用于藤莖類秸稈的大型立式粉碎機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

褚斌，齊自成，孫立剛，韓夢(mèng)龍，趙峰，李寒松

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南市，250100)

0 引言

我國(guó)蔬菜種植面積超過130 khm2，是我國(guó)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要組成部分[1-3]，但蔬菜秸稈相比于小麥、玉米等大田作物秸稈的有效利用率要低很多，這其中又以茄子、辣椒、番茄等茄果類蔬菜所產(chǎn)生的藤莖類秸稈尤其難以處理。在此類蔬菜的主產(chǎn)區(qū)山東青州、壽光一帶，每逢蔬菜收獲季節(jié)，就可以看到大量的藤莖類秸稈纏繞著，夾雜著線繩、地膜等雜物一團(tuán)團(tuán)的堆放在田間地頭、道路兩側(cè)的排水溝中，給環(huán)境造成污染，病蟲害高發(fā)，與國(guó)家倡導(dǎo)的美麗鄉(xiāng)村與人居環(huán)境治理建設(shè)相違背。

蔬菜秸稈的含水率高，不易燃燒，生物質(zhì)發(fā)電廠難以利用，但蔬菜秸稈中含有較高的營(yíng)養(yǎng)成分，氮含量3.45%，磷含量0.84%，鉀含量2.46%，PH約為7，與天然有機(jī)肥的含量相當(dāng)[4]，是制作有機(jī)肥的天然原料。為了達(dá)到最佳的制肥效果，必須對(duì)其進(jìn)行粉碎，而目前的秸稈粉碎機(jī)，存在效率低下、耗時(shí)耗力的弊端，生產(chǎn)效率無法滿足大型有機(jī)肥生產(chǎn)廠的制備需求，需要人工參與的地方較多，勞動(dòng)強(qiáng)度高且容易造成人員傷害。

黑龍江省畜牧機(jī)械化研究所和哈爾濱某公司聯(lián)合研發(fā)了9QZJ80大型秸稈鍘切機(jī)，用于生物質(zhì)發(fā)電廠的秸稈粉碎[5]；美國(guó)HG365E生物質(zhì)粉碎機(jī)可將樹枝、樹皮等粉碎到5～8 cm[6]，但秸稈長(zhǎng)度超過3 cm會(huì)造成發(fā)酵腐熟時(shí)間延長(zhǎng)[7]，無法用于有機(jī)肥的制備[8]。藤莖類秸稈的力學(xué)特性研究較少，因此鮮有針對(duì)此類蔬菜秸稈的大型粉碎機(jī)，產(chǎn)量在5 t/h以上，粉碎粒徑≤3 cm的藤莖類秸稈粉碎機(jī)的研究，未見報(bào)道。

根據(jù)秸稈切割理論，基于藤莖類秸稈的物理性質(zhì)和粉碎秸稈制備有機(jī)肥的要求，應(yīng)用雙級(jí)錘片粉碎的原理，設(shè)計(jì)了具有大容量喂料轉(zhuǎn)筒、兩級(jí)串聯(lián)粉碎機(jī)構(gòu)、浮動(dòng)式支撐限位座和軸承潤(rùn)滑油智能溫度控制系統(tǒng)的大型立式秸稈粉碎機(jī)，解決藤莖類蔬菜秸稈粉碎時(shí)，易纏繞、難進(jìn)料、效率低等問題，提高自動(dòng)化程度和連續(xù)生產(chǎn)的可靠性。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

用于藤莖類秸稈的立式秸稈粉碎機(jī)，由底座、喂料筒(外筒、內(nèi)筒)、粉碎裝置(一級(jí)粉碎室、二級(jí)粉碎室、一級(jí)粉碎轉(zhuǎn)軸組合、二級(jí)粉碎轉(zhuǎn)軸組合)和傳動(dòng)裝置等部件組成。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 用于藤莖類秸稈的立式秸稈粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 工作原理

工作時(shí)，物料可通過抱夾裝載機(jī)將秸稈放入喂料筒，喂料筒外筒靜止內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)，內(nèi)筒壁上設(shè)置有撥料板，推動(dòng)物料旋轉(zhuǎn)向下進(jìn)入一級(jí)粉碎室，經(jīng)過一級(jí)粉碎轉(zhuǎn)軸上重型錘片的破碎沖擊，長(zhǎng)度碎裂成5～8 cm，沿著一級(jí)粉碎室腔壁切線方向進(jìn)入二級(jí)粉碎室[9]，二級(jí)粉碎轉(zhuǎn)軸與一級(jí)粉碎轉(zhuǎn)軸旋向相反[10]，物料在二級(jí)粉碎轉(zhuǎn)軸的切向上被二次加速[11]，高速撞擊二級(jí)粉碎腔室內(nèi)壁上的揉搓筋，同時(shí)被二級(jí)粉碎轉(zhuǎn)軸上的錘片切斷粉碎，最終從出料口拋出，長(zhǎng)度粉碎到2 cm左右。用于藤莖類秸稈的立式秸稈粉碎機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 秸稈粉碎機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

2 主要工作部件設(shè)計(jì)和參數(shù)確定

2.1 粉碎室設(shè)計(jì)

藤莖類秸稈微觀組織結(jié)構(gòu)主要包括表皮、皮層、維管束和髓，呈分布不均勻的篩孔狀。其剪切應(yīng)力、剪切強(qiáng)度和剪切模量從根部到頂部均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)[12]，剪切強(qiáng)度約為6.07 MPa，剪切模量約為87.6 MPa[13]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于小麥、稻草、棉花等作物秸稈[14]。這說明藤莖類秸稈不易被切斷，且容易纏繞刀具。茄子藤秸稈收割后存放風(fēng)化15 d后，含水率下降至24%左右，脆性變形占主導(dǎo)，在剪切過程中容易破壞[12]。這表明，藤莖類秸稈需要風(fēng)化，將含水率降低至30%以內(nèi)，再進(jìn)行粉碎。對(duì)脆性物料以撞擊破碎為宜[15-16]，一般用錘片式粉碎機(jī)。本機(jī)為一次達(dá)到粉碎粒徑要求，設(shè)計(jì)了兩級(jí)串聯(lián)的粉碎室[17-19]。

粉碎室中的核心部件是轉(zhuǎn)子組合，它與待粉碎物料直接作用，對(duì)物料粉碎質(zhì)量的好壞、整機(jī)工作的穩(wěn)定性以及粉碎機(jī)的能耗高低等方面都起著決定性的作用[20]。

2.1.1 一級(jí)轉(zhuǎn)子直徑

根據(jù)秸稈制肥工廠年產(chǎn)5萬t有機(jī)肥計(jì)算，本文設(shè)計(jì)的秸稈粉碎機(jī)目標(biāo)產(chǎn)量需達(dá)到8～10 t/h，藤莖類秸稈的容重約為150 kg/m3[15]，一級(jí)粉碎室無篩片，轉(zhuǎn)子直徑

式中：Q——生產(chǎn)率，t/h；

Kq——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，可取Kq=75；

L——粉碎室寬度，m；

ρ——物料容重，t/m3。

粉碎室寬度L根據(jù)圓形喂料倉的半徑1.445 m，綜合考慮喂料口的最大進(jìn)料面積，取L=1.01 m；計(jì)算得出D1=0.88 m，根據(jù)GB/T 321—2005《優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先數(shù)系》，取D1為0.9 m。

2.1.2 一級(jí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是影響粉碎效果和粉碎效率的重要參數(shù)，任何種類的秸稈粉碎都需要一定的轉(zhuǎn)速[21-22]，相關(guān)資料表明，藤莖類秸稈切斷時(shí)的線速度為55～70 m/s[23]，一級(jí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

式中：V1——一級(jí)轉(zhuǎn)子線速度，m/s；

R1——一級(jí)轉(zhuǎn)子工作半徑，m。

計(jì)算得出一級(jí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1=1 167～1 485 r/min。

2.1.3 一級(jí)轉(zhuǎn)子功率計(jì)算

粉碎所需電機(jī)功率

式中：P1——一級(jí)轉(zhuǎn)子粉碎功率，kW；

Kn——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，可取Kn=0.1～0.2。

計(jì)算得出P1=95～121 kW，由此選擇132 kW的變頻調(diào)速電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，以確定最終型號(hào)。經(jīng)過一級(jí)轉(zhuǎn)子粗粉碎的秸稈長(zhǎng)度被分割成5～8 cm，容重約增加為360 kg/m3，同理，計(jì)算得出二級(jí)粉碎轉(zhuǎn)子的直徑D2=0.428 m，優(yōu)先數(shù)取D2為0.45 m；二級(jí)轉(zhuǎn)子線速度V2須大于一級(jí)轉(zhuǎn)子線速度才能防止物料在粉碎室中堵塞，取V2=1.05V1=58～73.5 m/s，得到n2=2 461～3 119 r/min，P2=50～64 kW，由此選擇75 kW的變頻調(diào)速電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，以確定最終型號(hào)。

2.2 圓形喂料倉設(shè)計(jì)

圓形喂料倉的結(jié)構(gòu)如圖2所示。內(nèi)筒外壁上是圓形支撐導(dǎo)軌和齒圈，浮動(dòng)式支撐座安裝在外筒的支撐座安裝板上，其上的軸承支撐在導(dǎo)軌上，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過鏈條與齒圈連接，帶動(dòng)內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)。外筒壁上布置有4組檢修窗，用于對(duì)鏈條的日常保養(yǎng)和檢修。

圖2 圓形喂料倉結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

綜合考慮抱夾裝載機(jī)抱夾寬度[24]和公路運(yùn)輸限寬要求[25]，本機(jī)圓形喂料倉的內(nèi)徑設(shè)計(jì)為2 890 mm，一級(jí)錘片伸出喂料倉底板高度為200 mm，根據(jù)前文所述目標(biāo)產(chǎn)量8～10 t/h，藤莖類秸稈的容重約為150 kg/m3，計(jì)算喂料倉轉(zhuǎn)速

式中：Kl——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，可取Kl=1.2；

h——錘片伸出高度，mm；

r——喂料倉半徑，m。

計(jì)算得出n3=1 r/min，為控制喂料速度，使用變頻器進(jìn)行調(diào)速，調(diào)速范圍設(shè)定為0～2 r/min，并可以正反轉(zhuǎn)。

2.3 錘片設(shè)計(jì)

一級(jí)粉碎喂料筒的喂入量大，藤莖類秸稈易纏繞，纖維長(zhǎng)，根部硬度大[26]，并且蔬菜大棚秸稈的現(xiàn)狀是當(dāng)垃圾一樣被拋棄，沒有專人、專門設(shè)備進(jìn)行清理篩選，雜質(zhì)較多，因此綜合以上因素，一級(jí)粉碎需要使用帶有耐磨材料的重型錘片[27]，以應(yīng)對(duì)如此惡劣的工作情況。

一級(jí)錘片為單銷軸孔，錘片工作時(shí)以一個(gè)銷孔為中心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)切割角可以更換工作，充分利用錘片，延長(zhǎng)使用壽命。

2.3.1 錘片厚度

錘片厚度越大，錘片的質(zhì)量越大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越高，對(duì)物料的撞擊粉碎效果越好，但同時(shí)功耗也越大，不穩(wěn)定性越高。一級(jí)粉碎錘片的初始設(shè)計(jì)厚度為10 mm，在使用過程中有摩擦變薄的現(xiàn)象，而且4個(gè)邊角磨損的非?？?，于是在原有的基礎(chǔ)上將材料厚度增加至16 mm，并在4個(gè)角堆焊耐磨材料鎳基碳化鎢，達(dá)到保鋒耐磨的效果，從而提高錘片使用壽命。二級(jí)錘片從常用錘片厚度范圍5～8 mm中選取[28]，經(jīng)過試驗(yàn)選擇6 mm，可以取得效率與壽命的平衡。

2.3.2 錘片數(shù)量

根據(jù)粉碎機(jī)生產(chǎn)效率的要求，單位時(shí)間內(nèi)的物料喂入量是固定的，增加錘片的數(shù)量，可以增加與物料碰撞的概率，提高粉碎效率，但錘片數(shù)量過大，會(huì)增大轉(zhuǎn)子啟動(dòng)的負(fù)載力矩，增大空載能耗，因此需要按照粉碎粒度要求取得與功耗的平衡。錘片數(shù)量的最佳值由錘片的密度來確定。

式中：Z——錘片組數(shù)；

C——錘片的密度，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取C=0.04～0.06 片/mm。

結(jié)合試驗(yàn)得出一級(jí)錘片組數(shù)Z1=26，二級(jí)錘片組數(shù)Z2=24。

2.3.3 排列形式

錘片排列方式主要有：螺旋線排列、對(duì)稱排列、交錯(cuò)排列、對(duì)稱交錯(cuò)排列[29]，本機(jī)采用對(duì)稱排列形式，錘片相對(duì)于主軸軸線對(duì)稱的安裝在兩側(cè)的銷軸上，在徑向和軸向上完全對(duì)稱，其擁有完全對(duì)稱運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡。物料在該形式的粉碎過程中不存在側(cè)移的問題，轉(zhuǎn)子平衡受力，錘片磨損也比較均勻，并且方便安裝、操作簡(jiǎn)單[30-31]。一、二級(jí)轉(zhuǎn)軸錘片的排列型式如圖3、圖4所示。

以二級(jí)轉(zhuǎn)軸總成為例，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，架板具有兩種厚度，厚架板起到固定和支撐作用，薄架板在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下起到圓形刀片的作用，同錘片一起加速物料的粉碎。架板上安裝有4根銷軸，被架板分割成12個(gè)空間，每個(gè)空間里安裝有2組對(duì)稱布置的錘片，錘片之間使用隔套進(jìn)行間隔，共有48個(gè)錘片，錘片的布置是在基本排列形式上進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，均勻覆蓋整個(gè)粉碎室的粉碎區(qū)域，對(duì)物料實(shí)現(xiàn)充分粉碎。

圖3 一級(jí)轉(zhuǎn)軸錘片排列圖

圖4 二級(jí)轉(zhuǎn)軸錘片排列圖

圖5 二級(jí)轉(zhuǎn)軸總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一級(jí)粉碎既是錘片粉碎機(jī)構(gòu)又是進(jìn)料抓取機(jī)構(gòu)[32]，在粉碎的同時(shí)起到抓取物料進(jìn)入粉碎腔的作用，擋料臂板可以根據(jù)物料的長(zhǎng)度、形態(tài)、密度等條件進(jìn)行數(shù)量和安裝位置的調(diào)整，從而控制物料喂入速度，達(dá)到最佳粉碎效果。本機(jī)的主要粉碎對(duì)象是藤莖類植物，含有大量纖維素，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低能耗，本機(jī)選擇切向與徑向混合進(jìn)料方式，以達(dá)到安全可靠、操作方便、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高進(jìn)料速率等目的。

2.3.4 錘片材料

目前，我國(guó)主要將低碳鋼、中碳鋼、特種鑄鐵等作為制造錘片的材料[33]，經(jīng)過近半年的試驗(yàn)驗(yàn)證，最終選用的材料是60Si2MnA，錘體參與粉碎的地方耐磨性要求高，因此需要淬火增加硬度，達(dá)到56HRC。而銷軸孔處，由于需要承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，需要較好的韌性，否則容易在銷軸孔處斷裂或拉長(zhǎng)，硬度控制在28～30 HRC。

2.3.5 錘片形狀

常規(guī)的錘片為上下對(duì)稱的矩形錘片，雙銷軸孔，當(dāng)一側(cè)的切割角磨損后可以更換方向，理論上4個(gè)角都可以使用，以延長(zhǎng)使用壽命。但在試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，矩形錘片無法適用于藤莖類秸稈的切割，錘片易出現(xiàn)斷裂、彎曲、銷軸孔被拉長(zhǎng)等失效情況(如圖6所示)。這是由于藤莖類秸稈雜物較多，含水率高，在多班制連續(xù)生產(chǎn)過程中，設(shè)備每天運(yùn)轉(zhuǎn)20 h以上，錘片在工作過程中，高負(fù)荷工作，發(fā)熱、異物等因素造成錘片早期失效。在長(zhǎng)期試驗(yàn)過程中對(duì)一級(jí)錘片的外形進(jìn)行了4次改進(jìn)，將雙銷軸孔改為單銷軸孔，增加工作部位的寬度，質(zhì)心上移縮小與切割角的距離，以增加錘片的慣性和穩(wěn)定性，同時(shí)控制錘片的重量，防止轉(zhuǎn)軸電機(jī)過載。改進(jìn)過程如表2所示。

表2 一級(jí)錘片改進(jìn)過程

二級(jí)錘片主要是錘片磨損嚴(yán)重的問題，工作面的一端甚至將銷軸孔磨掉，無法調(diào)換安裝使用。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，銷軸、隔套之間就纏滿塑料繩、地膜等雜物，造成銷軸拆卸困難，增加了換刀時(shí)間。為減少換刀次數(shù)，延長(zhǎng)一次裝刀使用時(shí)間，二級(jí)錘片改為如圖7的形狀，單銷軸孔，單側(cè)切割角，一次裝機(jī)中間無需調(diào)換方向，而重量只增加了0.07 kg，對(duì)電機(jī)的負(fù)載影響不大。

圖7 二級(jí)錘片改進(jìn)過程

2.4 浮動(dòng)式支撐限位座設(shè)計(jì)

喂料倉是一個(gè)具有10 m3容積的巨大圓筒，尺寸大而無法采用中間轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)，且運(yùn)轉(zhuǎn)工況惡劣，喂料倉旋轉(zhuǎn)時(shí)受到的沖擊較大，固定式的軸承支座容易損壞，難以更換[34]，因此設(shè)計(jì)了一種浮動(dòng)式支撐限位座，使用4組間隔90°的型式支撐在喂料倉導(dǎo)軌上，能夠在前后、左右、下五個(gè)方位上對(duì)喂料倉進(jìn)行限位，留出向上的限位可以方便喂料倉內(nèi)筒吊出檢修，在圓周方向上，浮動(dòng)式支撐限位座可以承受喂料倉的轉(zhuǎn)動(dòng)和晃動(dòng)，通過銷軸和搖擺架自動(dòng)平衡兩側(cè)托舉軸承的高低位置，保障喂料倉的旋轉(zhuǎn)不受外力阻礙。其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 浮動(dòng)式支撐限位座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.5 軸承潤(rùn)滑油智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大型立式秸稈粉碎機(jī)工作強(qiáng)度高，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，基本采用三班制連續(xù)生產(chǎn)；工作環(huán)境惡劣，由于需要靠近秸稈堆放場(chǎng)地，粉碎機(jī)一般放置于露天環(huán)境，夏季溫度高，冬季環(huán)境嚴(yán)寒，工作時(shí)秸稈粉塵較大，常規(guī)的油脂潤(rùn)滑無法滿足如此嚴(yán)苛的工況要求，軸承溫升快，軸承損壞率高，必須使用潤(rùn)滑油進(jìn)行循環(huán)冷卻潤(rùn)滑，同時(shí)潤(rùn)滑油存在高溫黏性降低，低溫流動(dòng)性變差的問題，需要將潤(rùn)滑油保持在合理的溫度區(qū)間。同時(shí)對(duì)粉碎機(jī)主機(jī)電源進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到潤(rùn)滑油流量達(dá)不到預(yù)設(shè)值時(shí)，主機(jī)無法啟動(dòng)。

軸承潤(rùn)滑油智能溫度控制系統(tǒng)，主要包括油箱、油泵、單向閥、溢流閥、加熱棒、油濾器、散熱器、進(jìn)油管、三通、一級(jí)油冷軸承座、溫度傳感器、流量傳感器、二級(jí)油冷軸承座、控制器等主要部件組成的閉環(huán)系統(tǒng)，將潤(rùn)滑油溫度T始終保持在最低預(yù)設(shè)溫度T1和最高預(yù)設(shè)溫度T2之間。其工作流程和組成結(jié)構(gòu)如圖9、圖10所示。

圖9 軸承潤(rùn)滑油智能溫度控制系統(tǒng)工作流程

圖10 軸承潤(rùn)滑油智能溫度控制系統(tǒng)

2.5.1 滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑油的選擇

軸承潤(rùn)滑油的主要選擇依據(jù)是速度系數(shù)和工況條件，本機(jī)屬于重負(fù)荷的工況條件，速度系數(shù)為軸承內(nèi)外徑平均值與主軸轉(zhuǎn)速之積，按照如下公式計(jì)算

式中：dmn——速度系數(shù)， mm·r/min；

n——軸承轉(zhuǎn)速，r/min；

dz——軸承內(nèi)徑，mm；

Dz——軸承外徑，mm。

經(jīng)過前期驗(yàn)證，一級(jí)轉(zhuǎn)子軸承型號(hào)選用22224 KTN1/W33(帶緊定套內(nèi)徑110)，二級(jí)轉(zhuǎn)子軸承型號(hào)選用22220 KTN1/W33(帶緊定套內(nèi)徑90)。計(jì)算得出一級(jí)軸承的速度系數(shù)為214 500 mm·r/min，二級(jí)軸承的速度系數(shù)為372 600 mm·r/min，經(jīng)查詢選用L-FD15主軸油或L-AN15全損耗系統(tǒng)用油。

2.5.2 潤(rùn)滑油流量的計(jì)算

單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)軸承的油量需要達(dá)到一定數(shù)值，才能達(dá)到其潤(rùn)滑性和溫度控制的目標(biāo)，流經(jīng)軸承的潤(rùn)滑油流量

式中：S——供油量，L/min；

μ——軸承動(dòng)摩擦系數(shù)，滾子軸承為0.001 8；

C——軸承額定動(dòng)載荷，N；

n——軸承轉(zhuǎn)速，同上文中的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；

ΔT——出油口與進(jìn)油口的溫度差，℃。

查表得一級(jí)軸承額定動(dòng)載荷為262 724 N，二級(jí)軸承額定動(dòng)載荷為400 572 N；一級(jí)軸承轉(zhuǎn)速取1 320 r/min，二級(jí)軸承轉(zhuǎn)速取2 760 r/min；一級(jí)軸承溫度差取20 ℃，二級(jí)軸承溫度差取25 ℃；計(jì)算得出一級(jí)軸承的供油量S1=3.62 L/min，二級(jí)軸承的供油量S2=7.56 L/min，每級(jí)軸承各有2個(gè)，得到系統(tǒng)總供油量為22.36 L/min。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)條件

在山東省青州市譚坊鎮(zhèn)山東沃泰生物科技有限公司進(jìn)行了藤莖類秸稈立式粉碎機(jī)的性能試驗(yàn)，試驗(yàn)物料為大棚種植收獲后的茄子秸稈，攤曬15 d，平均含水率為28%，平均剪切強(qiáng)度為6.25 MPa。一級(jí)轉(zhuǎn)軸匹配動(dòng)力是132 kW變頻電機(jī)，電機(jī)與轉(zhuǎn)軸之間采用D2800V型皮帶傳動(dòng)，傳動(dòng)比為1∶1。二級(jí)轉(zhuǎn)軸匹配動(dòng)力是75 kW變頻電機(jī)，電機(jī)與轉(zhuǎn)軸之間采用C2800V型皮帶傳動(dòng)，傳動(dòng)比也為1∶1。

3.2 試驗(yàn)方法

為了研究不同轉(zhuǎn)子主軸轉(zhuǎn)速下對(duì)藤莖類秸稈粉碎性能的影響，通過前期對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍的計(jì)算，一級(jí)轉(zhuǎn)子主軸設(shè)定轉(zhuǎn)速1 200 r/min、1 300 r/min、1 400 r/min、1 500 r/min，對(duì)應(yīng)的二級(jí)轉(zhuǎn)子主軸設(shè)定轉(zhuǎn)速2 450 r/min、2 700 r/min、2 950 r/min、3 200 r/min，喂料筒轉(zhuǎn)速設(shè)定為1.5 r/min，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示。

圖11 藤莖類秸稈粉碎試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)

粉碎機(jī)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要是粉碎后的均勻性和整機(jī)功耗，本文中均勻性以粉碎粒徑合格率來測(cè)算，整機(jī)功耗以度電產(chǎn)量來測(cè)算。

1) 粉碎粒徑合格率

式中：m1——粉碎后粒徑≤2 cm的秸稈總重量，kg；

m0——粉碎后的秸稈總重量，kg。

2) 度電產(chǎn)量。以粉碎機(jī)正常出料2 min后為起始，連續(xù)進(jìn)行10 min的測(cè)試，度電產(chǎn)量

式中：Qn——工作時(shí)間內(nèi)粉碎的秸稈總重量，kg；

Wn——工作時(shí)間內(nèi)的耗電量，kW·h。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)粉碎合格率、度電產(chǎn)量和生產(chǎn)率的影響

在一二級(jí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為1 300 r/min、2 700 r/min時(shí)，粉碎粒徑合格率超過了90%，并且生產(chǎn)率超過了10 t/h，隨著轉(zhuǎn)速的提高，合格率和生產(chǎn)率也在增加，但增加的趨勢(shì)變緩，度電產(chǎn)量甚至出現(xiàn)了下降，這是由于達(dá)到最佳轉(zhuǎn)速后，粉碎合格率和產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到飽和，繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，只會(huì)增加電量的消耗，造成度電產(chǎn)量的降低。綜上所述，一二級(jí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為1 400 r/min、2 950 r/min 時(shí)度電產(chǎn)量達(dá)到最高，但考慮到轉(zhuǎn)速越高，對(duì)設(shè)備壽命和制造難度的影響越大，為方便實(shí)際生產(chǎn)維護(hù)保養(yǎng)的方便和節(jié)能降耗的要求，選擇一二級(jí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為1 300 r/min、2 700 r/min，將其代入前文功率計(jì)算公式，得出一級(jí)轉(zhuǎn)子匹配的電機(jī)功率為110 kW，二級(jí)轉(zhuǎn)子匹配的電機(jī)功率為55 kW，在此條件下即可達(dá)到設(shè)備綜合最佳的要求。

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了一種適用于藤莖類秸稈的大型立式秸稈粉碎機(jī)，以生產(chǎn)率和粉碎粒度作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了兩級(jí)串聯(lián)，轉(zhuǎn)速相反的粉碎機(jī)構(gòu)和筒形旋轉(zhuǎn)喂料倉，對(duì)錘片安裝方式、形狀、材料等進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了浮動(dòng)型旋轉(zhuǎn)料倉支撐座，并針對(duì)惡劣工況要求設(shè)計(jì)了智能油冷潤(rùn)滑系統(tǒng)。

2) 以攤曬15 d平均含水率為28%的茄子秸稈為原料進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明：一、二級(jí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別在1 300 r/min、2 700 r/min時(shí)，粒徑合格率達(dá)到92.8%，度電產(chǎn)量為71.42 kg/(kWh)，生產(chǎn)率為10.8 t/h，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，并滿足使用壽命、能源消耗和維護(hù)方便性綜合最優(yōu)的要求。