移動式高效生物質(zhì)雙向切碎機的設計與研究*

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移動式高效生物質(zhì)雙向切碎機的設計與研究*

馬巖,李虎,孫奇,任長清,楊春梅

(東北林業(yè)大學 林業(yè)與木工機械工程技術中心,黑龍江哈爾濱150040)

摘要：為了高效利用生物質(zhì)能源，本研究通過借鑒國外小型移動式雙進料切碎機,采用反求工程設計法設計了移動式生物質(zhì)雙向切碎機，并對進料槽、刀輥的設計過程及主要參數(shù)進行分析和確定。切碎機自身配有行走機構(gòu)，同時有鼓式切削、盤式切削兩種切削方式的復合刀輥，能夠在林間行走，并可根據(jù)用戶需要選擇切削方式，可快速、高效地加工采伐剩余物。

關鍵詞：小型移動式雙進料切碎機；采伐剩余物；切碎機

目前世界上生產(chǎn)規(guī)模最大的生物質(zhì)能源材料主要為生物質(zhì)燃料乙醇，中國以玉米(Zeamayz)為主要原料的燃料乙醇產(chǎn)業(yè)自2007年迅猛增長，這雖然在一定程度上緩解了能源緊缺的問題，但同時也帶來了糧食方面短缺的隱患。因此，非糧燃料乙醇的生產(chǎn)將是未來乙醇行業(yè)發(fā)展的新方向。目前，中國非糧生物質(zhì)原料有兩類：一類是現(xiàn)即可用的甜高粱、薯類、木本油料、甘蔗、畜禽糞便及農(nóng)產(chǎn)品加工生產(chǎn)的廢蜜糖、有機廢水廢渣；另一類是林業(yè)剩余物、作物秸稈和能源植物的纖維原料。因此，一些生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)開始將目光轉(zhuǎn)移到林業(yè)剩余物上。但是，由于中國現(xiàn)有設備的限制，林業(yè)剩余物的加工和運輸問題已成為限制中國生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要問題。在這種情況下，研發(fā)一款大型自裝卸移動式林業(yè)剩余物削片機已成為解決中國生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關鍵。

1雙向切碎機設計方案的制定

通過對國外小型移動式雙進料切碎機進行分析，確定了移動式高效生物質(zhì)雙向切碎機的設計方案，方案為，(1)切碎機有2個進料口，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向切削，且能適應多種截面形狀的原木料，分別為鼓式削片和盤式削片兩種，一個進料口對應一種切削方式，用戶可根據(jù)需要選擇切削方式；(2)出料口只有1個；(3)在機架上設置車輪，用來實現(xiàn)此木材切碎機的移動；(4)主要設計參數(shù)：鼓式盤式刀輥直徑D=300 mm，主軸轉(zhuǎn)速n=2 500 r/min；鼓式盤式飛刀數(shù)目Z=2，刀鼓、刀盤的總寬度≤130 mm；鼓式削片進料槽的最大進料直徑≤70 mm，進料方式為自由進料；盤式削片進料槽的最大進料直徑≤50 mm，進料方式為自由進料。

移動式高效生物質(zhì)雙向切碎機整體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　移動式高效生物質(zhì)雙向切碎機整體結(jié)構(gòu)圖

2移動式高效生物質(zhì)雙向切碎機重要部件設計

2.1進料槽的結(jié)構(gòu)設計

2.1.1鼓式進料槽的設計

鼓式切削的木料斷面形狀多為圓形，且大小不一，因此為了更好地適應木料的形狀，鼓式進料槽的斷面形狀設計為方形，根據(jù)初定的設計方案要求，鼓式削片的最大進料直徑不得超過70 mm，因此鼓式進料槽的邊長尺寸選為100 mm，同時為了工作時投送木材方便，鼓式進料槽的形狀如圖1移動式高效生物質(zhì)雙向切碎機主視圖中的3鼓式進料槽所示，進料槽頂端的斷面尺寸為322 mm，方形。鼓式進料槽的設計[1～2]見圖2。

圖2　鼓式木材削片粉碎機切削原理示意圖

木材纖維的方向是沿著木材軸線方向的，切削力的方向與木材纖維的方向夾角越小，所需切削力越小，反之則越大。因此當切削力方向垂直于木材軸線方向時，所需切削力最大，容易出現(xiàn)切不動的現(xiàn)象；當切削力方向與木材軸線方向平行時，所需切削力最小，但容易切不到木料。鼓式木材削片切碎機的切削原理如圖2所示。正常情況下，木材的上部所受力為壓力，木材的下部所受力為拉力；如果把進料槽的傾斜角設計得過大，就會出現(xiàn)切不到木材的現(xiàn)象；如果把進料槽的傾斜角設計得太小，就會出現(xiàn)切不動木材的現(xiàn)象；因此，為了保證鼓式切削的順利進行，需要保證木材的最上端處于受拉區(qū)，且進料槽的傾斜角度較大些。因此設計刀鼓軸線到進料槽底面的垂直距離B=144 mm；木材最上端到進料槽底面的垂直距離Hm=70 mm；飛刀的切削圓半徑R=157 mm。則依據(jù)式①計算得知木材剛被切削時的遇角=62°；經(jīng)式②分析得，當+ε<90°時，木材受拉，則ε<28°，因此推斷出本臺切碎機鼓式進料口的傾斜角可以為65°，此時的鼓式進料槽使得本次設計的切碎機在進行鼓式切削時，避免出現(xiàn)切不動或者切削不到木材的現(xiàn)象。

Fu=Fcos(+ε)②,式中,為遇角，一般遇角=90°-α1，α1為進料槽傾角。

2.1.2盤式進料槽的設計

大多數(shù)盤式削片機的進料為自由進料方式，進料槽的斷面形狀共有6種，如圖3所示。這6種進料槽分別適合不同的原料形狀，其中應用最為廣泛的是方形進料槽。進料槽安裝在機架上會有一定的偏角，即傾斜角α1、偏角α2。傾斜角α1是指水平面與進料槽的中心線間的夾角，一般取45°～52°；偏角α2是指刀盤軸線與進料槽中心線在水平面上的投影的夾角，一般取20°～30°；對于那些采取水平進料方式的盤式木材切碎機，一般只是傾斜角α1=0°，而偏角α2不為零，這主要是為了使木材能夠在切削力的作用下向著刀盤方向進給，免去再為此進料口另設強制進料機構(gòu)[3～5]。

本研究設計主要用于切碎采伐、間伐剩余物，園林修剪剩余物等木材，這些木料的斷面形狀多為圓形，且大小不一，為了更好地適應木料的形狀，本研究盤式切削進料槽的斷面形狀選為方形。根據(jù)初定的設計方案，盤式削片進料口的最大進料直徑不得超過50 mm，則設定進料槽口邊長尺寸為72 mm，同時，為了便于向盤式進料槽內(nèi)投放木材，將進料槽設計為錐形，頂端的進料槽邊長尺寸為222 mm，如圖1移動式高效生物質(zhì)雙向切碎機主視圖中的3盤式進料槽所示；盤式進料槽的傾斜角取值為α1=50°，偏角α2=0°，此外，在盤式進料槽入口處加設橡膠擋板，以防止木材在切削的過程中向外彈出。

圖3　進料槽斷面形狀

2.2刀輥的結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)預定設計方案的要求，將切碎機設計成為既可以進行鼓式切削又可以進行盤式切削的機器。按照目前鼓式削片機和盤式削片機刀具布置的位置，鼓式削片機是將飛刀布置在刀鼓軸側(cè)面上；再與相應的底刀組合構(gòu)成剪切機構(gòu)，削下木片，而盤式切削是將飛刀布置在刀盤的端面上，然后與底刀配合形成一個剪切機構(gòu)，切下木片。因此，為了使兩種切削方式的木片的排放互不影響[6～8]，此復合型刀輥的結(jié)構(gòu)設計如下。

(1)復合型刀輥的結(jié)構(gòu)在這里，稱刀鼓和刀盤組合成的復合體為刀輥。刀鼓與刀盤同穿在一根主軸上，兩者通過焊接而組合成為一個有機整體。刀鼓是在軸向布置刀具來配合相應的底刀，從而實現(xiàn)鼓式削片；刀盤不同于刀鼓，刀盤是在端向布置刀具，與對應的底刀配合，從而完成盤式削片。

(2)刀具排布由于復合型刀輥中的刀鼓與刀盤是緊緊靠在一起的，因此，若要保證刀輥在進行削片工作時，木片的輸出互相不受到干擾，需要使刀鼓、刀盤上放置的飛刀的數(shù)量相同，同時，還要保證刀鼓的排屑槽與刀盤的排屑槽在同一條直線上。

(3)刀輥直徑D=300 mm，刀輥總寬度B不得超過130 mm。

(5)鼓式切削汽油機馬力由木材切碎機的率經(jīng)驗公式N=CKEQ，通過計算得本雙向粉碎機鼓式切削時所需的切削功率N=9.3 kW，約為12.65馬力。

(7)盤式切削汽油機馬力由木材切碎機的主電機功率經(jīng)驗公式N=CKEQ得N=8.4 kW，約為11.256馬力。

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)要求，將設計的復合型刀輥結(jié)構(gòu)利用Pro-E進行三維建模，建立完成的刀輥結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4　刀輥結(jié)構(gòu)三維圖

3主動力參數(shù)的確定

根據(jù)預定的設計方案，本研究設計的移動式高效生物質(zhì)雙向切碎機需要在室外作業(yè)，使用電動機提供動力并不方便，因此，本研究選用汽油機提供動力。

切削力的計算式[10]為，F(xiàn)x=p·a·b·9.81④,式中，p為單位切削力；a為切削深度(mm)；b為切削寬度(mm)。

主要參數(shù)鼓式切削中a=0.75 mm，b=70 mm，V=35.55 m/s，δ=0.802 rad；盤式切削中a=0.75 mm，b=50 mm，V=26.95 m/s，δ=0.698 rad。木材有軟木和硬木之分，為了使機器適應性更為廣泛，切削力的計算按照材質(zhì)較硬的木材計算，則鼓式切削在切削木材時，單位切削力為P2=0.521 N，切削力Fx2=268.328 N。盤式切削，在切削木材時，單位切削力為P2=0.409 4 N，切削力Fx1=150.608 N；

切削功率即為切削力與切削速度的乘積，則本移動式高效生物質(zhì)雙向切碎機的切削功率的計算式[10]為,Pc=Fx·V⑤,式中,Fx為切削力(N)；V為切削速度(m/s)。

鼓式切削中，切削功率Pc2=9.452 kW，約為12.86馬力；盤式切削中，切削功率Pc1=4.058 kW，約為5.521馬力。

另外，鼓式切削所需功率N2=9.3 kW，盤式切削所需功率N1=8.4 kW，因為本臺機器設計為鼓式盤式復合式，所以選取汽油機的動力要都能滿足所需功率，因此所需功率為9.3 kW。根據(jù)千瓦與馬力之間的換算關系，計算得知9.3 kW約為12.65馬力。

因此，最終選取的動力源為13馬力的汽油機；又因為主軸的轉(zhuǎn)速要達到2 500 r/min，根據(jù)汽油機轉(zhuǎn)速的型號選取汽油機轉(zhuǎn)速為3 600 r/min。因此本研究選取的汽油機的主要技術參數(shù)為：功率為13馬力，轉(zhuǎn)速為3 600 r/min。

4結(jié)論

本研究設計的移動式高效生物質(zhì)雙向切碎機具有行走機構(gòu)及有兩種切削方式的復合刀輥，在確定了以上設計要求后，結(jié)合盤式木材削片切碎機、鼓式木材削片切碎機的切削原理，利用反求工程設計法，對移動式高效生物質(zhì)雙向切碎機的重要零部件進行結(jié)構(gòu)設計，得到了主要的設計參數(shù)：刀輥直徑均為D=300 mm，飛刀數(shù)目均為Z=2，刀鼓、刀盤的總寬度≤130 mm；主軸轉(zhuǎn)速n=2 500 r/min；鼓式削片的進料槽的最大進料直徑≤70 mm，進料槽的邊長尺寸選為100 mm，進料方式為自由進料；盤式削片的進料槽的最大進料直徑≤50 mm，進料槽口邊長尺寸為72 mm，進料方式為自由進料。

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Design of Movable Biomass Bidirectional Chopper with High Efficiency

MA Yan,LI Hu,SUN Qi,REN Chang-qing,YANG Chun-mei

(Forestry and Woodworking Machinery Engineering Technology Center of Northeast Forestry University,Harbin Heilongjiang 150040,P.R.China)

Abstract:In order to efficiently utilize logging residues,a mobile biomass bidirectional chopper was designed by referencing small mobile dual feed chopper from foreign countries, and the design process and main parameters of its feed chute and knife roll were determined and analyzed.This machine,which equipped with a walking mechanism and its composite knife roll with two kinds of cutting modes of disc cutting and drum cutting,could walk in the forest,and it could also choose the cutting method according to users’ needs.Because of above-mentioned advantages,this machine is able to efficiently process logging residues.

Key words:small mobile dual-feed chopper; logging residues; cutting machine

中圖分類號：TS 64

文獻標識碼：A

文章編號：1672-8246(2015)06-0001-05

通訊作者簡介：楊春梅(1978-)，女，教授，博士，主要從事林業(yè)與木工機械設計研究。E-mail：823961935@qq.com

作者簡介：第一馬巖(1955-)，男，教授，博士，主要從事林業(yè)與木工機械設計研究。E-mail：myan@vip.163.com

基金項目：國家能源應用技術研究及工程示范項目(NY2013040102)資助。

收稿日期：*2015-05-19

doi10.16473/j.cnki.xblykx1972.2015.06.001