液壓進料PTO傳動樹枝粉碎機的設(shè)計研究

孟慶軍， 張 斌

(東北林業(yè)大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150006)

果園樹枝修剪作業(yè)中會產(chǎn)生大量雜枝，目前果園大部分采用小型移動式樹枝粉碎機或大型牽引式粉碎機。前者粉碎功率小，需要人工喂料，樹枝粉碎效率較低，不能滿足中小型果園的需求，后者大多采用液壓自動喂料，采用大馬力多缸柴油機或汽油機，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自重大移動不便，轉(zhuǎn)運困難，在泥濘的路上容易陷入，大型樹枝粉碎機自身無行駛動力，一般需要車輛拖運。特別是大馬力多缸汽油機，功耗太高，油耗大，粉碎過程中需反復(fù)加油，不利于果園持續(xù)作業(yè)。

目前國內(nèi)沒有比較適合中小型果園使用的樹枝粉碎設(shè)備，亟需一種適合中小型果園的樹枝粉碎機，該樹枝粉碎機的主要特點是面向小范圍(農(nóng)戶、小果園等)，能降低勞動強度、減少作業(yè)成本和提高勞動安全性，對生態(tài)、環(huán)境起到保護作用，粉碎后的樹枝節(jié)約空間，粉碎后的木片加速微生物對其的降解，能有效保持土壤肥力，避免化學肥料對土壤造成的污染。因此，對提高林木加工副產(chǎn)品的處理效率和美化環(huán)境有重要意義[1-3]。

1 樹枝粉碎機方案設(shè)計與工作原理

本文研究的枝條粉碎機參考現(xiàn)有國內(nèi)外枝條粉碎機結(jié)構(gòu)優(yōu)點，并結(jié)合中小果園粉碎枝條直徑不大于130 mm且細小雜枝較多的實際情況。本研究設(shè)計的枝條粉碎機在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上進一步優(yōu)化，樹枝粉碎機的最大粉碎直徑為135 mm，參照現(xiàn)有粉碎機的粉碎效率，預(yù)設(shè)機器粉碎效率為2～3 m3/h，碎料以片狀或粉狀呈現(xiàn)，碎料尺寸不大于20 × 20 mm。

1.1 方案確定

該粉碎機整機形式為固定式，利用拖拉機的三點懸掛裝置在工作地點移動，傳動方案利用拖拉機PTO端提供動力，粉碎機構(gòu)采用鼓式切削機構(gòu)。進料方式為液壓強制進料，出料方式為機械出料。樹枝粉碎機如圖1所示。

圖1 樹枝粉碎機

1.2 整機基本工作原理

樹枝粉碎機其工作過程為：樹枝修剪下來隨之喂入停候在林間的樹枝粉碎機的進料口，通過帶有刀齒滾子的液壓進料系統(tǒng)自動將樹枝送到刀箱進行粉碎，液壓進料系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)過程，防止樹枝過粗而卡料。刀箱通過高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子帶動上面的刀片將樹枝粉碎，粉碎的木片、木屑通過轉(zhuǎn)子上焊接的扇片帶動的高速氣流吹出刀箱，通過出料口排放到指定的區(qū)域。

2 切削機構(gòu)主要部件的設(shè)計

2.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和尺寸的設(shè)計

按照對鼓式削片機進行切削參數(shù)確定，切削角θ=π/4，木料半徑R取加工最大尺寸，由此來設(shè)計削片機的切削機構(gòu)，能有效進行切削，節(jié)約能源[4]。

刀在轉(zhuǎn)子上的切削角取θ=π/4，木料半徑R取加工最大尺寸R=67.5 mm。由于工作環(huán)境沖擊載荷大，采用9 CrSi鋼。飛刀數(shù)量Z=2。設(shè)計最大粉碎尺寸為135 mm，轉(zhuǎn)子半徑為R=161 mm。在轉(zhuǎn)子兩側(cè)焊接8個均勻分布的扇片，利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的高速氣流將粉碎的木片、木屑吹出刀箱。鼓式樹枝粉碎機的切削過程如圖2所示。

圖2 粉碎機切削過程

轉(zhuǎn)子上的飛刀與安裝在刀箱上的定刀共同組成粉碎機構(gòu)，飛刀與定刀之間相互剪切完成樹枝粉碎，從圖2可以看出，鼓式削片機的切削過程屬于縱端向切削，我國北方果園的樹種大多以蘋果、桃樹為主，其粉碎所需功率的相關(guān)計算公式如下[5-6]：

(1)

式中：P為物料單位面積切削阻力，N/mm2；r為最大原木半徑，mm；α1為進料槽的垂直傾角，°；α2為進料槽的水平偏角，°；N為刀盤轉(zhuǎn)速，r/min；z為刀盤上的飛刀數(shù)。

其中P取物料單位面積切削阻力(N/mm2)，按最常見的蘋果枝條作為物料，取90 N/mm2；r取135 mm；本研究采用強制式喂料方式，因此α1為0°，α2為90°，n為2 200 r/min，z為2，可得粉碎刀輥所需功率23.14 kW。

由于本次設(shè)計的切削系統(tǒng)最多一次只能切削2根直徑最大為135 mm的樹枝，故本機的總驅(qū)動功率為：N=46.28 kW。

2.2 進料設(shè)計

設(shè)計的進料方式為液壓進料，需對所需液壓馬達進行計算分析：

(2)

式中：F為主切削力，N；r為最大粉碎直徑，mm；P為物料單位面積切削阻力，N/mm2；其中P取90 N/mm2，可求得F=1.29×103N。

進料由液壓馬達帶動進料滾，液壓馬達理論輸出扭矩T為：

(3)

式中：ηm1為傳動機械效率；由于傳動方式為帶傳動，ηm1取0.95，已知進料滾直D=300 mm，計算得出液壓馬達扭矩為183.8 N/m。

2.3 定刀、飛刀設(shè)計

定刀安裝在進料口底部，可通過調(diào)節(jié)定刀位置來調(diào)節(jié)粉碎后的木片的大小。定刀為長方體金屬合金塊，要求耐沖擊并具有一定的耐磨性，并具有可調(diào)節(jié)的特征，故選用金屬牌號65 Mn材料。定刀長度要求與進料口相同，利用螺栓與進料口相連，放置于進料口上方，與飛刀形成配合，要求有2 mm左右的間隙，且間隙能夠進行調(diào)節(jié)。定刀如圖3所示。

圖3 定刀設(shè)計圖

飛刀是切削機構(gòu)重要的組成部分，飛刀的好壞關(guān)系著粉碎質(zhì)量的好壞。目前飛刀材料多用合金鋼并進行熱處理，飛刀屬于易損件，由于采用高碳合金鋼進行鍛造，多發(fā)生的失效形式為磨損和崩刃(斷裂)失效，其加工過程中殘存的應(yīng)力對其力學性能起到了重要的影響，加工過程為鍛造、淬火、回火、退火。飛刀尺寸為375×72×8 mm，刀口楔角32°，要求硬度54～57 HRC，刀具組織均勻致密，不存在明顯缺陷，表面涂油防銹。飛刀如圖4所示。

圖4 飛刀設(shè)計圖

3 其他結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 三點懸掛

樹枝粉碎機以三個鉸接點與拖拉機機體聯(lián)結(jié)，根據(jù)GB/T 7120-2009指出的拖拉機三點懸掛標準進行樹枝粉碎機的三點懸掛裝置的設(shè)計，利用拖拉機懸掛提升連接在懸掛上的樹枝粉碎機進行作業(yè)地點的轉(zhuǎn)運，在轉(zhuǎn)運過程中與拖拉機鉸接的連接處受到樹枝粉碎機的全部重量，因此需要對連接處的強度進行校核[7]。在Ansys中對材質(zhì)進行指派，考慮在行走時只受重力影響，將機器簡化為等重勻質(zhì)立方體，故與位移圖與等效應(yīng)力圖如圖所5示。

(a)等效應(yīng)力圖

連接處的最大等效應(yīng)力為38.2 MPa，小于鋼材許用應(yīng)力，最大變形為0.042 mm，在設(shè)計允許范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

3.2 旋轉(zhuǎn)出料口設(shè)計

粉碎后的木料在出料口出料時受風力影響較大，當風速過大時，從出料口吹出的木屑距離較近，揚塵較多，工作條件差，因此采用旋轉(zhuǎn)出料口，能根據(jù)不同的工況條件下選擇合適的位置進行靈活作業(yè)。旋轉(zhuǎn)出料口可自由旋并以固定角度進行鎖定，具體實施方式如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)出料口

4 總結(jié)

本研究針對果園的實際需求設(shè)計適合果園的樹枝粉碎機，對樹枝粉碎機做出了整體方案設(shè)計，總體結(jié)構(gòu)包括：變速箱、喂料裝置、粉碎裝置、出料口、底盤等組成。計算了切削機構(gòu)的切削功率及切削力，對進料系統(tǒng)的液壓馬達的扭矩進行計算，并對移動過程進行整機Ansys校核通過有限元分析，連接處的強度滿足設(shè)計要求。設(shè)備具有該粉碎機結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)效率高，經(jīng)濟性好移動方便等特點，能有效適用于果園環(huán)境。