履帶式枝條粉碎機研究

萬先起 蔣輝霞 徐 一 隨順濤 李光輝 王 林 蔣金巧 魏鼎才

（四川省農(nóng)業(yè)機械研究設計院，四川成都 610066）

隨著四川省“10+3”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展和持續(xù)推進，川果產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，大量的種植大戶、種植農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社、家庭農(nóng)場等新型經(jīng)營主體不斷涌現(xiàn)，果樹種植面積不斷擴大。隨之而來的是大量修剪產(chǎn)生的果樹枝條急需處理。傳統(tǒng)的枝條處理方式主要有填埋、焚燒、丟棄等。但是，這3種方式存在一些缺點，其中：枝條填埋處理方式需要很大的處理場地，資源消耗多，而且不易快速發(fā)酵；枝條焚燒處理方式嚴重影響環(huán)境；枝條直接丟棄，浪費資源。隨著人們環(huán)保意識的日益增強和城市管理要求的提高，這些做法已被逐漸禁止。目前對這些廢棄枝條的處理方法主要是將其粉碎后堆肥[1]。廢棄枝條的粉碎需要用粉碎設備進行粉碎。我國現(xiàn)有的枝條粉碎機普遍為大型粉碎機或電動固定粉碎機，這些枝條粉碎機各有特點，不便于移動作業(yè)。

四川省丘陵地區(qū)果園采用分戶管理模式，規(guī)模小，分散性強，規(guī)范化程度低，而大型枝條粉碎機系統(tǒng)復雜，能耗高，運行成本高，運行不穩(wěn)定，噪聲大，難以克服面積小、分散的客觀問題，應用推廣難度較大。現(xiàn)有的小型枝條粉碎機也存在一些問題，比如種類少、參數(shù)配置不完善等。對于大多數(shù)丘陵山區(qū)的果園來說，小型枝條粉碎機地形適應性差，移動不便，效率較低。

為有效解決大型枝條粉碎機和小型枝條粉碎機在丘陵地區(qū)應用中存在的問題，提高枝條資源利用率，降低勞動強度，本項目研發(fā)了一種行走方便、動力強勁、粉碎高效的小型履帶式枝條粉碎機。該枝條粉碎機的研發(fā)具有重要意義。一是滿足了川果產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展的需要。該枝條粉碎機可有效、及時地處理果園枝條，將枝條粉碎還田后可為果樹生長提供充足的養(yǎng)分，促進果園增產(chǎn)、水果品質(zhì)提升和果農(nóng)增收。二是滿足了生態(tài)環(huán)境保護、宜居鄉(xiāng)村建設、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)發(fā)展的需要。該枝條粉碎機可及時處理修剪果樹產(chǎn)生的大量枝條，不會對環(huán)境造成破壞，合乎美麗鄉(xiāng)村建設、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)建設要求。三是滿足了新型經(jīng)營主體對果園枝條處理及資源化利用的需要。該枝條粉碎機可大量減少果園枝條粉碎作業(yè)投入的人工量，降低勞動強度，極大地滿足家庭農(nóng)場、專業(yè)合作社降低果園枝條處理及資源化利用成本的需要。四是為農(nóng)業(yè)機械化轉(zhuǎn)型升級進行了有益探索。該枝條粉碎機可極大地提高枝條粉碎的機械化作業(yè)水平，有利于推動果園機械轉(zhuǎn)型升級。

1 設計原則

1.1 主要用于四川省丘陵山區(qū)的林果枝條粉碎

四川省丘陵山區(qū)果園地形地貌復雜，道路條件較差，多數(shù)采用緩坡種植、依山就勢小地塊階梯種植。四川省丘陵山區(qū)果園種植類型多樣，枝條直徑大小不一，硬度較大，實現(xiàn)有效粉碎的難度大。當?shù)爻Ｄ瓿睗穸嘤?，地面濕度大，不利于運輸。小型履帶式枝條粉碎機的設計需要考慮地形、地貌、氣候、粉碎對象等因素，提高整機適用性。

1.2 實現(xiàn)高效粉碎的目的

根據(jù)不同直徑的枝條粉碎對象，分段預設動力模式和動力大小，切換發(fā)動機動力輸出，動態(tài)匹配變速箱輸出軸、輸入軸傳動比，動態(tài)調(diào)整發(fā)動機、變速箱的匹配參數(shù)，實現(xiàn)動力強勁，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生高速氣流隨著刀片旋轉(zhuǎn)，物料在氣流中加速并被反復沖擊、切割摩擦，同時受到多種粉碎作用，達到高效粉碎、適應性強的效果。

1.3 行走方便

針對四川省丘陵山區(qū)地形地貌特點，對不同地形的坡度范圍涉及的行走不便問題，研究行走速度調(diào)整技術(shù)，提高粉碎機的行走性能，滿足四川省丘陵山區(qū)果園行走需求。

2 系統(tǒng)組成

該枝條粉碎機的設計包含五大子系統(tǒng)：動力系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、粉碎系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)，系統(tǒng)組成框如圖1所示，樣機示意圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

圖2 樣機示意圖

2.1 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)包括發(fā)動機、變速箱、發(fā)電機、整機電瓶等，主要為設備提供行走動力、粉碎動力。動力系統(tǒng)布局簡單有效，能有效地將發(fā)動機功率傳遞到整機各個功能部位。

2.1.1 發(fā)動機。發(fā)動機與變速箱傳動連接，提供動力。發(fā)動機采用帶輪傳動的方式為粉碎裝置和行走裝置提供作業(yè)動力，優(yōu)點是在增強傳動效率的同時，當整機各個機械部位出現(xiàn)過載現(xiàn)象時，可以防止因過載導致的機械部位損壞。發(fā)動機底部通過螺栓固定在底盤架上，為整機提供動力，其輸出軸端部安裝發(fā)動機皮帶輪。發(fā)動機的動力經(jīng)變速箱傳遞到走行機構(gòu)，從而控制整機移動。采用柴油機作為動力，在醒目位置標明了主軸的轉(zhuǎn)向；排氣部件設置有防護，排氣方向避開了所有操作位置上的操作者。

2.1.2 變速箱。變速箱與發(fā)動機傳動連接，傳輸動力。變速箱與粉碎機主體之間為皮帶傳動連接。經(jīng)變速箱之后的動力分成兩路，一路傳遞到走行機構(gòu)，一路傳遞到粉碎機主體。變速箱通過壓板連接在底盤架上，防止變速箱竄動。變速箱上設有變速操縱桿和變速箱皮帶輪，通過變速操縱桿可以實現(xiàn)整機的前進和后退，通過皮帶連接發(fā)動機皮帶輪和變速箱皮帶輪實現(xiàn)動力傳輸。在變速箱的輸出軸上安裝有驅(qū)動輪。

2.1.3 發(fā)電機和整機電瓶。發(fā)電機安裝于發(fā)動機上，整機電瓶設置在發(fā)電機電能的輸出路徑上，結(jié)構(gòu)簡單，便于拆卸維修。

2.2 行走系統(tǒng)

行走系統(tǒng)主要用于控制枝條粉碎機的行走。發(fā)動機的動力經(jīng)變速箱傳遞到行走系統(tǒng)，從而控制整機移動。行走系統(tǒng)包括支撐輪總成、張緊輪總成及設置于支撐輪總成與張緊輪總成上的履帶，與動力系統(tǒng)傳動連接。支撐輪總成和張緊輪總成通過螺栓安裝在底盤架上，履帶安裝在支撐輪總成、張緊輪總成和驅(qū)動輪上，實現(xiàn)整機行走移動。通過調(diào)整張緊輪總成安裝在底盤架的位置可調(diào)節(jié)履帶的松緊。單側(cè)的支撐輪總成數(shù)量為3個，張緊輪總成數(shù)量為1個。行走系統(tǒng)采用履帶式行走和靈活改變張緊輪位置的方式，靈活調(diào)整不同地形條件下履帶松緊度，調(diào)整行走速度，行走方便[2]。

2.3 粉碎系統(tǒng)

粉碎系統(tǒng)包括粉碎機主體等，安裝在底盤架上且與動力系統(tǒng)傳動連接，主要用于物料粉碎。粉碎機主體包括喂料斗、出料口、粉碎離合器臂、粉碎皮帶輪、粉碎張緊輪、機殼、粉碎刀盤。

2.3.1 喂料斗。喂料斗位于粉碎機外側(cè)，與粉碎機主體相連便于枝干喂入，防止枝干掉落和安全事故發(fā)生。喂入口上設有防止物體拋射的軟簾。喂入口上設有防護罩，且與進料輥外邊緣的水平距離≥550 mm。喂入口設有安全警示標志，且安全警示標志內(nèi)容準確、清晰，便于觀察[3]。

2.3.2 出料口。出料口位于粉碎機頂部，與粉碎機主體相連。出料口的出料高度高于喂料斗的高度，且出料口呈預設的角度傾斜上揚，便于粉碎后的枝干能夠拋撒在田間。出料口設有防護裝置，且防護裝置拆卸方便[4]。

2.3.3 粉碎離合器臂和皮帶輪。粉碎離合器臂的一端與粉碎機主體連接。粉碎皮帶輪與粉碎機主體內(nèi)粉碎刀具轉(zhuǎn)軸連接，并通過皮帶與發(fā)動機皮帶輪相連，實現(xiàn)動力傳輸。粉碎張緊輪安裝在粉碎機主體外，并與皮帶接觸，改變其安裝位置，則控制粉碎皮帶輪與發(fā)動機皮帶輪之間的皮帶松緊程度。

2.3.4 機殼。粉碎機整體機殼設計成圓盤形狀，便于枝條粉碎作業(yè)和排出。機殼材料由鋼板焊接而成，機殼中心與動力輸出軸的轉(zhuǎn)動中心重合。機殼主要由上機殼和下機殼組成。上機殼和下機殼采用螺栓連接形成一個封閉的整體，將粉碎刀盤與粉碎物料封閉于機殼內(nèi)部，機殼整體便于拆裝。

2.3.5 粉碎刀盤。粉碎刀盤采用交叉刀和多刀片設計。粉碎刀片安裝在刀座之上，經(jīng)動平衡測試檢測合格后裝配到動力輸出軸上。進料口處安裝切削底刀，切削后的廢枝條便于后續(xù)粉碎作業(yè)。粉碎刀盤隨著動力輸出軸快速旋轉(zhuǎn)，對廢枝條進行粉碎，枝條粉碎機的發(fā)動機帶動粉碎機轉(zhuǎn)子高速運轉(zhuǎn)，使機械產(chǎn)生高速氣流對粉碎物料產(chǎn)生高強度的撞擊力、壓縮力、切割力、摩擦力，同時使物料受到多種粉碎作用，達到高效粉碎的效果[5]。

2.4 支撐系統(tǒng)

支撐系統(tǒng)包括底盤架、扶手架等，主要用于安裝及支撐。底盤架的下端設置有走行機構(gòu)，底盤架的上端設置有發(fā)動機、變速箱以及粉碎機主體。扶手架設置于底盤架的一端，操縱系統(tǒng)設置于扶手架上。

2.5 操縱系統(tǒng)

操縱系統(tǒng)包括設置在扶手架上的轉(zhuǎn)向控制手柄、粉碎機離合器控制手柄、行走離合器控制手柄、駐車制動控制手柄和電壓監(jiān)視裝置等，主要用于操作控制設備行走、停止、轉(zhuǎn)向、粉碎機主體啟動、粉碎機主體停止及整機制動，控制枝條粉碎機工作狀態(tài)。

2.5.1 轉(zhuǎn)向、行走離合器控制手柄。轉(zhuǎn)向控制手柄與變速箱相連，用于控制整機在行走時的左右轉(zhuǎn)向?？刹捎脝瘟鲉芜呺x合制動的原理來完成轉(zhuǎn)向，也可采用牙嵌式離合器的原理來完成轉(zhuǎn)向。行走離合器控制手柄，通過行走離合臂與行走離合器的連接，控制整機行走、停止以及換擋時切斷動力，防止換擋時損壞變速箱。

2.5.2 駐車、粉碎機離合器控制手柄。粉碎機離合器控制手柄，通過粉碎離合臂與粉碎離合器的連接，控制粉碎機主體的啟動和停止；駐車制動控制手柄與變速箱相連，控制整機制動，防止在坡道停車時發(fā)生溜車現(xiàn)象。

2.5.3 電壓監(jiān)視裝置。電壓監(jiān)視裝置與發(fā)電機及整機電瓶分別電性連接，可實時顯示整機電瓶電壓是否合適，發(fā)動機、發(fā)電機是否正常工作。

3 關鍵技術(shù)

針對不同地形的坡度范圍涉及的行走不便問題，研究行走速度調(diào)整技術(shù)。根據(jù)不同地形的坡度范圍，合理選擇適宜于丘陵地區(qū)的小型化履帶自走式行走模式，因地調(diào)整行走模式和行走速度，改變張緊輪位置，靈活調(diào)整不同地形條件下履帶松緊度，調(diào)整行走速度，滿足果園凹凸不平路段的行駛需求。實踐證明，該枝條粉碎機爬坡能力強，通過性好，適應性強。

針對不同形狀的枝條粉碎效率低問題，研究刀片選擇技術(shù)。該機械實現(xiàn)了分類設置粉碎模式和枝條切斷長度，選擇粉碎刀片，調(diào)節(jié)刀盤上刀片的伸縮量。在粉碎刀片切割粉碎過程中，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生高速氣流隨刀片旋轉(zhuǎn)，物料在氣流中加速并被反復沖擊、切割摩擦，同時受到多種粉碎作用，粉碎高效，整體提高了粉碎效率和合格率，綜合優(yōu)勢明顯。

4 結(jié)語

本文研究的履帶式枝條粉碎機具有動力強勁、行走方便、粉碎高效等優(yōu)點，可有效降低人工處理果園枝條的勞動強度，提高資源利用率，促進產(chǎn)業(yè)可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展，經(jīng)濟效益顯著。本文研究的履帶式枝條粉碎機通過推廣示范運用，可以改變過去枝條堆積、焚燒等不合理的處理方式，有效解決果園枝條難處理、資源浪費等問題，保護了生態(tài)環(huán)境，促進了環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，生態(tài)效益顯著。