薛 飛，陳立東，6*，李亞婧，楊宗煒，楊彩媛，李學(xué)永，孫明偉

(1 河北科技師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河北 秦皇島，066600；2 河北省灤南縣職業(yè)教育中心；3 河北廣電網(wǎng)絡(luò)信息集團(tuán)股份有限公司灤南分公司；4 河北省灤南縣倴城鎮(zhèn)中心學(xué)校；5 唐山鑫萬達(dá)實(shí)業(yè)股份有限公司；6 河北科技師范學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械工程技術(shù)中心)

青飼料收獲機(jī)籽粒破碎裝置的設(shè)計(jì)

薛 飛1，陳立東1，6*，李亞婧2，楊宗煒3，楊彩媛4，李學(xué)永5，孫明偉1

(1 河北科技師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河北 秦皇島，066600；2 河北省灤南縣職業(yè)教育中心；3 河北廣電網(wǎng)絡(luò)信息集團(tuán)股份有限公司灤南分公司；4 河北省灤南縣倴城鎮(zhèn)中心學(xué)校；5 唐山鑫萬達(dá)實(shí)業(yè)股份有限公司；6 河北科技師范學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械工程技術(shù)中心)

針對(duì)青飼料收獲機(jī)在莖穗收獲作業(yè)時(shí)蠟熟期籽粒難破碎，影響青飼料適口性及消化吸收難的問題，設(shè)計(jì)了用于提高青貯玉米籽粒破碎效率的對(duì)輥式籽粒破碎裝置，基于SolidWorks對(duì)盤刀及破碎輥軸進(jìn)行了靜力學(xué)特性分析。經(jīng)初步生產(chǎn)應(yīng)用，該籽粒破碎裝置結(jié)構(gòu)緊湊，工作面長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的破碎輥，大大降低了能耗，籽粒破碎率達(dá)到了90%以上。

青飼料收獲機(jī)；籽粒破碎裝置；刀盤；有限元分析

國(guó)內(nèi)青飼料收獲機(jī)械研發(fā)起步較晚，多是仿造國(guó)外產(chǎn)品，其性能和可靠性與國(guó)外產(chǎn)品相比還有較大差距。籽粒破碎技術(shù)在青飼料收獲機(jī)上的應(yīng)用越來越廣泛，該技術(shù)可以提高青貯玉米特別是蠟熟期玉米的籽粒破碎率，促進(jìn)青貯飼料的適口性及牲畜的消化吸收，如美國(guó)約翰迪爾7380型自走式青飼料收獲機(jī)應(yīng)用揉搓輥式玉米籽粒破碎技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)玉米籽粒的有效破碎，拆裝方便，大大提高了維護(hù)保養(yǎng)效率[1]。國(guó)內(nèi)青飼料收獲籽粒破碎技術(shù)的研究還處于初始階段，亟需設(shè)計(jì)出專用于青飼料收獲機(jī)的籽粒破碎裝置，以提高青飼料的切碎效果，促進(jìn)飼料的消化吸收[2]。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

籽粒破碎裝置位于青飼料收獲機(jī)的機(jī)架和拋料筒之間，是青飼料收獲機(jī)在物料破碎領(lǐng)域的關(guān)鍵部件，其主要由破碎軸、錐形刀盤、刀盤間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、殼體、帶輪等組成，籽粒破碎裝置的位置見圖1，其基本結(jié)構(gòu)組成見圖2。

1.2 工作過程

青飼料收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過傳動(dòng)系統(tǒng)傳到籽粒破碎裝置的左右兩個(gè)破碎軸上，刀軸高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)安裝在刀軸上的多組刀盤相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)玉米籽粒和秸稈通過左右刀軸上的刀盤間隙時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下(左側(cè)刀盤組高速旋轉(zhuǎn)，右側(cè)刀盤組轉(zhuǎn)速較慢)的兩個(gè)破碎輥對(duì)物料進(jìn)行揉搓、剪切破碎，在高速刀盤的帶動(dòng)下對(duì)物料產(chǎn)生向上的拋力，同時(shí)破碎裝置刀盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生向上的氣流推進(jìn)了物料的拋送，從而使破碎的籽粒及粉碎的秸稈沿拋料筒拋送到隨車料斗或運(yùn)料車上，完成整個(gè)工作過程。

2 籽粒破碎裝置關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 破碎輥的設(shè)計(jì)

破碎輥由多組對(duì)置刀盤組組成，并分別安裝在兩個(gè)破碎軸上。每個(gè)破碎輥軸上設(shè)有20個(gè)錐形刀盤，相鄰刀盤組之間形成工作槽，左右破碎軸上的刀盤組工作槽與刀盤組相對(duì)安裝，使兩破碎輥之間的工作面長(zhǎng)度相比傳統(tǒng)的破碎輥顯著增加，并形成“絲”字形工作間隙(圖3)。

2.1.1 刀盤的設(shè)計(jì) 刀盤設(shè)計(jì)為錐形刀盤，刀盤上加工出徑向直刃的均勻的刀齒，相鄰刀齒之間形成凹槽，其材料采用合金工具鋼9SiCr[3]，形狀見圖4。

圖1 青飼料收獲機(jī)籽粒破碎裝置的位置

圖2 籽粒破碎裝置的總體結(jié)構(gòu)

2.1.2 刀盤靜力學(xué)特性分析 刀盤靜力學(xué)分析采用Solidworks進(jìn)行仿真分析[4]，刀盤材料的彈性模量為190 GPa，泊松比取0.3，密度為7.9×103 kg/m3。

(1) 網(wǎng)格劃分 采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]，劃分結(jié)果如圖5所示。

(2) 約束條件 對(duì)刀盤軸孔施加全約束，對(duì)鍵槽同樣施加全約束。

(3) 施加載荷 由于刀盤在切割時(shí)，物料中不僅有籽粒還有秸稈碎料，因此受力情況復(fù)雜。將作用在刀齒上的作用力簡(jiǎn)化為均布載荷，單元節(jié)點(diǎn)距為5 mm，施加力的大小為150 N[6]。

圖3 青飼料收獲機(jī)籽粒破碎裝置中的破碎輥

1 斜面，2 刀齒，3 切削刃，4 鍵槽，5 軸孔，6內(nèi)斜面圖4 青飼料收獲機(jī)籽粒破碎裝置中的刀盤

經(jīng)計(jì)算求解可以得到刀盤應(yīng)力云圖(圖6)。從刀盤應(yīng)力云圖可以看出，本次設(shè)計(jì)的盤刀在使用中所受變形微小，符合大中型青貯的工作要求，而變形最嚴(yán)重的地方出現(xiàn)在刀齒兩端的刃尖上。但是，由于盤刀在刀軸上的排列方式為相向排列，兩個(gè)盤刀恰好合為一體，從而大大增加了刀片在高速旋轉(zhuǎn)工作時(shí)的堅(jiān)韌性，因此，此種刀盤的設(shè)計(jì)適合于用在該種機(jī)型的籽粒破碎裝置中，相比其他的破碎部件，更適合于高速切削[7]。

圖5 刀盤網(wǎng)格劃分受力圖 圖6 刀盤應(yīng)力云圖

2.1.3 籽粒在刀盤間隙中的受力分析 工作時(shí)，籽粒受到左側(cè)破碎輥上刀盤刀齒的力為F1，受右側(cè)破碎輥上刀盤刀齒的力為F2，籽粒所受重力為G，左側(cè)刀盤速度為v1，右側(cè)刀盤速度為v2，且v1>v2。因此，破碎在刀盤上的綜合受力為F1-F2-G，由于所受重力與刀盤作用力相比很小，可以忽略，因此，總的受力約等于F1-F2。由于經(jīng)過一次切碎拋送裝置時(shí)，左右刀盤速度不一樣，籽粒在相對(duì)速度v相對(duì)及刀盤作用力下形成對(duì)秸稈及籽粒的揉搓撕裂作用，當(dāng)F1-F2形成的剪切力大于籽粒的結(jié)合力時(shí)，秸稈或籽粒便被撕裂，其受力如圖7所示。

圖7 破碎裝置工作時(shí)籽粒的受力分析

2.2 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由刻度尺、調(diào)節(jié)螺栓(頂針)、搖桿、連桿、張緊彈簧、被頂件等組成(圖8)。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在破碎輥軸的兩端，通過調(diào)節(jié)螺栓改變兩個(gè)破碎輥軸的中心距，從而改變兩破碎輥刀盤的間隙，當(dāng)調(diào)節(jié)螺栓順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，搖桿以連桿的軸線為旋轉(zhuǎn)中心向右轉(zhuǎn)動(dòng)，右側(cè)破碎輥軸遠(yuǎn)離左側(cè)破碎輥，兩輥間隙變大，反之亦然(其間隙調(diào)整范圍約為0～15 mm)，該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可使籽粒破碎裝置適應(yīng)不同的作物籽粒的破碎作業(yè)要求。刻度尺的作用有兩個(gè)：一是反映兩輥間隙的大小，二是通過觀察刻度尺上的數(shù)據(jù)使右側(cè)破碎輥軸調(diào)整到軸線與左側(cè)破碎輥平行的位置，否則，機(jī)體可能無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。張緊彈簧配合調(diào)節(jié)螺栓及連桿對(duì)刀軸起到固定、緩沖的作用[8]。

2.3 殼體的設(shè)計(jì)

為方便物料向上輸送，需對(duì)籽粒破碎裝置處的殼體進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。籽粒破碎裝置的殼體采用厚度為5 mm的鋼板，殼體的兩側(cè)設(shè)有肋板，以增加其牢固性，殼體材料是屈服強(qiáng)度為235 MPa的碳素結(jié)構(gòu)鋼，殼體整體尺寸為540 mm×500 mm×1 400 mm。

2.4 破碎輥軸的設(shè)計(jì)

2.4.1 輥軸的結(jié)構(gòu) 破碎輥軸長(zhǎng)580 mm，材料選為42CrMo調(diào)質(zhì)鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.28，密度為7.8×103kg/m3。使用Solidworks創(chuàng)建破碎輥模型，采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，其劃分結(jié)果見圖9。

1 刻度尺，2 調(diào)節(jié)螺栓(頂針)，3 搖桿，4 連桿，5 張緊彈簧，6 被頂件

2.4.2 輥軸的靜力特性分析 施加約束和載荷：針對(duì)含水率為20%的玉米籽粒，單元節(jié)點(diǎn)距為5 mm，則刀盤在工作時(shí)所受的平均切割阻力為150 N，每個(gè)破碎輥上有20個(gè)刀盤，理想狀態(tài)下，整體受切割阻力為3 000 N，將該阻力施加在破碎軸鍵槽的側(cè)面，并在破碎輥軸與軸承的配合面上施加全約束，力學(xué)和位移云圖仿真結(jié)果如圖10所示。仿真結(jié)果表明，輥軸的鍵槽處受應(yīng)力變形較大，在軸承安裝和刀盤安裝之間安裝鎖緊件的部位受應(yīng)力相對(duì)大一些。不過，對(duì)于材料的本身來講，這些應(yīng)力僅僅對(duì)破碎軸造成微小的變化。在高速切割過程中，受離心力的影響，破碎軸也會(huì)發(fā)生徑向膨脹，由于影響不大，該材質(zhì)的破碎軸可以用來作為籽粒破碎裝置的主軸。

圖9 破碎輥軸網(wǎng)格劃分 圖10 破碎輥軸應(yīng)力、位移云圖

3 生產(chǎn)試驗(yàn)

籽粒破碎裝置安裝于唐山鑫萬達(dá)實(shí)業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的9QZ-3000型青飼料收獲機(jī)上，2015年10月15日在河北省灤南縣八合居村進(jìn)行了初步的生產(chǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)條件和試驗(yàn)結(jié)果見表1。本次研究所設(shè)計(jì)的青飼料收獲機(jī)籽粒破碎裝置對(duì)蠟熟半熟期玉米籽粒破碎率達(dá)到了92.1%，秸稈切碎長(zhǎng)度合格率為90.3%，達(dá)到了青貯飼料對(duì)籽粒破碎的要求，對(duì)提高牲畜青飼料營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收有較好的促進(jìn)作用。

表1 籽粒破碎裝置生產(chǎn)試驗(yàn)條件和試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了對(duì)置刀盤式青飼料收獲機(jī)籽粒破碎裝置，其主要由破碎軸、錐形刀盤、刀盤間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、殼體、帶輪等組成，對(duì)破碎輥、刀盤、破碎輥軸、殼體進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)刀盤和破碎輥軸進(jìn)行靜力學(xué)特性分析。

通過調(diào)整刀盤軸間隙可以實(shí)現(xiàn)不同作物青飼料籽粒的破碎，可以大大提高適應(yīng)性及籽粒破碎效果。

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(責(zé)任編輯：朱寶昌)

Design of Grain Crushing Device for Green Fodder Harvester

XUE Fei1, CHEN Lidong1，6, LI Yajing2, YANG Zongwei3,YANG Caiyuan4, LI Xueyong5, SUN Mingwei1

(1 College of Mechanical and Electrical Engineering, Hebei Normal University of Science & Technology,Qinhuangdao Hebei，066600; 2 Luannan County Vocational Education Center; 3 Hebei Radio and Television Network Information Group Co., Ltd; 4 Bencheng Town Central School of Luannan County;5 Tangshan Xinwanda Industrial Co., Ltd; 6 Research Center of Agricultural Mechanical Engineering Technology, Hebei Normal University of Science & Technology；China)

A new-type grain crushing device was designed to overcome the low crushing rate in maize which decreased the forage palatability as well as digestion and absorption of nutrients. A statics analysis of the disc knife and a crushing roller shaft was carried out based on SolidWorks. Practical application of the device demonstrated that the grain crushing device displayed a compact structure with longer working surface and lower energy consumption. The grain crushing rate might be as high as 90%.

green fodder harvester; grain crushing device; cutter head; finite element analysis

10.3969/J.ISSN.1672-7983.2016.03.012

國(guó)家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2013GB2A200044)。

2016-05-27; 修改稿收到日期: 2016-07-31

S817.11+7

A

1672-7983(2016)03-0071-05

薛飛(1993-)，在讀碩士研究生。主要研究方向：機(jī)械工程。

*通訊作者，男，副教授，碩士。主要研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)。E-mail:chentian-940308@163.com。