槽式翻拋機(jī)工作部件動力傳動研究

張 林 ，郭釔浩 ，郭以圣 ，沈碧河 ，何金成 ，2

（1.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002 2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國對于肉類食品的需求也日益增多，這也刺激了我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展。但是在我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展的同時，相應(yīng)的配套處理設(shè)施并沒有跟上，從而對周邊環(huán)境造成不同程度的污染。

現(xiàn)代生產(chǎn)有機(jī)肥的方法是利用好氧微生物的發(fā)酵作用，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)廢棄物變成可以直接利用的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，為了能夠保證微生物的繁殖和發(fā)育并加速發(fā)酵的過程，發(fā)酵床中的物料在發(fā)酵過程中需要進(jìn)行定期地翻拋?zhàn)鳂I(yè)，因此翻拋機(jī)是發(fā)酵過程中的關(guān)鍵設(shè)備。此前福建農(nóng)科科技發(fā)展有限公司與我院老師合作設(shè)計的翻拋機(jī)已經(jīng)生產(chǎn)并投入使用，但是在使用過程中發(fā)現(xiàn)了不足，針對在使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行研究并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 槽式翻拋機(jī)組成及工作原理

1.1 槽式翻拋機(jī)的組成

如圖1所示，槽式翻拋機(jī)是應(yīng)用于發(fā)酵槽物料翻拋的一種大型機(jī)械，它主要由行走系統(tǒng)、提升機(jī)構(gòu)、機(jī)架、工作部件動力傳動系統(tǒng)、翻料工作部件組成，為了實(shí)現(xiàn)對多個發(fā)酵床的的翻拋，翻拋機(jī)應(yīng)結(jié)合移位機(jī)使用。行走系統(tǒng)由行走機(jī)架、行走電機(jī)、鏈傳動系統(tǒng)、傳動軸、行走輪等組成，用來帶動翻拋機(jī)在軌道上運(yùn)動；提升機(jī)構(gòu)采用液壓缸對工作部件進(jìn)行升降，以便調(diào)整翻拋深度；機(jī)架為電機(jī)、液壓系統(tǒng)、電器柜等提供安裝位置和支撐；工作部件動力傳動系統(tǒng)由電機(jī)、T型傳動箱、減速器、鏈傳動系統(tǒng)等組合而成，將電機(jī)動力傳遞到工作部件上為工作部件提供動力，工作部件在機(jī)器前進(jìn)過程中，通過耙齒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動將物料從下向上拋起，使其與空氣充分接觸。

圖1 翻拋機(jī)結(jié)構(gòu)組成圖

1.2 槽式翻拋機(jī)的工作原理

發(fā)酵槽的兩側(cè)墻體上安裝有翻拋機(jī)行走用的軌道，翻拋機(jī)的行走系統(tǒng)由行走電機(jī)提供動力，通過鏈傳動帶動行走輪在軌道上來回運(yùn)動。在翻拋機(jī)前進(jìn)的同時，工作部件上的刀片作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動將發(fā)酵床中的下層墊料向前上方拋擲并破碎，在將墊料拋起的過程中使墊料與空氣充分接觸，同時可以調(diào)節(jié)墊料水分和溫度，從而促進(jìn)微生物發(fā)酵。翻拋機(jī)到達(dá)發(fā)酵床終點(diǎn)后，利用液壓油缸將工作臺提升到一定高度，利用調(diào)頻裝置調(diào)節(jié)行走電機(jī)轉(zhuǎn)速，使裝置快速回到起點(diǎn)，完成一次工作過程。

2 國內(nèi)外發(fā)展情況

2.1 國內(nèi)發(fā)展情況

從20世紀(jì)70年代開始，我國開始了翻拋機(jī)的研究，出現(xiàn)了我國最早的翻拋機(jī)，但由于技術(shù)水平等制約導(dǎo)致其存在諸多問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國翻拋機(jī)的種類、效率和工作性能都得到了大幅度的提升。

2008年南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制了FP2500A型翻拋機(jī)，它可以對寬度2.5 m，高度低于0.85 m的物料堆肥進(jìn)行作業(yè)，翻拋物料的同時還可以將成塊物料粉碎，翻拋后物料直徑小于20 mm。缺點(diǎn)在于該翻拋機(jī)采用“坡形”設(shè)計，因此前進(jìn)阻力較大。

2011年，農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院發(fā)明設(shè)計了一臺鏈板式翻拋機(jī)。該設(shè)備雖然前進(jìn)阻力小，自動化程度高，但由于設(shè)備較大僅適用于大型發(fā)酵槽，且由于重量較大，不便于換槽。

機(jī)械科學(xué)研究總院設(shè)計發(fā)明一種滾筒式翻拋機(jī)，該翻拋機(jī)采用中間傳動方式，自動化程度和工作效率高，每小時能夠處理大約750 m3的物料。但是采用單臂支撐導(dǎo)致波分結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，振動較大，穩(wěn)定性差，且制造成本較高。近幾年，國內(nèi)的機(jī)械類公司也研制了多種翻拋機(jī)，其產(chǎn)品更傾向于小型化，農(nóng)用通用化。

2.2 國外發(fā)展情況

德國、日本這些發(fā)達(dá)國家由于生態(tài)農(nóng)業(yè)模式發(fā)達(dá)，利用農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥生產(chǎn)有機(jī)肥的發(fā)展較早，堆肥的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備的發(fā)展早于國內(nèi)且趨于成熟，其堆肥翻拋設(shè)備正向著專業(yè)化、大型化和智能化的方向發(fā)展。目前國外最專業(yè)的翻拋機(jī)生產(chǎn)企業(yè)為德國的巴庫斯，其對于翻拋機(jī)的研究起步較早與其他發(fā)達(dá)國家，目前已經(jīng)研發(fā)制造了適用于不同工作環(huán)境下的各種類型的翻拋機(jī)，出口到各個國家并得到了廣泛認(rèn)可。巴庫斯積累了多年的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)并在德國先進(jìn)的制造水平下確保了設(shè)備具有穩(wěn)定的工作性能和高性價比，主要產(chǎn)品包括槽式翻拋機(jī)、后翻式翻拋機(jī)、側(cè)翻式翻拋機(jī)。

3 工作部件動力傳動方式選擇

3.1 傳動方式選擇

傳動方式主要有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動和蝸輪蝸桿傳動，以下對幾種傳動方式做出比較。帶傳動結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動平穩(wěn)，造價便宜有緩沖減震作用，缺點(diǎn)在存在打滑現(xiàn)象，傳動比不穩(wěn)定。鏈傳動平均傳動比準(zhǔn)確，無打滑現(xiàn)象，傳動可靠，具有較強(qiáng)過載能力，可以在較差的工作環(huán)境下工作，成本便宜。缺點(diǎn)在瞬時傳動比不穩(wěn)定，傳動平穩(wěn)性較差，不適用于高速場合工作，特殊情況需要張緊裝置。齒輪傳動方式是應(yīng)用最多傳動形式，傳動比穩(wěn)定，能夠傳遞很大的動力，結(jié)構(gòu)緊湊；但是當(dāng)傳動間距較大時，用齒輪傳動會增加較大質(zhì)量。蝸輪蝸桿傳動尺寸較緊湊，可以采用較大傳動比、工作平穩(wěn)無噪聲且可以自鎖，但是傳動效率較低。在設(shè)計傳動系統(tǒng)時，選擇傳動類型主要指標(biāo)有傳動效率、尺寸、質(zhì)量、運(yùn)動性能及是否適用于實(shí)際情況等。而鏈傳動比較適合大中心距傳動和低速重載的傳動，傳動效率較高且壓軸力較小，同時還能滿足翻拋機(jī)的惡劣的工作環(huán)境，故本裝置采用鏈傳動。

3.2 傳動方案選擇

在進(jìn)行設(shè)計翻拋機(jī)的傳動方案時，由于旋耕機(jī)的作業(yè)方式與翻拋機(jī)類似，首先考慮借鑒目前發(fā)展比較成熟的旋耕機(jī)的傳動方案。旋耕機(jī)工作部件傳動方式主要有如圖2所示，中間傳動（a）、側(cè)邊齒輪傳動（b）和側(cè)邊鏈輪傳動（c）。由于文章采用鏈傳動，故接下來先將中間鏈傳動與側(cè)邊鏈傳動進(jìn)行比較。

圖2 旋耕機(jī)傳動方式

中間傳動方式比側(cè)邊傳動的受力更加合理，能夠有效減少扭矩、扭轉(zhuǎn)角，且有減少振動的優(yōu)點(diǎn)。側(cè)邊箱的制造簡單，拆裝方便，相比與中間傳動需要安裝較重的鑄件傳動箱，側(cè)邊傳動能夠有效減少機(jī)身重量。

方案1為中間鏈傳動方案，結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 中間傳動方案

傳動原理為電機(jī)經(jīng)減速器與聯(lián)軸器相連，將轉(zhuǎn)速降低至工作所需轉(zhuǎn)速。為了減小傳動距離，方便布置，將減速器輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)第一鏈輪系傳動至第二鏈輪系，通過第二鏈輪系傳至第二鏈輪系的從動輪；鏈輪主軸通過銷釘與工作部件主軸相連，刀具與刀軸用螺栓連接，通過鏈傳動最終帶動工作部件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。對于此種傳動方案，主要有以下幾個特點(diǎn)：

這種方案可以使整個裝置結(jié)構(gòu)簡化，一定程度上縮小了裝置的體積；中間傳動方式的受力更為合理，有利于裝置的平衡與穩(wěn)定；中間傳動箱需采用鑄造，成本較高；傳動箱下端不能進(jìn)行翻拋，且由于傳動箱位于中間便于拆裝維修。

方案2為側(cè)邊鏈傳動方案，結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

傳動原理為電機(jī)經(jīng)減速器與聯(lián)軸器相連，將轉(zhuǎn)速降低至工作所需轉(zhuǎn)速。通過主動鏈輪將動力傳至從動鏈輪后，從動鏈輪主軸與刀軸相連，從而帶動工作部件轉(zhuǎn)動。對于此種傳動方案，主要有以下幾個特點(diǎn)：

加工制造方便，側(cè)邊傳動箱比中間傳動箱拆裝方便，便于維護(hù)；相比于中間傳動式的懸臂下端不能進(jìn)行翻拋?zhàn)鳂I(yè)，這種方式的翻拋更完整；傳動側(cè)主軸的受力比較大且復(fù)雜，且主軸受力相比于中間傳動不夠合理。

圖4 側(cè)邊傳動方案圖

方案3是總結(jié)了前面討論的兩種方案，吸收其優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計出的雙邊鏈傳動方案。結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

圖5 雙邊鏈傳動方案圖

傳動原理為動力經(jīng)T型傳動箱傳遞至兩側(cè)輸出軸，中間軸將動力傳遞給減速器，減速器輸出軸安裝有鏈輪，通過鏈輪再將動力傳遞給工作部件，實(shí)現(xiàn)工作部件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。對于此種傳動方案，主要有以下幾個特點(diǎn)：

對于原翻拋機(jī)的結(jié)構(gòu)的改動最小，減少了工作量；主軸的受力比較合理，利于裝置平衡與穩(wěn)定；翻拋?zhàn)鳂I(yè)面積相比于中間傳動式更大更徹底。

4 結(jié)語

通過前面對于中間傳動和側(cè)邊傳動的對比分析，在此基礎(chǔ)上提出了由一個電機(jī)提供動力的雙邊鏈傳動的方案，這種方案解決了原方案采用兩個電機(jī)導(dǎo)致功率損耗的問題，同時也保證對于機(jī)械結(jié)構(gòu)做最小的改動。