公彥晨,宋月鵬*,任龍龍,張紅梅,韓 云

1.山東農業(yè)大學機械與電子工程學院,山東 泰安 271018

2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室,山東 泰安 271018

3.濰坊科技學院,山東 濰坊 262700

我國丘陵山地約占國土面積的十分之一，達100 多萬km2，是我國主要的果樹種植基地[1]。果樹枝條的修剪工作是樹體管理的重要環(huán)節(jié)，果樹枝條蘊含著大量的生物能源和礦質養(yǎng)分，對果樹的生物能源和有機肥生產具有重要意義[2]。但受地形條件影響，丘陵山地果園綜樹體管理機械化水平較低，目前果樹枝條的處理方式主要有兩種，最常見的一種是作為薪柴燃燒使用，雖然能夠使枝條得到有效的處理，但是燃燒產生的煙霧及芳烴化合物對環(huán)境和人體的危害較大；另一種處理方式是集中堆放處理，但枝條長時間的堆放，極易誘發(fā)病蟲害，增加果樹病蟲害傳播隱患。因此，丘陵山地果園枝條的處理及綜合利用成為丘陵果園亟待解決的問題[3]。

果樹枝條粉碎機可以將枝條進行粉碎處理，根據粉碎細度可以直接用于土壤表層覆蓋或者堆肥，有利于提升土壤的蓄水性能，實現改善土壤質地的目的[4]。因此，近幾年來果樹枝條粉碎機受到國內學者廣泛的關注。北京農機鑒定推廣站研發(fā)了SFJ-8.0 型樹枝粉碎機，該機具有體積小、操作簡單的特點[5]。另外，南京農業(yè)機械化研究所研發(fā)的NZF100A1 型樹枝粉碎機，粉碎能力較強[6]。

丘陵山地果園坡度較大，果樹種植較為分散性，而目前果園枝條粉碎機大部分以電動機為動力源，需要穩(wěn)定的供電線路，移動作業(yè)范圍較小，同時手推式式的設計，在大坡度果園中使用大大增加了果農的勞動強度大[7]?；诖?，本文針對現階段丘陵果園枝條有效處理難的問題，在丘陵果園運輸軌道的基礎上，研制一種自走式單軌枝條粉碎機并進行田間試驗驗證，進一步提升我國丘陵山地樹體機械化管理水平。

1 總體結構及工作原理

1.1 總體結構設計

目前為了解決丘陵果園的果品運輸問題，單軌牽引車被廣泛的應用于丘陵果園中，單軌牽引車結構小巧、移動性，能夠良好的適應丘陵果園坡度大、果樹種植標準化程度低的特點。因此，基于軌道研發(fā)一款自走式丘陵果園枝條粉碎機，整機主要由單軌牽引裝置和果樹枝條粉碎裝置構成。自走式丘陵果園枝條粉碎機結構設計如圖1 所示。

圖1 基于軌道的自走式丘陵果園枝條粉碎機結構設計圖Fig.1 Structure design of self-propelled hill-orchard branch crusher based on track

1.2 工作原理

基于單軌的自走式丘陵果園枝條粉碎機在工作時，采用雙汽油發(fā)動機為動力源。單軌牽引裝置發(fā)動機固定于機架上，通過V 帶將動力傳遞至減速箱，驅動銷輪安裝在減速箱的傳動軸上，通過驅動銷輪與軌道的嚙合，實現單軌車的運行。

枝條粉碎裝置通過連接機構與單軌車連接，粉碎裝置汽油發(fā)動機固定于粉碎裝置頂部支架上。粉碎作業(yè)時，枝條通過喂料滾輪喂入，粉碎裝置汽油發(fā)動機通過粉碎裝置主軸帶動旋轉刀盤進行高速旋轉切削，粉碎的物料進入粉碎室，從排料口排出。

該機的主要技術性能參數設計如表1 所示。

表1 主要技術性能參數Table 1 Main technical performance parameters

2 關鍵部件的設計

2.1 單軌車發(fā)動機選型

發(fā)動機是單軌牽引車關鍵的工作部件。發(fā)動機的結構參數對單軌車的運行性能有重要的影響。發(fā)動機按照燃料使用情況分為柴油發(fā)動機和汽油發(fā)動機。汽油發(fā)動機體積小、質量輕、噪音較小、結構性能良好，更適用于軌道牽引車的使用。

額定功率是發(fā)動機選型的主要參數。發(fā)動機性能對單軌牽引車運行的連續(xù)性、穩(wěn)定性等有較大的影響。根據文獻[8]，牽引車運行時所需的功率大小

式中：P：牽引車運行時所需功率，kW；F：牽引力，N；v：速度，m/s；G：機具自重，N；ɑ：果園坡度，°；δ：滾動摩阻系數，mm；r：承重輪的半徑，mm；μ：滑動摩擦系數。

根據丘陵果園作業(yè)的農藝要求，果園坡度α取30°。依據課題設計要求，牽引車運行速度v為1 m/s，機具自重與負載G約為4000 N，承重輪半徑r為30 mm。根據機械設計手冊可知，滾動摩阻系數δ和滑動摩擦系數μ分別為0.05 mm 和0.03，根據公式（1），結合整機運行時的受力分析如圖3-1 所示。計算得到整機運行時所需最大功率為2.531 kW?？紤]牽引車傳動過程中的損耗以及保證運行的穩(wěn)定性，選擇型號為YAMAHA MZ175(R)，額定功率為3.5 kW，額定轉速為3600 r/min 的汽油發(fā)動機。

圖2 整機受力分析圖Fig.2 Mechanical analysis diagram of the whole machine

2.2 行走機構設計

單軌牽引車行走機構主要由驅動銷輪、平衡輪和承重輪構成。牽引車通過驅動銷輪和軌道下方齒條之間的嚙合傳動實現運行，軌道上表面采用一組承重輪與軌道接觸式的結構，使機具具有較強的承重能力，同時軌道下方還裝有導向輪，起平衡作用。驅動銷輪主要由驅動輪盤和銷齒構成，驅動銷輪節(jié)圓直徑為95.54 mm，驅動輪盤通過輪轂與傳動軸連接，驅動輪盤間均布12 個活動銷齒結構，銷齒直徑為12 mm，軌道采用多節(jié)50 mm×100 mm×δ5 mm 的空心矩形鋼軌道，齒條焊接在空心矩形鋼下方中央處。牽引車行走機構三維模型如圖3 所示。

圖3 行走機構三維模型Fig.3 Three dimensional models of walking structure

行走機構是整機運行的核心機構，對機具性能有至關重要的影響。采用ADAMS 軟件，對行走機構進行動力學分析計算，得到驅動銷輪與軌道齒條之間的嚙合力曲線，如圖4 所示。從圖中可以看出，在行走機構初始啟動階段，驅動銷輪因突然受到傳動力矩的作用，產生一個瞬時較大的沖擊力，但隨著運行時間的增加，驅動銷輪與軌道之間嚙合產生的接觸力大小呈穩(wěn)定的周期性波動，說明驅動銷輪與軌道之間嚙合情況較好，行走機構運行穩(wěn)定。

圖4 驅動銷輪與軌道之間的嚙合力曲線Fig.4 Engaging force curve between drive pin wheel and track

2.3 枝條粉碎刀盤主軸設計

整機的粉碎部件主要由動力系統(tǒng)、切削粉碎系統(tǒng)、喂料系統(tǒng)和排料系統(tǒng)組成。切削粉碎系統(tǒng)是枝條粉碎作業(yè)的核心部件，進行枝條粉碎作業(yè)時，粉碎刀盤主軸處于高速旋轉狀態(tài)，容易發(fā)生變形及損壞，對粉碎作業(yè)效率有較大影響[9]。目前我國對枝條粉碎刀盤主軸結構參數設計一般直徑校核，粉碎刀盤主軸直徑：

式中：A1：根據軸的材料及承載情況確定的系數，軸的材料為40 Gr 時A=98～106；d：粉碎機主動軸直徑，mm；P：粉碎裝置發(fā)動機，kW；n：粉碎機主動軸轉速，r/min。

根據丘陵果園枝條粉碎作業(yè)要求，粉碎裝置汽油機功率P≥4.1kW，粉碎機主軸轉速n為2800 r/min，A1取106 時，依據公式（2）計算可得到粉碎刀盤主軸最小直徑d為12 mm。值得注意的是，按公式（2）進行計算軸的直徑時，需要考慮軸上鍵槽的應力作用，當軸截面上有一個鍵槽時，軸徑應增大4%～5%[10]，根據設計經驗與考慮發(fā)動機軸伸出端直徑，最終確定主軸的直徑為22 mm。

2.4 喂料滾輪設計

喂料滾輪是喂料系統(tǒng)的關鍵部件，是影響枝條粉碎效率的重要因素之一。喂料滾輪的結構設計參數主要由粉碎枝條的最大直徑確定[11]。喂料滾輪直徑較小時，枝條無法有效、均勻地進入粉碎裝置，導致枝條喂料效率較低；當喂料滾輪直徑過大時，容易出現枝條輸送時無法扶持的現象[12]。通過實地調查發(fā)現丘陵果園廢棄果樹枝條直徑普遍偏小，同時結合現有枝條粉碎機產品，最終確定枝條粉碎裝置喂料滾輪直徑為68 mm。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

為驗證丘陵果園自走式單軌枝條粉碎機作業(yè)性能，在山東省龍口市石良鎮(zhèn)黃城陽少華果蔬專業(yè)合作社示范基地蘋果園進行田間試驗和性能測試。試驗蘋果園屬于典型的山東省丘陵果園，在果園內按照設計要求進行軌道及樣機的安裝。田間試驗如圖5 所示。

圖5 田間試驗圖Fig.5 Field test

3.2 試驗結果及分析

試驗過程中，果樹枝條粉碎機連接在單軌牽引車上后，枝條粉碎作業(yè)過程中，運行平穩(wěn)，工作安全可靠，可以較好的實現枝條粉碎作業(yè)。同時可以通過操縱單軌牽引車實現枝條粉碎機的遠距離、大范圍移動，滿足丘陵果園的枝條粉碎要求。為進一步驗證基于軌道的自走式單軌枝條粉碎機的工作性能，對枝條粉碎機的粉碎效率，單軌車的運行速度和運行坡度進行測定，測定數據結果如表2所示。

表2 性能試驗結果Table 2 Performance test results

由表3 結合試驗，枝條粉碎機在4.1 kW 發(fā)動機的帶動下，粉碎效率可以達到230 kg/h，可以滿足設計要求。同時，在3.5 kW 牽引車發(fā)動機的帶動下，整機運行穩(wěn)定，運行速度為0.69 m/s，運行坡度為30°?？梢暂^好地滿足丘陵果園農藝要求。

4 結論

（1）根據丘陵果園果樹枝條粉碎還田需求，基于丘陵果品運輸軌道研制設計了自走式單軌果園枝條粉碎機，解決了丘陵果園廢棄枝條處理過程中勞動強度大、效率低的問題，實現了丘陵果園枝條粉碎作業(yè)的機械化，同時，自走式的單軌果樹枝條粉碎機設計可以解決傳統(tǒng)枝條粉碎機受動力源限制移動作業(yè)范圍小的問題，可以較好地適應丘陵果園果樹種植分散性強的特點；

（2）田間試驗結果表明，粉碎機枝條粉碎效率為230 kg/h，整機平均運行速度為0.69 m/s，最大運行坡度為30°，機具的各項性能指標均符合設計要求。