戰(zhàn) 麗，馮嘯霖，馬 巖，楊春梅，姬廣磊

(東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，哈爾濱 150040)

0 引言

目前，我國霧霾現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，已經(jīng)嚴(yán)重影響了人們的健康和正常生活，而每年大量燃燒秸稈等田間剩余物就是造成霧霾的重要原因之一。其實，這些散落在田間地頭的秸稈等田間剩余物經(jīng)過加工可以作為燃料和飼料使用，但因其形狀大小不一、占用空間較大，較低的堆積密度和運(yùn)輸效率使其難以運(yùn)送到農(nóng)戶家里，需要粉碎才能有效運(yùn)輸和進(jìn)行下一步的處理和利用[1]。現(xiàn)有的粉碎機(jī)很難進(jìn)入田間地頭作業(yè)，因而使用可在田間靈活行走的粉碎機(jī)能夠有效解決這一問題，使田間剩余物可以被有效利用，從而提高此類生物質(zhì)資源的使用效率[2-4]。履帶式粉碎機(jī)就是一類能在田間靈活行走的粉碎機(jī)[5-7]，可以輕松到達(dá)工作地點，將堆積的田間剩余物粉碎，再通過相關(guān)運(yùn)料車就可以很方便地運(yùn)出，有效地提高生物質(zhì)資源利用率，降低運(yùn)輸成本，消除田間剩余物堆積的安全隱患[8]。由此可見，在田間使用履帶式粉碎機(jī)對農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)意義重大。

1 粉碎機(jī)構(gòu)工作原理分析

針對秸稈等田間剩余物的粉碎，考慮其特性及設(shè)計經(jīng)驗，采用錘片式粉碎方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、維修方便、粉碎效果好、生產(chǎn)能力強(qiáng)等特點[9]。

借助于較大速度的相對運(yùn)動，物料受到?jīng)_擊內(nèi)部產(chǎn)生的最大正應(yīng)力大于強(qiáng)度時即發(fā)生破碎。當(dāng)質(zhì)量分別為m1和m2、，彈性模量分別為E1和E2、泊松比為μ1和μ2的兩物體，以相對運(yùn)動速度v在曲面的曲率半徑r1、r2的點處發(fā)生正面碰撞時，物體內(nèi)部所產(chǎn)生的最大正應(yīng)力為

分析上式可知，為使應(yīng)力較大，應(yīng)采用如下做法：

1)兩物體質(zhì)量應(yīng)盡量大，實際中可以通過使用質(zhì)量較大的錘片來獲得較好的粉碎效果。

2)兩物體撞擊點處曲面的曲率半徑應(yīng)盡量小，實際中使用較薄或較多銳角的錘片能夠提升粉碎效果。

3)相對運(yùn)動速度v應(yīng)盡量大，在確定錘片速度之后，應(yīng)降低物料的喂入速度，還要在其通過粉碎室的過程中保持較大的相對速度，才能夠保證粉碎效率。所以，此處應(yīng)使用特殊結(jié)構(gòu)避免物料沿錘片運(yùn)動方向的環(huán)流運(yùn)動速度過快。

4)對于較脆(μi較小而Ei較大)的物料，更易于實現(xiàn)粉碎，實際中可以通過干燥或冷凍的方式使其具有較大的脆性，從而獲得較好的粉碎效果。

2 履帶式粉碎機(jī)總體布局

總體布局應(yīng)符合簡單、合理、經(jīng)濟(jì)等原則，其合理性直接影響粉碎機(jī)的性能，更重要的是影響到制造成本。設(shè)計重點在于將動力裝置、粉碎機(jī)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，使其能夠平穩(wěn)、高效工作，達(dá)到設(shè)計要求[10-12]。該機(jī)主要由粉碎機(jī)構(gòu)、汽油機(jī)、履帶底盤及底盤連接架等部分組成，如圖1所示。

1.汽油機(jī)Ⅰ 2.粉碎機(jī)構(gòu) 3.汽油機(jī)Ⅱ 4.連接板 5.履帶式底盤

3 粉碎機(jī)構(gòu)設(shè)計要求

粉碎機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求是設(shè)計過程中的重中之重，是保證機(jī)器合理性的重要因素，對設(shè)計起到引導(dǎo)性的作用，要考慮到該機(jī)器對加工對象、原料、含水率及生產(chǎn)能力的要求等。

1)加工對象：散落在田間地頭的玉米秸稈及稻草等剩余物。

2)原料要求：直徑不超過50mm，長度不超過1000mm，形狀各異、粗細(xì)長短不一的秸稈等。

3)含水率要求：要求原材料的含水率大概在12～23%左右。

4)生產(chǎn)能力要求：不低于150kg/h。

4 粉碎機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

田間剩余物形狀各異，粗細(xì)長短不一，不易收集，因此有必要設(shè)計一臺適合加工這些剩余物的粉碎機(jī)，以便解決這一問題[13]。

粉碎機(jī)構(gòu)總圖如圖2所示。初定設(shè)計方案如下：

1)粉碎機(jī)構(gòu)有1個進(jìn)料口，根據(jù)田間剩余物的尺寸等因素，為能夠?qū)崿F(xiàn)物料能夠平穩(wěn)的進(jìn)入機(jī)器，將進(jìn)料口設(shè)計為廣口傾斜式；

2)考慮到粉碎物不便于收集，粉碎物將通過風(fēng)機(jī)送出，便于收集；

3)粉碎機(jī)構(gòu)緊固在底盤機(jī)架上，用來實現(xiàn)它們之間的連接；

4)主要設(shè)計參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速n=3 000r/min，進(jìn)料口的最大進(jìn)料寬度為414mm，進(jìn)料方式選擇手動喂入進(jìn)料；

5)生產(chǎn)能力為150kg/h。

1.出料筒 2.進(jìn)料口 3.篩片 4.粉碎室 5.汽油機(jī) 6.錘片 7.轉(zhuǎn)子

粉碎機(jī)構(gòu)主要由動力傳遞部分、進(jìn)料部分、粉碎部分及出料部分組成，具體參數(shù)見表1所示。

表1 粉碎機(jī)構(gòu)參數(shù)的確定

1)動力傳遞部分。本設(shè)計采用1臺動力為4.8kW小型汽油機(jī)，該動力裝置輕小、方便。

2)進(jìn)料部分。粉碎機(jī)構(gòu)采用人工進(jìn)給方式喂料，進(jìn)料口采用廣口傾斜式，方便物料依靠自身重力向下進(jìn)給，節(jié)省時間，提高進(jìn)給效率。

3)粉碎部分。該部分由轉(zhuǎn)子、篩片等部分組成。物料由進(jìn)料口進(jìn)入粉碎室后，受到高速旋轉(zhuǎn)的錘片打擊而破碎；在氣流帶動下，破碎物沿著轉(zhuǎn)子外沿連續(xù)被錘片、齒板、篩片打擊、碰撞、搓擦而被迅速粉碎[14]。

4)出料部分。風(fēng)機(jī)、輸料管在林間作業(yè)時，粉碎后的顆粒因受轉(zhuǎn)子離心壓力和風(fēng)機(jī)抽吸力而迅速通過篩孔被輸送到貯料倉或下一道工序。

4.1 粉碎主軸總成設(shè)計

粉碎主軸組件是粉碎機(jī)構(gòu)最重要的零部件。粉碎主軸由風(fēng)機(jī)葉片、主軸、軸承端蓋Ⅰ、軸承座Ⅰ、錘片、間隔套、鎖緊圓螺母、軸承座Ⅱ、軸承端蓋Ⅱ、皮帶輪、軸端擋圈及螺栓等組成，如圖3所示。粉碎機(jī)構(gòu)主軸通過兩個軸承座安裝在移動機(jī)架上，利用V帶由皮帶輪將汽油機(jī)動力傳遞給粉碎機(jī)主軸，提供主軸粉碎所需的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)粉碎。皮帶輪和主軸、風(fēng)機(jī)葉片組焊件和主軸均采用鍵連接的形式，利用軸間和擋圈進(jìn)行軸向定位，粉碎主軸的軸承使用深溝球軸承；錘片支架通過兩個鎖緊螺母和主軸固定在一起，保證粉碎過程中的穩(wěn)定性和安全性。

1.風(fēng)機(jī)葉片 2.主軸 3.錘片 4.間隔套 5.鎖緊圓螺母 6.軸承座 7.軸承端蓋 8.皮帶輪

4.1.1 主軸設(shè)計

軸徑選擇的合理性關(guān)系到整機(jī)傳動的穩(wěn)定性。根據(jù)以下公式估算軸的最小直徑，即

式中dmin—軸的最小直徑(mm)；

P—軸傳遞的功率(kW)；

C—常數(shù)，其大小與材料有關(guān)；

n—錘片式粉碎機(jī)主軸的轉(zhuǎn)速(r/min)。

軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理；C的取值一般為103～126，取C=125。求解可得：dmin=13mm?？紤]到軸上鍵槽的應(yīng)力作用，直徑增加5%，再根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，軸的最小直徑應(yīng)為25mm。

4.1.2 錘片布置及設(shè)計

錘片是粉碎機(jī)構(gòu)的主要零件，有多種形式，較厚錘片具有較大的沖擊力和較長的壽命；而較薄錘片可產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，物料更易破碎，但壽命較短。

錘片厚度和數(shù)量取決于旋轉(zhuǎn)方向上錘片擊打物料的機(jī)率，根據(jù)單轉(zhuǎn)子錘片式粉碎機(jī)的經(jīng)驗公式得

Zδ=K2B

式中Z—錘片數(shù)量；

δ—錘片厚度(mm)；

K2—經(jīng)驗系數(shù)，取K2=2；

B—打磨腔體寬度(mm)。

計算得錘片數(shù)量Z=16.3，考慮錘片在轉(zhuǎn)子上的安裝，暫取Z=16。

綜合各種錘片的優(yōu)缺點及粉碎物特點，應(yīng)采用切碎力較強(qiáng)的錘片。傳統(tǒng)的梯形錘片只有兩邊有梯形紋路，又考慮到成本問題和粉碎倉空間[15]，本設(shè)計采用全尺寸階梯型錘片，其材料為65Mn，頭部淬火?？紤]到工作過程中平衡性問題，排列方式采用對稱交錯排布。

為了避免錘片式粉碎機(jī)工作過程中產(chǎn)生打擊反力，要對錘片進(jìn)行打擊平衡計算，使其懸掛在銷軸上不產(chǎn)生打擊反力。經(jīng)過平衡計算后銷軸孔位置X與錘片的尺寸參數(shù)有以下關(guān)系，即

式中X—銷軸孔圓心距錘片寬的距離(mm)；

a—錘片長度(mm)；

b—錘片寬度(mm)；

d—銷軸孔直徑(mm)。

最終選擇的錘片各參數(shù)為a=105mm，b=30mm，d=16mm，錘片厚度t=3mm，計算得銷軸孔位置X=23mm。

4.2 篩片設(shè)計

錘片式粉碎機(jī)上常用的篩片有沖孔篩、圓錐篩和魚鱗篩等。本設(shè)計采用圓柱形沖孔篩，因為圓柱形沖孔篩相比于其他類型篩片結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、應(yīng)用廣泛[16]。

篩片的通過性能受有效篩理面積的百分率K影響極大。K是篩片上篩孔總面積占整個篩面面積的百分率，通常稱為開孔率，按下式計算，即

式中d—篩孔直徑(mm)；

t—篩孔孔徑(mm)。

K值隨篩孔直徑增大而增大，隨篩孔孔距增加而減小。篩孔直徑分為3個等級：小孔1～2mm，中孔5～6mm，大孔8mm?？紤]到要將秸稈等這些田間剩余物徹底粉碎，篩片采用小孔規(guī)格。要增強(qiáng)通過性能提高K值，故選用的孔徑為2mm。

5 樣機(jī)試驗

為證明履帶式粉碎機(jī)設(shè)計的合理性，制造出樣機(jī)(見圖4)，并對樣機(jī)進(jìn)行試驗研究。同時，通過試驗驗證粉碎機(jī)是否能正常工作，工作過程中是否有滅火、震顫、異響，粉碎效果是否達(dá)到要求。試驗場景如圖5所示。

圖4 樣機(jī)

圖5 試驗場景

5.1 試驗步驟

1)將粉碎機(jī)行駛到預(yù)定位置，檢查粉碎機(jī)與底盤緊固螺栓及機(jī)體緊固螺栓是否有松動、損壞等現(xiàn)象，檢查皮帶是否掛緊，向汽油機(jī)油箱加注燃油，將進(jìn)料口護(hù)板打開。

2)將汽油機(jī)啟動預(yù)熱，待汽油機(jī)燃燒均勻、粉碎機(jī)轉(zhuǎn)動平穩(wěn)后將試驗材料放入進(jìn)料口。

3)記錄粉碎所用時間。

4)收集粉碎物并進(jìn)行分析。

5.2 試驗結(jié)果及結(jié)論

5次試驗過程中，4.8kW的小型汽油機(jī)均能帶動粉碎機(jī)正常工作，工作過程中無滅火、震顫、異響等故障發(fā)生，且操作輕便、耗油量少，經(jīng)濟(jì)性好。試驗數(shù)據(jù)如表2所示。在5次試驗平均用料20kg的情況下，平均成品料達(dá)18.65kg，平均成品率達(dá)93.2%，平均耗時只需8min，生產(chǎn)能力達(dá)150kg/h，粉碎效率高且粉碎效果好，有效地提高了生物質(zhì)資源利用率，降低了運(yùn)輸成本及田間剩余物堆積的安全隱患，滿足了設(shè)計要求。

圖6 粉碎效果展示

6 結(jié)論

綜合當(dāng)前粉碎機(jī)的優(yōu)勢與缺陷，秉承簡單、合理、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計原則，采用錘片式粉碎方法，設(shè)計出一款結(jié)構(gòu)緊湊且可以自由行駛于田間凹凸不平路段、高效粉碎秸稈等田間剩余物的履帶式粉碎機(jī)。該機(jī)的設(shè)計合理地運(yùn)用了粉碎原理，科學(xué)地確立了總體布局，并對粉碎機(jī)構(gòu)的各部分進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。制造了樣機(jī)并對樣機(jī)進(jìn)行試驗，結(jié)果顯示：在工作過程中，4.8kW的汽油機(jī)能帶動粉碎機(jī)正常運(yùn)行，無故障發(fā)生，在平均粉碎量為20kg的負(fù)荷下，成品率能達(dá)到93.2%，生產(chǎn)能力為150kg/h，滿足設(shè)計要求。

目前，國內(nèi)對于田間剩余物的粉碎設(shè)備較少，研究深度不夠，能滿足當(dāng)前田間粉碎要求的粉碎機(jī)屈指可數(shù)。因此，該機(jī)對提高田間剩余物的利用效率提供了寶貴指導(dǎo)和經(jīng)驗，為發(fā)展相關(guān)移動式粉碎設(shè)備奠定了堅實的基礎(chǔ)。同時，該機(jī)對于未來發(fā)展粉碎機(jī)與后續(xù)加工設(shè)備的對接和嵌合，也將顯示出其獨特價值。

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