郭亞兵，任連志，路宗堯，張濤，張鋒偉

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

基于對數(shù)螺線方程的秸稈粉碎機(jī)錘片設(shè)計(jì)及應(yīng)用參數(shù)確定

郭亞兵，任連志，路宗堯，張濤，張鋒偉

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

錘片式秸稈粉碎機(jī)是目前應(yīng)用較為廣泛的一種秸稈粉碎機(jī)型，針對傳統(tǒng)錘片工作時(shí)受力不均、波動(dòng)較大進(jìn)而影響秸稈粉碎效率及錘片的使用壽命等問題，根據(jù)對數(shù)螺線方程原理，確定了錘片刃線方程及其參數(shù)，利用Solidworks建立對數(shù)螺線方程曲線刃線錘片的三維實(shí)體模型，設(shè)計(jì)出一種新型的秸稈粉碎機(jī)錘片，通過試驗(yàn)表明，等滑切角錘片與普通矩形錘片相比，粉碎玉米秸稈時(shí)單位產(chǎn)量的能耗量明顯減少，且當(dāng)滑切角為45°時(shí)僅為0.2 kw/h，具有顯著的優(yōu)勢，隨著玉米秸稈含水率的下降，電能消耗減少；當(dāng)錘片為45°滑切角，秸稈含水率為20%，錘片末端線速度為70 m/s時(shí)，單位產(chǎn)量的能耗量最低。

對數(shù)螺旋曲線；Solidworks；錘片；秸桿粉碎機(jī)；應(yīng)用參數(shù)

秸稈粉碎是作物秸稈加工的首要環(huán)節(jié)，目前國內(nèi)秸稈粉碎機(jī)械廣泛使用錘片式粉碎，其原理是通過錘片軸帶動(dòng)錘片的高速旋轉(zhuǎn)，從而在錘片與齒板的捶打搓擦下將秸稈粉碎［1］。玉米秸稈和錘片在粉碎機(jī)揉搓室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程較復(fù)雜，綜合起來有錘片對玉米秸稈的沖擊作用和玉米秸稈受到齒板的摩擦和沖擊作用兩種。尤其玉米秸稈較硬的莖節(jié)，受到齒板和錘片的揉搓和粉碎。如果被揉搓處理的對象是韌性較大的物料，需受到錘片多次沖擊和齒板多次的摩擦和沖擊才能被粉碎［2～5］。因此，錘片是玉米秸稈粉碎機(jī)的主要易損件，要求它具有良好的耐磨性，其設(shè)計(jì)是否合理直接影響著機(jī)器的工作性能和使用壽命［2～4］。傳統(tǒng)的秸稈粉碎機(jī)上多采用直線刃刀片，切割過程中滑切角變化幅度較大，切割阻力矩變化迅速，造成錘片工作時(shí)受力不均、波動(dòng)較大、切割效果差，功耗高［5］。

我們根據(jù)傳統(tǒng)秸稈切割理論，基于秸稈的力學(xué)特性和切割秸稈制作基質(zhì)的要求，應(yīng)用對數(shù)螺線方程的原理，設(shè)計(jì)一種等滑切角鋸齒型錘片，旨在解決秸稈切割中錘片受力不均、波動(dòng)較大等問題，降低切割功耗，提高切割效率，為后續(xù)研究提供一定的參考。

1 等滑切角錘片設(shè)計(jì)

1.1 對數(shù)螺線方程

其中，α，K為常數(shù)，K=tanτ（τ為滑切角），θ為極角，ρ為極徑。該方程曲線的特點(diǎn)為：經(jīng)過極點(diǎn)O的各條射線與曲線交點(diǎn)的切線間夾角（方向角）均相等［6］。

1.2 錘片刃線方程的建立與參數(shù)的確定

以對數(shù)螺線方程的特點(diǎn)為理論依據(jù)建立錘片刃線方程。建立刀具坐標(biāo)系，取坐標(biāo)軸OX與刀片底邊重合，動(dòng)刀片繞其極點(diǎn)O回轉(zhuǎn)進(jìn)行切割，如圖1所示。當(dāng)?shù)镀芯€AB由任意θ角轉(zhuǎn)dθ角時(shí)，其上任意切割點(diǎn)M變到M1點(diǎn)，矢徑變?yōu)?，增加d，若dθ很小趨近于零，可視弧MM1為直線，直線MN相等。

圖1 等滑切角刀刃曲線方程

根據(jù)滑切角定義［10～15］，在△MM1N中有：

若曲線上滑切角τ為給定常數(shù)，且令tgτ=K，上式可得：

等式兩邊積分得：

該極坐標(biāo)方程為對數(shù)螺線方程，它的幾何特性是經(jīng)過極O點(diǎn)的各條射線與曲線交點(diǎn)的切線間夾角（方向角）均相等，均等于刀片刃線的給定滑切角，即為對數(shù)螺線（等滑切角）錘片設(shè)計(jì)的理論依據(jù)［7～9］。

2 Solidworks方程驅(qū)動(dòng)曲線建模

2.1 Solidworks方程驅(qū)動(dòng)建模原理簡介

在Solidworks中，驅(qū)動(dòng)方程由自變量和因變量構(gòu)成，其一般形式

其中自變量X1，X2，X3，…，Xn為獨(dú)立的參數(shù)，因變量Y隨自變量的改變而改變。在Solidworks方程驅(qū)動(dòng)建模過程中，首先應(yīng)確定自變量X1，X2，X3，…，Xn，通過自變量與因變量之間的關(guān)系建立約束方程：

這樣即可以實(shí)現(xiàn)零件的參數(shù)化建模，為零件的設(shè)計(jì)帶來便利［10～12］。

2.2 對數(shù)螺線方程曲線刃線的錘片模型建立

Solidworks方程驅(qū)動(dòng)曲線工具提供“顯示方程”和“參數(shù)方程”兩種方程式的定義方式，“顯示方程”在定義自變量x的取值范圍后y的取值會(huì)自動(dòng)求出，“參數(shù)方程”需定義參數(shù)t的取值范圍和x、y分別隨變動(dòng)的方程式。本文采用參數(shù)方程定義錘片刃線。且取方程中，C=100，K=tanτ=1（即τ=45°）。

在Solidworks中輸入的笛卡爾坐標(biāo)參數(shù)方程式為：

曲線結(jié)果、錘片的三維實(shí)體模型及裝配體模型見圖2、圖3。

圖2 Solidworks中方程驅(qū)動(dòng)的曲線

圖3 錘片三維實(shí)體模型

3 對數(shù)螺線形錘片在玉米秸稈粉碎切割的應(yīng)用試驗(yàn)

影響玉米秸稈粉碎機(jī)工作效率的因素較多，例如：錘片末端線速度、玉米秸稈含水率、切割方式、錘片形狀、錘片排列方式及刀具材料等［13～14］。根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)條件及相關(guān)研究的結(jié)果，我們選擇的秸稈粉碎機(jī)型為9RS-2型秸稈揉絲機(jī)，該機(jī)錘片的排列形式為交錯(cuò)對稱式排列，錘片數(shù)量為20，錘片材料為65 Mn。本試驗(yàn)以粉碎單位重量的秸稈所消耗的電能為試驗(yàn)指標(biāo)，每次試驗(yàn)所粉碎的秸稈重量均為10 kg，每次試驗(yàn)所消耗的電能可通過電能表測得。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為獲得玉米秸稈粉碎作業(yè)時(shí)最佳影響粉碎效率的因素組合，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的等滑切角刃線的錘片對玉米秸稈的適應(yīng)性，分別對錘片類型、滑切角和秸稈含水率進(jìn)行單因素試驗(yàn)。A試驗(yàn)，采用含水率為20%的玉米秸稈，錘片末端線速度為70 m/s，錘片形狀分別選擇：矩形、滑切角35°、滑切角45°、滑切角50°，進(jìn)行試驗(yàn)。B試驗(yàn)，采用錘片的滑切角為45°，末端線速度為70 m/s，秸稈含水率分別為：20%、40%、60%，進(jìn)行試驗(yàn)。C試驗(yàn)，采用秸稈含水率20%，錘片滑切角為45°，錘片末端線速度分別為50 m/s、70 m/s、90 m/s，進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

A試驗(yàn)的結(jié)果見圖4，在其他條件相同的情況下，滑切角為45°的等滑切角錘片單位產(chǎn)量的功耗最小，50°滑切角錘片次之；矩形錘片的單位產(chǎn)量能耗最大，45°滑切角錘片粉碎功耗僅為矩形錘片的1/2。根據(jù)粉碎后的秸稈狀態(tài)分析，45°滑切角錘片的粉碎質(zhì)量明顯優(yōu)于矩形錘片。

B試驗(yàn)的結(jié)果見圖5，在其他條件相同的情況下，含水率對切割電能和切割時(shí)間有較大的影響，含水率為60%左右的秸稈消耗的切割電能大約為含水率20%左右的秸稈的2倍。隨著秸稈收獲后自然陰干天數(shù)增加，含水率不斷下降，電能的消耗減少，從而使得切割效率提高。這是由于陰干天數(shù)增加，導(dǎo)致水分減少，使秸稈細(xì)胞壁中的纖維之間結(jié)合力減弱，故強(qiáng)度降低［15］。

C試驗(yàn)的結(jié)果見圖6，在其他條件相同的情況下，錘片末端線速度為70 m/s時(shí)，粉碎功耗最小。由于錘片速度過低時(shí)打擊能力下降，固生產(chǎn)效率低，電耗大，錘片速度過高時(shí)，雖粉碎物料的能力增強(qiáng)，但錘片機(jī)構(gòu)空載功率消耗加大，造成能量增加，因此由C試驗(yàn)的結(jié)果可知，70 m/s為較適宜的錘片末端線速度［16］。

圖4 刀片類型與切割功耗的關(guān)系

圖5 不同滑切角與切割功耗的關(guān)系

圖6 刀片材料與切割功耗的關(guān)系

4 結(jié)語

我們根據(jù)對數(shù)螺線方程的原理建立等滑切角秸稈粉碎機(jī)錘片刃線方程，利用Solidworks方程驅(qū)動(dòng)曲線功能建立等滑切角秸稈粉碎機(jī)錘片的三維實(shí)體模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，等滑切角錘片與普通矩形錘片相比，粉碎玉米秸稈時(shí)單位產(chǎn)量的能耗量明顯減少，優(yōu)勢顯著，且當(dāng)滑切角為45°時(shí)僅為0.2 kw·h，具有顯著的優(yōu)勢；隨著玉米秸稈含水率的下降，電能消耗減少；當(dāng)錘片為45°滑切角，秸稈含水率為20%，錘片末端線速度為70 m/s時(shí)，單位產(chǎn)量的能耗量最低。

［1］蘇宏煜，戴飛，戴治國，等.9LRC型立式秸稈揉搓機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，48 （5）：151-156.

［2］劉文廣.錘片式粉碎機(jī)異型粉碎室的理論分析及試驗(yàn)研究［D］.內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

［3］KOSSE V，MATHEW J.Design of hammer mills for optimum performance［J］.Proceeding of the Institution of Mechanical Engineers，2001，215（Part C）：87-94.

［4］HARSHA S P，SANDEEP K，PRAKASH R.The effect of the speed of balanced rotor on nonlinear vibration associated with ball bearing［J］.Mechanical Sciences，2003 （45）：735-740.

［5］王麗娟，石林榕，楊國軍，等.玉米秸稈切割過程的非線性數(shù)值模擬與仿真試驗(yàn)［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究. 2013，31（6）：252－256.

［6］嚴(yán)導(dǎo)淦.對數(shù)螺線及其物理意義［J］.物理與工程，2013，23（5）：5－9.

［7］閆秀芳.盤刀式鍘草機(jī)切碎器的虛擬設(shè)計(jì)及其性能研究［D］.內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2008.

［8］郭茜，張西良，徐云峰，等.藤莖類秸稈專用切割刀片的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2013，30 （24）：47－53.

［9］許幸新，鄭友益，高詠濤.對數(shù)螺線及其在機(jī)械工程領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］.焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）. 2004，23（6）：471-473.

［10］劉明群，李金生.Solidworks中構(gòu)建曲線的兩種方法［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2007，20（6）：147－148.

［11］（美）Solidworks，生信實(shí)維公司編（譯）.Solidworks API二次開發(fā)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［12］翟彤.基于SolidWorks二次開發(fā)的零件參數(shù)化設(shè)計(jì)［J］.武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，26（1）：49-52．

［13］趙新軍，孫寶天.等滑切角圓盤式飼草切碎器的剪切功率［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1995，9（3）：62－67.

［14］蘇宏煜.玉米秸稈擠絲揉搓機(jī)的分析與設(shè)計(jì)［D］.蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

［15］李更強(qiáng)，郭新榮.錘片式粉碎機(jī)錘片的設(shè)計(jì)與研究［J］.試驗(yàn)研究，2012（3）：38-40.

（本文責(zé)編：陳珩）

Design and Application Parameters of Straw Crusher Hummer Based on Logarithmic Spiralequation

GUO Ya-bing，REN Lian-zhi，LU Zong-yao，ZHANG Tao，ZHANG Feng-wei
（College of Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou Gansu 730070，China）

Hammer type straw crusher is the widely used a straw crushing machine，this article in view of the traditional hammer of uneven when at work，volatile，in turn，affects the straw crushing efficiency，and the problem of the service life of hammer piece according to the principle of logarithmic spiral equation，the hammer slice blade line equation and parameters，the logarithmic spiral equation was established based on Solidworks three-dimensional entity model of the curve edge line hammer，designed a newtype of straw crusher hammer，through test research shows that：such as sliding compared with ordinary rectangular corner cut hammer hammer，crushing the corn strawwhen the amount of energy consumption per unit of production decreased significantly，advantage，and when the sliding cutting angle is 45°only 0.2 kw/h，has significant advantages，as the moisture content of corn stalk，power consumption reduced；45°sliding cutting Angle，when the hammer straw moisture content is 20%，the end of the hammer of linear velocity of 70 m/s，the lowest amount of energy consumption per unit of production.

Logarithmic spiral curve；Solidworks；Hammer；Straw crushing machine；Application parameters

S817.12

A

1001-1463（2015）05-0034-04

10.3969/j.issn.1001-1463.2015.05.010

2015-03-19

十二五國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“西北綠洲農(nóng)牧循環(huán)技術(shù)集成與示范”（2012BAD14B10）；干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（GSCS-201209）

郭亞兵（1983—），男，甘肅渭源人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)工程技術(shù)與裝備研究。聯(lián)系電話：（0）13919238812。E-mail：136729920@qq.com

張鋒偉（1966—），男，甘肅渭源人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事植物力學(xué)與農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備研究。E-mail：zhangfengwei@gsau.edu.cn