方捆秸稈專用高效粉碎機(jī)攪切刀的設(shè)計(jì)

張 杰，于秀針，田 翔，孔令卓，李 浩，郭 磊，馮 斌

（新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆烏魯木齊830091）

0 引言

秸稈粉碎機(jī)上粉碎刀的結(jié)構(gòu)和形狀對(duì)秸桿粉碎質(zhì)量、刀片使用壽命和機(jī)器能耗有重要的影響[1]。粉碎刀種類較多，常見的粉碎刀有錘爪式粉碎刀、彎刀（Y型和L型）和直刀[2]。在刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，Lundin[3]的研究表明粉碎刀刃口是否有鋸齒對(duì)秸稈粉碎長(zhǎng)度具有顯著影響。Ghahraei等[4]通過對(duì)比試驗(yàn)得出切割洋麻的最優(yōu)刀片刃角為25°，剪切角為40°，傾斜角為40°，前角為40°。Chancellor[5]發(fā)現(xiàn)刀片傾斜角每增大1°，最大切割力將增大1%。Persson的[6]的研究得出鋸齒形刀片的傾斜角幾乎是普通刀片傾斜角的兩倍。Alikhashkin等[7]得出當(dāng)最小刀片前角為25°時(shí)，刀片刃口的磨損速度將會(huì)降低。Chancellors[8]研究結(jié)果表明坡口角度大于30°的刀片在以較低的速度切割莖稈時(shí)，刀片坡口角度對(duì)最大切割力有顯著的影響。

本文針對(duì)方捆秸稈物料特性，在現(xiàn)有粉碎刀的基礎(chǔ)上創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一種空間多方向、不同長(zhǎng)度的切刀組合—攪切刀。并通過攪切刀的多種組合方式優(yōu)化出粉碎方捆秸稈效果最好的粉碎部件。

1 攪切刀的設(shè)計(jì)

攪切刀是連接喂入和錘片粉碎機(jī)構(gòu)的中間部件，與裝置主軸通過螺栓連接在一起，其作用是攪動(dòng)由喂料機(jī)構(gòu)喂入的草梱進(jìn)行初步的破捆及初粉碎（將秸稈切成一定長(zhǎng)度的小段），初粉碎后的秸稈受到由轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流的作用，通過攪切刀與裝置殼體之間的縫隙被吸入二次粉碎室，此時(shí)秸稈受到錘片的擊打作用達(dá)到一定粒度后通過篩網(wǎng)被拋送出裝置，由此完成粉碎工作。

攪切刀作為裝置粉碎工作的第一道工序，對(duì)草捆的最終粉碎效果起到重要作用，本文提出的喇叭口型攪切刀如圖1，主要由斜置刀、水平切刀、加強(qiáng)筋、切刀管軸和連接法蘭組成，呈半錐形，工作時(shí)，斜置刀對(duì)草捆進(jìn)行攪動(dòng)及滑切，平置刀對(duì)由斜置刀攪動(dòng)后離散的秸稈進(jìn)行鍘切，攪切刀的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括刀型、刀軸內(nèi)徑、寬度、刀片尺寸等。

圖1 粉碎裝置結(jié)構(gòu)

1.1 刀型的設(shè)計(jì)

攪切刀（圖1）由兩把斜置刀和兩把平置刀組成，當(dāng)?shù)杜c草捆接觸時(shí)，草捆受力分解破碎，若全部由平置刀組成，在工作過程中對(duì)草捆進(jìn)行橫切，會(huì)導(dǎo)致所需功率增大，且對(duì)草捆攪動(dòng)效果較弱；若全部由斜置刀組成，雖然能夠有效降低所需功率，但會(huì)導(dǎo)致草捆在軸向受力較多，造成能耗損失，且若全部向X方向斜置則會(huì)導(dǎo)致草捆在X方向軸向移動(dòng)較快，還未達(dá)到一次破碎要求就會(huì)輸送至二次粉碎室，不能達(dá)到一次粉碎的目的；若全部向-X方向斜置，則導(dǎo)致草捆在喂入口方向受力較多，降低破捆后的秸稈進(jìn)入二次粉碎室效率，綜合考慮草捆受力及轉(zhuǎn)動(dòng)平衡，本設(shè)計(jì)采用平置刀與斜置刀交錯(cuò)排列的布局，共四把，其夾角為90°，斜置刀的傾斜角度為145°，便于切割，并設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，增強(qiáng)其受力能力。

1.2 攪切刀軸內(nèi)徑

整個(gè)粉碎部件與電機(jī)軸直連，因此攪切刀軸內(nèi)徑由電機(jī)軸確定。內(nèi)徑過小不方便拆卸更換部件，內(nèi)徑太大會(huì)導(dǎo)致攪切刀整體質(zhì)量增大，刀片切割長(zhǎng)度減小，單位功耗增大。

1.3 攪切刀寬度

攪切刀的寬度決定了其工作范圍，寬度過小會(huì)導(dǎo)致工作范圍過小，工作效率低；寬度過大則會(huì)導(dǎo)致攪切刀與粉碎室殼體之間的間隙過小，初粉碎后的秸稈不易進(jìn)入二次粉碎室，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定攪切刀寬度為50 mm。

1.4 刀片的設(shè)計(jì)

攪切刀刀片為直刃口切刀，兩邊開刃，制造方便，工作可靠，刃口寬度為90 mm，刃口部分進(jìn)行堆鎢處理。

2 攪切刀的運(yùn)動(dòng)分析

刀片末端的速度大小直接關(guān)系到攪切刀的工作性能，刀片末端速度過低，刀片對(duì)秸稈的切割力度不足，會(huì)使生產(chǎn)效率下降；若刀片末端速度過高，增大了粉碎機(jī)的空載功率，且易導(dǎo)致秸稈攪切后徑向受力較大，錘片轉(zhuǎn)子需要更大的吸力才能將初粉碎后的秸稈吸入揉搓室，生產(chǎn)效率反而下降。刀片末端速度的大小決定于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大小，因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也是本文的試驗(yàn)因素之一。攪切刀工作時(shí)固定在轉(zhuǎn)子軸上，隨錘片一起做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以平置刀所處平面軸管中心為原點(diǎn)，軸管方向?yàn)閆方向，建立空間坐標(biāo)系OXYZ如圖1，則刀片末端刀尖處上任意一點(diǎn)a的軌跡方程為：

其中：α=ωt

式中R—攪切刀回轉(zhuǎn)半徑，mm；α—刀軸回轉(zhuǎn)角，（°）；ω—刀軸的回轉(zhuǎn)角速度，rad/s；t—工作部件轉(zhuǎn)過α所需的時(shí)間，s；Φ—刀具的傾斜角度。

將式（1）對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得攪切刀末端任意一點(diǎn)的速度為：

則刀尖a點(diǎn)的絕對(duì)速度為：

式中va—刀片末端刀尖上任意一點(diǎn)a的絕對(duì)速度，m/s。

刀尖處的速度大小直接影響攪切刀在工作過程中的動(dòng)能大小，關(guān)系到秸稈加工的質(zhì)量。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 攪切刀、錘片、篩片在方捆秸稈粉碎中的論證試驗(yàn)

試驗(yàn)方案：電機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min，粉碎結(jié)構(gòu)分為三種情況：只用攪切刀、攪切刀+錘片、攪切刀+錘片+Φ30 mm篩片。電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，進(jìn)行不同粉碎裝置的粉碎質(zhì)量、生產(chǎn)率的試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果：（1）攪切刀和攪切刀+錘片組合粉碎的秸稈長(zhǎng)度基本都為5～6 cm，長(zhǎng)度沒有明顯區(qū)別；攪切刀+錘片+Φ30 mm篩片組合粉碎的秸稈長(zhǎng)度≤3cm，尺寸由篩網(wǎng)控制；（2）攪切刀生產(chǎn)率2～2.5 t/h、攪切刀+錘片的生產(chǎn)率3～3.2 t/h、攪切刀+錘片+Φ30 mm篩片生產(chǎn)率1.3～1.5 t/h，攪切刀配上錘片生產(chǎn)率提高，生產(chǎn)率取決于人工取放方捆秸稈速度。

3.2 不同粉碎裝置的對(duì)比試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證攪切刀在粉碎過程中的作用，重新設(shè)計(jì)了兩組不同的粉碎裝置：攪切刀+切刀；雙攪切刀。

圖2 攪切刀+切刀組合

圖3 雙攪切刀組合

試驗(yàn)方案：將喂料速度、主軸轉(zhuǎn)速及不同粉碎裝置（攪切刀+錘片、攪切刀+切刀、雙攪切刀）作為影響因素，以標(biāo)準(zhǔn)草長(zhǎng)率、純工作小時(shí)生產(chǎn)率、噸產(chǎn)品能耗作為試驗(yàn)指標(biāo)，研究各個(gè)因素對(duì)指標(biāo)的影響規(guī)律。

試驗(yàn)結(jié)果：粉碎裝置對(duì)標(biāo)準(zhǔn)草長(zhǎng)率及噸產(chǎn)品能耗影響顯著，攪切刀+錘片組合的標(biāo)準(zhǔn)草長(zhǎng)率最優(yōu)，噸產(chǎn)品能耗最低，生產(chǎn)率較優(yōu)。