馬龍兵， 張 杰， 孟海明， 李 政， 王 華， 坎 雜， 李景彬　(石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，新疆石河子 832000)

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葡萄殘枝粉碎機的設(shè)計與試驗研究

馬龍兵， 張 杰， 孟海明， 李 政， 王 華， 坎 雜， 李景彬*(石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，新疆石河子 832000)

摘要針對新疆葡萄殘枝產(chǎn)量大、利用率低、傳統(tǒng)焚燒易污染環(huán)境等問題，結(jié)合傳統(tǒng)秸稈粉碎機的結(jié)構(gòu)及葡萄枝條的力學(xué)特性，設(shè)計一種新型的“刨削+粉碎”相結(jié)合的枝條粉碎機，重點確定了葡萄殘枝粉碎機的切削機構(gòu)、粉碎機構(gòu)、傳動機構(gòu)等關(guān)鍵機構(gòu)，并進行了粉碎試驗。試驗結(jié)果表明，該葡萄殘枝粉碎機生產(chǎn)率為800 kg/h，用篩分法得出粒度在1～5 mm的占比為73.63%，主要性能指標達到設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞粉碎機；葡萄殘枝；設(shè)計；傳動式

Design and Test Research of Grape Branch Debris Pulverizer

MA Long-bing, ZHANG Jie, MENG Hai-ming, LI Jing-bin*et al

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi, Xinjiang 832000)

AbstractDue to the large output of grape debris, the low utilization ratio and the environmental pollution by traditional burning in Xinjiang, we designed a new branch pulverizer combining planing with grinding, based on the mechanical property of grape branch and the structure of traditional straw pulverizer.The cutting mechanism, crushing mechanism and transmission mechanism of grape debris pulverizer were determined.Crushing test was carried out.Research results showed that the productivity of grape branch debris pulverizer was 800 kg/h; the 1-5 mm particle size by sieving method accounted for 73.63%; and the main performance index reached the design requirements.

Key wordsPulverizer; Grape branch debris; Design; Driving style

葡萄原產(chǎn)于歐洲、西亞和北非一帶[1]，我國栽培葡萄也已有2 000多年歷史，品種有上千個。我國新疆的地理位置、氣候條件及其獨特的自然生態(tài)環(huán)境等十分有利于葡萄的生長，生產(chǎn)的葡萄具有品質(zhì)好、單產(chǎn)高、營養(yǎng)豐富等特點，并且病蟲害輕，極少使用農(nóng)藥，具有其他葡萄產(chǎn)區(qū)無法比擬的獨特優(yōu)勢[2]。近年來，新疆依托優(yōu)勢資源，大力發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)和進行農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，葡萄產(chǎn)業(yè)得到了快速健康的發(fā)展，種植面積、產(chǎn)量和深加工能力大幅提高[3-4]。

越冬前，要對葡萄藤蔓、枝條進行修剪。據(jù)調(diào)研，新疆地區(qū)每年修剪后的葡萄殘枝高達10萬t[5]。目前，修剪后的殘枝一般采用集堆(條)后焚燒處理，影響土壤肥力且造成環(huán)境污染。為了更好地處理葡萄殘枝，應(yīng)研制殘枝粉碎處理相關(guān)機具，對殘枝進行粉碎后掩埋，可有利于殘枝的腐化，改善土壤品質(zhì)。而目前，新疆地區(qū)此環(huán)節(jié)還沒有實現(xiàn)機械化，完全依靠人工在田間將殘枝收攏拉至田間地頭焚燒。因此，亟需研制出葡萄殘枝粉碎機以解決大量葡萄殘枝就地及時直接還田問題。

1總體結(jié)構(gòu)與原理

注：1.聯(lián)軸器;2.齒輪箱;3.V帶;4.進料口;5.上機體;6.出料口;7.帶輪;8.轉(zhuǎn)子;9.篩片;10.扇葉片;11.錘片;12.切削刀;13.刀盤;14.U形卡;15.車?！ote: 1.Coupling; 2.Gear box; 3.V belt; 4.Feed inlet; 5.Upper engine body; 6.Discharge hole; 7.Belt wheel; 8.Rotor; 9.Mesh pieces; 10.Fan blades; 11.Hammer; 12.Cutting chin; 13.Cutter; 14.U-shaped card; 15.Trolley.圖1　葡萄殘枝粉碎機結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of grape branch debris pulverizer

1.1葡萄殘枝粉碎機結(jié)構(gòu)及組成該葡萄殘枝粉碎機由機體、切削裝置、粉碎裝置、傳動裝置及進、出料口等組成。如圖1所示，機體分上機體和下機體兩部分。上機體設(shè)有切向進料的進料口，下機體內(nèi)安裝有篩片且設(shè)有排料口。切削裝置主要為刀盤，刀盤上裝有切削刀。粉碎裝置包括錘架板、錘片、銷釘、扇葉片和隔套等。傳動裝置中，由拖拉機輸出軸將動力傳遞給齒輪箱，齒輪箱通過V帶傳動將動力輸出給轉(zhuǎn)子帶動粉碎機主體工作。1.2工作原理該葡萄殘枝粉碎機工作時，葡萄殘枝由進料口進入機體，首先由切削裝置進行削段，削段后的葡萄殘枝在重力的作用下落入切向式粉碎裝置粉碎室進行粉碎，經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的錘片打擊，并在打擊力作用下飛向篩板，與之撞擊后被彈回，再次受到錘片的打擊和篩板的撞擊，如此反復(fù)，達到粉碎粒度，并從篩孔中漏出。從篩孔中漏出的碎料在扇葉片輔助吹動下快速出料，實現(xiàn)進料、削段、粉碎、出料過程。

2關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析

2.1傳動機構(gòu)葡萄殘枝粉碎機由拖拉機動力輸出軸輸出，若直接采用動力輸出軸輸出則轉(zhuǎn)速達不到聯(lián)合機所需轉(zhuǎn)速要求，且拖拉機動力輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向與聯(lián)合機主軸的旋轉(zhuǎn)方向不在同一平面內(nèi)，而是分別在兩個近似正交的平面。因此，需要設(shè)計換向變速機構(gòu)，通過對速度的升高和轉(zhuǎn)動方向的改變,實現(xiàn)動力傳遞的正確性。

該粉碎機通過聯(lián)軸器將拖拉機輸出軸動力傳遞給齒輪箱，齒輪箱中由2個錐齒輪換向，后帶動V帶傳動。工作機構(gòu)中，齒輪箱通過V帶傳動帶動轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動帶動切削裝置與粉碎裝置進行切削粉碎。轉(zhuǎn)速先由齒輪箱變速，其傳動比i=2，再通過傳動比i=2的帶輪傳動使轉(zhuǎn)速再次提高以達到所需轉(zhuǎn)速，示意圖如圖2所示。

注：1.聯(lián)軸器；2.齒輪箱；3.V帶；4.刀盤。Note: 1.Coupling; 2.Gear box; 3.V belt; 4.Cutter. 圖2　傳動機構(gòu)示意Fig.2　Schematic diagram of driver

2.2切削機構(gòu)切削刀盤作為粉碎機的關(guān)鍵部件之一，其作用是將葡萄殘枝切削成細片狀，因此切削刀盤的轉(zhuǎn)速、切削刀的安裝參數(shù)對切削力和切削功率都有很大影響。在刀盤上布置切削刀時要考慮滿足削片的條件，保證連續(xù)切削和最小功率。在該葡萄殘枝粉碎機中刀盤上裝有4把切削刀，呈圓周排列，受到轉(zhuǎn)子軸、軸承座以及進料口的影響，留有適當?shù)挠嗔?，同時考慮切削刀通過進料口的組合長度應(yīng)大于進料口的寬度，即根據(jù)切削刀的尺寸設(shè)計安裝孔的位置，較近的切削刀安裝槽到轉(zhuǎn)子軸中心線的距離為75 mm，較遠的切削刀距轉(zhuǎn)子軸中心線的距離為145 mm(75 mm+70 mm)，再加上切削刀寬度及邊緣尺寸，取刀盤的外徑為500 mm較為合理?？紤]刀盤作為飛輪，必須保證能夠提供較大的轉(zhuǎn)動慣量，以產(chǎn)生足夠大的切削力切削較大直徑的殘枝，取刀盤厚度為40 mm。切削機構(gòu)簡圖如圖3所示。

注：1.切削刀；2.刀盤。Note: 1.Cutter blade; 2.Plate.圖3　切削刀盤結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3　Schematic diagram of cutter blade plate

切削刀是葡萄殘枝粉碎機的主要部件之一，其性能對葡萄殘枝粉碎機的工作起重要作用[6]。考慮到葡萄枝有分出的枝椏，且是多根進料，進料口設(shè)計得相對較大，取150 mm×150 mm；根據(jù)這些主要參數(shù)，切削刀采用100 mm×60 mm合金鋼，厚度為10 mm，并進行調(diào)制處理，以增強耐磨性。切削刀有刃口，磨損后能夠磨刃，刀上開有長孔，以固定在刀盤上，可以根據(jù)切削要求來調(diào)節(jié)切削刀與刀盤的間隙，同時增加或減少墊片，來調(diào)節(jié)沖出量。切削刀結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

圖4　切削刀的設(shè)計Fig.4　Design of cutter blade

2.3粉碎機構(gòu)粉碎機構(gòu)主要由錘片、扇葉片、篩網(wǎng)組成，結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。被切削后的物料進入粉碎機構(gòu)，然后進一步粉碎，達到粒度要求。在粉碎機構(gòu)中，安裝了3組錘片，每組安裝2把，每個錘片的端部加工成梯形，這樣增加了錘片的刃口，同時每個錘片均開刃，增強了粉碎效果，滿足要求[7]。

注：1.主軸;2.扇葉片;3.錘片;4.篩網(wǎng)。Note: 1.Principal axis; 2.Fan blades; 3.Hammer; 4.Screen cloth.圖5　粉碎機結(jié)構(gòu)示意Fig.5　Schematic diagram of pulverizer

扇葉片主要為葡萄枝削片粉碎機提供風(fēng)力并對削片后的葡萄枝木片進行錘打來起到一定的粉碎作用?？紤]到徑向型葉片磨損和積垢較小，加工方便等優(yōu)點，該粉碎機采用徑向型葉片，扇葉片的直徑為242 mm。

從動平衡的因素和制造周期考慮，3片扇葉片及錘片安裝支架采用兩兩夾角120°焊接而成[8]。粉碎扇葉片結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示。

圖6　粉碎扇葉片結(jié)構(gòu)簡圖Fig.6　Structure of crushing fan blades

錘片是粉碎機最主要的、也是最易損耗的工作部件[9]，其尺寸、形狀、工作密度與排列方式、材料材質(zhì)與制造工藝等，對粉碎效率和工作質(zhì)量均有較大的影響。所以此次設(shè)計所選用的錘片為雙孔型矩形錘片，錘片選用的材料為45號中碳鋼，熱處理后淬火區(qū)硬度應(yīng)達到HRC 50～57，結(jié)構(gòu)簡圖如圖7所示。

圖7　錘片的設(shè)計Fig.7　Design of hammer

錘片選用對稱交錯排列，對應(yīng)兩組錘片對稱安裝，轉(zhuǎn)子上對應(yīng)兩銷軸上所受的力可以相互平衡，轉(zhuǎn)子運行更加平穩(wěn)，且錘片安裝簡單方便，各錘片磨損較為同步。排列方式見圖8所示。

圖8　對稱交錯排列方式Fig.8　Symmetric staggered arrangement mode

篩片是錘片式粉碎機主要的工作部件和易損件之一，其

對粉碎效率和粉碎質(zhì)量有較大影響[10]。篩片選用圓柱形孔篩，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，應(yīng)用最廣，如圖9所示。

篩孔的孔形狀和篩片厚度以及有效篩孔面積(開孔率)都是影響粉碎機工作特性的因素，篩孔直徑設(shè)計為6 mm。

圖9　圓柱形沖孔篩片F(xiàn)ig.9　Mesh pieces of cylindrical punching

3實驗結(jié)果與分析

2014年4月，筆者課題組在石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院實驗場采用葡萄殘枝進行切削粉碎試驗，殘枝主要來源于秋后剪枝，平均含水率為6.21%，平均直徑在50～150 mm，主要對葡萄殘枝粉碎機的生產(chǎn)率及粉碎顆粒度等參數(shù)進行檢測，結(jié)果如圖10所示。經(jīng)測試，該葡萄殘枝粉碎機的平均生產(chǎn)率為800 kg/h，用篩分法得出粒度在1～5 mm的占比73.63%。由實驗結(jié)果可知，整機的設(shè)計強度和制造工藝基本達到要求，且整機操作簡單、安全可靠。

4結(jié)論

該研究采用先切削后粉碎的原理，設(shè)計了切削粉碎刀盤，提高了對葡萄殘枝的切削粉碎能力，在此基礎(chǔ)上研究開發(fā)了一種基于“刨切+錘片式粉碎”相結(jié)合的葡萄殘枝粉碎機。選用直徑為50～150 mm的葡萄殘枝，機器運行平穩(wěn)，生產(chǎn)率達800 kg/h，粉碎后的顆粒度1～5 mm的占比為73.63%，粒度質(zhì)量較好，能夠滿足成型要求。

圖10　 粉碎顆粒度分布Fig.10　Distribution of particle size

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中圖分類號S 224.29

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)06-300-03

收稿日期2016-01-08

作者簡介馬龍兵(1992- )，男，新疆昌吉人，本科生，專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化。*通訊作者，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事機械設(shè)計制造及其自動化研究。

基金項目國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目(201410759032)；石河子大學(xué)重大科技攻關(guān)技術(shù)項目(gxjs2012zdgg0402)。