灌木切割粉碎一體機設計

李志昊，閆文剛，劉志剛，李治國，白 陽

（內蒙古工業大學 機械工程學院，呼和浩特 010051）

1 我國灌木機械的市場前景

我國全國沙漠化土地、具有沙化趨勢的土地分別有438.16、32.15萬平方公里，其中內蒙古自治區的荒漠化土地面積占全國的約57%，是目前全國范圍內土地沙漠化最嚴重的省份。為了治理土地荒漠化，國家同內蒙古自治區政府投入了大量精力，在內蒙古地區每年的平均灌木營造面積已經占據總營林面積的接近70%。沙生灌木是我國西部干旱、半干旱地區在治理土地荒漠化的過程中重要的營造樹種，內蒙古自治區目前現有灌木面積達333.4萬公頃，灌木大約每三到四年為一個周期需要進行一次平茬復壯。平茬后灌木生長較快，枝條更茂盛。平茬復壯中切下的枝條可用于生產人造板，柳編產品，灌木飼料加工等。傳統的依靠人工平茬的方式不僅生產效率低，而且勞動強度高。對于灌木的營林工作，急需要大量的灌木營林械。全國林業對于灌木機械的需求每年大約在5萬臺以上。

2 總體方案確定

如圖1所示，2號為割灌部分，通過3號皮帶傳動使得主軸轉動，通過2號機體里面的斜齒輪和直齒輪的傳動帶動圓形刀片轉動，從而達到切割灌木的目的。此種切割方式為無支撐切割。1號為倒人字形導板，灌木被切割倒之后由于車體的速度，灌木枝條通過1號人字形導板到達4號傳送帶部分，通過傳遞帶傳遞到14號喂入輥的位置，喂入輥安裝在6號喂入輥架上，喂入輥設計為兩部分分上喂入輥和下喂入輥，通過皮帶傳動上喂入輥轉動，上下喂入輥通過齒輪傳動，這樣可以使得上下喂入輥擁有相反的轉動方向使得起到導向和傳送的作用。喂入輥設計為溝齒狀，這樣可以使得上相喂入輥擁有更好的相對轉動，也提高了灌木在進入之后喂入輥對枝條產生擠壓，以便于切割。經過喂入輥后，灌木枝條到達13號定刀片處，定刀片安裝在7號定刀架上，11號動刀旋轉粉碎枝條，粉碎后的枝條下落，8號分料器轉動，調整落料的位置。通過對各種灌木機械的調查和了解，本著方便，生產率高，節省勞動力的原則，對本機進行了總體設計。

圖1 切割灌一體機原理圖

3 典型部件的設計

3.1 喂入輥的設計

喂入機構壓緊灌木枝條并將其喂入切碎器，在切碎時夾持住灌木枝條以免在切碎時因受力不均產生長枝條，為了保證粉碎過程的順利，喂料時要求物料層不可以相對滑動，并且當物料層厚度發生變化時必須保證也能夠加緊物料，所以喂入輥的設計為如圖2所示，上下喂入輥為溝齒狀，并且可以相互配合，上下喂入輥之間傳動方式采用齒輪傳動，齒輪傳動平穩可靠，可以保證喂入輥平穩正常的工作。

圖2 喂入機構

主要參數確定：

上下喂入輥長度1200mm。

溝齒數z=30。

外徑計算式為：

式中：t為喂入灌木枝條的厚度，取t=60mm；

u為枝條通過喂入輥時的壓縮系數，u=0.6～0.8，取u=0.6；

φ為草層和喂入輥之間的摩擦角，φ=16°～32°，取φ=20°；

3.2 切碎器的設計

切碎器的設計標準是結構緊湊，刀具便于刃磨，動刀和定刀之間間隙足夠小，粉碎的物料拋送方便，并且粉碎時要省力，負荷均勻。

如圖3所示切碎機構有旋轉動刀和定刀組成，動刀有6片，均勻分布在旋轉體上。通過動刀和定刀的配合，達到切碎的目的。

3.3 割灌機部分的設計

如圖4所示為灌木切割粉碎一體機的割灌機部分，主軸旋轉通過錐齒輪傳動帶動中間軸轉動，再通過傳動齒輪帶動上下兩個軸轉動，圓形刀片通過螺栓安裝在主軸上，主軸同旋轉刀片一起轉動，達到割灌的目的。

圖3 切碎機構

圖4 割灌機部分

下面以割灌器中的一對齒輪為例進行設計計算：

小齒輪齒數為z1=5 2，大齒輪齒數z2=u z1=3.2×52=166.4，取z2=167齒。經過齒面接觸疲勞強度校核與齒根彎曲疲勞強度校核計算，再經過變位調整中心距設計得割灌機部分的主要設計結論為：

齒數z1=52，z2=181，模數m=1.25mm，壓力角a=20°，變位系數x1=0.362，x2=0.416，中心距a=148.5mm，齒寬b1=70mm，b2=65mm，在材料選擇上小齒輪材料選用40Cr，大齒輪選用45鋼，全部調質處理。齒輪按7級精度設計。

3.4 電機選擇

轉速n=2000r/min～3000r/min。

材料65Mn。

圓鋸片直徑D=400mm。

1）圓鋸片空載轉動消耗的功率

空載時所需消耗的功率為：

式中：n為圓鋸盤轉速（r/min），n=2500；

j為刀盤轉動慣量（kg·m2），j=0.1；

w為刀盤角速度（rad/s），w=210rad/s。

代入公式得到p1=5.5kw。

2）圓鋸盤切割灌木時消耗的功率

式中：vm為機器進給速度（m/s），vm=1；

A為刀盤的切割寬度（m），A=0.4m；

l0為切割灌木時所需的功（J/m2），l0=480。

代入公式得：

3）考慮在傳遞過程中的功率消耗，查表可得齒 更輪傳動效率1=0.98，軸承效率2=0.99，聯軸器傳遞效率3=0.99。

則有：

由于本機器采用的是三鋸片同時作用，所以機器所消耗總功為：

因此，選取Y200L-1-2型三相異步電動機，如表1所示。

表1 三相異步電機選型

3.5 仿形機構設計

由于風的作用，灌木的根部會形成一個半圓形沙包，考慮到這個問題，該套裝置在割灌機部分的底部安裝3個仿形輪，3個輪子采用三角形布局，提高穩定性。在工作過程中，遇到沙包，輪子會在沙包表面滾動，使割灌機設備抬升，保證其始終與地面保持一定距離。

3.6 導向板機構設計

由于切割裝置安裝在車體的前方，所以要保證割倒的灌木枝條，及時準確的到達傳送帶部分，否則會因為枝條的擁堵影響車體前進。所以設計倒人字導板結構，枝條通過倒人字導板可以準確及時的到達傳送帶。

3.7 傳送帶設計

如圖5所示，傳送帶驅動方式為電機驅動，傳送帶的帶面設計為固定距離凸起狀，這樣可以使得灌木枝條好的跟隨傳送帶運動，順利進入到喂入輥機構。

圖5 傳送帶

3.8 割灌刀片的選擇

割灌刀頭種類有三角刀頭，十字刀頭，圓鋸片。其中，如圖6所示的圓鋸片刀頭是所有刀頭中應用最為廣泛的一種，圓鋸片與三角刀頭和十字刀頭相比能夠切割直徑更大的灌木，切割效率高，結構簡單，操作安裝方便。

圖6 圓鋸片刀片

3.9 分料器的設計

分料器的作用是調整落料位置，防止落料堆積從而影響箱體的容積。如圖7所示，分料器有四片葉片，兩兩葉片之間相互垂直，葉片隨軸轉動。

圖7 分料器

4 結論

本套機械參考國內外的割灌機和粉碎機進行設計，通過輸送機構將割灌機和粉碎機串聯在一起，做到了灌木由割倒接輸送到粉碎的同步，本套裝置擁有很好的地形通過性。大大提高了灌木平茬的效率，同時也大大減少了工人了勞動強度和企業的成本，解決了現有的問題。

但該機器還需要在生產實踐中進行檢驗，以完善不足之處。