刃角對油茶樹枝粉碎機工作性能的影響

聶也之 ，吳志立 ，2，3*，劉扶貧 ，2，3，楊揚 ，劉亞夫

（1.湖南農業大學 工學院，湖南 長沙 410128；2.南方糧油作物協同創新中心，湖南 長沙 410128；3.湖南現代農業裝備工程技術研究中心，湖南 長沙 410128）

1 前 言

油茶撫育環節中需每年修剪兩次樹枝，大量樹枝的堆積易造成病蟲害和火災風險，而直接焚燒導致環境污染和資源浪費[1]。同時油茶種植林地地形較為復雜，修剪枝條較為分散，需集中收集人工拖拽、捆綁[2]，因此，粉碎后直接堆肥成為廣大合作社廣泛采用的處理方式，經過處理后制作成為肥料，還可作為食用菌培養基質的原材料[3-4]。現有的木質類粉碎機種類繁多，因粉碎對象、粉碎要求的不同而呈現出差異性，目前國內現有樹枝粉碎機趨于大型化，能耗較高，移動不便，且多適宜粉碎直徑較大的樹枝[5]，在分析國內外現有粉碎機特點的同時，結合油茶樹枝韌性較大、種植地形復雜等特點，針對油茶樹枝粉碎時易出現的刀口堵塞、刀具壽命低等問題，設計一款可移動、可切削、操作簡單、生產率高的油茶樹枝粉碎機，粉碎油茶樹枝直徑達到30mm，粉碎粒度達到8mm以下。

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗裝置

樹枝粉碎機按照工作原理劃分有三種類型：錘片式粉碎機、盤式切削加錘片式粉碎機、鼓切式加錘片式粉碎機[6]，文中所設計油茶樹枝粉碎機粉碎方式采用盤式切削加錘片式粉碎，其具有結構簡單、操作方便、生產率高、粉碎效果優秀等優點，使用最為廣泛[7-9]。其結構如圖1、圖2所示，該粉碎機主要結構由機架、切削機構、粉碎機構、動力傳動裝置和整機外殼等組成。機架包括移動輪、萬向輪和支架等；切削機構主要包括進料口、刀盤、刀具等；粉碎機構包括轉子、錘片、銷軸、套筒、篩網等；動力傳動裝置主要有主軸、電機、V帶及帶輪等。

圖1 油茶樹枝粉碎機結構示意圖

粉碎機通過電機輸出動力，通過V帶帶動刀盤高速轉動，刀盤上布置有四個刀口，安裝在刀口的四把刀具依次將進入的樹枝切成一定規格的木片[10]，木片在粉碎腔室中由不同排列順序的三組12片錘片進行粉碎，最后在轉子風葉、錘片的共同作用下，將通過篩網網孔的粉碎物料拋出腔室，從出料口排出，不能通過篩網網孔的物料則繼續參與粉碎，直至能夠排出為止。可通過控制篩網的孔徑大小來控制最終粉碎物料的粒徑大小[11]；進料是通過樹枝自身的質量與刀具切削樹枝時所產生的軸向分力來實現[12]；粉碎機安裝有移動輪與萬向輪，能夠通過人工或者牽引裝置移動到實際工作位置。

2.2 試驗方法

2.2.1 粉碎試驗

試驗目的：為解決粉碎油茶樹枝時出現的堵塞刀口、刀刃易損壞等問題，探究在不同材質、不同刃角、不同主軸轉速條件下粉碎機對油茶樹枝粉碎性能的影響，并對油茶樹枝粉碎機的實際粉碎效果進行評價。

粉碎試驗方法：分別使用SKD11、W6兩種材質，30°、35°、40°三組刃角，在三個主軸轉速 1750r/min、2050r/min、2350r/min 條件下進行粉碎試驗，每次粉碎時間t=60s；采用單根樹枝連續喂入方式，收集記錄每次試驗粉碎木屑體積及功率變化，用于計算單位能耗，單位，共進行18次試驗；同時每次試驗測量10次對應粉碎木屑合格率，求取平均合格率；整理數據，獲取粉碎粒度占比、合格率、單位能耗等參數，繪制圖標，分析結果。

2.2.2 磨損試驗

試驗目的：進一步探討刀具刃角對刀具表面磨損的影響程度。

試驗方法：通過粉碎試驗情況，選擇粉碎時具有較大差異的兩組刃角，分別為30°與40°，同時選擇SKD11、W6兩種材質，將四把刀具安裝于同一刀盤處于同一切削環境，粉碎時長30min，主軸轉速2050r/min，采用單根連續喂料方式，使刀具處于較長的工作狀態，試驗完成后觀察刀具刃口狀態。

3 試驗結果及分析

粉碎試驗獲取數據如表1所示：

表1 粉碎試驗數據

3.1 單位能耗

圖2 刃角-單位能耗曲線圖

如圖2所示，兩圖分別為SKD11與W6材質刀具在三組不同刃角條件下的單位能耗變化情況，兩圖中均在刃角為40°時單位能耗達到最小值；在30°～40°刃角區間內，曲線圖均呈現下降趨勢，單位能耗數值隨著刃角的增加而減小；對比發現，兩圖中W6材質單位能耗數值要小于SKD11材質，且W6材質曲線波動較為平緩，相對較為穩定。

3.2 合格率

圖3 刃角-合格率曲線圖

如圖3所示，粉碎合格率隨刃角的增大而增加，曲線呈上升趨勢；刃角增大，切削效果變好，轉速增加，錘片速度越快，錘片捶打物料時所附加的動能也就越大，打擊力越大，越容易將樹枝內纖維打斷。對比兩圖發現，主軸轉速為1750 r/min時，曲線波動最大，當轉速為2050 r/min時，曲線波動最小，轉速達到2350rpm時，曲線波動較小，說明當主軸轉速從1750rpm增加至2050rpm時，合格率急劇增加，而當轉速從2050 r/min增加至2350 r/min時，合格率增加較為緩慢，故轉速為2050 r/min左右時為臨界轉速。

3.3 粉碎粒度分布

圖4 不同轉速下油茶樹枝粉碎后形貌圖

表1 粉碎試驗數據

在材質為SKD11、刃角為40°條件下時，粉碎粒度分布占比變化最明顯，從表2可以得出，在1750r/min、2050r/min、2350r/min 三個轉速下，8mm 以上粒徑占比分別為 14.21%、12.82%、10.97%；8mm～5mm粒徑占比46.64%、39.14%、27.64%；5mm以下粒徑占比39.15%、48.04%、61.39%；隨著轉速的增加，粒徑變化明顯，對比轉速2350r/min與1750r/min，5mm以下粒徑木屑占比接近1750r/min的兩倍，8mm以上粒徑木屑占比下降。

從圖4可以看出，隨著轉速的增加，油茶樹枝粉碎粒度降低，在轉速為1750r/min時粉碎粒度較為粗大，多呈現為長條狀的木屑；在2350r/min時，粉碎粒度較小，木屑形態多為粉末與細小木屑，這是由于轉速增加，錘片末端線速度增加，對粉碎腔室內物料的錘擊、磨損、搓碎效果增強，提高了粉碎效果，降低了粉碎粒度。

3.4 表面磨損

對磨損狀態進行分析，獲取了試驗后刀刃在金相顯微鏡下放大100倍后的圖像。

圖5 刀具刃口狀態圖

如圖5所示，30°刃角刀刃相較40°刃角刀刃損壞程度更大，這是由于刃角減小，刀刃的厚度變薄，物理強度減弱，刀刃更易損壞，這說明在30°～40°刃角區間內，刃角增加有利于改善切削環境。

4 結論分析

（1）通過實際試驗發現，在 30°～40°刃角區間內，隨著選擇刃角的增大，進行喂料時切效果越好，軸向分力增大，進料效果越好；

（2）通過對比粉碎機單位能耗、合格率等參數，發現 40°刃角相較于 30°、35°刃角，合格率高，單位能耗小，刀刃損壞程度小，能有效的提高粉碎效率，刀具使用壽命更長；

（3）從粉碎粒徑分布可以看出，隨著轉速的增加，粉碎粒度明顯減小，綜合考慮，建議粉碎油茶樹枝選擇參數為40°刃角、2050rpm轉速；

（4）粉碎的油茶樹枝直徑約在20mm～30mm區間內，試驗結果有一定偏差，但兩材質的變化趨勢基本一致，數據具有一定的參考性。