丘陵山地懸掛式枝條粉碎機設(shè)計

王 林 蔣輝霞 徐 一 隨順濤 萬先起 李光輝 蔣金巧 魏鼎才

（四川省農(nóng)業(yè)機械研究設(shè)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)體系建設(shè)不斷深入，從糧油種植向經(jīng)果種植轉(zhuǎn)型，“川果”產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。四川省境內(nèi)果、茶、桑種植面積較大，并且逐年擴大。目前，全省果樹種植面積達61.33萬hm2，居全國第六位。在果園、茶園、桑園管理中每年都會產(chǎn)生大量的廢棄枝條，但修剪下來的枝條形狀各異、大小不一、粗細不均勻、整體蓬松、體積大，故收集整理十分不便且運輸過程安全性差、效率低。目前，果園處理廢棄枝條主要采用堆積或集中焚燒的方式處理。一方面堆積處理容易滋生細菌，加大果園病蟲害風險，還存在火災隱患；另一方面集中焚燒造成環(huán)境污染，也浪費資源[1]。

廢棄枝條粉碎具有十分重要的意義。一是鄉(xiāng)村發(fā)展、區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等的現(xiàn)實需要。廢棄枝條粉碎還田是鄉(xiāng)村振興中生態(tài)宜居建設(shè)的需要。為有效實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和推動宜居鄉(xiāng)村、生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)，合理利用農(nóng)業(yè)廢棄物是內(nèi)在要求。四川丘陵山區(qū)林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，枝條粉碎需求迫切[2]。二是“10+3”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。隨著果樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，枝條處理問題逐漸凸顯。枝條粉碎合理利用是降低產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)成本和促進產(chǎn)業(yè)可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展的現(xiàn)實需要。三是破解丘陵山地農(nóng)機化發(fā)展難題的需要[3]?，F(xiàn)有枝條粉碎機以大型固定式為主，機具田間轉(zhuǎn)移困難、購置和運行成本高，不適用于丘陵山區(qū)[4]。大型固定式機械主要以自帶動力驅(qū)動或電動機驅(qū)動，應用于丘陵山區(qū)果園存在以下問題：系統(tǒng)復雜，能耗高，運行成本高，運行不穩(wěn)定，噪聲大[5]；大型果樹枝條粉碎機難以克服面積小、分散的客觀局限，大型粉碎機的應用推廣難度較大。因此，研發(fā)一種適用于丘陵山地的枝條粉碎機是丘陵山地農(nóng)機化發(fā)展的內(nèi)在需要。四是破解農(nóng)林枝條處理難題的需要。采用堆積、焚燒、運輸丟棄等方式處理枝條存在諸多弊端。堆積處理影響田間管理，不利于果樹生長，還易滋生細菌，導致果園病蟲害傳播風險增大；廢棄枝條運輸處理效率低、成本高，不利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展。枝條粉碎處理技術(shù)是解決枝條處理難的關(guān)鍵。因此，研發(fā)一種適宜于丘陵山地的枝條粉碎機，不僅可以有效解決“川果”產(chǎn)業(yè)發(fā)展中日益凸顯的枝條處理難題，還是實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和發(fā)展“10+3”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實需要。

本文針對目前經(jīng)果林廢棄枝條處理過程中費時費力、污染環(huán)境、資源浪費、存在安全隱患等現(xiàn)實問題，設(shè)計了一種適用于丘陵山地的懸掛式枝條粉碎機。該機械以農(nóng)用拖拉機為動力來源，可將經(jīng)果林管理過程中產(chǎn)生的廢棄枝條就地粉碎，從而減少廢棄枝條堆積，減少運輸成本、人力成本，也減少園區(qū)病蟲害傳播[3]。將廢棄枝條粉碎還田可有效減少化學肥料使用，節(jié)約資源；同時可降低機具購置成本，實現(xiàn)拖拉機的一機多用，節(jié)約成本。

1 設(shè)計原則及組成

1.1 設(shè)計原則

1.1.1 適用于四川丘陵山區(qū)經(jīng)果林廢棄枝條就地粉碎。四川丘陵山區(qū)地形地貌變化大且可利用地塊較為分散，緩坡規(guī)模種植、依山就勢小地塊階梯種植是果園的主要種植形式。四川丘陵山區(qū)果園廢棄枝條以柑橘、葡萄等為主，其直徑大小不一、莖多且韌性強、硬度大、粉碎難度大。廢棄枝條粉碎機械要求適用于水分含量大的廢棄枝條粉碎。對于四川丘陵山區(qū)經(jīng)果林種植地理條件而言，常年潮濕多雨，地面濕度大，不利于機具田間運輸。復雜的地理條件要求機具適應強，特別是要能適應四川丘陵山區(qū)自然氣候條件。

1.1.2 以農(nóng)用拖拉機作為動力來源，提高拖拉機使用效率，降低機具購置成本。目前，四川果園種植主體以中小規(guī)模種植專業(yè)合作社和家庭農(nóng)場為主，結(jié)合農(nóng)機普及率等方面進行考慮，采用拖拉機作為動力來源可有效降低機具購置成本，促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1.1.3 對作業(yè)地形適應性強，適用于多種類型廢棄枝條和多種地形條件，機具粉碎效率高、成本低。根據(jù)不同直徑的枝條分段預設(shè)動力模式和動力大小，切換發(fā)動機動力輸出，動態(tài)匹配變速箱輸出軸與輸入軸的傳動比，使得轉(zhuǎn)子產(chǎn)生高速氣流并隨刀片方向旋轉(zhuǎn)。物料在氣流中加速并反復沖擊、切割摩擦，達到高效粉碎、高適應性的效果[6]。

1.2 裝置組成

本裝置由支撐系統(tǒng)、動力傳輸系統(tǒng)、粉碎系統(tǒng)組成（圖1）。支撐系統(tǒng)包含部件安裝機構(gòu)、三點懸掛器和高度調(diào)節(jié)器。機架作為整體機具的支撐，與各零部件集中安裝于底座，采用矩管焊接組成。動力傳輸系統(tǒng)由動力輸入軸、齒輪變速箱、動力輸出軸組成。其主要功能是將拖拉機輸出動力傳輸至粉碎系統(tǒng)，同時具備動力調(diào)節(jié)功能，以適應不同轉(zhuǎn)速輸入動力。粉碎系統(tǒng)由粉碎刀盤、機殼、喂料口、出料口組成，是機具的核心部件，起到粉碎物料的作用。

2 方案設(shè)計

2.1 適宜于丘陵山地地形特點的支撐系統(tǒng)設(shè)計

丘陵山地復雜的地形條件要求機具的支撐系統(tǒng)具有布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊、動力傳輸距離短、動力損耗低、穩(wěn)定可靠、輕便靈活等特點。支撐系統(tǒng)采用矩管焊接組成矩形四點支撐結(jié)構(gòu)；機架下方支撐點處安裝滾輪，以便于整體機具移動；下方支撐點設(shè)有高度調(diào)節(jié)器，以實現(xiàn)在非水平地面作業(yè)，增強機具的多地形適應性。

2.1.1 部件安裝機構(gòu)。粉碎機各零部件安裝機構(gòu)采用預留孔設(shè)計，各部件采用螺栓、螺母緊固安裝。機架主要安裝傳動變速箱、粉碎機和三點式懸掛器。三點懸掛器采用焊接方式與機架相連，具有更高的強度和更強的連接穩(wěn)定性。變速箱與粉碎機采用螺栓、螺母固定，各安裝孔采用長方形設(shè)計，以增強安裝靈活性，同時可保證安裝精度。

2.1.2 三點懸掛器。三點連接裝置根據(jù)拖拉機連接機構(gòu)進行設(shè)計，以提高機具的適用性。其與拖拉機實現(xiàn)剛性連接，可減輕震動，提高可靠性。三點懸掛連接機構(gòu)主要實現(xiàn)牽引運輸和定點粉碎作業(yè)時與拖拉機的剛性連接，同時在運輸過程中可調(diào)整機具高度，從而起到運輸方便、增強地形適應性的作用。三點懸掛連接結(jié)構(gòu)由加厚鋼管和鋼板加工制成，焊接于機架前端，即動力輸入軸所在機架一側(cè)，與拖拉機連接的三點成等腰三角形，使連接更可靠。

2.1.3 高度調(diào)節(jié)器。為提高整機穩(wěn)定性，高度調(diào)節(jié)器以液壓缸作為主要部件，通過拖拉機液壓輸出控制液壓缸伸縮長度，實現(xiàn)高度調(diào)節(jié)。為提高機具與地面接觸的穩(wěn)定性，高度調(diào)節(jié)器底端采用放大地面接觸面積設(shè)計。地面接觸板采用正方形加厚鋼板，焊接在高度調(diào)節(jié)器液壓缸底端，以提升機具工作的穩(wěn)定性。

2.2 高效平穩(wěn)的動力傳輸系統(tǒng)設(shè)計

在動力傳輸平穩(wěn)條件下，提高轉(zhuǎn)速匹配效率可以提高機具性能。本機采用傳動軸→齒輪變速箱→皮帶傳動的方式實現(xiàn)輸入轉(zhuǎn)速可變且輸出轉(zhuǎn)速可手動調(diào)節(jié)，以保證動力傳輸平穩(wěn)、轉(zhuǎn)速匹配高效。此設(shè)計提高了機具的適用性，同時降低了機具購置成本。

2.2.1 動力輸入軸。動力輸入軸的一端與變速箱本體連接，另一端通過鍵連接與拖拉機輸出軸相連。動力輸入軸上還可安裝萬向鉸鏈，以實現(xiàn)枝條粉碎機與拖拉機處于不同位置仍可工作。動力輸入軸設(shè)計依據(jù)粉碎機所需功率采用花鍵連接設(shè)計，具體扭矩設(shè)計與粉碎機功率匹配。

2.2.2 齒輪變速箱。傳動變速箱的主要作用是將拖拉機輸出的轉(zhuǎn)速、方向和扭矩轉(zhuǎn)變成為適用于枝條粉碎機工作所需的轉(zhuǎn)速、方向和扭矩。為實現(xiàn)此功能，變速箱本體采用齒輪變速箱，可實現(xiàn)高速變低速和低速變高速，通過操縱桿轉(zhuǎn)換兩級變速功能，以適應不同轉(zhuǎn)速輸出的拖拉機。

2.2.3 動力輸出軸。動力輸出軸是實現(xiàn)動力由傳動變速箱傳輸至粉碎機的動力傳輸組件。動力輸出軸自由端伸入機殼內(nèi)，并與機殼壁活動連接。動力輸出軸與粉碎機之間安裝聯(lián)軸器進行動力傳輸。輸出軸與傳動變速箱內(nèi)輸出齒輪相連，采用鍵連接方式實現(xiàn)動力傳輸。因為動力輸出軸傳動轉(zhuǎn)速一定，所以滿足使用需求即可。

2.3 高效、高可靠性粉碎系統(tǒng)設(shè)計

高效、高可靠性粉碎系統(tǒng)主要由粉碎刀盤、皮帶輪、機殼、喂料口、出料口組成。粉碎機刀盤與切碎物料垂直，喂料口安裝于主軸方向，使物料軸向進入刀盤旋轉(zhuǎn)面。皮帶輪帶動主軸和刀盤旋轉(zhuǎn)，定刀與物料產(chǎn)生相對運動進行物料切割。切割后的物料在機體內(nèi)受動刀錘片產(chǎn)生高強度的撞擊力、切割力、摩擦力被二次粉碎，從而達到高強度的粉碎效果。粉碎的物料最終受離心力作用，通過刀盤切線方向安裝的出料口排出機體。

2.3.1 粉碎刀盤。粉碎刀盤包括安裝軸套、定刀架、定刀、動刀架、動刀和銷軸。安裝軸套固定穿套在動力輸出軸上。定刀架呈圓周方式設(shè)置在安裝軸套外，其長度方向與安裝軸套直徑方向一致，一端與安裝軸套表面連接。定刀安裝在定刀架上，刀刃朝向其旋轉(zhuǎn)方向。相鄰的2個定刀架為一組，動刀架兩端分別與同組內(nèi)的2個定刀架連接，動刀架也可以連續(xù)設(shè)置。相鄰刀盤上的定刀錯開設(shè)置，銷軸固定在動刀架上，刀的一端與銷軸連接。動刀能以銷軸為轉(zhuǎn)動中心旋轉(zhuǎn)，刀盤在旋轉(zhuǎn)過程中，定刀與廢棄枝條相對運動并對其進行切片，動刀自身的旋轉(zhuǎn)可對廢棄枝條進行二次粉碎。

2.3.2 機殼。機殼呈圓餅狀，由鋼板切割焊接而成，其軸向中心與動力輸出軸的轉(zhuǎn)動中心重合。機殼包括上機殼和下機殼。上機殼與下機殼焊接，或者用螺栓連接成一個封閉的整體，將粉碎刀盤與粉碎物料封閉于機殼內(nèi)部。粉碎機構(gòu)懸空安裝在動力輸出軸所在的機架一側(cè)，主要用于對廢棄枝條進行粉碎。粉碎刀盤均勻安裝在位于機殼內(nèi)的動力輸出軸上，其隨著動力輸出軸快速旋轉(zhuǎn)而對廢棄枝條進行粉碎。

2.3.3 喂料口。喂料口位于下機殼遠離傳動變速箱的側(cè)面，由鋼板切割焊接制成，并通過螺栓與下機殼連接，實現(xiàn)物料導向功能。喂料口主要由夾緊裝置與導向槽組成。夾緊裝置采用一端固定、一端彈簧可動的設(shè)計，通過彈簧可動端進行主動喂料。主動喂料動力來源于粉碎機主軸上安裝的圓錐傘齒輪，可主動向粉碎機內(nèi)部傳送物料。喂料夾緊口設(shè)計與主動設(shè)計可適應不同物料的粉碎，以減少粉碎物料震動，提高安全性。

2.3.4 出料口。粉碎機出料口采用鋼板焊接，出料口位于上機殼圓弧壁上的最高點，鄰近機殼朝向傳動變速箱的一側(cè)，出料方向與上機殼圓弧壁相切。出料口采用圓柱形設(shè)計，圓柱直徑與機殼整體厚度相適應。在出料口頂端安裝物料導向板，導向板呈圓弧狀，可降低物料輸出阻力。導向板設(shè)計上，以出料口圓心為軸進行360°旋轉(zhuǎn)，與旋轉(zhuǎn)套安裝卡死，可實現(xiàn)多方位堆放粉碎物料。

3 結(jié)語

目前，四川省果樹種植面積達61.33萬hm2，居全國第六位。隨著四川省“10+3”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展不斷深入，“川果”產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，大量新型經(jīng)營主體不斷涌現(xiàn)，果樹種植面積不斷擴大。對其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量廢棄枝條進行粉碎還田和資源化利用是生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)的必然要求。丘陵山地懸掛式枝條粉碎機能有效解決廢棄枝條粉碎問題，因而具有廣闊的應用前景。

本文所述的丘陵山地懸掛式枝條粉碎機對拓寬現(xiàn)代科學技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中的應用領(lǐng)域和促進現(xiàn)代農(nóng)機朝著機械化方向發(fā)展發(fā)揮著重要的促進和推動作用。推廣示范運用后將改變示范區(qū)域以往廢棄枝條堆積、焚燒等處理方式，可有效解決果園廢棄枝條運輸難、處理難、焚燒污染環(huán)境、堆積易引發(fā)植物病蟲害等問題。同時，將廢棄枝條資源化利用可降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益，促進產(chǎn)業(yè)可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展，社會現(xiàn)實意義顯著。

本文設(shè)計的丘陵山地懸掛式枝條粉碎機，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)條件和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際，選擇農(nóng)用拖拉機作為動力來源，采用適宜于丘陵山地地形特點的支撐系統(tǒng)、高效平穩(wěn)的動力傳輸系統(tǒng)和高效、高可靠性的粉碎系統(tǒng)，實現(xiàn)對丘陵山地廢棄枝條就地粉碎，大大降低了廢棄枝條的處理成本，提高了廢棄枝條綜合利用率，降低了廢棄枝條帶來的生態(tài)風險，為經(jīng)果林規(guī)范化生產(chǎn)、生態(tài)生產(chǎn)起到了促進作用。該機械的設(shè)計研發(fā)有利于提高“川果”產(chǎn)業(yè)的機械化、現(xiàn)代化水平，可為鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施、宜居鄉(xiāng)村建設(shè)提供技術(shù)支持。