閆 鵬，崔紅梅，趙滿全，張 濤，樊 琦

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 012000)

0 引言

自20世紀(jì)末開始，我國畜牧業(yè)得到了很大的發(fā)展，在秸稈大量需求的同時(shí)揉碎機(jī)的應(yīng)用也非常普遍。揉碎機(jī)是介于鍘切與粉碎兩種機(jī)械加工工藝之間的一種新型加工方式[1]，秸稈通過揉碎機(jī)里高速旋轉(zhuǎn)的錘片打擊、齒板的摩擦、物料和機(jī)器表面的揉搓作用而破碎；但要達(dá)到一種細(xì)而柔軟、膨松、適長度的理想絲狀段秸稈還有著一定的差距，且功耗較大[2]。因此，對揉碎機(jī)新型揉碎原理及關(guān)鍵部件優(yōu)化很有必要，本文在現(xiàn)有9R-60型揉碎機(jī)機(jī)型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一款試驗(yàn)臺。

1 揉碎機(jī)測試試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

由于直接對9R-60型揉碎機(jī)進(jìn)行功率測試比較困難(見圖1)，因此需搭建9R-60型揉碎機(jī)試驗(yàn)臺。通過SolidWorks設(shè)計(jì)秸稈揉碎性能試驗(yàn)臺，即應(yīng)用聯(lián)軸器、銜接主軸與軸承座，在皮帶輪和轉(zhuǎn)子軸之間接入扭矩轉(zhuǎn)速傳感器；電動(dòng)機(jī)在提供動(dòng)力傳遞到主軸的過程中，靠扭矩力把試驗(yàn)臺與原機(jī)架運(yùn)動(dòng)起來，以便為揉碎機(jī)的功率測試提供平臺。設(shè)計(jì)好的功率測試試驗(yàn)臺如圖2所示。

圖1 9R-60型揉碎機(jī)原圖Fig.1 Original 9R-60 type chopper

圖2 9R-60型揉碎機(jī)改裝三維圖Fig.2 Three-dimensional test bed of 9R-60 type chopper

1.1 傳感器型號選擇

考慮到揉碎機(jī)性能測試參數(shù)主要針對主軸轉(zhuǎn)距和功率，因此傳感器選擇扭矩轉(zhuǎn)速傳感器，而且應(yīng)分別滿足試驗(yàn)臺的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速測試范圍。

通過如下公式計(jì)算出揉碎機(jī)揉碎器主軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩量，分別為

(1)

其中，n2為主軸轉(zhuǎn)速(r/min)；電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速n1=1440r/min；d1為電機(jī)帶輪尺寸，取d1=260mm；d2刀盤主軸帶輪，取d2=180mm。

(2)

其中，T為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩(N·m)；PN為電動(dòng)機(jī)功率，已知PN=15kW。

根據(jù)公式(2)，并將額定轉(zhuǎn)速n1代入得

(3)

其中，T2為刀盤主軸轉(zhuǎn)矩(N·m)；T1=T=99.48N·m。

經(jīng)計(jì)算得到,刀盤轉(zhuǎn)速n2=2080r/min，刀盤主軸轉(zhuǎn)矩為T2=68.87N·m。根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)并結(jié)合市場的設(shè)備，選擇出扭矩傳感器為JN338-AN型網(wǎng)絡(luò)化智能數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，其規(guī)格型號為200AN，轉(zhuǎn)矩量程為0～200N·m，轉(zhuǎn)速量程為0～5 000r/min，準(zhǔn)確度等級0.2級。計(jì)算出的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩都位于該型號傳感器測試范圍之內(nèi)，且動(dòng)力設(shè)備與負(fù)載之間有足夠的距離。同時(shí)，動(dòng)力設(shè)備、負(fù)載是一個(gè)相對獨(dú)立體的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)，需用剛性或彈性聯(lián)軸器將傳感器安裝于動(dòng)力設(shè)備與負(fù)載之間，即選擇JN338-AN系列直連式扭矩轉(zhuǎn)速傳感器[3-4]可以滿足要求。

1.2 銜接主軸與聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)、加工和校核

1.2.1 銜接主軸的設(shè)計(jì)校核

為了保證揉碎機(jī)正常工作，銜接主軸在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證在負(fù)載情況下能正常工作，且軸不應(yīng)發(fā)生扭曲變形，因此對銜接主軸進(jìn)行強(qiáng)度校核非常必要[5]。

銜接主軸所受力和扭矩的計(jì)算公式為

(4)

計(jì)算功率PCA=KαP

(5)

(6)

計(jì)算轉(zhuǎn)矩TCA=KαT

(7)

其中，帶數(shù)Z=3；查表工況系數(shù)Kα=1.3；傳動(dòng)帶單位長度的質(zhì)量q=0.023kg/m；P為電機(jī)傳遞額定功率，P=15kW；n2為刀盤轉(zhuǎn)速，n2=2080r/min。

利用有限元分析(見圖3)，得出最大應(yīng)力δ=14.82MPa，小于它的許用應(yīng)力130MPa[6]。

圖3 銜接主軸有限元分析圖Fig.3 Finite-element analysis plot of the coupling shaft

1.2.2 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)與校核

聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中很重要的零件，因剛性套筒聯(lián)軸器體積小、質(zhì)量輕、拆裝方便、價(jià)格便宜，選用45剛性材料設(shè)計(jì)，經(jīng)過強(qiáng)度校核滿足要求[6-7]。

其中，抗扭截面模量為

(8)

其中，d為聯(lián)軸器內(nèi)徑，d=45mm；D為聯(lián)軸器外徑，D=78mm。

工作時(shí)，最大扭矩M=TCA，帶入公式中得出最大應(yīng)力τmax為1.2N·mm-2,小于許用切應(yīng)力[τ] =20N·mm-2[7]。

1.3 測試平臺搭建

對試驗(yàn)機(jī)9R-60型揉碎機(jī)原機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析，得知原機(jī)動(dòng)力傳輸鏈為：電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶輪將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給主軸，主軸和刀盤同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完成動(dòng)能傳遞過程?，F(xiàn)預(yù)想在試驗(yàn)機(jī)上增加一套測試裝置,考慮到機(jī)架形式、測試的可行性及測試的準(zhǔn)確性，降低結(jié)構(gòu)形式不合理而給試驗(yàn)測試帶來的誤差，設(shè)計(jì)框圖如圖4所示，三維結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，實(shí)物結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。該平臺在建立模型的基礎(chǔ)上，再次利用CATIA三維軟件對測試平臺各部件進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，并模擬裝配，解決實(shí)際加工、裝配、焊接中的干涉問題[8]。

圖4 測試平臺平面結(jié)構(gòu)布置框圖Fig.4 The layout diagram of plane structure

1.主軸 2.剛性聯(lián)軸器 3.JN338-AN型傳感器 4.銜接主軸 5.1310軸承座 6.皮帶輪

圖6 測試平臺實(shí)物圖Fig.6 The physical map of the test platform

2 9R-60型揉碎機(jī)的性能測試

2.1 試驗(yàn)原理

進(jìn)行9R-60型揉碎機(jī)在不同揉碎速度、不同喂入速度、不同喂入量3種工況下的性能試驗(yàn)，通過網(wǎng)線把在揉碎機(jī)上的扭矩轉(zhuǎn)速傳感器上的性能數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上，以便后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備與材料

1)性能測試儀器：JN338-AN系列直連式扭矩轉(zhuǎn)速傳感器。

2)原材料：玉米秸稈。

3)其他輔助設(shè)備：變頻器、轉(zhuǎn)速儀、秒表、電子秤、電能表、篩子、筆記本電腦等。

2.3 試驗(yàn)步驟

1)把大電機(jī)和大變頻器的線連接起來，小電機(jī)和小變頻器的線連接起來，確立起控制主軸轉(zhuǎn)速和喂入速度的通道。

2)連接傳感器與電腦之間的網(wǎng)線及電腦和數(shù)據(jù)采集前端的網(wǎng)線，調(diào)試設(shè)備并設(shè)置參數(shù)，確保它們之間建立起一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠脚_。

3)把電能表接到變頻器和電機(jī)之間，打開電源，通過轉(zhuǎn)速儀標(biāo)定轉(zhuǎn)速和頻率的關(guān)系，如表1所示。

表1 頻率與速度的標(biāo)定圖Table 1 Calibration chart of frequency and speed

4)按照單因素水平表上要求的稱取每個(gè)水平的秸稈15組，每次連續(xù)喂入5組，喂入3次，實(shí)際操作如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)操作圖Fig.7 Test operation diagram

5)每次喂入秸稈時(shí)分別收集性能測試數(shù)據(jù)、出料口揉碎的玉米秸稈，且記錄下從喂入到揉碎這5組秸稈完成時(shí)所需的時(shí)間。

6)在每個(gè)水平因素下收集的這3次秸稈用密封袋裝好并做標(biāo)記，以便后期對揉碎質(zhì)量做進(jìn)一步的分析處理。

2.4 數(shù)據(jù)處理

2.4.1 揉碎質(zhì)量的分析

揉碎質(zhì)量的要求為:破節(jié)率達(dá)到90%以上[9]。根據(jù)9R-60型揉碎機(jī)設(shè)計(jì)說明書和該機(jī)的其他研究資料中對揉碎質(zhì)量的測定，以4～12cm絲條長度為適宜長度，加工后秸稈先篩分后手工揀選，即采用篩分出碎屑、手工揀選出粗長絲條、然后稱量計(jì)算質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方法來確定揉碎質(zhì)量[10]。

對收集的玉米秸稈用篩子分選出符合要求的絲條，把得到的每個(gè)水平的3組數(shù)據(jù)取其平均值進(jìn)行繪制，如圖8所示。

圖8 不同工況下秸稈絲化率變化示意圖Fig.8 Schematic diagram of changes in straw silage rate under different conditions

由圖8數(shù)據(jù)分析可知：

1)秸稈絲化率隨主軸轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)增大的趨勢，主軸轉(zhuǎn)速越大，秸稈絲化率越大。

2)秸稈絲化率隨喂入量的增大變化趨勢幾乎都在95%左右，喂入量較少時(shí)秸稈的絲化率達(dá)到較大；但喂入量超過機(jī)器本身所能承受的最大喂入量時(shí)，秸稈的絲化率開始下降。

3)秸稈絲化率隨喂入速度的增大呈現(xiàn)減小的趨勢，喂入速度較少時(shí)秸稈的絲化率達(dá)到較大。隨著喂入速度的增大，秸稈的絲化率開始下降。

2.4.2 功耗的分析

通過扭矩轉(zhuǎn)速傳感器收集的數(shù)據(jù)，依據(jù)公式T=9550P/n得到輸出功率，繪制功率隨不同工況下的圖形，如圖9所示。

由圖9數(shù)據(jù)分析可知：

1)揉碎機(jī)功耗與主軸轉(zhuǎn)速大致呈現(xiàn)正比的關(guān)系。主軸轉(zhuǎn)速越大，揉碎機(jī)功耗越大。

2)揉碎機(jī)功耗隨喂入量的增大呈現(xiàn)增大的趨勢。喂入量較少時(shí)，揉碎機(jī)功耗達(dá)到較低；隨著喂入量的增大，揉碎機(jī)功耗開始上升。

3)揉碎機(jī)功耗隨喂入速度的增大呈現(xiàn)增大的趨勢，喂入速度較小時(shí)秸稈的絲化率達(dá)到較小。隨著喂入速度的增大，揉碎機(jī)功耗大致呈現(xiàn)上升的趨勢。

圖9 不同工況下功耗變化示意圖Fig.9 Power consumption under different conditions diagram

3 結(jié)論

1)在傳動(dòng)主軸和皮帶輪之間通過聯(lián)軸器、連接主軸和支架等接入JN338-AN系列直連式扭矩轉(zhuǎn)速傳感器，為后續(xù)開展揉碎機(jī)空載和負(fù)載情況下的功率等目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)提供了平臺。

2)揉碎機(jī)揉碎質(zhì)量隨主軸轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)增大的趨勢，隨喂入速度的增大呈現(xiàn)減小的趨勢，隨喂入量的增大變化趨勢幾乎都在95%左右，但不能超過機(jī)器本身的最大容量。

3)揉碎機(jī)功耗隨主軸轉(zhuǎn)速、喂入量、喂入速度的增加呈現(xiàn)增大的趨勢。

4)性能測試的單因素試驗(yàn)為后續(xù)開展正交實(shí)驗(yàn)提供參考依據(jù)，進(jìn)而為提高9R-60型揉碎機(jī)的生產(chǎn)率、度電產(chǎn)量及揉碎質(zhì)量提供技術(shù)支持。