9Z-6A型盤刀式鍘草機(jī)切碎器改進(jìn)設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

郁志宏，閆彪彪，王光明，崔紅梅，劉偉峰，王文明

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2.邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 邢臺(tái) 054035)

9Z-6A型盤刀式鍘草機(jī)切碎器改進(jìn)設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

郁志宏1，閆彪彪1，王光明1，崔紅梅1，劉偉峰1，王文明2

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2.邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 邢臺(tái) 054035)

針對(duì)青飼料切碎機(jī)存在的生產(chǎn)率低、能耗大的問題，以9Z-6A型盤刀式青飼料切碎機(jī)為對(duì)象，對(duì)其切碎器進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)和性能試驗(yàn)研究。在原機(jī)喂入口增加一把定刀，使切碎器處于雙定刀切割工況。改進(jìn)前后切碎器切割性能對(duì)比試驗(yàn)表明：額定工況下，玉米秸稈含水率為9.74%時(shí)，雙定刀比單定刀的切割質(zhì)量得到明顯改善，功耗降低21.8%，度電產(chǎn)量提高了6.72%，生產(chǎn)率提高了4.38%；同時(shí)，獲得了雙定刀工作時(shí)切割速度對(duì)切碎器性能的影響規(guī)律，得到了切割性能最佳時(shí)的切割速度。

鍘草機(jī)；切碎器；盤刀式；切割性能

0 引言

青飼料切碎機(jī)作為鍘切各種青(干)農(nóng)作物秸稈及牧草的飼料加工機(jī)械之一，廣泛應(yīng)用于飼草料加工[1-3]。通過國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析可知，以往學(xué)者[4-14]多以理論分析和試驗(yàn)的方法對(duì)切割性能進(jìn)行研究。故本文以9Z-6A型盤刀式飼料切碎機(jī)(見圖1)為研究對(duì)象，在切割機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計(jì)切碎機(jī)切碎器，并在樣機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，旨在改善其切割性能，對(duì)生產(chǎn)應(yīng)用提供技術(shù)支撐，有效提高資源利用率。

1 青飼料切碎機(jī)切碎器切割機(jī)理

1.1 9Z-6A型切碎機(jī)切碎器

該機(jī)型切碎器由刀盤和定刀兩部分構(gòu)成，刀盤由3把動(dòng)刀、刀盤輪轂和拋物料裝置組成，如圖2所示。切割時(shí)，刀盤高速運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)喂入機(jī)構(gòu)將物料連續(xù)喂入到切碎器，動(dòng)、定刀配合將物料切斷，再由拋料裝置將物料段經(jīng)拋送筒拋送到指定地點(diǎn)。

1.定刀 2.動(dòng)刀 3.拋料裝置 4.刀盤輪轂圖2 切碎器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of the chopper

1.2 切碎器切割機(jī)理

在切碎器研究中，多數(shù)以動(dòng)刀與定刀的配置關(guān)系、切割間隙、滑切角、刀刃鋒利程度、安裝前角及刀片刃角等因素[7]探究對(duì)機(jī)器切割性能的影響，忽略了喂入物料層厚度對(duì)切割阻力、功耗的影響。Liljedahl利用自制的鍘草機(jī)擺動(dòng)式刀盤試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行切割試驗(yàn)，結(jié)果表明：以紫花苜蓿草為試驗(yàn)物料時(shí)，當(dāng)喂入物料層厚度從1/4英寸增加到1/2英寸，擺動(dòng)式刀盤功率消耗約增加25%[15]。

喂入口切割區(qū)域劃分如圖3所示。通過對(duì)原機(jī)的動(dòng)刀刃曲線切割時(shí)不同位置將喂入口切割區(qū)域劃分進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)動(dòng)刀刃處于L1位置時(shí)，物料開始進(jìn)入切割，由于喂入口高度尺寸較大，上層物料與下方定刀存在高度差，此時(shí)物料受到動(dòng)刀對(duì)它的擠壓，得不到定刀良好的支持，相當(dāng)于形成無支撐切割狀態(tài)，只能完全依靠刀片刃口的鋒利程度與慣性力作用將其壓切斷，切割速度對(duì)切割過程影響比較大；動(dòng)刀刃運(yùn)動(dòng)到L2處時(shí)，動(dòng)刀與定刀距離縮小，定刀開始起到支撐作用；隨著切割的繼續(xù)，當(dāng)動(dòng)刀刃運(yùn)動(dòng)至L3接近底部定刀刃時(shí)，動(dòng)、定刀片配合將物料切斷，此時(shí)切割過程相當(dāng)于有支撐切割，無需較大的慣性力，切割速度控制在一定范圍內(nèi)，對(duì)切割過程影響不大，該過程為動(dòng)、定刀的配合切割。

圖3 喂入口切割區(qū)域劃分Fig.3 The figure of cutting layer

綜上所述，可將喂入口假設(shè)分為上下區(qū)段：上區(qū)段為壓斷區(qū)；下區(qū)段為切割區(qū)。由于壓斷過程中物料切斷依靠動(dòng)刀刃口的鋒利程度與慣性力作用，所以認(rèn)為在上區(qū)段內(nèi)損耗的功率偏大；下區(qū)段符合切割理論，相對(duì)來講，耗能較低。因此，切碎器喂入口設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量縮短壓斷區(qū)，增加切割區(qū)，適當(dāng)降低切割層的厚度，使物料處于有支撐狀態(tài)下切割，減小動(dòng)、定刀的受力，避免切碎器通過壓斷物料產(chǎn)生額外的功率損耗。

2 切碎器改進(jìn)與性能測(cè)試系統(tǒng)搭建

2.1 切碎器改進(jìn)

圖4所示為9Z-6A型切碎機(jī)切碎器喂入口結(jié)構(gòu)圖。該機(jī)型切碎器采用單定刀配合動(dòng)刀切割，當(dāng)物料滿載喂入時(shí)，理論切割層厚度可達(dá)140mm。由于切割層較厚，上層物料將會(huì)存在物料處于無支撐切割的狀態(tài)，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)圖3所示壓斷區(qū)和切割區(qū)。基于上述切割機(jī)理分析，應(yīng)盡量縮短壓斷區(qū)，使物料處于切割區(qū)完成切割，可避免切碎器通過壓斷物料產(chǎn)生的額外功率損耗。

結(jié)合原機(jī)喂入口結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)其切碎器，在其喂入口高度h/2處增設(shè)一把定刀，縮小壓斷區(qū)，保證物料處于雙定刀狀態(tài)下切割。

為避免因增設(shè)定刀而產(chǎn)生的物料分層不均，以及對(duì)物料進(jìn)入喂入口時(shí)產(chǎn)生阻礙，將定刀一側(cè)做成帶有圓弧形的導(dǎo)流裝置。改進(jìn)后切碎器實(shí)物如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后切碎器實(shí)物Fig.5 The improved physical chopper

2.2 性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 測(cè)試系統(tǒng)

圖6為整機(jī)圖。測(cè)試系統(tǒng)安裝于大帶輪和刀盤之間，傳感器通過聯(lián)軸器與原帶輪軸和大帶輪軸相連。圖7為測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖。

1．9Z-6A型飼料切碎機(jī) 2.測(cè)試系統(tǒng)圖6 整機(jī)及測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 The silage forage cutter and test platform

1.刀盤軸 2、4聯(lián)軸器 3.傳感器 5、6.軸承座 7.大帶輪圖7 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.7 The physical test platform

2.2.2 傳感器選擇

依據(jù)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速選擇傳感器。本試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)矩是指刀盤轉(zhuǎn)矩(T)，即動(dòng)定刀配合切斷物料時(shí)物料與刀盤之間相互作用而產(chǎn)生的力矩，公式F=T/R。其中，T為切割物料時(shí)刀盤所受轉(zhuǎn)矩(N·m)；R為力矩作用半徑(m)。此公式可表征轉(zhuǎn)矩與作用力的關(guān)系。

電動(dòng)機(jī)功率為7.5kW ，額定轉(zhuǎn)速1 440r/min，經(jīng)計(jì)算得刀盤轉(zhuǎn)速648r/min，轉(zhuǎn)矩為110.4N·m。據(jù)此選擇JN338型轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器，規(guī)格為500A，轉(zhuǎn)矩量程為0～500N·m，轉(zhuǎn)速量程為0～4 000r/min[16]。

3 切割性能試驗(yàn)研究

試驗(yàn)物料為208號(hào)玉米秸稈，秸稈直徑19～24mm，株高1 800～2 600mm，含水率為9.74%。為了消除個(gè)體差異，取樣時(shí)特選粗細(xì)均勻、生長(zhǎng)位置、收獲時(shí)間基本一致的秸稈。試驗(yàn)場(chǎng)地為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)牧機(jī)實(shí)驗(yàn)室。

3.1 定刀型式對(duì)切割性能的影響

3.1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

以生產(chǎn)率、度電產(chǎn)量、功率及切割質(zhì)量作為指標(biāo)考核9Z-6A型飼料切碎機(jī)的工作性能。生產(chǎn)率為在單位時(shí)間內(nèi)切碎物料的質(zhì)量；度電產(chǎn)量為每度電切碎物料的質(zhì)量；功耗為切割等質(zhì)量的莖稈物料所用的時(shí)間及在這段時(shí)間內(nèi)消耗的功。

首先進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，確定在額定工況下單定刀與雙定刀切割時(shí)各自的喂入量。依據(jù)預(yù)試驗(yàn)測(cè)得的喂入量，保持機(jī)器始終處于額定工況下工作，連續(xù)試驗(yàn)15min，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，數(shù)據(jù)取其平均值。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

額定工況下，電機(jī)頻率為50Hz時(shí)進(jìn)行單定刀與雙定刀切割對(duì)比試驗(yàn)，通過JN338智能傳感器測(cè)得兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

刀盤轉(zhuǎn)速理論計(jì)算為648r/min，表1中刀盤轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，表明測(cè)試裝置存在測(cè)試誤差，分別為雙定刀0.401%、單定刀0.478%，均小于測(cè)試精確度誤差0.5%[17]，在誤差允許范圍內(nèi)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在額定工況下，雙定刀比單定刀刀盤切割轉(zhuǎn)矩降低了15.04%，說明雙定刀有利于降低切碎器刀盤切割力和減少切割功率損耗；雙定刀與單定刀切割莖稈時(shí)相比，功耗降低了21.8%，度電產(chǎn)量提高6.72%，生產(chǎn)率提高4.38%。

表1 不同定刀型式下度電產(chǎn)量、生產(chǎn)率與功率

Table 1 Electricity production, productivity and power by different fixed knife

定刀型式轉(zhuǎn)矩/N·m刀盤轉(zhuǎn)速/r·min-1功率/kW度電產(chǎn)量/kg·(kW·h)-1生產(chǎn)率/kg·h-1單定刀184.1650.613.46170.561106.57雙定刀156.4651.110.52182.021157.32

由試驗(yàn)結(jié)果可知：采用雙定刀形式切割其切割力及功率損耗明顯優(yōu)于單定刀，切割力減小、功耗降低將會(huì)使喂入量提高，即單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)率會(huì)有較大的提高，但試驗(yàn)測(cè)得的生產(chǎn)率改善不明顯，原因如圖8所示。

圖8 雙定刀喂入過程Fig.8 The feeding process of Dual fixed knife

整個(gè)試驗(yàn)過程通過檢測(cè)電機(jī)額定電流來控制喂入量，使單定刀與雙定刀都處于額定工況下工作，如圖8物料由傳送帶運(yùn)送沿喂入方向進(jìn)入切碎器。由于雙定刀結(jié)構(gòu)中增設(shè)定刀的存在，相對(duì)減小了喂入口口徑尺寸，同時(shí)增設(shè)定刀的存在會(huì)對(duì)物料產(chǎn)生阻礙作用，使喂入輥對(duì)物料之間摩擦力升高，喂入輥M1、M2力矩增大，從而使電動(dòng)機(jī)功耗增加；但雙定刀結(jié)構(gòu)對(duì)功耗的減少量要高于喂入輥功耗的增加量，即喂入量有所提高，生產(chǎn)率有所提高。

除度電產(chǎn)量、生產(chǎn)率和功率等性能參數(shù)外，物料切斷質(zhì)量也是評(píng)定鍘草機(jī)切碎器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。圖9為不同定刀切割質(zhì)量對(duì)比圖。

圖9 切割質(zhì)量Fig.9 The comparison of the cutting quality

單定刀切割試樣長(zhǎng)度為11～28mm，長(zhǎng)短不一，且切割斷面出現(xiàn)毛刺；雙定刀切割試樣長(zhǎng)度為11～14mm，較為均勻，且斷面整齊，無毛刺。綜合考慮物料段長(zhǎng)度和斷面質(zhì)量，得出雙定刀切碎器較單定刀切碎器切割質(zhì)量更優(yōu)。

3.2 切割速度對(duì)切碎器切割性能的影響

3.2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

進(jìn)行雙定刀單因素試驗(yàn)，探究切割速度對(duì)切割性能的影響規(guī)律，即切割速度對(duì)9Z-6A型飼料切碎機(jī)度電產(chǎn)量、生產(chǎn)率及功率的影響。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)測(cè)得的各

切割速度下喂入量，同一切割速度水平下進(jìn)行3組試驗(yàn)，取其平均值。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

一般的理論切割速度在15～30m/s范圍內(nèi)，試驗(yàn)中選擇對(duì)應(yīng)的切割速度為15、18、21、24、27、30m/s，利用變頻控制系統(tǒng)加以實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同切割速度下度電產(chǎn)量、生產(chǎn)率與功率

Table 2 Electricity production, productivity and power at different cutting speed

頻率/Hz切割速度/m·s-1功率/kW度電產(chǎn)量/kg·(kW·h)-1生產(chǎn)率/kg·h-127.7155.74165.28628.2233.3186.54176.43754.7738.9217.43180.12859.8244.4248.9188.40964.0950.02710.52182.021157.3255.63015.01168.231186.25

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖10所示。

圖10 切割速度對(duì)切碎器性能的影響Fig.10 Effects of cutting speed on the chopper performance

雙定刀切割時(shí)，切割速度在23～26m/s范圍內(nèi)，度電產(chǎn)量達(dá)到峰值[圖10(a)]；生產(chǎn)率隨著切割速度的增加逐漸提高；當(dāng)切割速度達(dá)到30m/s，生產(chǎn)率趨于穩(wěn)定狀態(tài)[圖10(b)]；功率隨切割速度提高逐漸提高[圖10(c)]。

試驗(yàn)表明：過大或過小的切割速度對(duì)切割性能都有不良影響，切割速度過大會(huì)增加拋送物料的功耗；切割速度過小會(huì)影響正常切割，切割力不夠，不能切斷物料。

綜合考慮切割速度對(duì)切碎機(jī)度電產(chǎn)量、生產(chǎn)率、功率的影響，切割速度為23～26m/s時(shí)性能最優(yōu)。

4 結(jié)論

1)在相同切割條件下，雙定刀比單定刀功耗降低21.8%，度電產(chǎn)量提高6.72%，生產(chǎn)率提高4.38%，雙定刀切割的物料斷面質(zhì)量?jī)?yōu)于單定刀切割質(zhì)量。試驗(yàn)表明：改進(jìn)后雙定刀比單定刀切割性能更佳。

2)通過雙定刀單因素試驗(yàn)，綜合考慮切割速度對(duì)切碎機(jī)度電產(chǎn)量、生產(chǎn)率及功率的影響，切割速度為23～26m/s時(shí)切割性能最優(yōu)。

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Experimental Study on the Performance of 9Z-6A Disc-knife Chaff Cutter after Improved

Yu Zhihong1, Yan Biaobiao1, Wang Guangming1, Cui Hongmei1, Liu Weifeng1, Wang Wenming2

(1.Electrical and Mechanical College，Inner Monggolia Agricultural University， Hohhot 010018, China;2. Electrical and Mechanical Engineering，Xingtai Vocational and Technical College，Xingtai 054035,China )

As one of the agriculture-livestock feed processing machinery, the hay cutter could cut the green (dry) corn stalks, it was widely applied into forage processing. 9Z-6A disc-knife type of chaff cutter was improved in order to solve the problems of the poor quality of forage processing, low productivity and energy consumption in this paper.Another fixed knife was installed at the middle feed inlet of original machine, so its chopper had two fixed knifes. A torque sensor device was designed to test the cutting performance parameters such as torque and power under the rated conditions. The test results showed that the cutting quality of dual fixed knife had been significantly improved over the single fixed knife, power was reduced by 21.8%, electricity production was increased by 6.72%, and the productivity has improved by 4.38% when the water content of the corn straw was 9.74%. The influence law of dual fixed knife’s cutting speed on the chopper work performance had also been studied. The cutting speed was found while the best performance of the chopper chaff could be achieved.

chaff cutter; chopper; disc-knife; cutting performance

2016-10-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51365035)；河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2015108021)

郁志宏(1966-)，女，河北邢臺(tái)人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)yzhyqyzhyq@126.com。

閆彪彪(1992-)，男，山西平遙人，碩士研究生,(E-mail)609826852@qq.com。

S817.12+1

A

1003-188X(2017)12-0151-05