棉花秸稈螺旋壓縮輸送裝袋機的設計

徐志強 ，郭 輝 ，2，陳恒峰 ，高國民

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設計實驗室重點實驗室，烏魯木齊 830052）

新疆的棉花秸稈產(chǎn)量巨大，對其進行有效粉碎和微生物發(fā)酵后作為飼料，是一種非常有前景的綜合利用方式。目前，螺旋輸送裝袋技術主要應用于食用菌裝袋，在用于秸稈飼料裝袋過程中會出現(xiàn)纏繞堵塞、壓縮效果不佳等問題。為此，以螺旋輸送系統(tǒng)為基礎，參照食用菌螺旋輸送裝袋機，設計一款適用于棉花秸稈輸送裝袋的機具，實現(xiàn)秸稈飼料半自動裝袋，并使飼料具有一定的壓縮成塊特性。

1 棉花秸稈螺旋壓縮輸送裝袋機的總體設計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

該裝袋機為螺旋壓縮輸送式，裝袋模式采用半自動式，可實現(xiàn)間歇性工作，且在裝袋過程中實現(xiàn)物料攪拌壓縮。裝袋機主要由減速電機、油缸、電磁離合器、鏈傳動系統(tǒng)、攪拌機構(gòu)、壓縮輸送機構(gòu)、裝袋機構(gòu)組成（如圖1所示），可完成粉碎后的棉花秸稈喂入、攪拌、輸送、壓縮、裝袋等作業(yè)。

圖1 棉花秸稈螺旋壓縮輸送裝袋機結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structural diagram of cotton straw spiral compression conveying and bagging machine

1.2 工作原理

將粉碎的棉花秸稈喂入進料箱后，減速電機通過鏈傳動帶動撥桿和輸料擠壓螺旋旋轉(zhuǎn)；物料落下時加入菌種，通過撥桿攪拌并進入底部料槽；輸料擠壓螺旋將物料向右端壓縮輸送和攪拌；料筒右端套上φ60 mm×40 mm的塑料袋，當物料裝滿塑料袋時，通過電磁離合器暫停運行，推進油缸將物料進一步壓縮并裝入拖筒內(nèi)，推進油缸復位；通過卸料油缸伸縮將下拖筒向斜下方向拉動，物料從拖筒內(nèi)滑落，由人工包扎。

2 棉花秸稈螺旋壓縮輸送裝袋機關鍵部件設計

2.1 喂料箱

喂料箱（見圖2）根據(jù)物料摩擦特性設計，可以增加物料流通性，減少其與內(nèi)壁的摩擦阻力，從而避免物料在料箱內(nèi)滯留和架空。

喂料箱兩側(cè)的角度最佳傾角在55°～75°之間，高度為330 mm，上口寬680 mm，下口寬380 mm。經(jīng)測算，傾角選擇63°，便于棉秸稈物料滑落。

圖2 喂料箱Figure 2 Feed box

2.2 撥桿機構(gòu)

撥桿機構(gòu)如圖3所示。其撥桿軸上空間交錯對稱排列了4個撥桿，撥桿與撥桿軸都呈90°，撥桿軸長504 mm，高 165 mm。

圖3 撥桿機構(gòu)Figure 3 Shifter lever mechanism

撥桿機構(gòu)旋轉(zhuǎn)可避免粉碎后的棉花秸稈纏繞，有利于物料喂入與攪拌。

2.3 輸料擠壓螺旋

輸料擠壓螺旋（圖4）是一個變螺距螺旋，為裝袋機的核心部件，其設計直接影響生產(chǎn)率的物料擠壓能力。輸料擠壓螺旋在料槽內(nèi)起攪拌和輸送物料的作用，在料筒內(nèi)起到輸送與擠壓物料的作用。螺旋外徑為378 mm，料筒內(nèi)壁為390 mm，徑向間隙為6 mm，料槽內(nèi)螺旋螺距為360 mm，料筒內(nèi)螺旋螺距為300 mm。料槽內(nèi)的螺旋輸送能力大于料筒內(nèi)的輸送能力，所以料筒內(nèi)的物料擠壓能力大大提高。

2.4 輸料擠壓螺旋端部

輸料擠壓螺旋的端部是裝袋機出料擠壓的部位，也是易磨損易變形的部位，所以在加工處理過程中進行加厚或熱處理，以提高此部位的韌性和強度。

圖4 輸料擠壓螺旋Figure 4 Conveying compression spiral

2.5 卸料

整個卸料過程如圖5所示。推進油缸在物料擠壓過程中收縮，向右推進拖筒；當拖筒脫離料筒一段距離后，卸料油缸開始工作；當卸料油缸以B點為圓心順時針旋轉(zhuǎn)α角度后，下拖筒以A點為圓心順時針旋轉(zhuǎn)B角度，裝滿物料的塑料袋從下拖筒滑落至地面，最終實現(xiàn)卸料。

圖5 卸料過程示意圖Figure 5 Schematic diagram of unloading

2.6 傳動方案

設計采用三級鏈傳動，電機為減速電機。傳動系統(tǒng)由減速電機、鏈輪、軸承、電磁離合器組成。一級傳動與電機同步轉(zhuǎn)動，同時電磁離合器實現(xiàn)裝袋機間歇性工作；二級傳動帶動輸料擠壓螺旋轉(zhuǎn)動；三級傳動帶動撥桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動。

3 棉花秸稈螺旋壓縮輸送裝袋機主要參數(shù)的確定

3.1 設計參數(shù)的選取

根據(jù)農(nóng)業(yè)機械手冊，選擇的設計參數(shù)為干、濕鍘碎秸稈，螺旋外徑D為378 mm，變螺旋螺距分別為360 mm 和 300 mm，轉(zhuǎn)速 n為 80 r/min，螺旋軸直徑d為100 mm，徑向間隙為6 mm，螺旋厚度為3 mm。

3.2 螺旋輸送裝置的生產(chǎn)率計算

螺旋輸送器的生產(chǎn)率為：

式中：D為螺旋外徑，m；S為螺距，m；n為螺旋每分鐘轉(zhuǎn)速，r/min；λ為螺旋外徑與輸送管內(nèi)表面的間隙，取 λ＝0.006 m；d 為螺旋軸直徑，取 d＝100 mm＝0.1 m；C為傾斜輸送系數(shù)，傾斜角為0°時取C＝1；γ為被輸送的物料容重，取 γ＝0.3 t/m3；ψ 為充滿系數(shù)，長度小于150 mm干、濕鍘碎秸稈取ψ＝0.4。

根據(jù)設計要求，按小螺距S＝300 mm，計算得：

3.3 螺旋輸送裝置的功率計算

螺旋輸送機在工作狀態(tài)時主要受運輸物料的阻力，可分為物料與輸料筒內(nèi)壁的摩擦力、物料與螺旋葉片的摩擦力及物料與物料之間的摩擦阻力，而工作時軸承間的摩擦為空載阻力。因該機為水平式螺旋輸送機，不用考慮提升阻力，故阻力產(chǎn)生的功率之和即為螺旋輸送機驅(qū)動功率之和。

運輸阻力產(chǎn)生的功率為：

式中：μ 為阻力系數(shù)，取值范圍 1.2～4.0（磨琢性或粘性較大的物料取大值），取最大值4.0；L為水平輸送長度，取 L＝1 m。 經(jīng)計算得 P1＝0.21 kW。

空載阻力產(chǎn)生的功率為：

螺旋輸送機總驅(qū)動功率：

式中：K0為電動機功率儲備系數(shù)，取值范圍為1.1～1.4，取 1.4；Η為傳動機構(gòu)的效率，取值范圍為0.9～0.94，取 0.9。

經(jīng)計算得 P2＝0.21 kW，P1＝0.019 kW，P ≥0.35 kW。故電機選用YCJ132減速電機，額定功率為1.1 kW，額定轉(zhuǎn)速 1 400 r/min。

4 結(jié)論

棉花秸稈螺旋壓縮輸送裝袋機采用撥桿攪拌和電磁離合器實現(xiàn)間歇性工作，選用變螺距螺旋實現(xiàn)物料壓縮輸送功能。機具能夠半自動裝袋和增加物料壓縮量，大大提高物料的壓縮程度，降低操作者的工作強度，為實現(xiàn)自動裝袋機設計奠定技術基礎。

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