秸稈低速剪切粉碎機設計與試驗*

王振偉，趙維松，陳明江，韓柏和，付菁菁，馬標

(農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我國農作物秸稈產量豐富，秸稈綜合利用需求旺盛[1]，多數的利用方式需要把秸稈粉碎至合適長度。我國對粉碎設備的研究已經有幾十年的歷史，研制了多種不同粉碎原理的秸稈粉碎設備，每種設備都有自己的優勢與不足[2]。

秸稈粉碎機按照粉碎機理與工作部件結構主要可分為鍘刀式、錘片式、揉切式和組合式4種類型[3-6]。鍘刀式粉碎機是我國應用較廣泛的一種，主要是通過刀具在粉碎室內對秸稈進行多次反復切割，直到秸稈長度滿足要求，胡宏[7]利用ADAMS對鍘刀粉碎機的轉子總成進行了模擬與仿真，研究其從啟動到平穩運轉的整個過程。錘片式粉碎機通過主軸的轉動帶動錘片運動，工作時錘片與秸稈發生碰撞，然后反彈至粉碎室周邊進行圓周運動，再與錘片反復撞擊，直到將秸稈粉碎，并且對粉碎的物料具有揉搓效果，薛雲恒等通過研究得出切割線速度、齒板數量、箱體傾角對秸稈的粉碎率有顯著影響。揉切式粉碎機[8]介于鍘切式與揉搓式之間，先利用鍘切功能將秸稈切碎，再結合揉搓功能將粉碎的秸稈揉搓成絲狀，趙小娟等利用Solidworks Simulation軟件對粉碎刀和刀軸進行了模態分析，獲得粉碎刀的最大應力為20.7 MPa。組合式破碎結合了以上粉碎機的各項特點，是一種復合式粉碎機，相對于單一粉碎方式，組合式粉碎機[9-11]的粉碎質量明顯提高，鮑振博等對組合式粉碎機進行了總體設計，并對動刀間隙、錘片與篩網間隙、動刀與錘片形狀進行了研究。

但以上幾種粉碎機都存在以下幾點不足：一是粉碎粒度不集中，過粉碎現象較為嚴重。通常通過篩網控制粉碎粒度，但篩網會造成秸稈多次粉碎，形成嚴重的粉塵；二是粉碎能耗較高，以上幾種粉碎機都屬于高速粉碎機，錘片或切刀在與秸稈發生碰撞時，會消耗很大一部分動能，這也造成了粉碎噪音過大和粉碎部件磨損加快；三是現有粉碎機的作業對象主要是青貯飼料或樹枝，對秸稈尤其是水稻秸稈適應性較差。

針對上述問題和秸稈粉碎需求，設計開發了一種低速剪切式粉碎機并開展了理論分析、樣機試制和試驗驗證，以期研制出粉碎粒度集中、噪音低、粉塵少的秸稈粉碎機。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

低速剪切式粉碎機主要由電機、減速機、底座、箱體、清理齒、間隔盤、主粉碎輥、副粉碎輥、粉碎齒盤及導流板組成，如圖1所示。其中粉碎齒盤是周向為刀齒的圓盤結構，是粉碎機的關鍵部件，粉碎齒盤與間隔盤交替安裝粉碎輥上，主粉碎輥與副粉碎輥上的粉碎齒盤交錯安裝，清理齒深入相鄰的兩個粉碎齒盤之間，減速機直接與粉粹輥相連，并驅動粉碎輥相向轉動。

圖1 整機結構Fig. 1 Machine structure1.電機 2.減速機 3.底座 4.箱體 5.清理齒 6.間隔盤7.主粉碎輥 8.副粉碎輥 9.粉碎齒盤 10.導流板

1.2 工作原理

秸稈放置在粉碎輥上方，在粉碎輥轉動的過程中，粉碎齒盤上的齒帶動秸稈向中間聚攏，當兩個齒盤的齒交錯時，完成對秸稈的切割；清理齒可以將粉碎齒盤間的物料清除，以防止物料卡住粉碎齒盤而導致堵塞，若粉碎負荷超出設定值，電機反轉后再正轉，將堵塞的物料調整姿態后重新粉碎。

秸稈低速剪切粉碎機的主要技術指標如表1所示。

表1 主要技術指標Tab. 1 Main technology index

2 關鍵部件設計

粉碎齒盤的實物圖如圖2所示，低速剪切粉碎機的工作部件材質使用了工具鋼，具有任性好，耐磨強度大的特性。該部件的結構設計完全影響了設備的性能，如秸稈粉碎長度、生產效率、能耗等，因此是本次研究的重點。其粉碎秸稈的機理如下。

粉碎齒盤的圓周上均勻分布有若干個齒，假設每個齒有正面和背面，如圖3所示，正面和背面重合的邊稱為正刃，正面和背面與粉碎齒盤側面相交的邊為正邊刃與背邊刃，相鄰粉碎齒之間的部分稱為粉碎腔室。

圖2 粉碎齒盤實物圖Fig. 2 crushing gear disc

圖3 齒盤結構圖Fig. 3 Structure diagram of crushing gear disc1.秸稈 2.背邊刃 3.正刃 4.正邊刃

工作時，秸稈落在粉碎輥上方，如圖4所示，在重力和轉動作用下，秸稈落入粉碎腔室并強制向中間擠壓，在擠壓的過程中，秸稈由蓬松變為緊實，當主粉碎輥上粉碎齒盤的正邊刃、背邊刃與副粉碎輥上粉碎齒盤交叉時形成對秸稈的剪切作用，從而實現秸稈粉碎，如圖5所示。

圖4 秸稈粉碎過程示意圖Fig. 4 Schematic diagram of straw crushing process

圖5 秸稈剪切示意圖Fig. 5 Schematic diagram of straw crushing1.粉碎齒盤 2.秸稈

2.1 粉碎齒盤結構設計

假設秸稈與粉碎齒盤軸向的夾角α，理想狀態下秸稈與軸線平行時，秸稈的切斷長度最短，如圖6中的狀態1所示。因為大部分的秸稈經過由蓬松到緊實的過程后與齒面形成的夾角α較小，形成如圖6中的狀態2、狀態3，此時秸稈的理論切碎長度為d/sinα。存在一種特殊情況，即如圖6中狀態4所示，與齒面形成的夾角α接近90°，此種狀態下，粉碎齒盤的側刃無法切割秸稈，秸稈被正刃切割，如圖7所示，理論上的長度為相鄰兩個正刃的距離相等。所以，秸稈的理論切斷長度

l1≤l

(1)

式中：d——齒盤厚度，mm；

α——秸稈與齒盤軸向夾角，(°)；

l——齒距，mm。

因為秸稈實際上并非是理想直線形狀的，而是彎曲的或者是彎折的，因此存在長度l1大于l的粉碎物料。

本次研究要求秸稈粉碎粒度要求達到30 mm以下，所以齒距l取值為30 mm，齒盤厚度d取值為10 mm，秸稈粉碎粒度理論長度大部分集中于10～30 mm之間。

圖6 秸稈切割狀態示意圖Fig. 6 Status of cutting straw

圖7 粉碎齒盤正刃切割示意圖Fig. 7 Schematic diagram of cutting edge1.粉碎齒盤 2.秸稈 3.正刃

按照設計要求，研制生產效率為1.5 t/h以上，粉碎長度小于30 mm，粉碎合格率大于80%的粉碎機。本次研究中設計了厚度為10 mm，齒距為30 mm的粉粹齒盤，其余的設計參數如表2所示。

表2 粉碎齒輥設計參數Tab. 2 Design parameters

生產效率是衡量秸稈粉碎機性能的指標之一，生產效率的估算方法則是粉碎機設計的依據。秸稈低速剪切粉碎機的生產效率與粉碎齒盤的轉速、外徑、齒深、齒數及齒間草料的充滿系數有關。秸稈被粉碎齒盤強制帶動的部分(即填充于粉碎齒盤齒間的秸稈)為可以粉碎的秸稈，因秸稈流動性極差，不能完全填充在粉碎齒盤之間，將可填充的草料與粉碎齒之間的體積比值定義為填充系數k，根據經驗，填充系數約在0.2～0.4之間較為合理，本文中取填充系數為0.28。因粉碎齒盤的外形多樣，齒面多有弧線設計，不利于計算，關于低速剪切粉碎機的相關研究資料甚少。本文采用三角形法，粗略計算。具體方法如圖8所示，連接相鄰粉碎齒的齒尖和齒根，構成直角三角形，則三角形的高為等于齒深h，斜邊的長度等于齒距l，面積

(2)

式中：S——三角形的面積，m2；

h——齒深，mm。

假設粉碎齒盤的齒數有n1個，粉碎齒輥的長度為l2，則轉一圈粉碎的秸稈的體積

(3)

2個齒輥同時工作，則秸稈的粉碎效率

(4)

(5)

式中：n——粉碎輥轉速，r/min；

m——粉碎秸稈的質量，kg；

ρ——秸稈密度，kg/m3。

圖8 齒間面積圖示Fig. 8 Area between two teeth

理論上滿足以生產效率為1.5 t/h生產條件下，粉粹齒盤的外形結構，齒輥的長度及轉速有多種選擇，在此理論的基礎上，本文根據經驗選擇了齒深為12 mm，齒數為13，粉碎輥長度為0.8 m的結構。

2.2 粉碎齒盤的安裝

切割可分為正切與滑切，滑切相對正切切割阻力小，因此在切割的過程中，應盡量減少粉碎齒盤對秸稈的正切作用，降低工作負載。假定在主軸與副軸上的粉粹齒盤結構相同，則在主軸與副軸的中心上分別建立坐標系O1和O2，假設距離O1坐標系x軸正方向最近的粉碎刀齒正刃和粉碎圓盤中心的連線與x軸的夾角為安裝相位角θ1，距離O2坐標系x軸負方向方向最近的粉碎刀齒正刃和粉碎圓盤中心的連線與x軸的夾角為安裝相位角θ2，θ1與θ2的差值為θ。如圖9(a)所示，當差值θ為0時，則在切割物料時，物料受力左右對稱，切割時難以產生滑動，此時的切割主要為正切。當θ值不為0時，假設秸稈的質心為O，背邊刃與秸稈接觸的點的曲率中心為O3，正邊刃與秸稈接觸點的曲率中心為O4，連接O與O1，O與O2并分別做垂線，垂線方向為秸稈移動的速度的方向，分別為v2、v1，運動速度合成定理確定實際瞬時運動方向v，連接O與O3，O與O4，表示正切刃與背切刃切割秸稈的法向方向，從圖10中可看出正切刃與背切刃的法線方向均與秸稈的運動方向存在一定的夾角，由此判定此時粉碎齒盤對物料的切割主要為滑切作用。因此，為降低切割對動力的需求，應增加對物料切割時的滑切作用，減少對物料切割的正切作用，可采用不同外形的粉碎齒盤、粉粹齒盤直徑、不同的軸的轉速或控制安裝相位角等方法。

因可通過設置主粉碎輥、副粉碎輥上粉碎齒盤的不同外形、粉碎齒盤不同直徑或不同的轉速來相應地減少正切作用，增加滑切作用。為了降低研究難度與成本，本文采用主粉碎輥和副粉碎輥上外形結構相同的粉碎齒盤，且主粉碎輥和副粉碎輥轉速相同，通過控制安裝相位角的方法增加滑切作用，安裝相位角差采用相差半個齒距，剪切秸稈的狀態如圖9(b)所示。

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(6)

式中：z——粉碎齒數。

(a)

(b)圖9 相位角安裝示意圖Fig. 9 Diagram of installation phase angle

圖10 滑切示意圖Fig. 10 Schematic diagram of sliding cutting

3 秸稈粉碎試驗

3.1 試驗設備及材料

試驗設備主要有多功能電度表，型號：DTZ4921，用于測量電耗；水分測量儀，型號：PM-8188-A，用于測量秸稈含水率；電子天平，精度為0.1 g，用于測量取樣樣品的重量。

為了驗證設計的低速剪切粉碎機的性能，搭建了如圖11所示的試驗平臺，試驗平臺包含上料機、對輥粉碎機、緩存料箱、輸送皮帶等，工作時將秸稈連續均勻鋪放在在上料機上，經上料機提升后落入對輥粉碎機中，粉碎后的物料經緩存料箱和皮帶輸出。

圖11 試驗裝置Fig. 11 Test device1.上料機 2.粉碎機 3.緩存料箱 4.輸送皮帶

3.2 試驗方案

稱量200 kg的玉米秸稈作為試驗原料，記錄粉碎所用的時間、電耗及測量含水率，重復3次，測平均值；粉碎完成后再隨機取樣粉碎后物料作為樣本，按照長度0～10 mm、10～20 mm、20～30 mm、30 mm以上4種規格進行分類，并稱量重量，用于計算粉碎長度比重，計算方法如下。

(7)

式中：mi——每個粉碎長度區間的物料重量，g；

mz——隨機取樣的物料重量，g；

粉碎效率

(8)

式中：mg——秸稈總重，kg；

t——粉碎時間，s；

N1——粉碎效率，t/h。

單位能耗

(9)

式中：P——粉碎秸稈的噸能耗，(kW·h)/t；

w1——粉碎前多功能電度表度數，kW·h；

w0——粉碎后多功能電度表度數，kW·h；

ma——粉碎秸稈的總重量，kg。

3.3 試驗結果與分析

粉碎后的玉米秸稈形狀規則成條狀，切口整齊，如圖12所示，說明在粉碎過程中主要存在剪切作用，粉碎揉搓作用不明顯。測量數據如表3所示，玉米秸稈粉碎長度分布如圖13所示。

圖12 玉米秸稈粉碎后狀態Fig. 12 Status of straw crushing

表3 玉米秸稈粉碎試驗統計Tab. 3 Statistics of straw crushing test data

圖13 玉米秸稈粉碎長度統計Fig. 13 Statistics of crushing length of corn straw

從表3可以看出，秸稈的噸能耗為6.7～6.9(kW·h)/t，單位粉碎能耗穩定。秸稈的含水率對粉碎效率有影響，含水率越高時，粉碎效率越高，當含水率為55%時，粉碎效率最高達2 t/h，粉碎腔室的填充與秸稈的體積關聯緊密，理論上單位時間內粉碎的秸稈的體積是不變的，含水量增加后，粉碎秸稈的重量增加。

從圖13可以看出，粉碎齒盤厚度為10 mm，齒距為30 mm時，玉米秸稈的粉碎長度相對集中于10～20 mm 范圍區間內，比重達51%～53%；粉碎長度在0～30 mm之間的比重達92%～95%，達到了設計要求。秸稈長度在30 mm以上的比重達5%～8%，符合理論分析結果，這部分的比重值應取決于物料本身的物理特性。

4 結論

1) 本文對低速剪切粉碎機的粉碎原理、齒盤的結構設計以及齒盤的安裝方式進行了研究，得出秸稈的理論粉碎長度主要由齒盤的厚度和齒距決定，并設計了厚度為10 mm，齒距為30 mm，直徑為125 mm粉碎齒盤，為低速剪切式粉碎機的設計提供了理論基礎。

2) 通過對玉米秸稈的試驗，秸稈的粉碎長度小于30 mm的合格率達92%，達到了設計要求；秸稈的含水率對生產效率有影響，含水率高時，粉碎效率高；粉碎齒盤主要對秸稈形成剪切作用，秸稈的粉碎形態規整，切口整齊。