摘要：為提高秸稈利用率，針對(duì)秸稈飼料的粉碎加工，設(shè)計(jì)一種錘片式
秸稈粉碎機(jī)，主要對(duì)粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行分析。建立錘片的力矩平衡方程，得出影響錘片平衡的主要因素是轉(zhuǎn)子角速度和錘片擺動(dòng)角速度。通過(guò)利用ADAMS軟件，分析錘片在空載狀態(tài)時(shí)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)進(jìn)一步參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：
秸稈飼料；
粉碎機(jī)；錘片
O 引言
近年來(lái)，我國(guó)畜牧業(yè)快速發(fā)展，牲畜數(shù)量不斷增加。但由于牧區(qū)牧草數(shù)量有限，許多牧區(qū)由于過(guò)度放牧，牧草質(zhì)量和數(shù)量都在減少。目前主要制約畜牧業(yè)發(fā)展的因素是飼草短缺。而在我國(guó)農(nóng)區(qū)，每年會(huì)產(chǎn)生大量的農(nóng)作物秸稈，以前農(nóng)民沒(méi)有發(fā)現(xiàn)秸稈的利用價(jià)值，往往在秋收后把作物秸稈燃燒，這樣不僅浪費(fèi)資源，還污染環(huán)境。近幾年加大對(duì)作物秸稈利用的重視，作物秸稈變廢為寶。然而，許多作物秸稈不能很好地被牲畜所吸收消化，秸稈類粗飼草料普遍具有質(zhì)地粗硬、咀嚼費(fèi)力、適口性差、粗蛋白含量少、消化率低等特點(diǎn)。因此，必須對(duì)其進(jìn)行切碎加工或相應(yīng)處理，以提高其利用價(jià)值。研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)利用粉碎機(jī)把作物秸稈粉碎成尺寸短小的秸稈飼料后，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值會(huì)有較大的提高。
粉碎秸稈時(shí)，主要是對(duì)秸稈施加剪切、拉伸、沖擊、揉搓、彎曲、折斷等破壞形式。研究表明，由于農(nóng)作物秸稈具有韌性大、易變性等特點(diǎn)，適宜采用的加工方式一般是切割、揉搓、粉碎與壓縮。目前，使用較為廣泛的秸稈粉碎機(jī)型主要有鍘草機(jī)、粉碎機(jī)、揉碎機(jī)等。隨著我國(guó)向節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展，應(yīng)加快研制能耗較低、生產(chǎn)率較高、粉碎效果好的粉碎機(jī)型。
1 粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1 設(shè)計(jì)要求
本文設(shè)計(jì)的粉碎機(jī)主要是中小機(jī)型，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸較小、工作靈活，可以用于粉碎麥稈、棉稈、青草等飼料。主要設(shè)計(jì)參數(shù)：切碎長(zhǎng)度30～50 mm，轉(zhuǎn)速1 440 r．min，切碎裝置為錘片，粉碎室內(nèi)部為斜齒式，喂入方式為人工喂入。
1.2總體結(jié)構(gòu)
秸稈粉碎機(jī)主要是由錘片粉碎室、風(fēng)機(jī)出料機(jī)構(gòu)、喂入機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)部分，護(hù)罩等結(jié)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。粉碎室主要是由4組以不同排列形式安裝在銷軸上的錘片組成。出料機(jī)構(gòu)采用風(fēng)機(jī)，效果較好。
1.3工作原理
秸稈粉碎機(jī)工作時(shí)，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)使得安裝在主軸上的錘片粉碎機(jī)構(gòu)和風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)；秸稈從喂入口進(jìn)入，通過(guò)錘片的沖擊以及剪切作用，以及秸稈與齒板的沖擊摩擦作用，從而被粉碎；粉碎后的秸稈到達(dá)風(fēng)機(jī)葉片處，最后在風(fēng)機(jī)的吹動(dòng)下通過(guò)出料口被送出，拋送到指定位置。
2 粉碎機(jī)主要部件設(shè)計(jì)
2.1 粉碎室的設(shè)計(jì)
粉碎室主要有轉(zhuǎn)子與齒板組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了結(jié)構(gòu)便于安裝，齒板分為上齒板和下齒板兩部分，下齒板固定安裝在機(jī)架上，上齒板安裝在下齒板上方。轉(zhuǎn)子主要是由4列轉(zhuǎn)動(dòng)錘片組成，錘片分別安裝在4組銷軸上，錘片可以在銷軸上自由擺動(dòng)，錘片安裝位置采用螺旋線排列。
2.2錘片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
作物秸稈在粉碎時(shí)主要受到粉碎室的兩個(gè)作用，一是錘片對(duì)秸稈的沖擊、摩擦作用；二是齒板對(duì)秸稈的摩擦作用，以及秸稈之間的摩擦作用。錘片在工作時(shí)，主要是受到秸稈對(duì)錘片正面的沖擊和對(duì)棱角的剪切作用，容易出現(xiàn)磨損，最后導(dǎo)致錘片失效。目前，主要是從采用耐磨材料和優(yōu)化錘片結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面來(lái)提高錘片的工作性能。
為了防止錘片在工作時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，粉碎機(jī)的錘片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為如圖3所示的結(jié)構(gòu)。這樣可以防止錘片在工作一段時(shí)間之后，出現(xiàn)棱角處快速磨損現(xiàn)象。由于錘片的材料硬度不一樣，其磨損機(jī)理也不一樣。為了提高錘片的性能，所以采用自磨刃錘片，材料選用Q235，并且表面進(jìn)行滲碳處理。
2.3風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)
風(fēng)機(jī)作為秸稈飼料的輸送裝置，其工作性能直接影響到粉碎機(jī)的粉碎效果。所以風(fēng)機(jī)在工作時(shí)，要保證物料輸送通道的暢通。粉碎后的秸稈經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)葉片的拋送，以較高的速度沿風(fēng)機(jī)外殼切線方向進(jìn)入出料口中，出料口內(nèi)有一股由風(fēng)機(jī)葉片高速旋轉(zhuǎn)后所產(chǎn)生的上升氣流，使碎秸稈繼續(xù)向上輸送，最后落至指定處。碎秸稈的拋送高度H可用下式計(jì)算：
因?yàn)樵诮斩掞暳铣隹谔�，設(shè)置為平滑的水平朝向出口，所以在實(shí)際工作時(shí)，不需要將飼料拋出太高，通過(guò)出口通道的引導(dǎo)，秸稈飼料便會(huì)很容易的落在指定的位置。
3錘片空載運(yùn)動(dòng)時(shí)的分析
錘片式粉碎機(jī)有一個(gè)顯著的特征，就是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是錘片與銷軸的鉸接形式，每一個(gè)錘片均可看作是以相應(yīng)銷軸為懸點(diǎn)的單擺，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，各懸點(diǎn)又具有繞主軸旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。所以，錘片在工作時(shí)存在兩種運(yùn)動(dòng)，一是錘片整體繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，二是錘片繞銷軸做單擺運(yùn)動(dòng)。
粉碎機(jī)從啟動(dòng)到穩(wěn)定工作這個(gè)階段，錘片由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)槔@主軸作圓周運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)過(guò)程中錘片的運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的，而且不同位置的錘片運(yùn)動(dòng)參數(shù)也有所不同，所以在這個(gè)階段粉碎機(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)短暫的、不穩(wěn)定的過(guò)渡工作狀態(tài)，從而會(huì)影響到粉碎機(jī)的工作穩(wěn)定性。為了研究這個(gè)過(guò)程，本文對(duì)錘片進(jìn)行受力分析，并且利用ADAMS軟件對(duì)錘片的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。
3.1 錘片空載狀態(tài)時(shí)的受力分析
錘片空載狀態(tài)時(shí)的受力如圖4所示，其中，F(xiàn)c1為錘片繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)錘片產(chǎn)生的慣性力，F(xiàn)c2為錘片繞銷軸鉸接處轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)錘片產(chǎn)生的慣性力，mg為錘片受到的重力，f為銷軸鉸接處錘片受到的摩擦力，F(xiàn)N為銷軸鉸接處錘片受到的正壓力，w1為主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，w2為錘片繞銷軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，φ為錘片的擺角，α為錘片鉸接點(diǎn)繞旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)角，β為錘片質(zhì)心繞旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)角。
假設(shè)錘片在工作時(shí)處于非平衡狀態(tài)，所產(chǎn)生的摩擦力f與正壓力FN的大小及方向處于時(shí)刻變化的狀態(tài)，此時(shí)如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為R，錘片質(zhì)心到鉸接點(diǎn)的距離為r，銷軸直徑d時(shí)，此時(shí)會(huì)存在3個(gè)力矩：慣性力Fc1關(guān)于鉸接點(diǎn)O的力矩m1，重力mg關(guān)于鉸接點(diǎn)O的力矩M2，摩擦力f，關(guān)于鉸接點(diǎn)O的力矩M3。取逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎齽t有：
由此可見(jiàn)，影響錘片平衡的主要因素有w1和w2：，且摩擦力的大小和方向也主要取決于這兩個(gè)因素，在平衡狀態(tài)時(shí)便可得到摩擦力與正壓力的大小和方向。
3.2錘片空載狀態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真分析
通過(guò)利用Solidworks軟件對(duì)粉碎室進(jìn)行建模，然后導(dǎo)人ADAMS軟件中，通過(guò)添加約束，對(duì)主軸施加轉(zhuǎn)速1 440 r．min，設(shè)置轉(zhuǎn)速?gòu)?到1 440 r．min過(guò)渡，時(shí)間為1s，然后進(jìn)行仿真，得到錘片末端的運(yùn)動(dòng)軌跡圖如圖5所示，同時(shí)也測(cè)得錘片質(zhì)心角速度的變化規(guī)律如圖6所示。
可以看出，錘片在整個(gè)工作過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)是比較平穩(wěn)的，在0s到1s這段時(shí)間，處于啟動(dòng)的階段，由于主軸旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)，錘片便會(huì)跟著一起轉(zhuǎn)動(dòng)，但是存在滯后，這時(shí)錘片相對(duì)于銷軸便會(huì)產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致錘片的角速度與主軸角速度不一致，錘片的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度存在較大的波動(dòng)，所以在這期間，錘片的運(yùn)動(dòng)軌跡也不是圓。通過(guò)這段時(shí)間的過(guò)渡，從1s以后，很快錘片與銷軸的相對(duì)擺動(dòng)幅度越來(lái)越小，使得錘片與主軸的角速度相接近，錘片轉(zhuǎn)速的波動(dòng)范圍也在逐漸減小，最后達(dá)到比較平穩(wěn)的工作狀態(tài)。
4 結(jié)論
錘片式
粉碎機(jī)的應(yīng)用比較廣泛，但是錘片在粉碎的過(guò)程中容易磨損，是影響生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本的重要因素。本文設(shè)計(jì)了一種錘片式粉碎機(jī)，可以有效地提高粉碎機(jī)的性能，降低加工成本在實(shí)際生產(chǎn)中還可以不斷改進(jìn)，以便達(dá)到最優(yōu)效果。
本文利用軟件對(duì)錘片在空載狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬，得到了錘片的運(yùn)動(dòng)軌跡和角速度變化規(guī)律，分析了粉碎機(jī)從啟動(dòng)到穩(wěn)定工作這段時(shí)間，錘片的運(yùn)動(dòng)也是從波動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)逐漸走向平穩(wěn)。剛啟動(dòng)的階段，錘片會(huì)對(duì)銷軸產(chǎn)生一定的沖擊，這個(gè)階段會(huì)對(duì)錘片與銷軸的鉸接處產(chǎn)生磨損，由于錘片運(yùn)動(dòng)的不平衡性，還會(huì)使整個(gè)粉碎機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，從而影響了粉碎機(jī)的穩(wěn)定性。通過(guò)理論分析錘片的運(yùn)動(dòng)對(duì)粉碎機(jī)產(chǎn)生的不利因素，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中針對(duì)性的進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到理想的效果。
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