承德石油高等專科學(xué)校 電氣與電子系 河北 承德 067000

我國耕地面積較大，秸稈資源十分豐富，開發(fā)價值極大。作為一種可再生資源，農(nóng)作物秸稈是非常好的飼料原料。提高農(nóng)業(yè)作物的秸稈綜合的利用效率，是目前發(fā)展高產(chǎn)量、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要途徑。合理地開發(fā)利用秸稈，已經(jīng)發(fā)展成為了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)回收資源利用的新課題[1]。本課題設(shè)計了一款小型玉米秸稈破碎機(jī)，該破碎機(jī)是將玉米秸稈粉碎，以利用其作為牲畜飼料。它是一種在玉米聯(lián)合收割機(jī)以外使用的機(jī)械，作業(yè)的對象是收獲完玉米之后的秸稈，能夠很好地彌補(bǔ)手工粉碎的麻煩，功率也比較低，節(jié)約電能，適用于中小型的養(yǎng)殖戶，有很好的使用前景。

1 總體設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

該玉米秸稈破碎機(jī)主要由動力傳動機(jī)構(gòu)、箱體、工作部件等組成。本設(shè)計的結(jié)構(gòu)形式為立式結(jié)構(gòu)，刀軸水平配置，粉碎刀安裝在轉(zhuǎn)軸上。動力源為電動機(jī)，電動機(jī)通過減速器與大帶輪相連接。然后將動力傳送給工作部件。

1.2 工作原理

在該機(jī)工作時，電動機(jī)輸出軸傳遞的動力經(jīng)萬向節(jié)傳遞給變速齒輪箱，齒輪箱傳遞動力到帶輪。在進(jìn)行秸稈破碎工作的過程中，電機(jī)軸通過聯(lián)軸器、大小帶輪兩級的傳動后，帶動刀軸上的甩刀高速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)秸稈進(jìn)到粉碎腔體內(nèi)后，同時受到刀具的剪切、搓擦和撕拉的作用，從而得到粉碎。

2 動力傳動設(shè)計

2.1 電動機(jī)的選型與參數(shù)計算

一般大中型的玉米秸稈破碎機(jī)動力裝置為柴油機(jī)，但是整個結(jié)構(gòu)比較笨重不方便搬運，能量損耗較大。本設(shè)計為小型破碎機(jī)，動力裝置選用電動機(jī)，提高了該機(jī)器的便捷性。電動機(jī)應(yīng)有適當(dāng)?shù)娜萘縼頋M足要求，如果所選的電動機(jī)功率太大，必然會因容量不能充分利用而增加成本，造成功率的浪費；相反，如果容量太小，就無法保證破碎機(jī)的正常工作質(zhì)量，或使電動機(jī)長期處于過載工作狀態(tài)，導(dǎo)致電動機(jī)的壽命減少?？紤]到功率儲備以及傳遞過程中的功率損失，選擇的電動機(jī)的功率必須大于破碎機(jī)的使用功率。

設(shè)計選擇三相異步電動機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，價格低廉，維護(hù)方便，適用于不易燃，不易爆，無腐蝕性氣體和無特殊要求的機(jī)械。

經(jīng)多次試驗測定，電動機(jī)工作所需要的有效功率Pw約為13kW，帶輪傳動效率，滾動軸承傳動效率[2]，即：

由電動機(jī)至運輸帶的傳動總效率為：

電機(jī)所需的工作功率：

因載荷平穩(wěn)，電動機(jī)額定功率只需略大于P0即可，根據(jù)三相異步電動機(jī)的典型技術(shù)數(shù)據(jù)，選電動機(jī)的額定功率為15kW。本設(shè)計擬采用Y160M-4型電動機(jī)。

2.2 各軸功率、轉(zhuǎn)矩的分配與計算

3 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 入口、出口設(shè)計

考慮填裝的效率和安全性能，破碎機(jī)的入口的設(shè)計如下：采用5o的斜坡，利用重力的作用使填裝的秸稈能夠順利地進(jìn)入粉碎腔內(nèi)而不會發(fā)生倒滑（往粉碎倉相反的方向滑動）。由于玉米秸稈的長度較大，入口底盤相對較長，盡量使秸稈能夠較完整的在底盤上滑動。

從安全的角度講，入口的側(cè)板能夠防止秸稈在切割與撕扯的過程中與粉碎腔的壁面發(fā)生擠壓，造成秸稈對人體的敲打。有了側(cè)板會使秸稈相對比較順滑。另外較長的底板設(shè)計也是考慮到防止工作者將手深入到粉碎腔而造成的人體傷害。

粉碎機(jī)的出口主要考慮的原因同樣是以下幾個：秸稈的及時排出、安全性能、流暢性。把玉米秸稈看成流體，根據(jù)流體力學(xué)的性質(zhì)，急彎能夠增加湍流的發(fā)生[3]，在設(shè)計入口和出口與腔體的連接部位采用的是相切位置關(guān)系，這樣不會由于急彎、直角等部位使秸稈發(fā)生阻塞。秸稈順利的排出依靠的主要是重力，以及甩刀產(chǎn)生的離心力。

3.2 腔體設(shè)計

粉碎腔是玉米秸稈破碎機(jī)最主要的工作部位，粉碎的過程就發(fā)生在該部位。該部位主要考慮的因素是粉碎過程中的安全性和流暢性。由于殼體的保護(hù)以及出入口的設(shè)計使安全問題得到了很大的保證，所以該部位的設(shè)計中將工作的流暢性作為設(shè)計重點。把玉米秸稈看成流體，根據(jù)流體力學(xué)的性質(zhì)，急彎能夠增加湍流的發(fā)生[3]，與出入口設(shè)計類似，在腔體內(nèi)部設(shè)計時盡量避免急彎和直角，這樣不會發(fā)生阻塞。

4 主要工作部件設(shè)計

4.1 粉碎刀的工作原理

粉碎刀是該機(jī)的核心工作部件。粉碎刀輥的轉(zhuǎn)速，甩刀的配制方式及數(shù)量是直接影響秸稈粉碎性能的主要參數(shù)。甩刀數(shù)量越多，甩刀的線速度越大，對秸稈的粉碎效果越好。考慮動力的匹配以及作業(yè)的安全性，選用了臥式結(jié)構(gòu)，將錘爪式甩刀按螺旋線均勻分布在刀軸上。

甩刀的排列方式會對刀輥轉(zhuǎn)動時的平衡，物料在粉碎室內(nèi)的分布狀態(tài)等產(chǎn)生極大的影響。因此，甩刀在刀輥上的排列方式，應(yīng)能夠保證物料在粉碎室內(nèi)均勻分布，不向任何一側(cè)推移，并且能夠讓轉(zhuǎn)軸保持動平衡。常見的排列方式有螺旋線的排列、對稱式排列、交錯平衡式排列等三種方式[4]。本機(jī)選用對稱式排列方式。

4.2 粉碎刀的選擇與安裝

甩刀的刀型選擇的是Y型刀，它的優(yōu)點是緩解了甩刀拐角處的集中應(yīng)力；刀片的功率消耗小，Y型刀能夠斜切粉碎秸稈，能夠達(dá)到省力的效果。進(jìn)料口在破碎機(jī)頂部，出料口在破碎機(jī)底部。刀片為對稱排列，需粉碎的物料通過與本機(jī)相配的喂料器由頂部進(jìn)料口喂入，經(jīng)進(jìn)料導(dǎo)向板從左邊或右邊進(jìn)入粉碎室，在高速旋轉(zhuǎn)的錘片打擊和作用下物料逐漸被粉碎，并在離心力和重力作用下穿過篩孔，從底座出料口排出。粉碎工作部件的旋轉(zhuǎn)方向與機(jī)具前進(jìn)方向相反。

甩刀的工作環(huán)境較為潮濕惡劣，常常和秸稈、泥土等接觸，需要有很強(qiáng)的耐磨性和抗沖擊韌性?？紤]以上因素，參考相關(guān)資料，本機(jī)選用20CrMnTi型甩刀。甩刀設(shè)計的切割直徑是226mm，甩刀的與腔體最小的最小間隙是7mm。這樣既能保證甩刀在工作過程中的流暢性，又不至于使破碎的秸稈從縫隙中漏掉。

5 破碎機(jī)主要參數(shù)

結(jié)合以上分析，破碎機(jī)主要參數(shù)如下：

外形尺寸：85×75×120。粉碎軸轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)：4500r/min。粉碎刀數(shù)(片) Y型刀：8。切碎長度：≤10cm。配套功率：1500W。切碎合格率：≥90%。

6 結(jié)束語

本文提出了一種小型的玉米秸稈破碎機(jī)的設(shè)計方案，主要對破碎機(jī)的電氣部分、傳動部分、結(jié)構(gòu)部分等進(jìn)行了設(shè)計，對主要零部件進(jìn)行了理論分析和計算，確定了基本參數(shù)。設(shè)計了獨特的粉碎結(jié)構(gòu)，在使用低功率電動機(jī)的基礎(chǔ)上，使玉米秸稈能夠被充分粉碎，節(jié)約了能源，降低了成本。