刃角對(duì)油茶樹枝粉碎機(jī)工作性能的影響

聶也之 ，吳志立 ，2，3*，劉扶貧 ，2，3，楊揚(yáng) ，劉亞夫

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410128；3.湖南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128）

1 前 言

油茶撫育環(huán)節(jié)中需每年修剪兩次樹枝，大量樹枝的堆積易造成病蟲害和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，而直接焚燒導(dǎo)致環(huán)境污染和資源浪費(fèi)[1]。同時(shí)油茶種植林地地形較為復(fù)雜，修剪枝條較為分散，需集中收集人工拖拽、捆綁[2]，因此，粉碎后直接堆肥成為廣大合作社廣泛采用的處理方式，經(jīng)過處理后制作成為肥料，還可作為食用菌培養(yǎng)基質(zhì)的原材料[3-4]?，F(xiàn)有的木質(zhì)類粉碎機(jī)種類繁多，因粉碎對(duì)象、粉碎要求的不同而呈現(xiàn)出差異性，目前國內(nèi)現(xiàn)有樹枝粉碎機(jī)趨于大型化，能耗較高，移動(dòng)不便，且多適宜粉碎直徑較大的樹枝[5]，在分析國內(nèi)外現(xiàn)有粉碎機(jī)特點(diǎn)的同時(shí)，結(jié)合油茶樹枝韌性較大、種植地形復(fù)雜等特點(diǎn)，針對(duì)油茶樹枝粉碎時(shí)易出現(xiàn)的刀口堵塞、刀具壽命低等問題，設(shè)計(jì)一款可移動(dòng)、可切削、操作簡單、生產(chǎn)率高的油茶樹枝粉碎機(jī)，粉碎油茶樹枝直徑達(dá)到30mm，粉碎粒度達(dá)到8mm以下。

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

樹枝粉碎機(jī)按照工作原理劃分有三種類型：錘片式粉碎機(jī)、盤式切削加錘片式粉碎機(jī)、鼓切式加錘片式粉碎機(jī)[6]，文中所設(shè)計(jì)油茶樹枝粉碎機(jī)粉碎方式采用盤式切削加錘片式粉碎，其具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、生產(chǎn)率高、粉碎效果優(yōu)秀等優(yōu)點(diǎn)，使用最為廣泛[7-9]。其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，該粉碎機(jī)主要結(jié)構(gòu)由機(jī)架、切削機(jī)構(gòu)、粉碎機(jī)構(gòu)、動(dòng)力傳動(dòng)裝置和整機(jī)外殼等組成。機(jī)架包括移動(dòng)輪、萬向輪和支架等；切削機(jī)構(gòu)主要包括進(jìn)料口、刀盤、刀具等；粉碎機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)子、錘片、銷軸、套筒、篩網(wǎng)等；動(dòng)力傳動(dòng)裝置主要有主軸、電機(jī)、V帶及帶輪等。

圖1 油茶樹枝粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

粉碎機(jī)通過電機(jī)輸出動(dòng)力，通過V帶帶動(dòng)刀盤高速轉(zhuǎn)動(dòng)，刀盤上布置有四個(gè)刀口，安裝在刀口的四把刀具依次將進(jìn)入的樹枝切成一定規(guī)格的木片[10]，木片在粉碎腔室中由不同排列順序的三組12片錘片進(jìn)行粉碎，最后在轉(zhuǎn)子風(fēng)葉、錘片的共同作用下，將通過篩網(wǎng)網(wǎng)孔的粉碎物料拋出腔室，從出料口排出，不能通過篩網(wǎng)網(wǎng)孔的物料則繼續(xù)參與粉碎，直至能夠排出為止?？赏ㄟ^控制篩網(wǎng)的孔徑大小來控制最終粉碎物料的粒徑大小[11]；進(jìn)料是通過樹枝自身的質(zhì)量與刀具切削樹枝時(shí)所產(chǎn)生的軸向分力來實(shí)現(xiàn)[12]；粉碎機(jī)安裝有移動(dòng)輪與萬向輪，能夠通過人工或者牽引裝置移動(dòng)到實(shí)際工作位置。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 粉碎試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模簽榻鉀Q粉碎油茶樹枝時(shí)出現(xiàn)的堵塞刀口、刀刃易損壞等問題，探究在不同材質(zhì)、不同刃角、不同主軸轉(zhuǎn)速條件下粉碎機(jī)對(duì)油茶樹枝粉碎性能的影響，并對(duì)油茶樹枝粉碎機(jī)的實(shí)際粉碎效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

粉碎試驗(yàn)方法：分別使用SKD11、W6兩種材質(zhì)，30°、35°、40°三組刃角，在三個(gè)主軸轉(zhuǎn)速 1750r/min、2050r/min、2350r/min 條件下進(jìn)行粉碎試驗(yàn)，每次粉碎時(shí)間t=60s；采用單根樹枝連續(xù)喂入方式，收集記錄每次試驗(yàn)粉碎木屑體積及功率變化，用于計(jì)算單位能耗，單位，共進(jìn)行18次試驗(yàn)；同時(shí)每次試驗(yàn)測量10次對(duì)應(yīng)粉碎木屑合格率，求取平均合格率；整理數(shù)據(jù)，獲取粉碎粒度占比、合格率、單位能耗等參數(shù)，繪制圖標(biāo)，分析結(jié)果。

2.2.2 磨損試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模哼M(jìn)一步探討刀具刃角對(duì)刀具表面磨損的影響程度。

試驗(yàn)方法：通過粉碎試驗(yàn)情況，選擇粉碎時(shí)具有較大差異的兩組刃角，分別為30°與40°，同時(shí)選擇SKD11、W6兩種材質(zhì)，將四把刀具安裝于同一刀盤處于同一切削環(huán)境，粉碎時(shí)長30min，主軸轉(zhuǎn)速2050r/min，采用單根連續(xù)喂料方式，使刀具處于較長的工作狀態(tài)，試驗(yàn)完成后觀察刀具刃口狀態(tài)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

粉碎試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 粉碎試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 單位能耗

圖2 刃角-單位能耗曲線圖

如圖2所示，兩圖分別為SKD11與W6材質(zhì)刀具在三組不同刃角條件下的單位能耗變化情況，兩圖中均在刃角為40°時(shí)單位能耗達(dá)到最小值；在30°～40°刃角區(qū)間內(nèi)，曲線圖均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，單位能耗數(shù)值隨著刃角的增加而減??；對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩圖中W6材質(zhì)單位能耗數(shù)值要小于SKD11材質(zhì)，且W6材質(zhì)曲線波動(dòng)較為平緩，相對(duì)較為穩(wěn)定。

3.2 合格率

圖3 刃角-合格率曲線圖

如圖3所示，粉碎合格率隨刃角的增大而增加，曲線呈上升趨勢(shì)；刃角增大，切削效果變好，轉(zhuǎn)速增加，錘片速度越快，錘片捶打物料時(shí)所附加的動(dòng)能也就越大，打擊力越大，越容易將樹枝內(nèi)纖維打斷。對(duì)比兩圖發(fā)現(xiàn)，主軸轉(zhuǎn)速為1750 r/min時(shí)，曲線波動(dòng)最大，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2050 r/min時(shí)，曲線波動(dòng)最小，轉(zhuǎn)速達(dá)到2350rpm時(shí)，曲線波動(dòng)較小，說明當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速從1750rpm增加至2050rpm時(shí)，合格率急劇增加，而當(dāng)轉(zhuǎn)速從2050 r/min增加至2350 r/min時(shí)，合格率增加較為緩慢，故轉(zhuǎn)速為2050 r/min左右時(shí)為臨界轉(zhuǎn)速。

3.3 粉碎粒度分布

圖4 不同轉(zhuǎn)速下油茶樹枝粉碎后形貌圖

表1 粉碎試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在材質(zhì)為SKD11、刃角為40°條件下時(shí)，粉碎粒度分布占比變化最明顯，從表2可以得出，在1750r/min、2050r/min、2350r/min 三個(gè)轉(zhuǎn)速下，8mm 以上粒徑占比分別為 14.21%、12.82%、10.97%；8mm～5mm粒徑占比46.64%、39.14%、27.64%；5mm以下粒徑占比39.15%、48.04%、61.39%；隨著轉(zhuǎn)速的增加，粒徑變化明顯，對(duì)比轉(zhuǎn)速2350r/min與1750r/min，5mm以下粒徑木屑占比接近1750r/min的兩倍，8mm以上粒徑木屑占比下降。

從圖4可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，油茶樹枝粉碎粒度降低，在轉(zhuǎn)速為1750r/min時(shí)粉碎粒度較為粗大，多呈現(xiàn)為長條狀的木屑；在2350r/min時(shí)，粉碎粒度較小，木屑形態(tài)多為粉末與細(xì)小木屑，這是由于轉(zhuǎn)速增加，錘片末端線速度增加，對(duì)粉碎腔室內(nèi)物料的錘擊、磨損、搓碎效果增強(qiáng)，提高了粉碎效果，降低了粉碎粒度。

3.4 表面磨損

對(duì)磨損狀態(tài)進(jìn)行分析，獲取了試驗(yàn)后刀刃在金相顯微鏡下放大100倍后的圖像。

圖5 刀具刃口狀態(tài)圖

如圖5所示，30°刃角刀刃相較40°刃角刀刃損壞程度更大，這是由于刃角減小，刀刃的厚度變薄，物理強(qiáng)度減弱，刀刃更易損壞，這說明在30°～40°刃角區(qū)間內(nèi)，刃角增加有利于改善切削環(huán)境。

4 結(jié)論分析

（1）通過實(shí)際試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在 30°～40°刃角區(qū)間內(nèi)，隨著選擇刃角的增大，進(jìn)行喂料時(shí)切效果越好，軸向分力增大，進(jìn)料效果越好；

（2）通過對(duì)比粉碎機(jī)單位能耗、合格率等參數(shù)，發(fā)現(xiàn) 40°刃角相較于 30°、35°刃角，合格率高，單位能耗小，刀刃損壞程度小，能有效的提高粉碎效率，刀具使用壽命更長；

（3）從粉碎粒徑分布可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，粉碎粒度明顯減小，綜合考慮，建議粉碎油茶樹枝選擇參數(shù)為40°刃角、2050rpm轉(zhuǎn)速；

（4）粉碎的油茶樹枝直徑約在20mm～30mm區(qū)間內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果有一定偏差，但兩材質(zhì)的變化趨勢(shì)基本一致，數(shù)據(jù)具有一定的參考性。