雜交狼尾草切鍘機(jī)的設(shè)計(jì)

羅新文，楊陸強(qiáng)，陳 釗，高彥玉，趙玉清，高志超，朱加繁

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650201)

0 引言

雜交狼尾草(Pennisetum americanum x P．purpureum)是一種暖季型多年生禾本科牧草，屬于C4植物，其產(chǎn)量高、生長(zhǎng)期長(zhǎng)，具有廣泛的適應(yīng)性[1]。雜交狼尾草的木質(zhì)素含量約為8.92%，纖維素含量為36.15%左右，半纖維素含量為21.01%左右[2]。其木質(zhì)素含量低于玉米秸稈，而纖維素和半纖維含量較玉米秸稈的相似，具有與玉米秸稈相似的韌性和小于玉米秸稈的硬度。作為優(yōu)質(zhì)牧草，其用途主要體現(xiàn)在以下兩方面：一是作為青貯飼料[3]；二是作為生物質(zhì)能源(如沼氣發(fā)酵等)[2，4]。

切鍘機(jī)的主要功能是用來(lái)切斷稻谷、麥秸、玉米秸等作物莖稈，較適用于農(nóng)作物乳熟期的青貯。按規(guī)格大小的不同，可分為小型、中型和大型；按切割方式的不同，可分為滾筒式和圓盤式；按作業(yè)方式的不同，可分為田間直接收獲機(jī)和固定式切碎機(jī)。雜交狼尾草的再生能力強(qiáng)，一年內(nèi)可刈割多次，其鮮草的單產(chǎn)可達(dá)90～120t/hm2[5-6]。切鍘作業(yè)后，狼尾草莖稈葉的適口性和消化反應(yīng)率將得以有效提高，且產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益也將隨之增加。切鍘作為狼尾草飼料化及能源化利用的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，將有效提高狼尾草資源化利用的效率。

為簡(jiǎn)化雜交狼尾草切鍘機(jī)的機(jī)型，提高狼尾草草料的生產(chǎn)率，并降低切鍘機(jī)的功率消耗，研究設(shè)計(jì)了一種臥式圓盤式雜交狼尾草切碎機(jī)。利用ANSYS Workbench有限元分析軟件，對(duì)其核心工作部件刀盤進(jìn)行了包括靜力學(xué)分析在內(nèi)的數(shù)值模擬，旨在為雜交狼尾草切鍘機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，并縮短其設(shè)計(jì)制造周期。

1 總體機(jī)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

該切鍘機(jī)主要由機(jī)架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、喂入裝置及切鍘裝置等構(gòu)成，如圖1所示。其中，機(jī)架上焊接有電機(jī)機(jī)架，電機(jī)機(jī)架上安裝有電動(dòng)機(jī)，在電動(dòng)機(jī)上安裝有兩槽V帶輪，帶輪通過(guò)V帶將電機(jī)動(dòng)力傳遞于主軸，機(jī)架上通過(guò)一組軸承座來(lái)支持切碎機(jī)主軸；主軸上安裝有刀盤，刀盤的一面安裝有3組動(dòng)刀，另一面裝有3組拋板；主軸的另一端與減速箱連接，減速箱的輸出軸通過(guò)齒輪和喂入輥連接。

1.2 工作原理及過(guò)程

切碎機(jī)作業(yè)時(shí)，在電動(dòng)機(jī)的作用下，帶輪及皮帶將帶動(dòng)切碎機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，刀盤及安裝在其上的刀片將獲得一定的轉(zhuǎn)速；在上下喂入輥相向轉(zhuǎn)動(dòng)的卷送作用下，狼尾草被壓送進(jìn)入喂料口，隨后被高速旋轉(zhuǎn)的刀片所鍘斷；被鍘斷的草料會(huì)隨刀盤的離心轉(zhuǎn)動(dòng)，在拋送葉片的攜帶作用下被排送出排料道，最終完成狼尾草的喂料、切鍘和排送作業(yè)。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

該雜交狼尾草切碎機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)：外形尺寸為772.5mm×1 477.5mm×965mm(長(zhǎng)×寬×高)，機(jī)架尺寸為772.5mm×385mm×530mm(長(zhǎng)×寬×高)，電機(jī)型號(hào)為Y132S-6Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)，刀片圓弧刃的弧長(zhǎng)為131mm，狼尾草莖稈葉的切碎長(zhǎng)度為10mm，生產(chǎn)效率為400kg/h。

1.機(jī)架 2.喂入槽 3.喂入輥 4.軋距調(diào)節(jié)裝置 5.罩殼 6.刀片 7.刀盤 8.拋送葉片 9.排料道 10.減速箱 11.皮帶

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)

該機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由安裝在機(jī)架下部的電動(dòng)機(jī)、其上的皮帶輪和V帶、刀盤傳動(dòng)軸和喂入輥傳動(dòng)軸及其上的直齒輪，以及變速系統(tǒng)中的錐齒輪和直齒輪等構(gòu)成，如圖2所示。

1.帶輪 2.刀盤 3.小圓柱齒輪 4.軸承座 5.小錐齒輪

由于主軸旋轉(zhuǎn)方向和喂入輥旋轉(zhuǎn)方向成90°夾角，為了改變旋向加入了一組錐齒輪。同時(shí)，考慮到喂入機(jī)構(gòu)有卡死的情況，把錐齒輪組改為了星齒輪組，當(dāng)撥叉撥到不同位置時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)喂入輥的正轉(zhuǎn)、倒轉(zhuǎn)、靜止3種狀態(tài)。其中，帶輪選用灰鑄鐵HT200作為加工材料，小帶輪直徑D1=170mm，大帶輪直徑D2=320mm，選用2根三角膠帶；齒輪選用45鋼經(jīng)調(diào)制處理加工而得。

2.2 喂入裝置

喂入裝置由軋距調(diào)節(jié)裝置、喂入槽、上喂入輥及下喂入輥構(gòu)成，動(dòng)力通過(guò)齒輪傳遞給喂入輥，如圖3所示。為避免物料堵塞，該裝置帶有間隙調(diào)節(jié)裝置，上喂入輥上下移動(dòng)的范圍大, 能承受較大的喂入量, 故生產(chǎn)率高。上喂入輥軸承與滑塊軸承座相連，滑塊軸承座與喂入輥上蓋相連，喂入輥上蓋又通過(guò)雙頭螺柱與機(jī)架相連，使上喂入輥能隨飼草層的厚度而上下調(diào)整，以適應(yīng)物料層厚薄的變化并保證物料能夠被均勻地壓緊。切鍘機(jī)工作時(shí)，上下喂入輥以相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，草料被均勻地壓緊送入，由刀片將其切成碎段。其中，上下喂入輥均為溝槽形，由于設(shè)計(jì)中喂入輥載荷不大，但要求韌性較高，所以喂入輥由20鋼經(jīng)正火處理得到；根據(jù)秸稈加工質(zhì)量和生產(chǎn)率[7]，確定喂入口的高為50mm，寬為100mm。則有

計(jì)算得喂入輥的轉(zhuǎn)速n1=64r/min。

針對(duì)喂入槽，為保證喂入輥連續(xù)不斷地向切碎室喂料，并防止物料掉落，在設(shè)計(jì)中，將其設(shè)計(jì)為雙槽重疊式。其中，利用5mm厚的鋼板將外面的鋼槽焊接而成，其兩側(cè)則用鋼板加厚；在鋼槽內(nèi)再插一個(gè)薄壁進(jìn)料槽，料槽的長(zhǎng)度根據(jù)整體機(jī)型定為1.2m，用螺栓固定。

1.軋距調(diào)節(jié)裝置 2.喂入槽 3.喂入輥

2.3 機(jī)架

根據(jù)狼尾草切鍘機(jī)的使用環(huán)境，確定該狼尾草切鍘機(jī)的機(jī)架材料為Q235B等邊角鋼(30×30×4)，通過(guò)手工電弧焊將其焊接而成。另外，在機(jī)架刀盤的罩殼四周安放一塊10mm厚的鋼板以便固定各零部件。根據(jù)各零部件的設(shè)計(jì)尺寸，最終將機(jī)架的整體尺寸設(shè)計(jì)確定為772.5mm×385mm×530mm(長(zhǎng)×寬×高)。

2.4 刀軸

在切鍘機(jī)的工作過(guò)程中，刀軸將承受來(lái)自刀盤的扭矩和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，會(huì)產(chǎn)生扭曲、彎曲等組合變形，并伴隨著強(qiáng)烈的沖擊和振動(dòng)。所以，刀軸的材料應(yīng)當(dāng)滿足強(qiáng)度、剛度、耐磨性和耐高溫等條件[8]，在此選擇45鋼，并對(duì)其實(shí)施調(diào)質(zhì)處理，其基本尺寸為：總長(zhǎng)300mm，軸徑35mm。

由相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得，皮帶輪傳遞于刀軸的扭矩為

根據(jù)刀軸的受力情況，按第三強(qiáng)度理論校核其最大彎矩和扭矩截面的強(qiáng)度為

由于軸的計(jì)算強(qiáng)度小于材料的最大許用強(qiáng)度，設(shè)計(jì)合理。

2.5 刀盤及刀片

刀盤是連接刀片和拋送裝置的機(jī)構(gòu)，安裝在主軸上，如圖4所示。作為狼尾草秸稈切碎機(jī)的核心工作部件，刀片的質(zhì)量和壽命直接影響其切碎性能和生產(chǎn)率。根據(jù)青貯原料韌性大、強(qiáng)度低的特點(diǎn)，選擇圓盤式凹凸刃刀片相結(jié)合的滑切設(shè)計(jì)方案[9]。其中，刀片制作材料選擇65Mn[10]，其長(zhǎng)度為131mm，圓弧刃所在圓的半徑為375mm，刃口角度為40°，厚度為10mm，其上均布3個(gè)直徑為12mm的螺紋孔。

3 切鍘機(jī)刀盤有限元仿真分析

3.1 模型網(wǎng)格劃分

刀盤的制作材料為45鋼，在其中心軸孔的外圍設(shè)計(jì)有環(huán)形的加強(qiáng)筋；將SolidWorks建立的刀盤三維模型以IGS文件的格式導(dǎo)出，運(yùn)用ANSYS Workbench有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分圖

3.2 刀盤靜力學(xué)分析

通過(guò)靜力學(xué)分析，結(jié)合其等效應(yīng)力云圖(見(jiàn)圖6)可以發(fā)現(xiàn)：在圓周方向上，應(yīng)力分布由3個(gè)相似部分所組成，刀盤應(yīng)力主要集中在軸孔到丫形交叉點(diǎn)之間，最大值為204.46MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度355MPa。結(jié)合其等效應(yīng)變圖(見(jiàn)圖7)發(fā)現(xiàn)：應(yīng)力集中部位與應(yīng)變較大部位基本吻合，最大應(yīng)變值為1.03×10-3mm。結(jié)合其總變形云圖(見(jiàn)圖8)發(fā)現(xiàn)：位移以軸孔為中心呈中心對(duì)稱分布，位移最大值處在安裝刀片的枝丫的最外端，最大的位移為0.54mm。

圖6 等效應(yīng)力圖

3.3 刀盤模態(tài)分析

模態(tài)是指機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)都有特定的固有頻率、 阻尼比和模態(tài)振型， 隨著分析

階數(shù)的逐漸增大，誤差也會(huì)隨之變大。 在這里，采用Block lanczos法分析提取該刀盤的前6階模態(tài)，得到相應(yīng)的結(jié)果如表1所示。振型云圖如圖9～圖14所示。

圖8 總變形云圖

Hz

圖9 刀盤1階振型云圖

圖10 刀盤2階振型云圖

圖11 刀盤3階振型云圖

圖12 刀盤4階振型云圖

圖13 刀盤5階振型云圖

圖14 刀盤6階振型云圖

從分析結(jié)果可以看出：刀盤的2階模態(tài)和3階模態(tài)振動(dòng)頻率較為接近；4階模態(tài)、5階模態(tài)、6階模態(tài)也較為接近，分別是振動(dòng)方程的兩個(gè)二重根。針對(duì)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這樣的分析結(jié)果是正常的[11]。從各階振型云圖可以看出：隨著與軸孔中心位置距離的加大，刀盤的位移量也逐漸變大，最大位移值處在最外端邊緣處。

刀盤的干擾頻率與軸的轉(zhuǎn)速存在如下關(guān)系，即

n=60f

其中，n為轉(zhuǎn)速(r/min)；f為干擾頻率(Hz)。

切鍘機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速為500r/min，由公式可得刀盤的干擾頻率為8.3Hz，該值遠(yuǎn)小于刀盤的前6階模態(tài)振頻，說(shuō)明該機(jī)在工作過(guò)程中可遠(yuǎn)離共振現(xiàn)象的出現(xiàn)。

4 試驗(yàn)效果

試驗(yàn)材料為栽種于云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山的雜交狼尾

草，距上次刈割期有60天。將切鍘機(jī)主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為500r/min，平穩(wěn)、均勻地將收割到的雜交狼尾草從喂入裝置喂入。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：該切鍘機(jī)的生產(chǎn)率可達(dá)400kg/h，近95%的雜交狼尾草莖稈葉的切斷長(zhǎng)度為10～11mm，整機(jī)在工作過(guò)程中運(yùn)行平穩(wěn)，能夠滿足實(shí)際作業(yè)需求。

5 結(jié)論

)根據(jù)雜交狼尾草的性狀及特征，設(shè)計(jì)了一種雜交狼尾草切鍘機(jī)，介紹了該機(jī)的整體結(jié)構(gòu)與工作原理，闡述了其關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)思路。

2)采用數(shù)值模擬的方法，運(yùn)用ANSYS Workb-ench有限元分析軟件，對(duì)其核心工作部件刀盤做了工作過(guò)程的仿真分析。通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，刀盤應(yīng)力主要集中在軸孔到丫形交叉點(diǎn)之間，最大值為204.46MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度355MPa；應(yīng)力集中部位與應(yīng)變較大部位基本吻合，最大應(yīng)變值為1.03×10-3mm；其位移最大值處在安裝刀片的枝丫的最外端，最大的位移為0.54mm；干擾頻率8.3Hz遠(yuǎn)小于前6階模態(tài)振頻。