劉慶剛，劉玻江，許 智,2，于新奇，李洪濤

（1.河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050018；2.河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，石家莊 050001）

0 序言

生物質(zhì)能開發(fā)與利用是緩解目前廣泛存在的能源危機(jī)的一種有效的手段[1～3]，玉米秸稈是我國分布最為廣泛的生物質(zhì)能源[4～6]，因此針對(duì)玉米秸稈回收利用技術(shù)和裝備的研究一直以來都是生物質(zhì)能利用領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。為了提高玉米秸稈回收利用效率，工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)了一系列的玉米秸稈打捆機(jī)、玉米秸稈壓塊機(jī)以及玉米秸稈的燃燒及能源利用裝置[7～9]。其中，玉米秸稈的收集和儲(chǔ)運(yùn)是其開發(fā)利用的首要任務(wù)，本文主要針對(duì)玉米秸稈回收利用裝置打捆機(jī)的撿拾機(jī)構(gòu)開展研究，其相關(guān)成果對(duì)于推動(dòng)生物質(zhì)能的利用具有一定的意義。

1 撿拾機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

秸稈打捆機(jī)的撿拾機(jī)構(gòu)需要完成秸稈的收集和破碎兩項(xiàng)工作。秸稈收集過程中，要求撿拾干凈，遺漏率低；秸稈破碎過程中，要求破碎程度適中，破碎程度過低導(dǎo)致秸稈尺寸較大，在打捆機(jī)內(nèi)部輸送困難，容易造成卡塞，破碎程度過高則會(huì)造成難以打捆，容易發(fā)生散捆，影響秸稈的道路運(yùn)輸效率。另外，撿拾機(jī)構(gòu)還要具備合適的強(qiáng)度和操作彈性，避免撿拾過程中發(fā)生阻塞或者發(fā)生斷裂。根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)了一種具有Y形甩刀的柔性撿拾機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

如圖1所示，撿拾機(jī)構(gòu)由導(dǎo)向板、變速機(jī)箱、皮帶輪、集料箱、甩刀和甩刀軸組成。工作中，拖拉機(jī)牽引玉米秸稈打捆機(jī)，并通過變速機(jī)箱輸入動(dòng)力。經(jīng)過變速機(jī)箱調(diào)整轉(zhuǎn)速后，由皮帶輪帶動(dòng)甩刀軸運(yùn)動(dòng)，甩刀軸帶動(dòng)Y形甩刀高速運(yùn)動(dòng)，完成撿拾和破碎工作。Y形甩刀的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 玉米秸稈打捆機(jī)撿拾機(jī)構(gòu)示意圖

圖2 Y形甩刀結(jié)構(gòu)圖

Y形甩刀通過銷軸與甩刀軸相連，既可以在甩刀軸的帶動(dòng)下與甩刀軸同步高速選裝，當(dāng)阻力過大時(shí)，又可以繞銷軸旋轉(zhuǎn)，避免過載時(shí)發(fā)生斷裂。因此，Y形甩刀撿拾機(jī)構(gòu)屬于一種柔性撿拾機(jī)構(gòu)，既能滿足撿拾的要求，又能起到過載保護(hù)作用。

2 甩刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于Y形甩刀是撿拾機(jī)構(gòu)中起主要作用的部件，因此，Y形甩刀的設(shè)計(jì)是整個(gè)撿拾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。Y形甩刀的幾何尺寸如圖3所示。

圖3 Y形甩刀幾何尺寸示意圖

如圖3所示，Y形甩刀的幾何尺寸主要包括甩刀柄長(zhǎng)度L，甩刀片高度H，甩刀柄厚度T1，甩刀厚度T2、折彎角a以及甩刀的寬度B。

甩刀柄L和刀片高度H與甩刀旋轉(zhuǎn)時(shí)甩刀前端的線速度有關(guān)，甩刀前端的線速度與破碎和撿拾效果有關(guān)，甩刀軸角速度相同時(shí)，L和H越大，甩刀前端的線速度越大，破碎效果越強(qiáng)；刀柄厚度T1，甩刀厚度T2以及甩刀寬度B與甩刀的強(qiáng)度有關(guān)，需要根據(jù)強(qiáng)度分析確定。折彎角a與秸稈屬性有關(guān)，對(duì)于玉米秸稈，a一般取20度[10]。

工作過程中，假設(shè)甩刀繞著甩刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為w，牽引拖拉機(jī)的運(yùn)行速度為vm。假設(shè)拖拉機(jī)前進(jìn)的方向?yàn)閤方向，甩刀軸軸線方向?yàn)閦方向，垂直于x和z所確定平面的方向?yàn)閥方向。甩刀前端運(yùn)動(dòng)的位移方程可以由式(1)表示。

式(1)中，S(x)和S(y)表示甩刀前端的位移函數(shù)；R表示甩刀的旋轉(zhuǎn)半徑，如果忽略甩刀軸的直徑，則R=L+H。

對(duì)式(1)求導(dǎo)可得到速度方程(2)。

則甩刀前端的線速度絕對(duì)值v按照式(3)計(jì)算。

根據(jù)研究，甩刀前端速度達(dá)到35m/s以上才能實(shí)現(xiàn)玉米秸稈的撿拾和破碎，達(dá)到48m/s時(shí)，才能達(dá)到最佳撿拾和破碎效果[11]。因此可以根據(jù)這一速度，按照式(3)進(jìn)行Y形甩刀角速度w和半徑R的設(shè)計(jì)。

3 甩刀在刀軸上的布置設(shè)計(jì)

甩刀在刀軸上的布置設(shè)計(jì)包括軸向間距和環(huán)向角度兩個(gè)方面。對(duì)于玉米秸稈，一般甩刀軸向間距一般取0.02～0.04片/mm，根據(jù)打捆機(jī)的工作幅度可以計(jì)算出沿軸線方向需要布置甩刀的數(shù)量。

甩刀沿著軸向的布置需要考慮動(dòng)平衡和工作穩(wěn)定性，按照涂建平等[12]提出了“均力免震假設(shè)”設(shè)計(jì)。

甩刀在工作過程中的受力情況如圖4所示。

圖4 甩刀受力分析

圖4中，各參數(shù)關(guān)系如式(4)和式(5)所示。

式(4)和式(5)中，F(xiàn)ax和Fay分別表示某一甩刀平面上的力F在A平面x軸和y軸方向上的投影；Fbx和Fby表示某

【】【】甩刀力F在B平面x軸和y軸方向上的投影。甩刀軸設(shè)計(jì)時(shí)，為了避免振動(dòng)和沖擊，一般要求式(4)和式(5)均等于0。

根據(jù)“均力免震假設(shè)”玉米秸稈撿拾機(jī)構(gòu)的甩刀可以按照如圖5的形式進(jìn)行布置。

圖5中，沿著圓周方向均勻布置3把甩刀，相鄰兩組甩刀之間相位相差60°。這樣的布置對(duì)于多數(shù)工作環(huán)境，能夠保證甩刀軸受力平穩(wěn)，不發(fā)生明顯的沖擊。

圖5 Y型甩刀布置圖

4 結(jié)論

針對(duì)玉米秸稈打捆機(jī)設(shè)計(jì)了一種柔性撿拾機(jī)構(gòu)，撿拾機(jī)構(gòu)主要工作部件為Y形甩刀和甩刀軸。通過對(duì)甩刀的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，得到了甩刀幾何尺寸、甩刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和拖拉機(jī)牽引速度之間的關(guān)系；對(duì)甩刀軸進(jìn)行了受力分析，給出了適用于多數(shù)工作環(huán)境的甩刀在甩刀軸上的布置方案。論文的工作對(duì)于推進(jìn)秸稈打捆機(jī)的設(shè)計(jì)具有一定的意義。

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