聶也之 ，吳志立 ，2，3*，劉扶貧 ，2，3，楊揚 ，劉亞夫

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410128；3.湖南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128）

1 前 言

油茶撫育環(huán)節(jié)中需每年修剪兩次樹枝，大量樹枝的堆積易造成病蟲害和火災(zāi)風(fēng)險，而直接焚燒導(dǎo)致環(huán)境污染和資源浪費[1]。同時油茶種植林地地形較為復(fù)雜，修剪枝條較為分散，需集中收集人工拖拽、捆綁[2]，因此，粉碎后直接堆肥成為廣大合作社廣泛采用的處理方式，經(jīng)過處理后制作成為肥料，還可作為食用菌培養(yǎng)基質(zhì)的原材料[3-4]?，F(xiàn)有的木質(zhì)類粉碎機種類繁多，因粉碎對象、粉碎要求的不同而呈現(xiàn)出差異性，目前國內(nèi)現(xiàn)有樹枝粉碎機趨于大型化，能耗較高，移動不便，且多適宜粉碎直徑較大的樹枝[5]，在分析國內(nèi)外現(xiàn)有粉碎機特點的同時，結(jié)合油茶樹枝韌性較大、種植地形復(fù)雜等特點，針對油茶樹枝粉碎時易出現(xiàn)的刀口堵塞、刀具壽命低等問題，設(shè)計一款可移動、可切削、操作簡單、生產(chǎn)率高的油茶樹枝粉碎機，粉碎油茶樹枝直徑達(dá)到30mm，粉碎粒度達(dá)到8mm以下。

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗裝置

樹枝粉碎機按照工作原理劃分有三種類型：錘片式粉碎機、盤式切削加錘片式粉碎機、鼓切式加錘片式粉碎機[6]，文中所設(shè)計油茶樹枝粉碎機粉碎方式采用盤式切削加錘片式粉碎，其具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、生產(chǎn)率高、粉碎效果優(yōu)秀等優(yōu)點，使用最為廣泛[7-9]。其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，該粉碎機主要結(jié)構(gòu)由機架、切削機構(gòu)、粉碎機構(gòu)、動力傳動裝置和整機外殼等組成。機架包括移動輪、萬向輪和支架等；切削機構(gòu)主要包括進(jìn)料口、刀盤、刀具等；粉碎機構(gòu)包括轉(zhuǎn)子、錘片、銷軸、套筒、篩網(wǎng)等；動力傳動裝置主要有主軸、電機、V帶及帶輪等。

圖1 油茶樹枝粉碎機結(jié)構(gòu)示意圖

粉碎機通過電機輸出動力，通過V帶帶動刀盤高速轉(zhuǎn)動，刀盤上布置有四個刀口，安裝在刀口的四把刀具依次將進(jìn)入的樹枝切成一定規(guī)格的木片[10]，木片在粉碎腔室中由不同排列順序的三組12片錘片進(jìn)行粉碎，最后在轉(zhuǎn)子風(fēng)葉、錘片的共同作用下，將通過篩網(wǎng)網(wǎng)孔的粉碎物料拋出腔室，從出料口排出，不能通過篩網(wǎng)網(wǎng)孔的物料則繼續(xù)參與粉碎，直至能夠排出為止。可通過控制篩網(wǎng)的孔徑大小來控制最終粉碎物料的粒徑大小[11]；進(jìn)料是通過樹枝自身的質(zhì)量與刀具切削樹枝時所產(chǎn)生的軸向分力來實現(xiàn)[12]；粉碎機安裝有移動輪與萬向輪，能夠通過人工或者牽引裝置移動到實際工作位置。

2.2 試驗方法

2.2.1 粉碎試驗

試驗?zāi)康模簽榻鉀Q粉碎油茶樹枝時出現(xiàn)的堵塞刀口、刀刃易損壞等問題，探究在不同材質(zhì)、不同刃角、不同主軸轉(zhuǎn)速條件下粉碎機對油茶樹枝粉碎性能的影響，并對油茶樹枝粉碎機的實際粉碎效果進(jìn)行評價。

粉碎試驗方法：分別使用SKD11、W6兩種材質(zhì)，30°、35°、40°三組刃角，在三個主軸轉(zhuǎn)速 1750r/min、2050r/min、2350r/min 條件下進(jìn)行粉碎試驗，每次粉碎時間t=60s；采用單根樹枝連續(xù)喂入方式，收集記錄每次試驗粉碎木屑體積及功率變化，用于計算單位能耗，單位，共進(jìn)行18次試驗；同時每次試驗測量10次對應(yīng)粉碎木屑合格率，求取平均合格率；整理數(shù)據(jù)，獲取粉碎粒度占比、合格率、單位能耗等參數(shù)，繪制圖標(biāo)，分析結(jié)果。

2.2.2 磨損試驗

試驗?zāi)康模哼M(jìn)一步探討刀具刃角對刀具表面磨損的影響程度。

試驗方法：通過粉碎試驗情況，選擇粉碎時具有較大差異的兩組刃角，分別為30°與40°，同時選擇SKD11、W6兩種材質(zhì)，將四把刀具安裝于同一刀盤處于同一切削環(huán)境，粉碎時長30min，主軸轉(zhuǎn)速2050r/min，采用單根連續(xù)喂料方式，使刀具處于較長的工作狀態(tài)，試驗完成后觀察刀具刃口狀態(tài)。

3 試驗結(jié)果及分析

粉碎試驗獲取數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 粉碎試驗數(shù)據(jù)

3.1 單位能耗

圖2 刃角-單位能耗曲線圖

如圖2所示，兩圖分別為SKD11與W6材質(zhì)刀具在三組不同刃角條件下的單位能耗變化情況，兩圖中均在刃角為40°時單位能耗達(dá)到最小值；在30°～40°刃角區(qū)間內(nèi)，曲線圖均呈現(xiàn)下降趨勢，單位能耗數(shù)值隨著刃角的增加而減小；對比發(fā)現(xiàn)，兩圖中W6材質(zhì)單位能耗數(shù)值要小于SKD11材質(zhì)，且W6材質(zhì)曲線波動較為平緩，相對較為穩(wěn)定。

3.2 合格率

圖3 刃角-合格率曲線圖

如圖3所示，粉碎合格率隨刃角的增大而增加，曲線呈上升趨勢；刃角增大，切削效果變好，轉(zhuǎn)速增加，錘片速度越快，錘片捶打物料時所附加的動能也就越大，打擊力越大，越容易將樹枝內(nèi)纖維打斷。對比兩圖發(fā)現(xiàn)，主軸轉(zhuǎn)速為1750 r/min時，曲線波動最大，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2050 r/min時，曲線波動最小，轉(zhuǎn)速達(dá)到2350rpm時，曲線波動較小，說明當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速從1750rpm增加至2050rpm時，合格率急劇增加，而當(dāng)轉(zhuǎn)速從2050 r/min增加至2350 r/min時，合格率增加較為緩慢，故轉(zhuǎn)速為2050 r/min左右時為臨界轉(zhuǎn)速。

3.3 粉碎粒度分布

圖4 不同轉(zhuǎn)速下油茶樹枝粉碎后形貌圖

表1 粉碎試驗數(shù)據(jù)

在材質(zhì)為SKD11、刃角為40°條件下時，粉碎粒度分布占比變化最明顯，從表2可以得出，在1750r/min、2050r/min、2350r/min 三個轉(zhuǎn)速下，8mm 以上粒徑占比分別為 14.21%、12.82%、10.97%；8mm～5mm粒徑占比46.64%、39.14%、27.64%；5mm以下粒徑占比39.15%、48.04%、61.39%；隨著轉(zhuǎn)速的增加，粒徑變化明顯，對比轉(zhuǎn)速2350r/min與1750r/min，5mm以下粒徑木屑占比接近1750r/min的兩倍，8mm以上粒徑木屑占比下降。

從圖4可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，油茶樹枝粉碎粒度降低，在轉(zhuǎn)速為1750r/min時粉碎粒度較為粗大，多呈現(xiàn)為長條狀的木屑；在2350r/min時，粉碎粒度較小，木屑形態(tài)多為粉末與細(xì)小木屑，這是由于轉(zhuǎn)速增加，錘片末端線速度增加，對粉碎腔室內(nèi)物料的錘擊、磨損、搓碎效果增強，提高了粉碎效果，降低了粉碎粒度。

3.4 表面磨損

對磨損狀態(tài)進(jìn)行分析，獲取了試驗后刀刃在金相顯微鏡下放大100倍后的圖像。

圖5 刀具刃口狀態(tài)圖

如圖5所示，30°刃角刀刃相較40°刃角刀刃損壞程度更大，這是由于刃角減小，刀刃的厚度變薄，物理強度減弱，刀刃更易損壞，這說明在30°～40°刃角區(qū)間內(nèi)，刃角增加有利于改善切削環(huán)境。

4 結(jié)論分析

（1）通過實際試驗發(fā)現(xiàn)，在 30°～40°刃角區(qū)間內(nèi)，隨著選擇刃角的增大，進(jìn)行喂料時切效果越好，軸向分力增大，進(jìn)料效果越好；

（2）通過對比粉碎機單位能耗、合格率等參數(shù)，發(fā)現(xiàn) 40°刃角相較于 30°、35°刃角，合格率高，單位能耗小，刀刃損壞程度小，能有效的提高粉碎效率，刀具使用壽命更長；

（3）從粉碎粒徑分布可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，粉碎粒度明顯減小，綜合考慮，建議粉碎油茶樹枝選擇參數(shù)為40°刃角、2050rpm轉(zhuǎn)速；

（4）粉碎的油茶樹枝直徑約在20mm～30mm區(qū)間內(nèi)，試驗結(jié)果有一定偏差，但兩材質(zhì)的變化趨勢基本一致，數(shù)據(jù)具有一定的參考性。