有機肥臥式攪拌機的研究設計

張曉偉，曹海峰，王德明

(黑龍江省農業機械工程科學研究院 綏化分院，黑龍江 綏化 152054)

0 引言

我國是農業與畜牧業大國,每年產生大量玉米秸稈和牛糞資源。據統計2020年我國玉米種植面積4 126.69億m2，總秸稈量為9億t，牛糞排放量20億t，玉米秸稈和牛糞不能有效處理，致使生態環境受到破壞[1]。玉米秸稈和牛糞轉變為有機肥料不僅可以實現廢棄物資源化利用和生態農業的可持續發展，還可提高農業污染的防治水平，改善人居環境。有機肥生產工藝是近年來發展起來的一項新技術，利用在牛糞、秸稈等原料中摻入微生物菌種使其發酵。有機肥可充分改善土壤物理性質、提高土壤有效水含量。有機肥在預處理過程中通常使用固液分離設備、粉碎和攪拌設備[2-3]。現有有機肥料攪拌機存在物料混合不均勻、易堵料和尾端積料、工作效率低、只能采用一種動力等諸多缺點，因而，急需研制一種新型有機肥料臥式攪拌機。

1 整機結構與工作原理

1.1 結構組成

TY-5F型有機肥臥式攪拌機主要由機架、電機、減速機、聯軸器、配電系統、液壓系統、主攪龍、料箱、輔助攪龍、動力輸入軸等組成，整機結構如圖1所示。

a 主視圖

1.2 工作原理

作業時主攪龍將物料向前推送，到達前端后被向上頂起，由上方輔助攪龍向后推送，到達料箱后部時下落，再由主攪龍向前推送，如此反復，實現前后、上下的縱向強制大循環，以達到混合攪拌均勻。安裝于料箱下部的兩根主攪龍的直徑與螺距均大于兩根輔助攪龍，四根螺旋攪龍的直徑、螺距、轉速各異。該機可實現兩種不同動力的輸入方式，在沒有三相電的情況下可以由拖拉機后輸出軸通過萬向節進行動力的輸入。

1.3 主要技術參數

外形尺寸(長×寬×高)：3 570 mm×1 750 mm×2 080 mm；

配套動力：15 kW；

攪拌倉容積：5 m3；

轉速范圍：15～20 r·min-1；

混合均勻度：≥90%；

主攪龍數量：2個；

輔助攪龍數量：2個；

整機重量：2 000 kg。

2 主要工作裝置的設計

2.1 鋸齒葉片螺旋攪拌裝置設計方案

設計方案如圖2所示，鋸齒葉片螺旋攪拌裝置包括聯軸器軸頭、連接花鍵、攪龍主軸軸管、正螺旋攪龍鋸齒葉片、助推加強導流板、弧形扒齒、反螺旋攪龍鋸齒葉片、鋸齒、硬質合金刀塊等。攪龍主軸軸管外表面左端焊接正螺旋攪龍鋸齒葉片，右端焊接反螺旋攪龍鋸齒葉片；正螺旋攪龍鋸齒葉片與反螺旋攪龍鋸齒葉片設有交替排列的鋸齒，鋸齒上設有硬質合金刀塊；助推加強導流板螺接在正螺旋攪龍鋸齒葉片與反螺旋攪龍鋸齒葉片背側；攪龍主軸軸管中心位置設有弧形扒齒，弧形扒齒沿軸管外緣呈60°交錯螺旋排列，攪龍主軸軸管兩端設有連接花鍵，聯軸器軸頭與連接花鍵連接。

1.聯軸器軸頭；2.連接花鍵；3.攪龍主軸軸管；4.正螺旋攪龍鋸齒葉片；5.助推加強導流板；6.弧形扒齒；7.反螺旋攪龍鋸齒葉片；8.硬質合金刀塊；9.鋸齒

該攪拌軸裝置安裝于攪拌機料箱下部，可單個使用，也可成對使用，成對使用時兩個攪拌軸旋向相反，工作時物料在攪拌軸的作用下由兩端向中間輸送，在正螺旋攪龍鋸齒葉片和反螺旋攪龍鋸齒葉片間形成擠壓、翻轉、對流、擴散、撕扯、揉搓等運動，助推加強導流板在磨損的情況下可隨時更換，在出料口處設有兩組弧形扒齒，能提高攪拌機的抗堵料能力，滿足防積料性能要求。使用該裝置可使攪拌過程中物料攪拌均勻、不堵料積料，揉搓效果好，該裝置實用性好、結構簡單、攪拌效率高。

2.2 鋸齒葉片螺旋攪拌裝置主要參數確定

2.2.1 螺旋葉片直徑

螺旋葉片直徑根據攪拌機生產能力、攪拌物料類型、結構和布置形式等確定為

(1)

式中D0—螺旋葉片直徑，m；

K—物料綜合系數，取值0.045；

Q—輸送能力，t·h-1，該設備為2 t·h-1；

C—傾角系數，取值1；

λ—物料的單位容積質量，t·m-3，同物料的種類、濕度、切料的長度及凈化方式、效果等多種因素有關，取值1.1 t·m-3；

Ψ—顆粒的填充度，取值0.35。

代入計算求得D0≥0.2 m。結合實際工作情況，取D0=0.3 m,攪龍總長定為2 500 mm[4-5]。

2.2.2 螺距

螺距不僅決定螺旋升角，還決定物料運行的滑移面，螺距的大小直接影響攪拌均勻度，通常按下式計算

P=K1D0

(2)

式中P—螺距，m。

物料秸稈與牛糞流動性能較差，取K1為0.8，則P=240 mm[6]。

2.3 鋸齒葉片螺旋攪拌裝置三維建模及有限元分析

鋸齒葉片螺旋攪拌裝置三維實體模型如圖3所示。

圖3 鋸齒葉片螺旋攪拌裝置三維實體模型

借助CATIA強大的實體建模功能，將圖2所示裝置零件按其設計參數應用草圖繪制工具、特征工具等建立三維模型；零件建模完成后，采用自下而上的設計方法建立裝配體，先將聯軸器軸頭插入攪龍主軸軸管焊合，將其固定，再將正螺旋攪龍鋸齒葉片、反螺旋攪龍鋸齒葉片、弧形扒齒分別與攪龍主軸軸管進行配合約束，最終，通過各零件之間相互配合關系生成裝置的三維建模，完成裝配。

攪龍作為攪拌機的關鍵部件，起著混合與揉搓破碎的重要作用，其性能也影響著攪拌機的工作效率，將CATIA軟件建立的三維模型導入ANSYS軟件對攪拌機主攪龍進行靜力學分析，為結構優化做基礎。主攪龍長2 500 mm，葉片直徑300 mm，螺距240 mm，轉速18 r·min-1，材料45號鋼，彈性模量200 GPa，泊松比0.269，密度7.89×103kg·m-3。

選用自由網格劃分法對主攪龍進行劃分，設定網格尺寸EIement Size=10 mm，最終網格劃分節點總數302 819個，單元總數186 500個[7]。在主攪龍兩端施加圓周方向上的約束，并在主軸與葉片徑向施加重力載荷25 000 N,分析結果如圖4所示。

圖4 主攪龍應力應變云圖

由分析結果可以看出：主攪龍在軸體和葉片連接處及葉片外緣受力最大，最大應力為2.192 1 MPa，最大變形量為0.463 48 mm，參考材料特性，主攪龍強度滿足設計要求，設計合理、安全。

3 性能試驗

3.1 方法和儀器

為驗證TY-5F型有機肥臥式攪拌機的實際作業性能，于2021年7月在黑龍江省農業機械工程科學研究院綏化分院試驗基地進行了性能試驗，牛糞為普通黃牛的牛糞，對秸稈進行粉碎處理，測得秸稈長度為10～35 mm，含水量為15%左右，牛糞含水量為60%左右，參照國家標準JB/T 11438-021測試攪拌機主要性能參數，包括生產率、功耗、混合均勻度、秸稈揉搓破碎長度。生產率為單位時間內被混合、揉搓破碎的物料質量，功耗為工作時間內的耗電量。使用的儀器有YK4P-31三相功率表、PC2810電子秒表(0.01 s)、高精度電子天平(0.000 1 g)、游標卡尺(0.02 mm)等[8]。

3.2 試驗過程與結果分析

隨機截取5個樣本做含水率試樣，樣機開始進行空運轉試驗，直到空載功率趨于穩定后開始攪拌試驗。每次試驗為30 min，試驗結果如表1所示。

由表1可知：樣機單位時間工作生產率可穩定保持在5 120 kg·h-1以上，功耗為13.5 kw·h-1，混合均勻度在92.5%以上，秸稈揉搓破碎長度在8.5 mm以下。試驗結果表明：樣機的性能基本滿足設計要求，可實現連續穩定運行。

表1 試驗結果

4 結論

將玉米秸稈和牛糞資源化利用 制成有機肥料，有利于降低農業污染、實現生態農業、改善人居環境。現階段，因缺少穩定適用的攪拌設備制約了玉米秸稈和牛糞的資源化利用，針對攪拌物料的理化性質和產業需求，研制了一種新型有機肥料臥式攪拌機，經實驗得出如下結論：

1)設計了一種TY-5F型有機肥臥式攪拌機，通過鋸齒葉片螺旋攪拌裝置實現物料充分混合、提高了物料揉搓破碎效果。

2)運用CATIA軟件進行三維建模，運用ANSYS軟件對主攪龍軸及攪拌葉片進行了靜力學分析。靜力學分析表明：主攪龍在軸體和葉片連接處及葉片外緣受力最大，最大應力為2.192 1 MPa，最大變形量為0.463 48 mm，參考材料特性，主攪龍強度滿足設計要求。

3)試驗結果表明，攪拌機工作生產率為5 200 kg·h-1,功耗為13.83 kW·h-1,混合均勻度為93.97%，秸稈揉搓破碎長度8.1 mm，可實現連續穩定運行，性能滿足設計要求。