范國強(qiáng) 王忠宇 王保興 王金星 董和銀 韓 見

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018；3.泰安意美特機(jī)械有限公司， 新泰 271215； 4.泰安市畜牧智能裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院， 新泰 271215)

0 引言

在牛、羊等反芻動(dòng)物的飼養(yǎng)過程中，粉碎作為牧草和秸稈加工的重要環(huán)節(jié)之一，其效果直接影響牧草和秸稈的加工成本及加工質(zhì)量[1]。牧草和秸稈粉碎是切斷，同時(shí)增加揉搓功能，使牧草和秸稈破壁，使內(nèi)在營養(yǎng)外露，既提高適口性，又提高與牲畜消化液的接觸面積，減少反芻時(shí)間和咀嚼時(shí)間[2-3]，促進(jìn)營養(yǎng)成分的吸收，減少牲畜的咀嚼消耗能量[4-5]。

鍘草機(jī)作為牧草和秸稈加工的機(jī)械之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于調(diào)整與維修和成本低等優(yōu)點(diǎn)，在中小養(yǎng)殖場(chǎng)得到廣泛使用。鍘草機(jī)需要人工供料，一臺(tái)鮮秸稈粉碎效率為15 t/h的鍘草機(jī)需要4個(gè)人同時(shí)不停作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低。隨著牧草打包機(jī)械的推廣，采用人工破捆，并將草料排直供料，尤其是羊草等柔軟的牧草，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，4個(gè)人單機(jī)作業(yè)效率約為8 m3/h。而且鍘草機(jī)主要是切斷作業(yè)，破壁和搓揉效果較差。隨著養(yǎng)殖規(guī)模增大，其生產(chǎn)效率和作業(yè)性能難以滿足現(xiàn)代化大規(guī)模養(yǎng)殖的需求。錘片式飼料粉碎機(jī)因具有質(zhì)量好、空載啟動(dòng)迅速、物料適應(yīng)度高、維修便捷等優(yōu)勢(shì)，得到廣泛使用[1,6]。近年來國內(nèi)大牧場(chǎng)引進(jìn)美國Burrows公司的Tub Grinder錘片式粉碎機(jī)，該機(jī)采用叉車等機(jī)械將成捆的牧草或秸稈從旋轉(zhuǎn)料倉的上部投入，由旋轉(zhuǎn)料倉進(jìn)行破捆和供料，解決了人工破捆和排直供料的困難，極大地節(jié)省了人工成本，提高了作業(yè)效率。同時(shí)該機(jī)采用錘片式粉碎機(jī)構(gòu)，作業(yè)效率高，適應(yīng)性強(qiáng)，破壁和揉搓效果顯著，提高了養(yǎng)殖效益。然而國內(nèi)引進(jìn)的飼草錘式粉碎機(jī)規(guī)格較大，價(jià)格昂貴，難以滿足中小型養(yǎng)殖場(chǎng)的需求。同時(shí)有關(guān)該錘式飼草粉碎機(jī)設(shè)計(jì)理論的研究報(bào)道較少，使得設(shè)計(jì)中小機(jī)型存在困難。目前秸稈錘片式粉碎機(jī)得到的顆粒太小[7]，而反芻動(dòng)物對(duì)飼草料的長度需求在30～50 mm之間，切割過長或過短均不利于吸收。在攪拌混合前，粉碎得到的飼草料長度需要在40～60 mm，防止攪拌切割后過短。

本文以羊草為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種旋筒供料錘式飼草粉碎機(jī)。對(duì)供料和粉碎進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論計(jì)算，確定關(guān)鍵參數(shù)。采用EDEM軟件建立羊草粉碎的仿真模型，對(duì)粉碎轉(zhuǎn)速、錘片數(shù)量和動(dòng)定刀間隙等關(guān)鍵因素進(jìn)行仿真分析，得到優(yōu)化的作業(yè)參數(shù)。通過試驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)和仿真分析的正確性。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

旋筒供料錘式粉碎機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、粉碎機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、錐形圓筒料倉、拋料筒、機(jī)架和輪胎組成，如圖1所示。

采用拖拉機(jī)牽引轉(zhuǎn)場(chǎng)，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)為整機(jī)提供動(dòng)力。牧草由錐形圓筒料倉上部裝填，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)錐形圓筒料倉進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在重力和旋推力的作用下，牧草進(jìn)入粉碎機(jī)構(gòu)。帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)粉碎機(jī)構(gòu)進(jìn)行粉碎作業(yè)，粉碎后的牧草經(jīng)側(cè)面的拋料筒拋出，在拋送過程中，在風(fēng)力的作用下，土和灰塵等雜物與飼料分開，達(dá)到清潔的作用。設(shè)計(jì)參數(shù)：錐形圓筒容積6.5 m3；粉碎效率大于等于24 t/h；粉碎平均長度40～60 mm；拋料距離大于等于10 m。

1.2 工作原理

1.2.1錐形筒料倉

錐形筒料倉主要由錐形圓筒、鏈條和內(nèi)擋板組成，鏈條固定在錐形筒的外部下端，內(nèi)擋板焊接在錐形圓筒的內(nèi)壁上，如圖2所示。鏈條在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)鏈輪的推動(dòng)下，帶動(dòng)整個(gè)錐形圓筒料倉不斷旋轉(zhuǎn)。牧草從料倉的上方投入，在重力作用下進(jìn)入料倉下部的粉碎室。在內(nèi)擋板的推動(dòng)下，不斷向粉碎裝置供料，實(shí)現(xiàn)連續(xù)供料。

1.2.2旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由鏈輪張緊機(jī)構(gòu)、鏈輪、托輪、底板、小凸臺(tái)、靠輪和大凸臺(tái)組成，如圖3所示。從頂部觀察，3個(gè)托輪呈圓形分布安裝在底板上方，托起圓筒料倉。4個(gè)靠輪呈圓形分布貼緊在圓形料倉底部的外壁，防止料倉水平移動(dòng)。在張緊機(jī)構(gòu)的預(yù)緊下，由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的鏈輪帶動(dòng)錐形圓筒料倉外部的鏈條，使料倉逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。料倉里的牧草在圓筒側(cè)壁擋板的推動(dòng)下，滑過小凸臺(tái)，被大凸臺(tái)阻擋，落入小凸臺(tái)與大凸臺(tái)之間的粉碎刀旋轉(zhuǎn)區(qū)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋推供料。

1.2.3液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)原理如圖4所示，通過調(diào)整分流閥，可以調(diào)節(jié)馬達(dá)和圓筒料倉的轉(zhuǎn)速。

1.2.4粉碎機(jī)構(gòu)

粉碎機(jī)構(gòu)安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)底板下方，由錘片、墊片、銷軸、安裝盤、粉碎旋轉(zhuǎn)軸、粉碎倉、定刀Ⅰ和定刀Ⅱ組成，如圖5所示。24片錘片以4片為1組，共分成6組，通過銷軸均勻安裝在六邊形安裝盤的6個(gè)頂點(diǎn)上。錘片之間安裝有墊片，用于錘片的軸向定位。2把定刀安裝在粉碎倉壁板上，通過調(diào)節(jié)定刀位置，可以調(diào)節(jié)物料破碎和破壁程度。電動(dòng)機(jī)或拖拉機(jī)輸出軸通過皮帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到粉碎旋轉(zhuǎn)軸，粉碎旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)安裝盤和錘片作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。草料在粉碎倉內(nèi)被高速旋轉(zhuǎn)的錘片錘擊破碎，在定刀阻礙下，物料會(huì)被進(jìn)一步破碎、揉搓和破壁。

1.2.5帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸、帶輪和V帶組成，如圖6所示。圓筒式粉碎機(jī)的動(dòng)力來源于三相異步電動(dòng)機(jī)和拖拉機(jī)輸出軸，通過聯(lián)軸器的結(jié)合和分離，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力切換，驅(qū)動(dòng)粉碎旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)齒輪泵，為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 粉碎機(jī)構(gòu)

2.1.1錘片形狀

目前秸稈粉碎刀片按照形狀可分為錘爪型、直刀型、彎刀型、T型：錘爪型刀片的體積和質(zhì)量大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，粉碎效果較好，但是消耗的功率大；直刀型刀片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量小，消耗功率小，適合軟質(zhì)秸稈，通常與定刀配合使用，粉碎質(zhì)量好；彎刀適合硬質(zhì)秸稈，但刀片強(qiáng)度低；T型刀片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，切割刃多，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，功率消耗大，適合秸稈滅茬[8]。

本粉碎機(jī)粉碎設(shè)計(jì)長度為40～60 mm，不要求太短，因此選用直刀型錘片，配合使用定刀，調(diào)整粉碎長度和破壁程度。

2.1.2錘片回轉(zhuǎn)半徑

錘片的回轉(zhuǎn)半徑對(duì)粉碎效果有重要影響，回轉(zhuǎn)半徑越大，錘片端點(diǎn)的線速度越大，粉碎效果越好。但是錘片的回轉(zhuǎn)半徑越大也會(huì)使錘片的動(dòng)不平衡程度增大，使機(jī)器振動(dòng)加劇，影響使用壽命。目前，國內(nèi)玉米秸稈粉碎還田機(jī)的動(dòng)刀回轉(zhuǎn)半徑在240～300 mm范圍內(nèi)[9-10]，錘片式秸稈粉碎機(jī)的回轉(zhuǎn)半徑為360 mm[7]，本設(shè)計(jì)選取錘片最小回轉(zhuǎn)半徑為350 mm。

2.1.3粉碎轉(zhuǎn)速

粉碎錘片對(duì)牧草和秸稈的粉碎方式屬于無支撐切割，切割端線速度要求較高，根據(jù)已有研究結(jié)果，動(dòng)刀刀端線速度應(yīng)大于34 m/s[11]，因此粉碎旋轉(zhuǎn)軸最低轉(zhuǎn)速為928 r/min。

2.1.4錘片尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)

羊草平均直徑3.12 mm，剪切強(qiáng)度τ為9.3 MPa。如圖7所示，錘片總長L0為240 mm，莖稈平均直徑3.12 mm的羊草在錘片上的最大排列數(shù)量為77根，錘片最大剪切面積A1為588 mm2。

錘片受到的剪切阻力F1為

F1=τA1=5 451 N

(1)

粉碎機(jī)在工作時(shí)，錘片由銷軸連接在刀架上，跟隨刀架高速旋轉(zhuǎn)，如圖8所示：F2為錘片受到的離心力；mg為錘片重力；R0為刀架回轉(zhuǎn)中心到錘片頂部的距離；R1為刀架回轉(zhuǎn)中心到錘片銷軸孔的距離，350 mm；R2為刀架回轉(zhuǎn)中心到錘片重心的距離；L1為剪切阻力對(duì)于銷軸孔心的力臂；L2為銷軸孔心到錘片重心的距離，130 mm；L3為剪切阻力作用點(diǎn)到銷軸孔心的距離，150 mm；L4為離心力對(duì)銷軸孔心的力臂；ω為刀架回轉(zhuǎn)角速度；α為錘片偏轉(zhuǎn)角。

忽略銷軸對(duì)錘片的摩擦力，可以看作錘片只受3個(gè)力，在銷軸處作力矩平衡方程，F(xiàn)1的力臂為L1，F(xiàn)2的力臂為L4，重力的力臂是L2sinα。由幾何關(guān)系可知，L1、L2、L3、L4、R1、R2、α之間存在關(guān)系[12]

L1=L3cosα

(2)

(3)

錘片上相對(duì)于銷軸中心O1的力矩平衡方程為

F1L3cosα+mgL2sinα=mω2R1L2sinα

(4)

式中m——錘片質(zhì)量，kg

g——重力加速度，9.8 m/s2

整理得

(5)

錘片偏轉(zhuǎn)角α越小粉碎效果越好，由式(5)可以得到影響錘片偏轉(zhuǎn)角的因素：錘片質(zhì)量越大，傾角α越??；回轉(zhuǎn)半徑越大，傾角α越??；角速度越大，傾角α越?。籐2/L3越大，傾角α越小。

選取厚度為5、10、15 mm的錘片，在錘片轉(zhuǎn)速為928 r/min時(shí)分別對(duì)錘片偏轉(zhuǎn)角、粉碎機(jī)構(gòu)偏心距和粉碎機(jī)構(gòu)離心力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 不同厚度錘片的偏轉(zhuǎn)角、機(jī)構(gòu)偏心距和離心力Tab.1 Deflection angle, mechanism eccentricity and centrifugal force of hammers of different thicknesses

當(dāng)錘片厚度為15 mm時(shí)，錘片偏轉(zhuǎn)角度較小，能有效的實(shí)現(xiàn)粉碎，離心力也顯著降低。研究表明，拋送葉片角度后傾約10°時(shí)，有較好的拋送效果，對(duì)應(yīng)的比功耗較小[13-14]。因此，選取錘片厚度為15 mm。

2.1.5拋送計(jì)算

由于錘片之間排列緊密，可以將同一根銷軸上的4把錘片簡(jiǎn)化為寬度bt為100 mm的風(fēng)機(jī)葉片，葉片外徑D1為1 200 mm，如圖9所示。

(1)拋送距離

只考慮錘片慣性力對(duì)碎牧草的拋撒作用時(shí)，假設(shè)錘片在水平位置時(shí)將秸稈拋起，考慮拋送瞬間飼料初速度與錘片線速度v0之間的差異，則[15]

vp=v0/(1+η0)

(6)

式中η0——錘片速度轉(zhuǎn)化為碎草料速度時(shí)的速度損失系數(shù)，取0.55[13,16]

vp——碎草料拋送的初始速度，m/s

根據(jù)能量守恒定律[15,17]可得

(7)

式中H1——拋送高度，即刀輥中心到出料筒頂端的距離，為2.8 m

m1——碎草料質(zhì)量，kg

η1——摩擦力和空氣阻力造成拋送距離降低的系數(shù)，取0.3[18]

v1——拋出機(jī)外時(shí)的速度，m/s

當(dāng)錘片轉(zhuǎn)速為928 r/min時(shí)，經(jīng)計(jì)算得，拋出機(jī)外時(shí)的速度v1=20.3 m/s。

碎草料拋出機(jī)外后，以類似水平拋出的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)遠(yuǎn)離機(jī)器，直至落地，則

(8)

式中t——碎草料拋出機(jī)外后的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

H2——出料口到地面的垂直距離，為3.2 m

碎草料拋出后運(yùn)動(dòng)的水平距離S為

S=v1tη2

(9)

式中η2——碎草料拋出機(jī)外后空氣阻力導(dǎo)致拋料水平距離降低的系數(shù)，取0.4

由式(8)、(9)計(jì)算得拋送距離S為6.6 m。

(2)輸送能力

為保證碎草料在出料筒內(nèi)通過時(shí)不發(fā)生堵塞，輸料率與空氣流量之間應(yīng)該有[19]

(10)

式中mc——碎牧草與空氣的濃度比

Qi——單位時(shí)間內(nèi)通過出料筒的空氣質(zhì)量，kg/s

Qj——出料筒的輸料率，kg/s

粉碎后的牧草錯(cuò)亂混合排列，為防止在出料筒內(nèi)堵塞，選擇混合濃度比mc為1.4。粉碎機(jī)粉碎效率為15～20 t/h，則出料筒的最大輸料率Qj為5.6 kg/s，由式(10)可得，Qi=7.84 kg/s。粉碎機(jī)出料筒所需的最大輸送能力Qt為13.44 kg/s，輸送能力計(jì)算公式為[20]

(11)

式中ni——風(fēng)機(jī)所需的最小轉(zhuǎn)速，r/min

Qt——輸料筒輸送率，kg/s

z——葉片數(shù)，為6

γ——實(shí)測(cè)碎牧草的容積密度，為230 kg/m3

η3——效率系數(shù)，為0.3

β——實(shí)測(cè)碎牧草自然休止角，為28°

計(jì)算得風(fēng)機(jī)最小轉(zhuǎn)速ni為204 r/min，而粉碎旋轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)最低轉(zhuǎn)速為928 r/min，滿足輸送要求。

2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

2.2.1旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速

旋轉(zhuǎn)供料時(shí)，羊草滑過小凸臺(tái)，被大凸臺(tái)阻擋落入小凸臺(tái)與大凸臺(tái)之間的錘片粉碎區(qū)，如圖10所示，沿旋轉(zhuǎn)方向粉碎區(qū)域面積A2為0.15 m2。

單位時(shí)間粉碎體積V為粉碎區(qū)域面積與送料速度之積，為方便計(jì)算，送料速度取旋筒底面圓周半徑r2(r2=1 m)中點(diǎn)處線速度，則

(12)

式中n2——旋轉(zhuǎn)供料轉(zhuǎn)速，r/min

計(jì)算得n2≥0.9 r/min。實(shí)際加工中草料是蓬松的，沿圓周方向產(chǎn)生飛濺，進(jìn)入粉碎區(qū)域的填充率較小。加快供料轉(zhuǎn)速能提高生產(chǎn)率，取n2≤10 r/min。

理論粉碎長度是相鄰錘片兩次粉碎動(dòng)作之間喂入裝置的進(jìn)給量，則旋筒底面圓周半徑r2處的理論粉碎長度l為[21]

(13)

式中t1——相鄰刀片兩次切碎動(dòng)作間隔的時(shí)間，甩刀轉(zhuǎn)速為928 r/min時(shí)，t1為0.01 s

計(jì)算得理論粉碎長度l≤10 mm。實(shí)際加工中羊草并不是筆直地喂入粉碎機(jī)構(gòu)，而且存在撕扯現(xiàn)象，并不是純粹的剪切，粉碎長度要比理論值大，因此應(yīng)以試驗(yàn)得到的數(shù)值為準(zhǔn)。

2.2.2旋推力矩及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

供料旋筒有效容積為6 m3，飼料最大密度為700 kg/m3,物料總質(zhì)量m′為4 200 kg。取飼料與鋼板的最大滑動(dòng)摩擦因數(shù)μ為0.45進(jìn)行計(jì)算[22]，旋推力矩T1為

(14)

計(jì)算得旋推力矩T1為10 000 N·m。已知鏈輪和鏈條傳動(dòng)比i1為16，則旋推液壓馬達(dá)的力矩T2為625 N·m，旋推液壓馬達(dá)的排量V1最小值為

(15)

式中 Δp——液壓馬達(dá)的工作壓力，為16 MPa

ηm——液壓馬達(dá)的容積效率，為0.9

計(jì)算得排量V1最小值為273 mL/r，選取液壓馬達(dá)的排量V1為315 mL/r。旋推轉(zhuǎn)速n2最大值為10 r/min，則系統(tǒng)流量QL最大值為50.4 L/min。電機(jī)轉(zhuǎn)速n3為1 470 r/min，電機(jī)經(jīng)帶輪增速，帶動(dòng)液壓泵，帶輪增速比i2為1.2，則齒輪泵的排量V2最小值為

(16)

式中ηm1——齒輪泵的容積效率，為0.9

計(jì)算得排量V2最小值為31.7 mL/r，選取液壓泵排量V2為32 mL/r。

3 仿真分析

3.1 仿真模型

3.1.1物料仿真模型

根據(jù)羊草的力學(xué)特性設(shè)置球形顆粒之間的Bonding V2接觸模型，具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 接觸模型參數(shù)Tab.2 Parameters of contact model

使用EDEM的Bonding V2接觸模型來建立羊草模型。首先添加半徑為4 mm的球形顆粒，然后將球形顆粒組成長度為600 mm的長條狀元顆粒來模擬羊草，元顆粒產(chǎn)生時(shí)球形顆粒之間發(fā)生粘結(jié)，如圖11所示。球形顆粒之間通過粘結(jié)鍵連接，元顆粒在受到錘片的切削、揉搓作用時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲變形和斷裂。

3.1.2粉碎機(jī)仿真模型

在SolidWorks中建立圓筒式粉碎機(jī)錘片、粉碎倉和圓筒等關(guān)鍵部件的裝配體，保存為IGS格式后導(dǎo)入EDEM中，物料和機(jī)體的物理特性及接觸力學(xué)特性參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 物料特性參數(shù)Tab.3 Material properties of particles

3.2 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用EDEM仿真軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，設(shè)置顆粒工廠產(chǎn)生元顆粒的總數(shù)為50 kg，產(chǎn)生速度為5.6 kg/s，初始速度為5 m/s。影響粉碎機(jī)工作效果的主要因素是錘片轉(zhuǎn)速、錘片數(shù)量、動(dòng)定刀間隙和出料口仰角。以粉碎長度、錘片扭矩和拋料距離為粉碎機(jī)的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，單因素試驗(yàn)各因素所取水平如表4所示。

表4 單因素試驗(yàn)因素水平Tab.4 Factors and levels in single factor experiment

3.3 仿真結(jié)果與分析

3.3.1粉碎轉(zhuǎn)速

仿真條件：錘片數(shù)量24把、動(dòng)定刀間隙22 mm、出料口仰角20°。不同轉(zhuǎn)速時(shí)粉碎倉內(nèi)部的物料粉碎狀態(tài)如圖12所示。當(dāng)錘片轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，粉碎草料長度較長，部分草料沒有被及時(shí)排出，會(huì)重新進(jìn)入圓筒內(nèi)，導(dǎo)致粉碎扭矩加大；當(dāng)錘片轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，粉碎草料效果較好，且能及時(shí)排出；錘片轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，粉碎羊草尺寸太小，粉碎扭矩較大。

以0.05 s為時(shí)間間隔，選取70個(gè)時(shí)刻的扭矩，不同轉(zhuǎn)速條件下粉碎軸受到的扭矩如圖13所示，粉碎轉(zhuǎn)速為1 000、1 500、2 000 r/min時(shí)粉碎軸所受的最大扭矩分別為981、927、994 N·m。因此，隨著粉碎轉(zhuǎn)速的增加，粉碎扭矩先降低后增加。

粉碎轉(zhuǎn)速對(duì)羊草長度的影響如表5所示，隨著粉碎轉(zhuǎn)速的增加，粉碎羊草長度減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于1 500 r/min，絕大部分的羊草長度分布在0～8 cm范圍內(nèi)。

表5 不同粉碎轉(zhuǎn)速時(shí)羊草長度的分布比例Tab.5 Particle length distribution at different grinding speeds %

粉碎轉(zhuǎn)速對(duì)拋送效果的影響如圖14所示，隨著粉碎轉(zhuǎn)速增高，羊草拋送距離先增大后減小。當(dāng)粉碎轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，顆粒尺寸較大，初速度較低，在出料口處出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，拋料距離為6 m；當(dāng)粉碎轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，離開出料口后羊草較為集中，拋料距離為10 m；粉碎轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，顆粒較小，初速度較高，離開出料口后羊草比較分散，拋料距離減小為8 m。

因此轉(zhuǎn)速選擇1 500 r/min，能降低粉碎扭矩、獲得合適的粉碎長度和較遠(yuǎn)的拋料距離。

3.3.2錘片數(shù)量

仿真條件：錘片轉(zhuǎn)速1 500 r/min、動(dòng)定刀間隙22 mm、出料口仰角20°。不同錘片數(shù)時(shí)，粉碎倉內(nèi)部的羊草粉碎狀態(tài)如圖15所示。錘片為12把時(shí)，羊草進(jìn)入粉碎倉后不能充分粉碎，且不能及時(shí)排出，錘片運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的阻力增加；錘片為24把時(shí)，粉碎草料效果較好，且能及時(shí)排出；錘片為36把時(shí)，羊草粉碎更加充分。

不同數(shù)量錘片時(shí)粉碎軸承受扭矩如圖16所示，錘片數(shù)為12、24、36把時(shí)粉碎軸所承受的最大扭矩分別為985、927、1 037 N·m。因此，隨著錘片數(shù)量的增加，粉碎軸承受的扭矩呈先減小后增加的變化趨勢(shì)。

錘片數(shù)量對(duì)羊草粉碎長度分布的影響如表6所示，隨著錘片數(shù)量增加，粉碎得到的羊草長度明顯減小。采用24把錘片時(shí)，絕大部分羊草的長度分布在0～8 cm范圍內(nèi)。

表6 不同錘片數(shù)量時(shí)粉碎羊草顆粒長度分布比例Tab.6 Particle length distribution with different numbers of hammer %

錘片數(shù)量對(duì)拋送效果的影響如圖17所示，隨著錘片數(shù)量增加，羊草拋送距離先增大后減小。采用12把錘片時(shí)羊草粉碎效果差，顆粒過長，在出料筒內(nèi)產(chǎn)生堆積，在出料口轉(zhuǎn)彎處與出料筒壁產(chǎn)生摩擦，排出時(shí)速度快速降低，拋送距離為9 m；錘片數(shù)量為24把時(shí)，羊草粉碎效果較好，拋送距離為10 m；錘片數(shù)量為36把時(shí)，粉碎得到的羊草尺寸較小，獲得的初始速度較大，排出時(shí)顆粒比較分散，粉碎后的羊草拋出距離為7 m。

因此，使用24把錘片，能降低粉碎扭矩，獲得合適的粉碎長度和較遠(yuǎn)的拋料距離。

3.3.3動(dòng)定刀間隙

仿真條件：錘片轉(zhuǎn)速1 500 r/min、錘片數(shù)量24把和出料口仰角20°。動(dòng)定刀間隙對(duì)羊草粉碎效果的影響如圖18所示。當(dāng)動(dòng)定刀間隙為32 mm時(shí)，錘片與定刀之間的間隔過大，羊草粉碎效果較差，滯留在粉碎倉內(nèi)的羊草較多；當(dāng)動(dòng)定刀間隙為22 mm時(shí)，粉碎效果較好；動(dòng)定刀間隙為12 mm時(shí)，得到的羊草飼料較小，在粉碎倉內(nèi)滯留的羊草較多。

動(dòng)定刀間隙對(duì)粉碎軸承受扭矩的影響如圖19所示，間隙分別為32、22、12 mm時(shí)粉碎軸所承受的最大扭矩分別為971、927、1 099 N·m。因此，隨著動(dòng)定刀間隙的減小，粉碎軸承受的扭矩呈先減小后增加的變化趨勢(shì)。

動(dòng)定刀間隙對(duì)羊草粉碎長度分布影響如表7所示，隨著動(dòng)定刀間隙的減小，粉碎得到的羊草長度明顯減小。采用動(dòng)定刀間隙小于22 mm時(shí)，絕大部分羊草的長度分布在0～8 cm范圍內(nèi)。

動(dòng)定刀間隙對(duì)拋送效果的影響如圖20所示，隨著動(dòng)定刀間隙的減小，羊草拋送距離先增大后減小。采用32 mm的間隙時(shí)，粉碎得到的羊草尺寸較大，獲得的動(dòng)能較小，拋送距離為9 m；采用22 mm的間隙時(shí)，粉碎得到的羊草尺寸適中，獲得的動(dòng)能較大，拋送距離增為10 m；采用12 mm的間隙時(shí)，粉碎得到的羊草尺寸較小，獲得的動(dòng)能較大，羊草與出料口上方擋板發(fā)生碰撞后分散，拋送距離降為8 m。

表7 不同動(dòng)定刀間隙時(shí)粉碎羊草長度分布比例Tab.7 Particle length distribution with different tool clearances %

因此，動(dòng)定刀間隙為22 mm時(shí)，能降低粉碎扭矩，獲得合適的粉碎長度和較遠(yuǎn)的拋料距離。

3.3.4出料口仰角

仿真條件：錘片轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、錘片數(shù)量24把和動(dòng)定刀間隙22 mm。出料口仰角對(duì)拋送效果的影響如圖21所示。隨著出料口仰角的增大，羊草拋送距離先增大后減小。當(dāng)出料口仰角為10°時(shí)，羊草與出料口上部擋板的碰撞比較激烈，羊草降速顯著，拋送距離為6 m；當(dāng)出料口仰角為20°時(shí)，羊草與出料口上部擋板的碰撞減輕，拋送距離為10 m；當(dāng)出料口仰角為30°時(shí)，物料拋出后產(chǎn)生較大的擴(kuò)散，由于拋出角度太大，拋送距離降為7.5 m。因此，出料口仰角選擇20°時(shí)可以獲得更遠(yuǎn)的拋料距離。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件與測(cè)試指標(biāo)

試驗(yàn)在黑龍江省大慶市潤國牧場(chǎng)進(jìn)行，試驗(yàn)羊草含水率12%，長度在30～65 cm之間，試驗(yàn)樣機(jī)如圖22所示。

由仿真分析可知，最佳粉碎條件為：粉碎轉(zhuǎn)速1 500 r/min、錘片數(shù)量24把、動(dòng)定刀間隙22 mm、出料口仰角20°。選取最佳粉碎參數(shù)啟動(dòng)樣機(jī)，采用叉車將直徑為1 m左右成捆羊草投入粉碎機(jī)，在0～10 r/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)旋筒轉(zhuǎn)速，尋找合適的供料速度和粉碎長度，然后試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，每次試驗(yàn)粉碎的成捆羊草體積為6 m3。試驗(yàn)的主要測(cè)試指標(biāo)為粉碎效率、粉碎長度、拋料距離，取3次試驗(yàn)的平均值作為統(tǒng)計(jì)值。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

當(dāng)旋筒轉(zhuǎn)速過低時(shí)，粉碎效率較低，電機(jī)負(fù)載太小。逐漸增加轉(zhuǎn)速，當(dāng)旋筒轉(zhuǎn)速為8 r/min時(shí)，成捆壓實(shí)羊草的粉碎效率為25 m3/h，單人作業(yè)效率是鍘草機(jī)的12倍以上，單機(jī)作業(yè)效率是鍘草機(jī)的3倍以上。粉碎得到的羊草飼料如圖23所示。

粉碎得到的羊草飼料90%以上均破壁，搓揉效果良好。粉碎飼料直徑分布在0.1～1.2 mm范圍內(nèi)，平均直徑為0.65 mm。絕大部分飼料長度分布在16～157 mm范圍內(nèi)，平均長度為47 mm，飼喂效果較好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)粉碎飼料長度分布為：0～4 cm為44%，4～8 cm為48%，8～12 cm為5%，12 cm以上為3%；仿真粉碎飼料長度分布0～4 cm為41%，4～8 cm為50%，8～12 cm為5%，12 cm以上為4%。兩者基本吻合。試驗(yàn)拋料距離為11 m，仿真拋料距離為10 m，試驗(yàn)距離稍大，是因?yàn)樵趯?shí)際粉碎中存在氣流，拋送距離較遠(yuǎn)。

綜上所述，試驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足養(yǎng)殖場(chǎng)的使用要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了由帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、粉碎機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、錐形圓筒料倉和拋料筒組成的旋筒供料錘式粉碎機(jī)，建立了粉碎和旋轉(zhuǎn)作業(yè)的理論模型，并對(duì)錘片尺寸形狀、回轉(zhuǎn)半徑、粉碎轉(zhuǎn)速、拋送距離、輸送能力、供料轉(zhuǎn)速和粉碎長度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算。

(2)采用EDEM軟件對(duì)粉碎羊草的轉(zhuǎn)速、錘片數(shù)量、動(dòng)定刀間隙和出料口仰角進(jìn)行了仿真分析，仿真得到的羊草最佳粉碎條件為粉碎轉(zhuǎn)速1 500 r/min，錘片數(shù)量24把、動(dòng)定刀間隙22 mm和出料口仰角20°。

(3)取羊草進(jìn)行粉碎試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析基本一致。當(dāng)旋筒轉(zhuǎn)速為8 r/min時(shí)，成捆壓實(shí)羊草的粉碎效率為25 m3/h，單人作業(yè)效率是鍘草機(jī)的12倍以上，單機(jī)作業(yè)效率是鍘草機(jī)的3倍以上。羊草破壁率大于90%，搓揉效果良好。飼料直徑分布在0.1～1.2 mm范圍內(nèi)，平均直徑為0.65 mm。絕大部分飼料長度分布在16～157 mm范圍內(nèi)，平均長度為47 mm。由于在實(shí)際粉碎中存在氣流，拋送距離為11 m，比仿真拋料距離稍大。粉碎后的羊草飼喂效果較好，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。