李志昊，閆文剛，劉志剛，李治國(guó)，白 陽(yáng)

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，呼和浩特 010051）

1 我國(guó)灌木機(jī)械的市場(chǎng)前景

我國(guó)全國(guó)沙漠化土地、具有沙化趨勢(shì)的土地分別有438.16、32.15萬(wàn)平方公里，其中內(nèi)蒙古自治區(qū)的荒漠化土地面積占全國(guó)的約57%，是目前全國(guó)范圍內(nèi)土地沙漠化最嚴(yán)重的省份。為了治理土地荒漠化，國(guó)家同內(nèi)蒙古自治區(qū)政府投入了大量精力，在內(nèi)蒙古地區(qū)每年的平均灌木營(yíng)造面積已經(jīng)占據(jù)總營(yíng)林面積的接近70%。沙生灌木是我國(guó)西部干旱、半干旱地區(qū)在治理土地荒漠化的過(guò)程中重要的營(yíng)造樹(shù)種，內(nèi)蒙古自治區(qū)目前現(xiàn)有灌木面積達(dá)333.4萬(wàn)公頃，灌木大約每三到四年為一個(gè)周期需要進(jìn)行一次平茬復(fù)壯。平茬后灌木生長(zhǎng)較快，枝條更茂盛。平茬復(fù)壯中切下的枝條可用于生產(chǎn)人造板，柳編產(chǎn)品，灌木飼料加工等。傳統(tǒng)的依靠人工平茬的方式不僅生產(chǎn)效率低，而且勞動(dòng)強(qiáng)度高。對(duì)于灌木的營(yíng)林工作，急需要大量的灌木營(yíng)林械。全國(guó)林業(yè)對(duì)于灌木機(jī)械的需求每年大約在5萬(wàn)臺(tái)以上。

2 總體方案確定

如圖1所示，2號(hào)為割灌部分，通過(guò)3號(hào)皮帶傳動(dòng)使得主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)2號(hào)機(jī)體里面的斜齒輪和直齒輪的傳動(dòng)帶動(dòng)圓形刀片轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到切割灌木的目的。此種切割方式為無(wú)支撐切割。1號(hào)為倒人字形導(dǎo)板，灌木被切割倒之后由于車體的速度，灌木枝條通過(guò)1號(hào)人字形導(dǎo)板到達(dá)4號(hào)傳送帶部分，通過(guò)傳遞帶傳遞到14號(hào)喂入輥的位置，喂入輥安裝在6號(hào)喂入輥架上，喂入輥設(shè)計(jì)為兩部分分上喂入輥和下喂入輥，通過(guò)皮帶傳動(dòng)上喂入輥轉(zhuǎn)動(dòng)，上下喂入輥通過(guò)齒輪傳動(dòng)，這樣可以使得上下喂入輥擁有相反的轉(zhuǎn)動(dòng)方向使得起到導(dǎo)向和傳送的作用。喂入輥設(shè)計(jì)為溝齒狀，這樣可以使得上相喂入輥擁有更好的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，也提高了灌木在進(jìn)入之后喂入輥對(duì)枝條產(chǎn)生擠壓，以便于切割。經(jīng)過(guò)喂入輥后，灌木枝條到達(dá)13號(hào)定刀片處，定刀片安裝在7號(hào)定刀架上，11號(hào)動(dòng)刀旋轉(zhuǎn)粉碎枝條，粉碎后的枝條下落，8號(hào)分料器轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整落料的位置。通過(guò)對(duì)各種灌木機(jī)械的調(diào)查和了解，本著方便，生產(chǎn)率高，節(jié)省勞動(dòng)力的原則，對(duì)本機(jī)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。

圖1 切割灌一體機(jī)原理圖

3 典型部件的設(shè)計(jì)

3.1 喂入輥的設(shè)計(jì)

喂入機(jī)構(gòu)壓緊灌木枝條并將其喂入切碎器，在切碎時(shí)夾持住灌木枝條以免在切碎時(shí)因受力不均產(chǎn)生長(zhǎng)枝條，為了保證粉碎過(guò)程的順利，喂料時(shí)要求物料層不可以相對(duì)滑動(dòng)，并且當(dāng)物料層厚度發(fā)生變化時(shí)必須保證也能夠加緊物料，所以喂入輥的設(shè)計(jì)為如圖2所示，上下喂入輥為溝齒狀，并且可以相互配合，上下喂入輥之間傳動(dòng)方式采用齒輪傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)可靠，可以保證喂入輥平穩(wěn)正常的工作。

圖2 喂入機(jī)構(gòu)

主要參數(shù)確定：

上下喂入輥長(zhǎng)度1200mm。

溝齒數(shù)z=30。

外徑計(jì)算式為：

式中：t為喂入灌木枝條的厚度，取t=60mm；

u為枝條通過(guò)喂入輥時(shí)的壓縮系數(shù)，u=0.6～0.8，取u=0.6；

φ為草層和喂入輥之間的摩擦角，φ=16°～32°，取φ=20°；

3.2 切碎器的設(shè)計(jì)

切碎器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是結(jié)構(gòu)緊湊，刀具便于刃磨，動(dòng)刀和定刀之間間隙足夠小，粉碎的物料拋送方便，并且粉碎時(shí)要省力，負(fù)荷均勻。

如圖3所示切碎機(jī)構(gòu)有旋轉(zhuǎn)動(dòng)刀和定刀組成，動(dòng)刀有6片，均勻分布在旋轉(zhuǎn)體上。通過(guò)動(dòng)刀和定刀的配合，達(dá)到切碎的目的。

3.3 割灌機(jī)部分的設(shè)計(jì)

如圖4所示為灌木切割粉碎一體機(jī)的割灌機(jī)部分，主軸旋轉(zhuǎn)通過(guò)錐齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)中間軸轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)上下兩個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，圓形刀片通過(guò)螺栓安裝在主軸上，主軸同旋轉(zhuǎn)刀片一起轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到割灌的目的。

圖3 切碎機(jī)構(gòu)

圖4 割灌機(jī)部分

下面以割灌器中的一對(duì)齒輪為例進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算：

小齒輪齒數(shù)為z1=5 2，大齒輪齒數(shù)z2=u z1=3.2×52=166.4，取z2=167齒。經(jīng)過(guò)齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核與齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算，再經(jīng)過(guò)變位調(diào)整中心距設(shè)計(jì)得割灌機(jī)部分的主要設(shè)計(jì)結(jié)論為：

齒數(shù)z1=52，z2=181，模數(shù)m=1.25mm，壓力角a=20°，變位系數(shù)x1=0.362，x2=0.416，中心距a=148.5mm，齒寬b1=70mm，b2=65mm，在材料選擇上小齒輪材料選用40Cr，大齒輪選用45鋼，全部調(diào)質(zhì)處理。齒輪按7級(jí)精度設(shè)計(jì)。

3.4 電機(jī)選擇

轉(zhuǎn)速n=2000r/min～3000r/min。

材料65Mn。

圓鋸片直徑D=400mm。

1）圓鋸片空載轉(zhuǎn)動(dòng)消耗的功率

空載時(shí)所需消耗的功率為：

式中：n為圓鋸盤轉(zhuǎn)速（r/min），n=2500；

j為刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2），j=0.1；

w為刀盤角速度（rad/s），w=210rad/s。

代入公式得到p1=5.5kw。

2）圓鋸盤切割灌木時(shí)消耗的功率

式中：vm為機(jī)器進(jìn)給速度（m/s），vm=1；

A為刀盤的切割寬度（m），A=0.4m；

l0為切割灌木時(shí)所需的功（J/m2），l0=480。

代入公式得：

3）考慮在傳遞過(guò)程中的功率消耗，查表可得齒 更輪傳動(dòng)效率1=0.98，軸承效率2=0.99，聯(lián)軸器傳遞效率3=0.99。

則有：

由于本機(jī)器采用的是三鋸片同時(shí)作用，所以機(jī)器所消耗總功為：

因此，選取Y200L-1-2型三相異步電動(dòng)機(jī)，如表1所示。

表1 三相異步電機(jī)選型

3.5 仿形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于風(fēng)的作用，灌木的根部會(huì)形成一個(gè)半圓形沙包，考慮到這個(gè)問(wèn)題，該套裝置在割灌機(jī)部分的底部安裝3個(gè)仿形輪，3個(gè)輪子采用三角形布局，提高穩(wěn)定性。在工作過(guò)程中，遇到沙包，輪子會(huì)在沙包表面滾動(dòng)，使割灌機(jī)設(shè)備抬升，保證其始終與地面保持一定距離。

3.6 導(dǎo)向板機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于切割裝置安裝在車體的前方，所以要保證割倒的灌木枝條，及時(shí)準(zhǔn)確的到達(dá)傳送帶部分，否則會(huì)因?yàn)橹l的擁堵影響車體前進(jìn)。所以設(shè)計(jì)倒人字導(dǎo)板結(jié)構(gòu)，枝條通過(guò)倒人字導(dǎo)板可以準(zhǔn)確及時(shí)的到達(dá)傳送帶。

3.7 傳送帶設(shè)計(jì)

如圖5所示，傳送帶驅(qū)動(dòng)方式為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳送帶的帶面設(shè)計(jì)為固定距離凸起狀，這樣可以使得灌木枝條好的跟隨傳送帶運(yùn)動(dòng)，順利進(jìn)入到喂入輥機(jī)構(gòu)。

圖5 傳送帶

3.8 割灌刀片的選擇

割灌刀頭種類有三角刀頭，十字刀頭，圓鋸片。其中，如圖6所示的圓鋸片刀頭是所有刀頭中應(yīng)用最為廣泛的一種，圓鋸片與三角刀頭和十字刀頭相比能夠切割直徑更大的灌木，切割效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作安裝方便。

圖6 圓鋸片刀片

3.9 分料器的設(shè)計(jì)

分料器的作用是調(diào)整落料位置，防止落料堆積從而影響箱體的容積。如圖7所示，分料器有四片葉片，兩兩葉片之間相互垂直，葉片隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖7 分料器

4 結(jié)論

本套機(jī)械參考國(guó)內(nèi)外的割灌機(jī)和粉碎機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)輸送機(jī)構(gòu)將割灌機(jī)和粉碎機(jī)串聯(lián)在一起，做到了灌木由割倒接輸送到粉碎的同步，本套裝置擁有很好的地形通過(guò)性。大大提高了灌木平茬的效率，同時(shí)也大大減少了工人了勞動(dòng)強(qiáng)度和企業(yè)的成本，解決了現(xiàn)有的問(wèn)題。

但該機(jī)器還需要在生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)，以完善不足之處。