以補(bǔ)充與第一個(gè)渠道附件連接，這樣秸稈粉碎還田器從上述遮光罩得到支持，而遮光罩通過(guò)上述第一和第二渠道附件之間的嵌套合作得以實(shí)現(xiàn)，秸稈粉碎還田器的可滑動(dòng)式安裝使其可沿著第一渠道附件縱向運(yùn)動(dòng)，以保留在接受有關(guān)從秸稈架解除第一個(gè)位置上的秸稈粉碎還田器和相對(duì)于解除秸稈架末端前方對(duì)立位置的秸稈粉碎還田器為手段。
本科學(xué)生畢業(yè)論文
盤(pán)刀式莖稈切碎機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系部名稱(chēng)： 機(jī)電工程學(xué)院
專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化08-1
學(xué)生姓名：
職 稱(chēng)： 講師
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○一二年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
The structure Design of Radial-knife Stalk Cutter
Department: Mechanical and electrica enineering
Specialty：Mechanical design and automation
Class：08-1
Candidate：Song Xin
Supervisor：Lecturer.Liu Chunxiang
Heilongjiang Institute of Technology
2012-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
本研究以棉稈等硬莖稈為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)秸稈原料特性的分析，確定切碎原理和方法，設(shè)計(jì)出動(dòng)力消耗低、粒度大小滿足壓縮成型要求的秸稈切碎機(jī)。推動(dòng)我國(guó)目前綜合開(kāi)發(fā)利用農(nóng)作物秸稈資源的技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)際應(yīng)用。
通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的分析、方案的論證比較和有關(guān)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，主要完成了切碎機(jī)的總體設(shè)計(jì)，電動(dòng)機(jī)的選擇以及傳動(dòng)方案的分析、比較與選擇等內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上對(duì)切碎機(jī)機(jī)體 的結(jié)構(gòu)尺寸、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)尺寸、V 帶傳動(dòng)等設(shè)計(jì)應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算和說(shuō)明。
該機(jī)主要是由切碎器、變速箱和喂入機(jī)構(gòu)、喂入槽、甩拋裝置、帶傳動(dòng)、電動(dòng)機(jī)組成。其原理是秸稈由喂入槽喂入，在喂入機(jī)構(gòu)作用下將其壓實(shí)并卷入機(jī)構(gòu)，被動(dòng)定刀片組成的切碎器切碎，最后由拋送裝置拋出機(jī)外。
關(guān)鍵詞：盤(pán)刀，切碎機(jī)，莖稈，喂入槽，拋送機(jī)
ABSTRACT
In this study, hard cotton stalk stalk as the research object, through the straw raw materials characteristic analysis, determine the cutting principle and method of design, low power consumption, particle size to meet the requirements of the chopped straw compression molding machine.Promote our country the comprehensive exploitation and utilization of crop straw resources in technical innovation and practical application。
Through the analysis on the original data, program evaluation data comparison and analysis of the calculation, mainly to complete the shredding machine overall design, the choice of motor drive and program analysis, comparison and selection.On the basis of the shredding machine structure of the body size, structure size drive shaft, such as V belt drive design value are calculated in detail and description.
The machine is mainly composed of cutter, gear box and a feeding mechanism, feeding trough, spin off device, belt drive, motor.The principle is that the straw from the feeding chute feeding, in the feeding mechanism under the action of the compaction and involved mechanism, passive fixed blade consists of the shredder shredding, finally by throwing device throwing machine
Keywords: Radial-knife，cutter，stalk，feed，thrower
Ⅲ
目 錄 摘要 ....................................................................................................................................Ⅰ ABSTRACT .....................................................................................................................Ⅱ 第 1 章 緒論 ....................................................................................................................1 1.1 本研究的目的和意義 ..............................................................................................1 1.2 農(nóng)作物秸稈綜合利用現(xiàn)狀 ......................................................................................2 1.3 秸稈的特性 .............................................................................................................3 1.3.1 秸稈的物理特性 ..........................................................................................3 1.3.2 秸稈的切碎特性 ..........................................................................................4 1.3.3 秸稈的化學(xué)成分 ..........................................................................................4 第 2 章 農(nóng)業(yè)粉碎機(jī)設(shè)計(jì)方案 ...................................................................................5 2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .........................................................................................................5 2.2 樣機(jī)的性能試驗(yàn) .....................................................................................................5 2.3 本章小結(jié) .................................................................................................................7 第 3 章 農(nóng)業(yè)粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .................................................................................8 3.1 切碎器設(shè)計(jì) .............................................................................................................8 3.1.1 切碎方式選擇 ..............................................................................................8 3.1.2 切碎原理分析 ..............................................................................................9 3.1.3 割刀參數(shù)分析 ............................................................................................10 3.1.4 主要技術(shù)參數(shù)確定 ....................................................................................11 3.2 喂入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .......................................................................................................12 3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) .......................................................................................................13 3.4 本章小結(jié) ...............................................................................................................14 第 4 章 盤(pán)刀式切碎器刀刃曲線對(duì)切割能耗的影響 .......................................15 4.1 切割過(guò)程幾何參數(shù)的分析 ...................................................................................15 4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) ...............................................................................................................16 4.3 結(jié)果與分析 ...........................................................................................................16 4.4 結(jié)論 ........................................................................................................................17 4.5 本章小結(jié) ................................................................................................................18 第 5 章 動(dòng)刀片受力分析 ........................................................................................20 5.1 工作原理 ...............................................................................................................20 5.2 動(dòng)刀片的受力分析 ...............................................................................................21 5.2.1 直刃口動(dòng)刀片的受力分析 ........................................................................21 5.2.2 圓弧刃口動(dòng)刀片的受力分析 ....................................................................24 5.2.3 動(dòng)刀片的受力特性曲線 ............................................................................25 5.3 分析結(jié)果討論 ........................................................................................................26 5.4 本章小結(jié) ................................................................................................................26 第 6 章 切碎機(jī)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) ............................................................................27 6.1 電機(jī)選擇 ................................................................................................................27 6.1.1 切碎器轉(zhuǎn)速的確定 ....................................................................................27 6.1.2 切碎器功率消耗 ........................................................................................27 6.1.3 電機(jī)選擇 ....................................................................................................27 6.2 V 帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 .........................................................................................28 6.3 傳動(dòng)零件設(shè)計(jì)計(jì)算 ...............................................................................................30 6.3.1 圓柱直齒輪傳動(dòng) ........................................................................................30 6.3.2 圓錐齒輪傳動(dòng) ............................................................................................34 6.3.3 鏈輪傳動(dòng) ....................................................................................................37 6.4 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算和軸系零件的選定 .......................................................................40 6.4.1 輸入軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 ................................................................................40 6.4.2 大齒輪軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 ................................................................................43 6.4.3 大圓錐齒輪軸的設(shè)計(jì) ................................................................................43 6.4.4 輸出軸的設(shè)計(jì) ............................................................................................44 6.4.5 軸承的校核 ................................................................................................45 6.5 浮動(dòng)裝置內(nèi)彈簧的選用及計(jì)算 ...........................................................................46 6.6 箱體設(shè)計(jì)計(jì)算 .......................................................................................................48 6.7 本章小結(jié) ...............................................................................................................48 結(jié)論 ....................................................................................................................................49 參考文獻(xiàn) ...........................................................................................................................50 致謝 ....................................................................................................................................52
盤(pán)刀式莖稈切碎機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第1章 緒論
1.1本研究的目的和意義
中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，也是秸稈資源最為豐富的國(guó)家之一。歷史上，中國(guó)有利用秸稈的優(yōu)良傳統(tǒng)，農(nóng)民用秸稈建房蔽日遮雨，用秸稈燒火做飯取暖，用秸稈養(yǎng)畜積肥還田，合理利用秸稈是中國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華之一。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)階段，秸稈資源主要是不經(jīng)任何處理直接用于肥料、燃料和飼料。隨著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變以及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展，農(nóng)村能源、飼料結(jié)構(gòu)等發(fā)生了深刻變化，傳統(tǒng)的秸稈利用途徑發(fā)生了歷史性的轉(zhuǎn)變。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)，秸稈低效不清潔的直接燃燒利用方式已不適應(yīng)農(nóng)民生活水平提高的需要，富裕起來(lái)的農(nóng)民迫切需要優(yōu)質(zhì)、清潔、方便的能源。農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)秸稈資源大量過(guò)剩問(wèn)題日趨突出，農(nóng)民就地焚燒秸稈，不僅帶來(lái)污染大氣的嚴(yán)重后果，還因煙霧造成了附近機(jī)場(chǎng)飛機(jī)不能下降，高速公路被迫關(guān)閉的嚴(yán)重社會(huì)問(wèn)題，引起了全社會(huì)的關(guān)注。
我國(guó)政府十分重視秸稈禁燒和綜合利用問(wèn)題，1999年4月，國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局、農(nóng)業(yè)部、財(cái)政部、鐵道部、中國(guó)民用航空總局聯(lián)合頒發(fā)了《秸稈燃燒和綜合利用管理辦法》?！掇k法》要求:禁止在機(jī)場(chǎng)、交通干線、高壓輸電線路附近和省轄級(jí)人民政府劃定的區(qū)域內(nèi)焚燒秸稈，到2005年，各省、自治區(qū)的秸稈綜合利用率將達(dá)到85%?？萍疾拷M織力量研究推廣秸稈綜合利用技術(shù)，并把秸稈綜合利用技術(shù)列入國(guó)家“九五”、“十五”科技攻關(guān)計(jì)劃。農(nóng)作物秸稈經(jīng)粉碎或切碎后機(jī)械壓縮成燃料塊，能有效地改變其燃料特性，熱值接近中質(zhì)煙煤，平均為16736kJ。壓縮成型技術(shù)為秸稈燃料異地運(yùn)輸使用創(chuàng)造條件，可以作為生物煤供應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)和居民使用，同時(shí)也是很好的氣化原料，對(duì)推廣氣化爐有促進(jìn)作用。壓制成型的秸稈塊也可以進(jìn)一步炭化處理，得到木炭和活性炭，可廣泛用于冶金、化工、環(huán)保、生活燃料。另外，利用壓縮成型技術(shù)可以將秸稈模壓成不同形狀和用途的產(chǎn)品，如一次性快餐盒、盤(pán)、碟、包裝盒、工業(yè)托盤(pán)、育苗容器、人造紙板、瓦楞紙等。
本研究以棉稈等硬莖稈為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)秸稈原料特性的分析，確定切碎原理和方法，設(shè)計(jì)出動(dòng)力消耗低、粒度大小滿足壓縮成型要求的秸稈切碎機(jī)。推動(dòng)我國(guó)目前綜合開(kāi)發(fā)利用農(nóng)作物秸稈資源的技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)際應(yīng)用。
1.2農(nóng)作物秸稈綜合利用現(xiàn)狀
中國(guó)農(nóng)作物秸稈資源量大面廣，每年產(chǎn)出量多達(dá)6.4億t，且隨著農(nóng)作物單產(chǎn)的提高，秸稈產(chǎn)量也將隨之增加?，F(xiàn)階段其用途大致可分為4個(gè)方面:①秸稈還田;②牲畜飼料;③替代能源;④工業(yè)原料，約占12.7%的剩余秸稈就地焚燒或閑置。各種用途所占比例如圖l.1所示(高祥照等，2002)。
圖1.1中國(guó)農(nóng)作物秸稈的主要用途
(1)秸稈還田
秸稈還田是目前秸稈利用的最主要方面，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年我國(guó)主要糧食作物秸稈粉碎還田的面積占其種植面積的58.6%(韓魯佳等，2002)。秸稈還田的方法分為整株還田技術(shù)、粉碎還田技術(shù)、有根茬切碎還田技術(shù)和傳統(tǒng)漚肥還田技術(shù)。配套的秸稈還田設(shè)備有粉碎還田機(jī)、滅茬機(jī)、收獲還田機(jī)和水田埋草機(jī)等。目前，經(jīng)過(guò)對(duì)秸稈還田技術(shù)和配套操作規(guī)程等的研究，秸稈直接還田在我國(guó)已有了一定面積的推廣應(yīng)用。在“八五”期間，秸稈直接還田技術(shù)規(guī)程研究取得了重要突破，已經(jīng)制定出了包括華北、西南、長(zhǎng)江中游區(qū)、江蘇水早輪作區(qū)和浙江三熟制種植區(qū)的麥秸、玉米秸、稻草直接翻壓還田的技術(shù)規(guī)程，包括還田方式、秸稈數(shù)量、施氮量、土壤水分、粉碎程度、還田時(shí)間以及防治病蟲(chóng)害、雜草等方面的技術(shù)要求，實(shí)踐證明適量的秸稈還田能有效增加土壤的有機(jī)質(zhì)含量，改良土壤，培肥地力(黃忠乾等，1999)。
(2)牲畜飼料
秸稈用作飼料，在中國(guó)主要是以秸稈養(yǎng)畜、過(guò)腹還田的方式進(jìn)行的。未經(jīng)任何處理的秸稈，不僅消化率低，粗蛋白和礦物質(zhì)含量低，而且適口性差。為提高飼料的適口性和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，近年來(lái)普遍采用氨化、微生物發(fā)酵貯存、熱噴、揉搓等技術(shù)處理，目前全國(guó)的年加工處理量約1000萬(wàn)t，已開(kāi)發(fā)出的加工設(shè)備有氨化爐、調(diào)質(zhì)機(jī)、青貯收獲機(jī)、揉搓機(jī)、壓餅機(jī)、熱噴設(shè)備等。
(3)替代能源
據(jù)全國(guó)農(nóng)村可再生資源統(tǒng)計(jì)資料顯示(2001)，“九五”期間，秸稈能源用量仍占農(nóng)村生活用能的30%-50%。傳統(tǒng)的秸稈利用方式是直接燃燒，因其密度小，灰分多，己不再適應(yīng)農(nóng)民生活水平的需要，國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的秸稈優(yōu)質(zhì)能源利用技術(shù)，除了本文所要研究的秸稈壓縮成型技術(shù)以外，還有秸稈氣化集中供氣技術(shù)、秸稈制取沼氣技術(shù)、秸稈燃料熱風(fēng)烘干技術(shù)等。秸稈熱解氣化技術(shù)把細(xì)軟、松散的低品位秸稈轉(zhuǎn)換成清潔的高品位氣體，熱效率可達(dá)40%。氣相燃料速度快，熱量輸出可以控制，在烘干木材、茶葉、飼料和代替燃油發(fā)電及農(nóng)村居民炊事等方面己有成功應(yīng)用。部分氣化爐和配套裝置己經(jīng)批量生產(chǎn)，進(jìn)入實(shí)用推廣階段。目前全國(guó)己有350余處秸稈氣化集中供氣示范點(diǎn)，主要集中在山東、河南、江蘇、河北、山西、北京、陜西等。僅山東就有170余處(韓魯佳等，2002)。秸稈制取沼氣技術(shù)，近年來(lái)經(jīng)攻關(guān)研究在技術(shù)上有了較大突破，解決了秸稈易結(jié)殼、出料困難和發(fā)酵不充分的難題。干發(fā)酵工藝則有助于節(jié)約建池費(fèi)用，提高池容利用率，目前該技術(shù)在北方應(yīng)用較多。秸稈燃料熱風(fēng)烘干技術(shù)是將成捆或經(jīng)預(yù)處理的秸稈加入由兩段燃料室組成的高效燃料爐，燃燒產(chǎn)物經(jīng)過(guò)離心除塵可得到潔凈的熱煙道氣，產(chǎn)生的熱風(fēng)溫度可以調(diào)節(jié)(60-800℃)，含煙塵量小于20mg/m，，尤其適宜于高濕物料，如糧食、木材、飼料、雞糞、酒糟等的烘干(馬學(xué)良，1995)。
(4)工業(yè)原料
秸稈作為工業(yè)原料主要用于工業(yè)造紙，占秸稈總產(chǎn)出量的2.9%。其它目前正在興起的研究與應(yīng)用有:南京林業(yè)大學(xué)將秸稈壓縮成型制作秸稈板材，建筑墻體材料，包裝材料等;西北農(nóng)大開(kāi)展模壓制品的研究，如一次性快餐盒、托盤(pán)、家具構(gòu)件和建筑構(gòu)件等;遼寧省農(nóng)科院研制成功秸稈皮鑲分離及其綜合利用技術(shù);另外一些科研院所采取生物技術(shù)的手段發(fā)酵生產(chǎn)乙醇、糠醛、苯酚、單細(xì)胞蛋白、燃料油氣、工業(yè)酶制劑等。由于秸稈還田數(shù)量有限，作飼料其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值不高，因此要真正解決秸稈的合理利用問(wèn)題，關(guān)鍵在于研究秸稈的能源化和工業(yè)化利用技術(shù)。
1.3 秸稈的特性：
1.3.1 秸稈的物理特性
秸稈本身的物理特性是影響秸稈切碎和壓縮成型的主要因素之一。秸稈的物理特性受物種、品種、產(chǎn)區(qū)、成熟度等多種因素的影響。國(guó)外對(duì)麥秸、飼草等軟莖稈的拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、彈性模量、剛度模量等物理特性研究較多(o’Dogherty，1995)。國(guó)內(nèi)相關(guān)報(bào)道較少，孫驪(1998)、徐學(xué)耘(加00)等對(duì)麥秸和棉桿的物理特性作了初步的分析。
1.3.2 秸稈的切碎特性
國(guó)外對(duì)秸稈切碎的研究集中于麥秸、稻秸等軟莖桿，主要分析切碎能耗、切碎度和切斷效率的各種影響因素，如o’Dogherty(1986)等人分析了切割速度、割刀參數(shù)、受切根數(shù)等因素對(duì)切割過(guò)程的影響，指出秸稈切割過(guò)程中有一臨界速度，在15-30m/s范圍內(nèi)，低于臨界速度，能耗和無(wú)效切割快速增加;大于臨界速度，能耗基本不變，實(shí)際切割長(zhǎng)度接近于理論長(zhǎng)度。國(guó)內(nèi)主要是對(duì)切碎能耗和切斷效率的研究，如張晉國(guó)(2000)等人分析了秸稈的含水率和有無(wú)定刀對(duì)切斷效率的影響;吳子岳(2001)和藺公振(1999)等研究了受切根數(shù)和割刀參數(shù)對(duì)切割功耗的影響。
1.3.3 秸稈的化學(xué)成分
不管任何植物材料其主要化學(xué)組份均為纖維素，半纖維素，木質(zhì)素三種。由表1.1可知，棉稈中的纖維素含量為50%左右，木質(zhì)素含量為20%以上，半纖維素含量為75%以上，均明顯高于麥秸類(lèi)軟莖稈，更接近于杉木等低級(jí)木材。
表1.1 秸稈的化學(xué)成分(徐學(xué)耘，1994)
種類(lèi)
木質(zhì)素
纖維素
半纖維素
果膠
聚戊糖
%
%
%
%
%
棉稈
22
50.23
75.10
3.51
19.21
麥秸
18.34
40.4
71.30
0.30
25.56
杉木
24.91
50.43
44.69
1.69
25.90
第2章 切碎機(jī)整體方案設(shè)計(jì)
2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
秸稈切碎機(jī)的總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.1。
1.變速箱和喂入機(jī)構(gòu)2.喂入槽3.切碎器4.帶傳動(dòng)5.電動(dòng)機(jī)
圖2.1 秸稈切碎機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖
該機(jī)主要由切碎器、變速箱和喂入機(jī)構(gòu)、喂入槽、甩拋裝置、帶傳動(dòng)、電動(dòng)機(jī)組成。秸稈由喂入槽2喂入，在喂入機(jī)構(gòu)1作用下將其壓實(shí)并卷入機(jī)構(gòu)，被動(dòng)定刀片組成的切碎器3切碎，最后由拋送裝置拋出機(jī)外。
2.2 樣機(jī)的性能試驗(yàn)
根據(jù)前面的理論和試驗(yàn)分析，我們?cè)O(shè)計(jì)了農(nóng)作物硬莖稈切碎機(jī)，見(jiàn)圖2.2，其主要的技術(shù)參數(shù)如下:
喂入齒輥有效長(zhǎng)度:100mm;
喂入齒輥張開(kāi)間距最大值:59mm，張開(kāi)間距自動(dòng)調(diào)節(jié);
喂入齒輥節(jié)徑:83mm;
總速比:6.47;
動(dòng)刀數(shù):2;
動(dòng)刀轉(zhuǎn)速:550r/min;
喂入齒輥轉(zhuǎn)速:85r/min:
物料切碎長(zhǎng)度:10mm;
配備動(dòng)力:2.2kw
圖2.2 直刃刀硬莖稈切碎機(jī)
試驗(yàn)材料選用浙江大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)提供的本年度棉花采收后的成熟棉稈，去除根部和霉?fàn)€變質(zhì)莖稈，原料平均含水率為18.5%(濕基)。每次試驗(yàn)物料15kg，共進(jìn)行5次測(cè)試，取平均值，對(duì)切碎物料進(jìn)行粒度篩分分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2.1。
表2.1 秸稈切碎機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果
測(cè)試項(xiàng)目
測(cè)試結(jié)果
刀軸轉(zhuǎn)速(r/min)
550
喂入輥轉(zhuǎn)速(r/min )
85
切碎生產(chǎn)率(kg/h)
500
能耗(kJ/kg)
110
切碎效率(%)
92.2
粒度分布:(%)
>0~2.omm
11.5%
>2.0~10.omm
59.4%
>10.0~20.omm
21.3%，
>20.omm
7.8%
對(duì)切碎物料的粒度分布測(cè)定結(jié)果表明，經(jīng)一次切碎，粒度為>20.0mm的殘余組分中主要為細(xì)枝梗，這表明該喂入機(jī)構(gòu)在夾持粗枝梗的同時(shí)對(duì)細(xì)枝梗還會(huì)產(chǎn)生漏切現(xiàn)象。需進(jìn)一步加以分析改進(jìn)。
2.3 本章小結(jié)
對(duì)硬莖稈切碎機(jī)進(jìn)行樣機(jī)的設(shè)計(jì)研制和性能試驗(yàn)，確定整體方案，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的合理性。
第3章 秸稈切碎機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 切碎器設(shè)計(jì)
切碎器是秸稈切碎機(jī)的重要工作部件。它的參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)切碎質(zhì)量、功率消耗以及機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)均勻程度有直接影響。影響切碎性能的主要因素有:(l)切割時(shí)要產(chǎn)生滑切，以減少切割阻力。(2)切割要穩(wěn)定，秸稈相對(duì)于動(dòng)定刀片沒(méi)有滑移。(3)切割阻力矩變化均勻。
3.1.1 切碎方式選擇
秸稈切碎方式主要有輪刀式切碎、滾刀式(螺旋刀)切碎和錘片式切碎等。輪刀式切碎質(zhì)量好，刀片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要缺點(diǎn)是刀盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻。滾刀式切碎滑切作用強(qiáng)，切割阻力小，但切碎體不能自動(dòng)拋出，刀片剛度差，不適合硬莖稈切碎。錘片式切碎是利用高速旋轉(zhuǎn)的錘片來(lái)?yè)羲榻斩挘镀Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性好，但能耗高(藺公振等，19%;樸香蘭，1998)。
表3.1 切碎秸稈的粒度分布
刀軸轉(zhuǎn)速
粒度(mm)及百分含量(%)
/r·min
0-1.4
1.4-2
2-3.35
3.35-9.5
9.5-12.5
12.5-19.5
>19.5
0-12.5
錘片切碎
860
1.9
1.1
2.3
10.3
9.9
15.6
58.9
25.5
1220
0.8
0.6
1.8
9.6
7.9
10.8
68.6
20.7
1580
2.6
1.7
4.2
15.3
11.7
17.1
46.8
35.5
螺旋刀切碎
920
3.7
3.2
9.2
37.6
11.7
9.6
25.0
65.4
1250
4.4
3.9
11.2
39.9
12.0
10.8
17.8
71.4
1500
5.8
4.7
12.8
43.7
11.9
9.2
11.9
78.9
直刃刀切碎
900
4.3
4.3
13.2
41.1
11.3
9.7
16.1
74.2
1230
4.2
4.4
13.1
41.6
14.2
11.0
11.5
77.5
1450
5.3
6.2
17.6
41.8
8.5
7.3
13.3
79.4
根據(jù)對(duì)直刃刀切碎、螺旋刀切碎和錘片切碎3種不同切碎方式的比較試驗(yàn)(盛奎川等，1999)，如圖3.l所示，在相同轉(zhuǎn)速下，直刃刀切碎的單位質(zhì)量棉桿能耗最低，由表3.1可知，采用直刃刀切碎細(xì)小顆粒產(chǎn)量較高，在900~1450r/min范圍內(nèi)，提高轉(zhuǎn)速對(duì)細(xì)小顆粒產(chǎn)量增加不明顯。
圖3.1 切碎機(jī)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速與能耗的關(guān)系
根據(jù)以上分析，我們選擇直刃刀切碎作為棉稈等硬莖稈切碎的設(shè)計(jì)方案，動(dòng)刀片數(shù)為3，均布于動(dòng)刀架上，其動(dòng)刀架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.2。
3.1.2 切碎原理分析
按刀片刃線運(yùn)動(dòng)方式，切割可分為砍切和滑切兩種?？城袝r(shí)刀片切割點(diǎn)M運(yùn)動(dòng)方向垂直刃線，而滑切時(shí)刀片切割點(diǎn)M運(yùn)動(dòng)方向不垂直刃線。由于滑切使刀片斜置切入，實(shí)際刃角相應(yīng)變小，刃線變銳，切割阻力減少，因此滑切比砍切省力，且在一定滑切角范圍內(nèi)，滑切程度越大，切割越省力。
當(dāng)?shù)镀a(chǎn)生滑切時(shí)，切割點(diǎn)M速度V分解為2部分(圖3.3):滑切速度Vt，方向平行刃線;砍切速度Vn，方向垂直刃線。速度V和Vn夾角為滑切角，在一定滑切角范圍內(nèi)，滑切程度越大，切割越省力。
3.1.3 割刀參數(shù)分析
1.滑切角
直線型刀片的滑切角在數(shù)值上等于刀片刃線AB與切割半徑r之夾角(圖3.4)。
圖3.2 直刃刀動(dòng)刀架簡(jiǎn)圖
圖3.3 刀片的滑切
為了保證刀片有滑切，其刃線AB至回轉(zhuǎn)中心O應(yīng)具有偏心距e。
由圖3.4可得: tg= (3.1)
上式說(shuō)明，從切割開(kāi)始到終了，隨著切割點(diǎn)外移，切割半徑r的增加，刀片的滑切角逐漸減小。因此，刀片切割阻力矩隨著切割半徑的增大，滑切角的減小，切割阻力的增大而增大。
2.推擠角
圖3.4中，動(dòng)刀刃線AB與定刀刃線CM間的夾角為推擠角x.切割時(shí)如果推擠角過(guò)大，秸稈受刀片作用，會(huì)先沿刃線一側(cè)滑移，逐漸集中在最后階段切割，結(jié)果造成刀片負(fù)荷不均，刃線末端磨損嚴(yán)重，碎段變長(zhǎng)，切碎質(zhì)量變壞。因此，為保證切割穩(wěn)定，不產(chǎn)生滑動(dòng)切割，滿足如下切割條件:
（3.2)
1.O--動(dòng)刀回轉(zhuǎn)中心2.AB--動(dòng)刀刃3.e--偏心距4.--滑切角5.r--切割半徑6. x--推擠角
圖3.4切碎器的結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)文獻(xiàn)資料(陶南，1991)，取=， ，則x。
圖3.4中，由三角形OGH和HCD相似關(guān)系可知，推擠角x在數(shù)值上等于回轉(zhuǎn)角，在切割過(guò)程中逐漸減小。故刀片推擠角隨著切割點(diǎn)外移、回轉(zhuǎn)角的減小而減小。
從以上分析可以得出，直刃刀刀片的推擠角變化比較合理，而滑切角和阻力矩變化不夠理想。因此，為了改善其切碎性能，本設(shè)計(jì)采用提高切碎器轉(zhuǎn)速和增大其本身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(即刀架質(zhì)量)的方法，來(lái)補(bǔ)償由于阻力矩變化所引起的運(yùn)轉(zhuǎn)不均的缺點(diǎn)。通過(guò)將動(dòng)刀架與甩拋輪設(shè)計(jì)為一體，既可增加刀架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，又可改善切碎物料的甩拋性能。
3.1.4 主要技術(shù)參數(shù)確定
1.切碎長(zhǎng)度
切碎長(zhǎng)度是切碎機(jī)主要性能指標(biāo)之一，機(jī)器工作時(shí)，秸稈被喂入輥卷入切碎機(jī)構(gòu)的速度v(m/s)，切砰器每秒鐘切碎次數(shù)為，則理論切碎長(zhǎng)度為:
L==
考慮到喂入輥的打滑因素，實(shí)際切碎長(zhǎng)度為:
L= (3.3)
式中：k—?jiǎng)拥镀瑪?shù)
i—切碎器主軸n與喂入輥轉(zhuǎn)速n之傳動(dòng)比
D—喂入輥直徑
—打滑系數(shù)，一般取0.05~0.07
切碎器主軸與喂入輥之傳動(dòng)比i=6.47，喂入輥直徑d=83mm，動(dòng)刀片數(shù)K為2，打滑系數(shù)取0.06，則理論切碎長(zhǎng)度L=20mm。
2.切碎機(jī)生產(chǎn)率
切碎機(jī)生產(chǎn)率的大小取決于喂入口面積，切碎器刀片數(shù)和轉(zhuǎn)速，莖稈種類(lèi)和切碎長(zhǎng)度等，理論生產(chǎn)率可由下式計(jì)算:
Q=60·k·a·b·L·n· (3.4)
式中: k—?jiǎng)拥镀瑪?shù);
a、b—為喂入口高度和寬度，m;
L—理論切碎長(zhǎng)度，m;
n— 喂入輥轉(zhuǎn)速，r/min;
—喂入輥壓縮后的莖稈容重，kg/m。
切碎器的動(dòng)刀片數(shù)k為2，喂入輥轉(zhuǎn)速n為85r/min，喂入口寬度a取0.1m，
度b取0.14m，莖稈壓縮后容重以棉稈為例約為120~150kg/m，若取130kg/m。切碎長(zhǎng)度為0.02m，理論生產(chǎn)率約為Q=500kg/h。
3.2 喂入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
喂入機(jī)構(gòu)由喂入槽、喂入輥和壓緊裝置等部件組成。它的作用是將物料以一定的速度喂入切碎器，并在喂入的同時(shí)，將其夾住、壓緊、無(wú)滑動(dòng)，以保證切碎質(zhì)量，即切碎顆粒長(zhǎng)度均勻、切口平整。主要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3.5。上喂入輥的動(dòng)力由切碎器刀軸傳入，下喂入輥由一對(duì)圓柱齒輪和一對(duì)鏈輪傳遞動(dòng)力并改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而獲得上下喂入輥轉(zhuǎn)速一致，但方向不同的運(yùn)動(dòng)。
由于本切碎機(jī)主要是用于切碎硬莖稈，所以采用卷入性能好，并能自動(dòng)調(diào)節(jié)喂入口高度的星齒型上下喂入輥(圖3.6)。壓緊裝置采用雙彈簧式壓緊裝置，兩個(gè)彈簧在機(jī)架兩側(cè)，一端固定在機(jī)架上，另一端固定在喂入輥軸座上。隨物料尺寸的改變，
使壓力隨彈簧變形而改變，有利于喂入切割。上喂入輥隨著喂入物料的直徑變化，靠軸座和彈簧，以0為圓心，60mm為半徑，在滑槽CD中浮動(dòng)，上下喂入輥中心距在85--144mm之間，適用不同物料喂入并夾緊。
1.滑槽2.上喂入輥3.齒輪傳動(dòng)4.調(diào)節(jié)彈簧5.鏈傳動(dòng)6.下喂入輥
圖3.5 喂入機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖
圖3.6 喂入輥結(jié)構(gòu)圖
3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
切碎機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3.7。電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力先經(jīng)皮帶輪傳給動(dòng)刀軸，再經(jīng)一對(duì)圓柱齒輪和一對(duì)圓錐齒輪減速后傳給喂入輥?？倐鲃?dòng)比為i=6.47。
3.4 本章小結(jié)
本章首先對(duì)各種切碎方式進(jìn)行比較分析，選擇合適的切碎方式;然后從理論上對(duì)切碎器等重要工作部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需參數(shù)。
1.帶輪傳動(dòng)2.動(dòng)刀3.圓柱齒輪傳動(dòng)4.喂入裝置5.圓錐齒輪傳動(dòng)6.電機(jī)
圖3.7 傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖
48
第4章 盤(pán)刀式切碎器刀刃曲線對(duì)切割能耗的影響
4.1 切割過(guò)程幾何參數(shù)的分析
根據(jù)盤(pán)刀式切碎器的切割原理和切割過(guò)程中定刀與動(dòng)刀之間相互作用關(guān)系的分析可知 ,影響切割過(guò)程的主要參數(shù)是切割時(shí)的滑切角τ、擠推角 x 和切割轉(zhuǎn)角θ。偏心圓弧曲線刀刃、直線刀刃和等滑切角曲線刀刃3 種形式的切碎器在切割過(guò)程的幾何參數(shù)如圖4.1 所示。
偏心圓弧刃 直線刃 等滑切角刃
圖4.1 切碎器幾何參數(shù)
對(duì)于偏心圓弧曲線刀刃 ,切割過(guò)程中的幾何參數(shù)與其結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系為:
τ=arcsin[ (R+ r- e )/ 2Rr] (4.1)
x =τ+arcsin( H/r) (4.2)
θ=arcsin [( Ra - R·sin x)/e] (4.3)
式中: R —圓弧刀刃的半徑
r—切割點(diǎn)處的回轉(zhuǎn)半徑
e —圓弧刀刃的偏心距
H—切割中心線高度
Ra —切割點(diǎn)與回轉(zhuǎn)中心水平距離
對(duì)于直線刀刃,切割過(guò)程中的幾何參數(shù)與其結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系為:
τ=arcsin(e/r) (4.4)
x =τ+arcsin( H/r) (4.5)
θ= (π/2) - x (4.6)
式中： e —直線刀刃偏心距;
r—切割點(diǎn)處回轉(zhuǎn)半徑
H—切割中心線高度
對(duì)于等滑切角曲線刀刃，在切割過(guò)程中的滑切角τ保持恒定不變；而擠推角和切割轉(zhuǎn)角與其結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系為：
x =τ+arcsin( H/r) (4.7)
θ= k·ln( r/c) (4.8)
式中： H—切割中心線高度
r —切割點(diǎn)處的回轉(zhuǎn)半徑
k —常數(shù)
從上面3種形式曲線刀刃的切割參數(shù)與其結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的幾何關(guān)系可以看出:滑切角τ、擠推角x和切割轉(zhuǎn)角θ三者之間是密切相關(guān)的。在切碎器上 ,只要其結(jié)構(gòu)參數(shù)確定,3個(gè)角度的大小及其在切割過(guò)程中的變化規(guī)律也就隨之確定。在切碎器的設(shè)計(jì)過(guò)程中,上面的3個(gè)角度只要有1個(gè)確定,其他2個(gè)角度的變化便在一定的結(jié)構(gòu)限制下隨之確定。無(wú)論采何種形狀的刀刃曲線,其3個(gè)角度間的關(guān)系皆是如此。
4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
考慮到直線刃、圓弧刃和等滑切角刃3種類(lèi)型切碎器在切割過(guò)程中的能量消耗 ,圓弧刃和等滑切角刃各選擇3組不同的結(jié)構(gòu)參數(shù) ,直線刃選擇4組不同的參數(shù),其參數(shù)的取值、滑切角、擠推角和切割轉(zhuǎn)角的數(shù)值見(jiàn)表4.1。
試驗(yàn)在9ZF110型盤(pán)刀式切碎器上進(jìn)行。試驗(yàn)中為使不同切割刃曲線刀的切割能耗具有可比性,除刀刃曲線外其他試驗(yàn)條件保持相同。試驗(yàn)切割的物料為青貯玉米秸,切割層寬度170mm,切割層厚度23mm,喂入量3400kg/h,切割間隙0.13mm,切碎器轉(zhuǎn)速600r/min。試驗(yàn)過(guò)程中,記錄切碎器主軸的扭矩和轉(zhuǎn)速,并對(duì)記錄的扭矩曲線進(jìn)行離散化處理。為提高精度和消除干擾因素影響,每號(hào)試驗(yàn)重復(fù)10次,結(jié)果見(jiàn)表4.2
4.3 結(jié)果與分析
因試驗(yàn)所用10種動(dòng)刀的工作條件一致,故除切割以外其他部分能量消耗相同,所以切碎器主軸上的切割扭矩就代表了切割能耗的大小。因此以切割平均扭矩值作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。
表4.1 曲線刀刃結(jié)構(gòu)參數(shù)
圓弧刃
等滑切角刃
直線刃
實(shí)驗(yàn)號(hào)
參數(shù)
實(shí)驗(yàn)號(hào)
參數(shù)
實(shí)驗(yàn)號(hào)
參數(shù)
R =375 ; e =375
e = 87.2
τ=6.8°～19.8°
τ= 25°
τ= 20.2°~77.3°
χ= 28.9°～33.5°
χ= 34.1°～51.6°
χ= 29.3°~50.7°
θ= 18.79°
θ= 28.7°
θ= 7.8°
R =313 ; e =226
e = 55.6
τ=6.2°～44.1°
τ= 35°
τ=12.7°~38.5°
χ=15.3°～70.6°
χ= 44.1°～61.6°
χ=21.8°～65.1°
θ= 53.8°
θ= 52.8°
θ= 3.2°
R=409 ; e=335
e = 81.3
τ=25.1°～40.1°
τ= 45°
τ= 18.8°~65.5°
χ=11.6°～66.7°
χ= 54.1°～71.6°
χ= 27.8°~38.9°
θ= 45.24°
θ= 46.9°
θ= 11.1°
e = 129.3
τ= 30.7°~96.5°
χ= 39.8°~89.9°
θ= 50.1°
對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行單因素方差分析,結(jié)果表明:不同刀刃曲線對(duì)切割時(shí)的平均切割扭矩具有顯著的影響(顯著水平α=0101)。為了確定哪些曲線刀刃在切割過(guò)程中的平均扭矩具有顯著差異,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多重比較,結(jié)果是:D1號(hào)試驗(yàn)的平均扭矩極顯著地高于其他9號(hào)試驗(yàn) ,這是由于D1號(hào)試驗(yàn)所用圓弧曲線刃的結(jié)構(gòu)參數(shù)導(dǎo)致切割過(guò)程中滑切角和擠推角的數(shù)值較小而引起。D3、D2、D6和D10組試驗(yàn)結(jié)果之間不存在顯著差異;D7、D8和D9組試驗(yàn)結(jié)果之間也不存在顯著差異,但是顯著地高于D2 和D3 組試驗(yàn)結(jié)果。
4.4 結(jié)論
通過(guò)對(duì)3類(lèi)不同刀刃曲線10組結(jié)構(gòu)參數(shù)的動(dòng)刀切割試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出如下結(jié)論:
表4.2 平均切割扭矩試驗(yàn)結(jié)果
重復(fù)
試驗(yàn)號(hào)
1
38.61
27.51
24.15
36.3
27.59
21.53
21.86
25.68
30.48
26.78
2
34.81
24.15
23.53
30.80
25.12
21.53
28.41
26.53
27.82
26.07
3
33.39
22.55
23.82
28.5
24.76
23.07
25.40
26.89
26.76
23.95
4
32.86
21.85
20.69
27.1
2441
24.78
30.00
23.88
21.99
21.42
5
36.69
20.43
19.36
28.32
24.76
25.1
32.12
26.89
23.58
22.01
6
36.30
25.38
22.78
28.81
27.06
24.6
29.08
23.70
28.78
23.46
7
33.47
22.55
21.45
32.53
23.35
26.45
24.13
27.95
21.00
24.52
8
32.69
22.38
22.59
30.53
22.47
26.42
30.49
24.94
26.17
23.10
9
33.29
22.20
24.48
34.30
29.01
25.41
23.59
25.47
27.85
24.34
10
32.58
23.97
21.38
25.45
24.76
21.10
30.14
25.76
28.60
24.87
均值
34.49
23.30
22.47
30.33
25.33
23.99
27.58
25.77
26.13
24.06
1) 切割時(shí)的滑切角τ和切割轉(zhuǎn)角θ是影響切割能耗的主要因素。當(dāng)滑切角在35°～45°范圍內(nèi),切割轉(zhuǎn)角在45°～65°范圍內(nèi)時(shí),切割的平均扭矩較低,切割能耗較小。
2)刀刃曲線的形狀影響切碎器的切割能耗,但是這種影響受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的制約。對(duì)于不同類(lèi)型的刀刃曲線,只要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)能夠保證滑切角和切割轉(zhuǎn)角在適宜的范圍內(nèi)變化,則可保證切碎器具有較低的切割能耗。
3) 傳統(tǒng)切碎器扭矩計(jì)算公式是在靜態(tài)切割條件下以受力分析為基礎(chǔ)推導(dǎo)而來(lái)的。而在實(shí)際的動(dòng)態(tài)切割過(guò)程中,由于物料受力狀態(tài)的改變以及切割過(guò)程中動(dòng)刀慣性力的存在,使得理論計(jì)算扭矩值與實(shí)際測(cè)量值之間具有較大的差異。因此 ,在應(yīng)用理論計(jì)算公式進(jìn)行切碎器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì),要考慮動(dòng)態(tài)切割的影響,對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行必要的修正。
4.5 本章小結(jié)
以9ZF110型盤(pán)刀式切碎器為基礎(chǔ) ,研究了圓弧曲線、直線和等滑切角曲線刀刃在切割青飼玉米時(shí)的切割能耗變化。結(jié)果表明:切割時(shí)的滑切角和切割轉(zhuǎn)角是影響切割能耗的主要因素。當(dāng)滑切角在 35°～45°范圍內(nèi),切割轉(zhuǎn)角在45°～65°范圍內(nèi)時(shí),切割的平均扭矩較低,切割能耗較小。對(duì)于不同類(lèi)型的刀刃曲線,只要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)能夠保證滑切角和切割轉(zhuǎn)角在適宜的范圍內(nèi)變化,則可保證切碎器具有較低的切割能耗。
盤(pán)刀式切碎器是畜牧業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的飼料加工機(jī)械,其工作過(guò)程中消耗的能量主要用于飼料的切斷。長(zhǎng)期以來(lái),關(guān)于減小切碎器能量消耗的研究主要集中在切碎器動(dòng)刀刃曲線形狀上。從目前應(yīng)用的切碎器動(dòng)刀結(jié)構(gòu)看,刀刃的曲線形狀有圓弧型、直線型、折線型和等滑切角4 種。這4種不同形狀的動(dòng)刀刃曲線類(lèi)型對(duì)切碎器的切割能量消耗有較大的影響。因此,在理論分析和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,研究不同類(lèi)型曲線刀刃形狀對(duì)切碎器能耗的影響,對(duì)于改進(jìn)切碎器的工作性能和減小工作過(guò)程中的能量消耗具有重要意義。
第5章 動(dòng)刀片受力分析
5.1 工作原理
PCCì 15. 0S 型青飼切碎機(jī)主要由喂入機(jī)構(gòu)、切碎器、拋送機(jī)構(gòu)和傳送機(jī)構(gòu)等部分組成。切碎器是青飼切碎機(jī)的重要工作部件,動(dòng)刀片和拋送葉片安裝在3個(gè)互呈120°的刀架上(如圖5.1)。切碎機(jī)工作時(shí),動(dòng)刀片和拋送葉片在刀架的帶動(dòng)下繞軸O旋轉(zhuǎn)(如圖5.2),動(dòng)刀片M N 由飼料喂入口的J 點(diǎn)開(kāi)始切割物料, 到L 點(diǎn)完成一次切割。3個(gè)動(dòng)刀片依次工作實(shí)現(xiàn)青飼切碎機(jī)的連續(xù)切割工作。
1.定刀片2. 飼料層3. 動(dòng)刀片4. 拋送葉片5. 刀架
圖5.1切碎器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圖5.2切碎機(jī)工作分析圖
在圖5.2 中,可將動(dòng)刀片A 點(diǎn)的速度v 分解為垂直于刃口的速度vn 和沿著刃口方向的速度v t; v 與v n 之間的夾角稱(chēng)為滑切角S, tanS稱(chēng)為滑切系數(shù),它的值可以反映滑切作用的大小;動(dòng)刀片M N 與在KL 附近安裝的定刀片之間的夾角稱(chēng)為鉗住角x(或推擠角),該角不能過(guò)大, 否則物料會(huì)被推移, 不利于機(jī)器切割[22]。
5.2 動(dòng)刀片的受力分析
5.2.1 直刃口動(dòng)刀片的受力分析
直刃口動(dòng)刀片設(shè)計(jì)尺寸如圖5.3, 為了便于分析,其受力情況簡(jiǎn)化為如圖5.4 所示情況(假設(shè)不考慮物料喂入力的影響)。設(shè)動(dòng)刀刃上任意一點(diǎn)A 受力為F , 它可分解為沿著刀刃方向的滑切力P 和垂直于刀刃方向的正壓力N z[ 22 ] , 其中
N z= (5.1)
P = fN z (5.2)
F = (5.3)
式中： q——比阻, 即單位刃口長(zhǎng)的切割阻力
S ——參加切割的刃口長(zhǎng)度
f ——切割的滑動(dòng)摩擦因數(shù)
圖5.3直刃口動(dòng)刀片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圖5.4直刃口動(dòng)刀片受力簡(jiǎn)圖
各種飼料具體的q 值應(yīng)由試驗(yàn)確定(本研究取用玉米秸稈) ; 切割玉米秸稈時(shí)S、q 關(guān)系見(jiàn)表5.1。f 與滑切系數(shù)tan的關(guān)系見(jiàn)表5.2。
表5.1切割玉米莖稈時(shí)與q 的關(guān)系
/
0
10
20
30
40
50
60
117.11
112.7
91.63
75.46
68.11
55.86
40.18
表5.2tan與f 的關(guān)系
tan
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
f
0
0.042
0.082
0.112
0.140
0.184
0.210
0.242
0.253
0.330
0.340
正壓力矩 (N z 力對(duì)O 點(diǎn)的力矩) 為
T 1= N z (5.4)
滑切力矩（P 力對(duì)O 點(diǎn)的力矩) 為
= P (5.5)
求解直刃口動(dòng)刀片在切割玉米秸稈時(shí)所受的力和力矩的步驟如下:
(1) 根據(jù)已知切碎器的設(shè)計(jì)參數(shù): 最大推擠角Vmax為68°, 切碎器回轉(zhuǎn)中心距定刀的高度為90 mm ,回轉(zhuǎn)中心到喂入口的最短距離為150mm , 喂入口寬度為380 mm , 高度為110 mm , 見(jiàn)圖5.5。
圖5.5 裝參數(shù)圖
(2) 過(guò)回轉(zhuǎn)中心O 作垂直于M N 線的直線OG,垂足為G; 以O(shè) 為圓心,OG 為半徑繪圓, 量得轉(zhuǎn)角R為63°(見(jiàn)圖5.6)。
圖5.6 刃口動(dòng)刀片運(yùn)動(dòng)軌跡圖
(3) 將轉(zhuǎn)角R 分成若干份, 在圓O 上得出相應(yīng)點(diǎn), 并過(guò)這些點(diǎn)分別作圓O 的切線, 此切線即為刀片在不同轉(zhuǎn)角時(shí)的刃口線, 各刃口線在喂入口內(nèi)的長(zhǎng)度即為切割刃口長(zhǎng)S。將不同位置的S 的中點(diǎn)與回轉(zhuǎn)中心O 相連, 得出滑切角、推擠角。
(4) 由以上圖表及式(1)～ (5) 即可求出q、f 、N z、P、F、、。數(shù)據(jù)整理后見(jiàn)表5.3。
表5.3 刃口動(dòng)刀片數(shù)據(jù)表
序號(hào)
/
/()
/()
/mm
q/N
f
Nz/N
P/N
F/N
T/N
T/Nm
1
0
68
60
0
41.0
0.320
0
0
0
0
0
2
10
58
55
34.58
44.8
0.270
154.7
44.3
160.9
13.8
5.8
3
20
48
50
66.67
57.1
0.220
380.2
83.7
389.3
42.0
11.0
4
30
38
42
112.55
67.0
0.170
754.8
127.3
765.5
110.4
16.8
5
40
28
33
192.82
74.0
0.130
1426.8
185.6
1438.9
280.2
24.4
6
45
23
29
255.44
78.7
0.110
2010.5
201.3
2020.6
481.0
25.6
7
50
18
25
359.45
86.7
0.080
3123.7
250.1
3133.7
913.4
32.9
8
51
17
22
386.72
90.2
0.075
3488.1
261.7
3497.9
1147.5
34.4
9
56
11
20
317.61
93.4
0.067
2969.7
201.9
2976.6
1085.5
26.6
10
60
8
17
208.86
97.8
0.061
2042.6
124.7
2046.4
840.0
16.4
11
63
5
14
0
106.5
0.047
0
0
0
0
0
5.2.2 圓弧刃口動(dòng)刀片的受力分析
圓弧刃口動(dòng)刀片設(shè)計(jì)尺寸如圖5.7, 它的安裝尺寸與直刃口動(dòng)刀片的安裝尺寸相同。為了便于受力分析(假設(shè)不考慮物料喂入力的影響)將其簡(jiǎn)化為一段圓弧(見(jiàn)圖5.8)。設(shè)圓弧上任意一點(diǎn)A 受力為F ,過(guò)A作圓弧切線B C,則= ∠OA G, 力F 可分解沿切線方向滑切力P ′和垂直于切線方向正壓力′
圖5.7 弧刃口動(dòng)刀片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圖5.8 弧刃口動(dòng)刀片受力簡(jiǎn)圖
求解圓弧刃口動(dòng)刀片在切割玉米秸稈時(shí)所受的力和力矩的基本步驟與直刃中的步驟基本相同, 但略有不同之處是: 直刃步驟中的位于喂入口中的刀刃線在此作為圓弧刃的弦來(lái)處理, 在此基礎(chǔ)上在喂入口中做出圓弧刀刃線(圖5.9)。S ′為圓弧刃落在喂入口中的圓弧長(zhǎng)度; 取圓弧的中點(diǎn),將其與回轉(zhuǎn)中心O 相連,并做出過(guò)中點(diǎn)的圓弧切線, 可得′、′。將數(shù)據(jù)整理成表5.4。
圖5.9 弧刃動(dòng)刀片的運(yùn)動(dòng)軌跡圖
5.2.3 動(dòng)刀片的受力特性曲線
綜合表5.3、5.4 做出兩種動(dòng)刀片各個(gè)參數(shù)隨轉(zhuǎn)角變化的綜合對(duì)比曲線, 如圖5.10、5.11 所示。
圖5.10 動(dòng)刀片的推擠角、滑切角隨轉(zhuǎn)角的變化曲線
圖5.11 刀片的正壓力N 和滑切力P 隨轉(zhuǎn)角R 變化曲線
表5.4 圓弧刃口動(dòng)刀片數(shù)據(jù)表
序號(hào)
/
/()
/()
/mm
q/N
f
Nz/N
P/N
F/N
T/N
T/Nm
1
0
68
60
0
41.0
0.320
0
0
0
0
0
2
10
58
55
34.58
44.8
0.270
154.7
44.3
160.9
13.8
5.8
3
20
48
50
66.67
57.1
0.220
380.2
83.7
389.3
42.0
11.0
4
30
38
42
112.55
67.0
0.170
754.8
127.3
765.5
110.4
16.8
5
40
28
33
192.82
74.0
0.130
1426.8
185.6
1438.9
280.2
24.4
6
45
23
29
255.44
78.7
0.110
2010.5
201.3
2020.6
481.0
25.6
7
50
18
25
359.45
86.7
0.080
3123.7
250.1
3133.7
913.4
32.9
8
51
17
22
386.72
90.2
0.075
3488.1
261.7
3497.9
1147.5
34.4
9
56
11
20
317.61
93.4
0.067
2969.7
201.9
2976.6
1085.5
26.6
10
60
8
17
208.86
97.8
0.061
2042.6
124.7
2046.4
840.0
16.4
11
63
5
14
0
106.5
0.047
0
0
0
0
0
5.3分析結(jié)果討論
(1) 在圖5.10 中, PCCIV 15.0S 青飼切碎機(jī)的動(dòng)刀片在切割過(guò)程中, 推擠角和滑切角隨著切割轉(zhuǎn)角 的增大而急劇減小; 在0°～ 20°轉(zhuǎn)角內(nèi), 推擠角很大, 飼料有被推擠到喂入口右側(cè)的趨勢(shì)。
(2) 通過(guò)對(duì)兩種刀片的推擠角、滑切角變化曲線的對(duì)比分析可看出, 在切割過(guò)程中當(dāng)< 50°時(shí), , ; 直刃口動(dòng)刀較圓弧刃口動(dòng)刀對(duì)飼料的推擠趨勢(shì)要大; > 50°時(shí),, 情況相反。直刃口動(dòng)刀比圓弧刃口動(dòng)刀在切割過(guò)程中所受阻力要逐漸減小。
(3) 由圖5.11 可以看出, 動(dòng)刀片在切割過(guò)程中, 刀片所受的正壓力很大而滑切力P 相對(duì)很小, 砍切作用遠(yuǎn)大于滑切作用, 因此PCCì 1510S 青飼切碎機(jī)對(duì)飼料的切割過(guò)程主要以砍切為主, 滑切為輔。
(4) 在圖5.11 中, 將兩種刀片的正壓力和滑切力曲線進(jìn)行對(duì)比可以看出, 直刃口動(dòng)刀片的滑切力P與圓弧刃口動(dòng)刀片的滑切力P ′在變化過(guò)程中大小大致相當(dāng)。當(dāng)< 48°時(shí), 直刃刀正壓力N z 小于圓弧刃刀正壓力, 此時(shí)直刃動(dòng)刀比圓弧刃動(dòng)刀利于滑切; 當(dāng)> 48°時(shí), 直刃刀正壓力N z 大于圓弧刃刀正壓力, 此時(shí)圓弧刃動(dòng)刀比直刃動(dòng)刀利于滑切。
5.4 本章小結(jié)
對(duì)PCCì 15. 0S 型青飼切碎機(jī)的兩種動(dòng)刀片進(jìn)行受力分析, 深入探討了動(dòng)刀片在切碎物料過(guò)程中各種參數(shù)的變化規(guī)律, 從而得出圓弧刃口動(dòng)刀片在綜合切碎性能上較直刃口動(dòng)刀片優(yōu)越。
輪刀式青飼切碎機(jī)是一種使用較為普遍的機(jī)型[21]。動(dòng)刀片是青飼切碎機(jī)的核心工作部件, 在切割飼料的過(guò)程中受力情況復(fù)雜, 極易磨損和耐磨性差一直是青飼切碎機(jī)存在的主要問(wèn)題。深入全面地分析研究動(dòng)刀片的受力及磨損規(guī)律對(duì)改善青飼切碎機(jī)的工作性能、提高其生產(chǎn)效率和增加使用者的經(jīng)濟(jì)效益等都具有十分重要的意義。
第6章 切碎機(jī)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
6.1電機(jī)選擇
6.1.1 切碎器轉(zhuǎn)速的確定
切碎機(jī)的生產(chǎn)率（）由下式估算：
（6.1）
式中： a、b——喂入口的高與寬（m）
l——理論切碎長(zhǎng)度（m）
z——?jiǎng)拥镀瑪?shù)目，一般z＝2～6把
n——切碎器轉(zhuǎn)速（），一般n＝300～500
——飼草密度（）對(duì)于秸稈，飼草
k——充滿系數(shù)，可＝0.3～0.5
由已知條件Q＝500和前面所設(shè)計(jì)的參數(shù)代入上式得：
根據(jù)設(shè)計(jì)要求和考慮實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，這里取。
6.1.2 切碎器功率消耗
查閱相關(guān)參考書(shū)，已知小型秸稈切碎機(jī)每米工作幅寬的平均功率為11kW，由此可得該秸稈切碎機(jī)消耗的功率為:，則切碎器扭矩
6.1.3 電機(jī)選擇
此次設(shè)計(jì)的切碎機(jī)為農(nóng)戶用，電壓為220V，所以在Z系列電機(jī)中選擇。此系列小型直流電機(jī)有發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種，具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，調(diào)速范圍廣，體積小重量輕，可用于靜止整流電源供電等優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)的工作方式是連續(xù)工作制，在海拔不超過(guò)1000m，環(huán)境空氣溫度不超過(guò)40℃時(shí)，電機(jī)能按額定功率正常運(yùn)轉(zhuǎn)。此系列中電動(dòng)機(jī)電壓等級(jí)為110V,160V,220V和440V，發(fā)電機(jī)電壓等級(jí)為115V和230V，其外殼防護(hù)等級(jí)為IP21,冷卻方式為IC01,IC06或者IC07。
根據(jù)前面計(jì)算得出的切碎器轉(zhuǎn)速和功率消耗，選擇Z型電機(jī)中的23－32型電動(dòng)機(jī)：電壓220V，額定功率2.2kW，額定轉(zhuǎn)速1000。
計(jì)算總傳動(dòng)比及分配各級(jí)傳動(dòng)比
總傳動(dòng)比:
展開(kāi)式二級(jí)錐齒輪傳動(dòng)，高速軸，則：
取，則。
6.2 V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）V 帶輪的設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì) V 帶輪時(shí)應(yīng)滿足的要求有：質(zhì)量?。唤Y(jié)構(gòu)工藝性好，無(wú)過(guò)大的鑄造內(nèi) 應(yīng)力，質(zhì)量分布均勻，轉(zhuǎn)速高時(shí)要經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡，輪槽工作面要經(jīng)過(guò)精細(xì)加工（表 面粗糙度一般應(yīng)為 3.2）以減帶的磨損，各槽的尺寸和角度應(yīng)保持一定的精度， 以使載荷分布較為均勻等。
（2）材料
此處帶輪的材料，采用鑄鐵，材料牌號(hào)為 HT200
（3）確定計(jì)算功率 P ca
由參考資料[25]表 8.7 查得工作情況系數(shù) Kα=1.3，設(shè)計(jì)功率Pd=KAPd ,P=2.2KW 則Pd=2.86KW
（4）選取帶型
根據(jù) P ca ，n 由參考資料[25]圖 8.11確定選用 Z系列普通V帶
（5）
（6）確定帶輪基準(zhǔn)直徑d并驗(yàn)算帶速v
由[25]表 8.6 和表 8.8小帶輪基準(zhǔn)直徑，外徑
（7）大帶輪基準(zhǔn)直徑
（8）按參考資料[25]式(8.13)驗(yàn)算帶的速度
帶速
所以： 帶的速度合適
（9）確定 V 帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度和傳動(dòng)中心距
根據(jù)參考資料[25]式(8.20)
初定中心距：由，
取
（10） 基準(zhǔn)長(zhǎng)度：
根據(jù)參考資料[1]表 8.2 ，Z系列普通V帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度。
（11）實(shí)際中心距：
（12）由參考資料[25]式(8.7),得小帶輪包角
（13）查得
（14）計(jì)算 V 帶的根數(shù) Z
由參考資料[25]式(8.26)
Z=Pca/Pr=KAP/(P0+?P0)KaKL
KL------------------長(zhǎng)度系數(shù)
P0----------------單根V帶的基本額定功率
?P0----------------計(jì)入傳動(dòng)比的影響時(shí)，單根V帶額定功率的增量
?。篫=3
（15）由參考文獻(xiàn)[25]式8.6得
單根V帶初張緊力
（16）由參考文獻(xiàn)[25]式8.28，得
作用在軸上的力 ,
6.3 傳動(dòng)零件設(shè)計(jì)計(jì)算
6.3.1 圓柱直齒輪傳動(dòng)
a) 選精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
1) 材料及熱處理；
選擇小圓柱直齒輪材料為40，硬度為280HBS，大圓柱直齒輪材料45鋼，硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
2) 精度等級(jí)選用7級(jí)精度；
3) 試選小圓柱齒輪齒數(shù)＝22，大圓柱齒輪齒數(shù)＝68的；
b) 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
因?yàn)榈退偌?jí)的載荷大于高速級(jí)的載荷，所以通過(guò)低速級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,由參考文獻(xiàn)[25]公式10.9a得
（6.3）
1) 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
（1）計(jì)算輸入軸傳遞的轉(zhuǎn)矩
T1=9550000*（P1/n1）=36290N.mm
試選Kt＝1.3
（2）由參考文獻(xiàn)[25]表10.7選取尺寬系數(shù) ＝1
（3）由參考文獻(xiàn)[25]表10.6查得材料的彈性影響系數(shù)＝189.8Mpa
（4）由參考文獻(xiàn)[25]圖10.21d按齒面硬度查得小圓錐齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極 限σHlim1＝600MPa；大圓錐齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim2＝550MPa；
（5）由參考文獻(xiàn)[25]式10.13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
N＝60njLh＝60×550×（2×8×300×15）＝2.376×
N＝N/3.2＝0.77910
（6）由參考文獻(xiàn)[25]圖10.19查得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1＝0.95；KHN2＝0.98
（7）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1％，安全系數(shù)S＝1，由參考文獻(xiàn)[25]式（10.12）得
＝0.95×600MPa＝540MPa
＝0.98×550MPa＝522.5MPa
所以許用接觸應(yīng)力
1) 計(jì)算
（1）試算小圓柱直齒輪分度圓直徑d1t，由參考文獻(xiàn)[25]式10.9a得
(6.4)
d1t ==46.87mm
（2）計(jì)算圓周速度v
（3）計(jì)算齒寬b
（8） 計(jì)算齒寬與齒根之比b/h
模數(shù) = d1t /z146.87/22=2.13mm
齒高 h=(2h*+c*) = 4.79
b/h=46.87/4.79=9.78
（9） 計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)v＝1.35m/s、7級(jí)精度，由參考文獻(xiàn)[25]圖10.8中的精度/線及v查得動(dòng)載系數(shù)=1.12;
由參考文獻(xiàn)[25]表10.2查得使用系數(shù)＝1;
假設(shè)KAFt/b<100N／mm。由參考文獻(xiàn)[25]表10.3查得KHa=KFa=1;
由參考文獻(xiàn)[25]表10.4查得7級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)
代入數(shù)據(jù)后得
K=KAKVKFβKFα=1×1.12×1×1.453=1.953
（1）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由參考文獻(xiàn)[25]式（10.10a）得
d1==
（1） 計(jì)算模數(shù)m
m=d1/z1=53.68/22=2.29mm
c) . 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由參考文獻(xiàn)[25]公式（10.5）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為
(6.5)
1）.確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
⑴由參考文獻(xiàn)[25]圖10.20c查得小圓柱直齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限、
⑵由參考文獻(xiàn)[25]圖10.18查得彎曲疲勞壽命系數(shù),;
⑶計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S＝1.4,由式10.12得