灌木切割粉碎一體機設(shè)計

李志昊，閆文剛，劉志剛，李治國，白 陽

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學 機械工程學院，呼和浩特 010051）

1 我國灌木機械的市場前景

我國全國沙漠化土地、具有沙化趨勢的土地分別有438.16、32.15萬平方公里，其中內(nèi)蒙古自治區(qū)的荒漠化土地面積占全國的約57%，是目前全國范圍內(nèi)土地沙漠化最嚴重的省份。為了治理土地荒漠化，國家同內(nèi)蒙古自治區(qū)政府投入了大量精力，在內(nèi)蒙古地區(qū)每年的平均灌木營造面積已經(jīng)占據(jù)總營林面積的接近70%。沙生灌木是我國西部干旱、半干旱地區(qū)在治理土地荒漠化的過程中重要的營造樹種，內(nèi)蒙古自治區(qū)目前現(xiàn)有灌木面積達333.4萬公頃，灌木大約每三到四年為一個周期需要進行一次平茬復(fù)壯。平茬后灌木生長較快，枝條更茂盛。平茬復(fù)壯中切下的枝條可用于生產(chǎn)人造板，柳編產(chǎn)品，灌木飼料加工等。傳統(tǒng)的依靠人工平茬的方式不僅生產(chǎn)效率低，而且勞動強度高。對于灌木的營林工作，急需要大量的灌木營林械。全國林業(yè)對于灌木機械的需求每年大約在5萬臺以上。

2 總體方案確定

如圖1所示，2號為割灌部分，通過3號皮帶傳動使得主軸轉(zhuǎn)動，通過2號機體里面的斜齒輪和直齒輪的傳動帶動圓形刀片轉(zhuǎn)動，從而達到切割灌木的目的。此種切割方式為無支撐切割。1號為倒人字形導(dǎo)板，灌木被切割倒之后由于車體的速度，灌木枝條通過1號人字形導(dǎo)板到達4號傳送帶部分，通過傳遞帶傳遞到14號喂入輥的位置，喂入輥安裝在6號喂入輥架上，喂入輥設(shè)計為兩部分分上喂入輥和下喂入輥，通過皮帶傳動上喂入輥轉(zhuǎn)動，上下喂入輥通過齒輪傳動，這樣可以使得上下喂入輥擁有相反的轉(zhuǎn)動方向使得起到導(dǎo)向和傳送的作用。喂入輥設(shè)計為溝齒狀，這樣可以使得上相喂入輥擁有更好的相對轉(zhuǎn)動，也提高了灌木在進入之后喂入輥對枝條產(chǎn)生擠壓，以便于切割。經(jīng)過喂入輥后，灌木枝條到達13號定刀片處，定刀片安裝在7號定刀架上，11號動刀旋轉(zhuǎn)粉碎枝條，粉碎后的枝條下落，8號分料器轉(zhuǎn)動，調(diào)整落料的位置。通過對各種灌木機械的調(diào)查和了解，本著方便，生產(chǎn)率高，節(jié)省勞動力的原則，對本機進行了總體設(shè)計。

圖1 切割灌一體機原理圖

3 典型部件的設(shè)計

3.1 喂入輥的設(shè)計

喂入機構(gòu)壓緊灌木枝條并將其喂入切碎器，在切碎時夾持住灌木枝條以免在切碎時因受力不均產(chǎn)生長枝條，為了保證粉碎過程的順利，喂料時要求物料層不可以相對滑動，并且當物料層厚度發(fā)生變化時必須保證也能夠加緊物料，所以喂入輥的設(shè)計為如圖2所示，上下喂入輥為溝齒狀，并且可以相互配合，上下喂入輥之間傳動方式采用齒輪傳動，齒輪傳動平穩(wěn)可靠，可以保證喂入輥平穩(wěn)正常的工作。

圖2 喂入機構(gòu)

主要參數(shù)確定：

上下喂入輥長度1200mm。

溝齒數(shù)z=30。

外徑計算式為：

式中：t為喂入灌木枝條的厚度，取t=60mm；

u為枝條通過喂入輥時的壓縮系數(shù)，u=0.6～0.8，取u=0.6；

φ為草層和喂入輥之間的摩擦角，φ=16°～32°，取φ=20°；

3.2 切碎器的設(shè)計

切碎器的設(shè)計標準是結(jié)構(gòu)緊湊，刀具便于刃磨，動刀和定刀之間間隙足夠小，粉碎的物料拋送方便，并且粉碎時要省力，負荷均勻。

如圖3所示切碎機構(gòu)有旋轉(zhuǎn)動刀和定刀組成，動刀有6片，均勻分布在旋轉(zhuǎn)體上。通過動刀和定刀的配合，達到切碎的目的。

3.3 割灌機部分的設(shè)計

如圖4所示為灌木切割粉碎一體機的割灌機部分，主軸旋轉(zhuǎn)通過錐齒輪傳動帶動中間軸轉(zhuǎn)動，再通過傳動齒輪帶動上下兩個軸轉(zhuǎn)動，圓形刀片通過螺栓安裝在主軸上，主軸同旋轉(zhuǎn)刀片一起轉(zhuǎn)動，達到割灌的目的。

圖3 切碎機構(gòu)

圖4 割灌機部分

下面以割灌器中的一對齒輪為例進行設(shè)計計算：

小齒輪齒數(shù)為z1=5 2，大齒輪齒數(shù)z2=u z1=3.2×52=166.4，取z2=167齒。經(jīng)過齒面接觸疲勞強度校核與齒根彎曲疲勞強度校核計算，再經(jīng)過變位調(diào)整中心距設(shè)計得割灌機部分的主要設(shè)計結(jié)論為：

齒數(shù)z1=52，z2=181，模數(shù)m=1.25mm，壓力角a=20°，變位系數(shù)x1=0.362，x2=0.416，中心距a=148.5mm，齒寬b1=70mm，b2=65mm，在材料選擇上小齒輪材料選用40Cr，大齒輪選用45鋼，全部調(diào)質(zhì)處理。齒輪按7級精度設(shè)計。

3.4 電機選擇

轉(zhuǎn)速n=2000r/min～3000r/min。

材料65Mn。

圓鋸片直徑D=400mm。

1）圓鋸片空載轉(zhuǎn)動消耗的功率

空載時所需消耗的功率為：

式中：n為圓鋸盤轉(zhuǎn)速（r/min），n=2500；

j為刀盤轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2），j=0.1；

w為刀盤角速度（rad/s），w=210rad/s。

代入公式得到p1=5.5kw。

2）圓鋸盤切割灌木時消耗的功率

式中：vm為機器進給速度（m/s），vm=1；

A為刀盤的切割寬度（m），A=0.4m；

l0為切割灌木時所需的功（J/m2），l0=480。

代入公式得：

3）考慮在傳遞過程中的功率消耗，查表可得齒 更輪傳動效率1=0.98，軸承效率2=0.99，聯(lián)軸器傳遞效率3=0.99。

則有：

由于本機器采用的是三鋸片同時作用，所以機器所消耗總功為：

因此，選取Y200L-1-2型三相異步電動機，如表1所示。

表1 三相異步電機選型

3.5 仿形機構(gòu)設(shè)計

由于風的作用，灌木的根部會形成一個半圓形沙包，考慮到這個問題，該套裝置在割灌機部分的底部安裝3個仿形輪，3個輪子采用三角形布局，提高穩(wěn)定性。在工作過程中，遇到沙包，輪子會在沙包表面滾動，使割灌機設(shè)備抬升，保證其始終與地面保持一定距離。

3.6 導(dǎo)向板機構(gòu)設(shè)計

由于切割裝置安裝在車體的前方，所以要保證割倒的灌木枝條，及時準確的到達傳送帶部分，否則會因為枝條的擁堵影響車體前進。所以設(shè)計倒人字導(dǎo)板結(jié)構(gòu)，枝條通過倒人字導(dǎo)板可以準確及時的到達傳送帶。

3.7 傳送帶設(shè)計

如圖5所示，傳送帶驅(qū)動方式為電機驅(qū)動，傳送帶的帶面設(shè)計為固定距離凸起狀，這樣可以使得灌木枝條好的跟隨傳送帶運動，順利進入到喂入輥機構(gòu)。

圖5 傳送帶

3.8 割灌刀片的選擇

割灌刀頭種類有三角刀頭，十字刀頭，圓鋸片。其中，如圖6所示的圓鋸片刀頭是所有刀頭中應(yīng)用最為廣泛的一種，圓鋸片與三角刀頭和十字刀頭相比能夠切割直徑更大的灌木，切割效率高，結(jié)構(gòu)簡單，操作安裝方便。

圖6 圓鋸片刀片

3.9 分料器的設(shè)計

分料器的作用是調(diào)整落料位置，防止落料堆積從而影響箱體的容積。如圖7所示，分料器有四片葉片，兩兩葉片之間相互垂直，葉片隨軸轉(zhuǎn)動。

圖7 分料器

4 結(jié)論

本套機械參考國內(nèi)外的割灌機和粉碎機進行設(shè)計，通過輸送機構(gòu)將割灌機和粉碎機串聯(lián)在一起，做到了灌木由割倒接輸送到粉碎的同步，本套裝置擁有很好的地形通過性。大大提高了灌木平茬的效率，同時也大大減少了工人了勞動強度和企業(yè)的成本，解決了現(xiàn)有的問題。

但該機器還需要在生產(chǎn)實踐中進行檢驗，以完善不足之處。