履帶式枝條粉碎機研究

萬先起 蔣輝霞 徐 一 隨順濤 李光輝 王 林 蔣金巧 魏鼎才

（四川省農業機械研究設計院，四川成都 610066）

隨著四川省“10+3”現代農業產業的高質量發展和持續推進，川果產業得到了快速發展，大量的種植大戶、種植農業專業合作社、家庭農場等新型經營主體不斷涌現，果樹種植面積不斷擴大。隨之而來的是大量修剪產生的果樹枝條急需處理。傳統的枝條處理方式主要有填埋、焚燒、丟棄等。但是，這3種方式存在一些缺點，其中：枝條填埋處理方式需要很大的處理場地，資源消耗多，而且不易快速發酵；枝條焚燒處理方式嚴重影響環境；枝條直接丟棄，浪費資源。隨著人們環保意識的日益增強和城市管理要求的提高，這些做法已被逐漸禁止。目前對這些廢棄枝條的處理方法主要是將其粉碎后堆肥[1]。廢棄枝條的粉碎需要用粉碎設備進行粉碎。我國現有的枝條粉碎機普遍為大型粉碎機或電動固定粉碎機，這些枝條粉碎機各有特點，不便于移動作業。

四川省丘陵地區果園采用分戶管理模式，規模小，分散性強，規范化程度低，而大型枝條粉碎機系統復雜，能耗高，運行成本高，運行不穩定，噪聲大，難以克服面積小、分散的客觀問題，應用推廣難度較大。現有的小型枝條粉碎機也存在一些問題，比如種類少、參數配置不完善等。對于大多數丘陵山區的果園來說，小型枝條粉碎機地形適應性差，移動不便，效率較低。

為有效解決大型枝條粉碎機和小型枝條粉碎機在丘陵地區應用中存在的問題，提高枝條資源利用率，降低勞動強度，本項目研發了一種行走方便、動力強勁、粉碎高效的小型履帶式枝條粉碎機。該枝條粉碎機的研發具有重要意義。一是滿足了川果產業可持續發展、高質量發展的需要。該枝條粉碎機可有效、及時地處理果園枝條，將枝條粉碎還田后可為果樹生長提供充足的養分，促進果園增產、水果品質提升和果農增收。二是滿足了生態環境保護、宜居鄉村建設、現代農業園區發展的需要。該枝條粉碎機可及時處理修剪果樹產生的大量枝條，不會對環境造成破壞，合乎美麗鄉村建設、現代農業園區建設要求。三是滿足了新型經營主體對果園枝條處理及資源化利用的需要。該枝條粉碎機可大量減少果園枝條粉碎作業投入的人工量，降低勞動強度，極大地滿足家庭農場、專業合作社降低果園枝條處理及資源化利用成本的需要。四是為農業機械化轉型升級進行了有益探索。該枝條粉碎機可極大地提高枝條粉碎的機械化作業水平，有利于推動果園機械轉型升級。

1 設計原則

1.1 主要用于四川省丘陵山區的林果枝條粉碎

四川省丘陵山區果園地形地貌復雜，道路條件較差，多數采用緩坡種植、依山就勢小地塊階梯種植。四川省丘陵山區果園種植類型多樣，枝條直徑大小不一，硬度較大，實現有效粉碎的難度大。當地常年潮濕多雨，地面濕度大，不利于運輸。小型履帶式枝條粉碎機的設計需要考慮地形、地貌、氣候、粉碎對象等因素，提高整機適用性。

1.2 實現高效粉碎的目的

根據不同直徑的枝條粉碎對象，分段預設動力模式和動力大小，切換發動機動力輸出，動態匹配變速箱輸出軸、輸入軸傳動比，動態調整發動機、變速箱的匹配參數，實現動力強勁，使轉子產生高速氣流隨著刀片旋轉，物料在氣流中加速并被反復沖擊、切割摩擦，同時受到多種粉碎作用，達到高效粉碎、適應性強的效果。

1.3 行走方便

針對四川省丘陵山區地形地貌特點，對不同地形的坡度范圍涉及的行走不便問題，研究行走速度調整技術，提高粉碎機的行走性能，滿足四川省丘陵山區果園行走需求。

2 系統組成

該枝條粉碎機的設計包含五大子系統：動力系統、行走系統、粉碎系統、支撐系統和操縱系統，系統組成框如圖1所示，樣機示意圖如圖2所示。

圖1 系統組成框圖

圖2 樣機示意圖

2.1 動力系統

動力系統包括發動機、變速箱、發電機、整機電瓶等，主要為設備提供行走動力、粉碎動力。動力系統布局簡單有效，能有效地將發動機功率傳遞到整機各個功能部位。

2.1.1 發動機。發動機與變速箱傳動連接，提供動力。發動機采用帶輪傳動的方式為粉碎裝置和行走裝置提供作業動力，優點是在增強傳動效率的同時，當整機各個機械部位出現過載現象時，可以防止因過載導致的機械部位損壞。發動機底部通過螺栓固定在底盤架上，為整機提供動力，其輸出軸端部安裝發動機皮帶輪。發動機的動力經變速箱傳遞到走行機構，從而控制整機移動。采用柴油機作為動力，在醒目位置標明了主軸的轉向；排氣部件設置有防護，排氣方向避開了所有操作位置上的操作者。

2.1.2 變速箱。變速箱與發動機傳動連接，傳輸動力。變速箱與粉碎機主體之間為皮帶傳動連接。經變速箱之后的動力分成兩路，一路傳遞到走行機構，一路傳遞到粉碎機主體。變速箱通過壓板連接在底盤架上，防止變速箱竄動。變速箱上設有變速操縱桿和變速箱皮帶輪，通過變速操縱桿可以實現整機的前進和后退，通過皮帶連接發動機皮帶輪和變速箱皮帶輪實現動力傳輸。在變速箱的輸出軸上安裝有驅動輪。

2.1.3 發電機和整機電瓶。發電機安裝于發動機上，整機電瓶設置在發電機電能的輸出路徑上，結構簡單，便于拆卸維修。

2.2 行走系統

行走系統主要用于控制枝條粉碎機的行走。發動機的動力經變速箱傳遞到行走系統，從而控制整機移動。行走系統包括支撐輪總成、張緊輪總成及設置于支撐輪總成與張緊輪總成上的履帶，與動力系統傳動連接。支撐輪總成和張緊輪總成通過螺栓安裝在底盤架上，履帶安裝在支撐輪總成、張緊輪總成和驅動輪上，實現整機行走移動。通過調整張緊輪總成安裝在底盤架的位置可調節履帶的松緊。單側的支撐輪總成數量為3個，張緊輪總成數量為1個。行走系統采用履帶式行走和靈活改變張緊輪位置的方式，靈活調整不同地形條件下履帶松緊度，調整行走速度，行走方便[2]。

2.3 粉碎系統

粉碎系統包括粉碎機主體等，安裝在底盤架上且與動力系統傳動連接，主要用于物料粉碎。粉碎機主體包括喂料斗、出料口、粉碎離合器臂、粉碎皮帶輪、粉碎張緊輪、機殼、粉碎刀盤。

2.3.1 喂料斗。喂料斗位于粉碎機外側，與粉碎機主體相連便于枝干喂入，防止枝干掉落和安全事故發生。喂入口上設有防止物體拋射的軟簾。喂入口上設有防護罩，且與進料輥外邊緣的水平距離≥550 mm。喂入口設有安全警示標志，且安全警示標志內容準確、清晰，便于觀察[3]。

2.3.2 出料口。出料口位于粉碎機頂部，與粉碎機主體相連。出料口的出料高度高于喂料斗的高度，且出料口呈預設的角度傾斜上揚，便于粉碎后的枝干能夠拋撒在田間。出料口設有防護裝置，且防護裝置拆卸方便[4]。

2.3.3 粉碎離合器臂和皮帶輪。粉碎離合器臂的一端與粉碎機主體連接。粉碎皮帶輪與粉碎機主體內粉碎刀具轉軸連接，并通過皮帶與發動機皮帶輪相連，實現動力傳輸。粉碎張緊輪安裝在粉碎機主體外，并與皮帶接觸，改變其安裝位置，則控制粉碎皮帶輪與發動機皮帶輪之間的皮帶松緊程度。

2.3.4 機殼。粉碎機整體機殼設計成圓盤形狀，便于枝條粉碎作業和排出。機殼材料由鋼板焊接而成，機殼中心與動力輸出軸的轉動中心重合。機殼主要由上機殼和下機殼組成。上機殼和下機殼采用螺栓連接形成一個封閉的整體，將粉碎刀盤與粉碎物料封閉于機殼內部，機殼整體便于拆裝。

2.3.5 粉碎刀盤。粉碎刀盤采用交叉刀和多刀片設計。粉碎刀片安裝在刀座之上，經動平衡測試檢測合格后裝配到動力輸出軸上。進料口處安裝切削底刀，切削后的廢枝條便于后續粉碎作業。粉碎刀盤隨著動力輸出軸快速旋轉，對廢枝條進行粉碎，枝條粉碎機的發動機帶動粉碎機轉子高速運轉，使機械產生高速氣流對粉碎物料產生高強度的撞擊力、壓縮力、切割力、摩擦力，同時使物料受到多種粉碎作用，達到高效粉碎的效果[5]。

2.4 支撐系統

支撐系統包括底盤架、扶手架等，主要用于安裝及支撐。底盤架的下端設置有走行機構，底盤架的上端設置有發動機、變速箱以及粉碎機主體。扶手架設置于底盤架的一端，操縱系統設置于扶手架上。

2.5 操縱系統

操縱系統包括設置在扶手架上的轉向控制手柄、粉碎機離合器控制手柄、行走離合器控制手柄、駐車制動控制手柄和電壓監視裝置等，主要用于操作控制設備行走、停止、轉向、粉碎機主體啟動、粉碎機主體停止及整機制動，控制枝條粉碎機工作狀態。

2.5.1 轉向、行走離合器控制手柄。轉向控制手柄與變速箱相連，用于控制整機在行走時的左右轉向。可采用單流單邊離合制動的原理來完成轉向，也可采用牙嵌式離合器的原理來完成轉向。行走離合器控制手柄，通過行走離合臂與行走離合器的連接，控制整機行走、停止以及換擋時切斷動力，防止換擋時損壞變速箱。

2.5.2 駐車、粉碎機離合器控制手柄。粉碎機離合器控制手柄，通過粉碎離合臂與粉碎離合器的連接，控制粉碎機主體的啟動和停止；駐車制動控制手柄與變速箱相連，控制整機制動，防止在坡道停車時發生溜車現象。

2.5.3 電壓監視裝置。電壓監視裝置與發電機及整機電瓶分別電性連接，可實時顯示整機電瓶電壓是否合適，發動機、發電機是否正常工作。

3 關鍵技術

針對不同地形的坡度范圍涉及的行走不便問題，研究行走速度調整技術。根據不同地形的坡度范圍，合理選擇適宜于丘陵地區的小型化履帶自走式行走模式，因地調整行走模式和行走速度，改變張緊輪位置，靈活調整不同地形條件下履帶松緊度，調整行走速度，滿足果園凹凸不平路段的行駛需求。實踐證明，該枝條粉碎機爬坡能力強，通過性好，適應性強。

針對不同形狀的枝條粉碎效率低問題，研究刀片選擇技術。該機械實現了分類設置粉碎模式和枝條切斷長度，選擇粉碎刀片，調節刀盤上刀片的伸縮量。在粉碎刀片切割粉碎過程中，轉子產生高速氣流隨刀片旋轉，物料在氣流中加速并被反復沖擊、切割摩擦，同時受到多種粉碎作用，粉碎高效，整體提高了粉碎效率和合格率，綜合優勢明顯。

4 結語

本文研究的履帶式枝條粉碎機具有動力強勁、行走方便、粉碎高效等優點，可有效降低人工處理果園枝條的勞動強度，提高資源利用率，促進產業可持續、高質量發展，經濟效益顯著。本文研究的履帶式枝條粉碎機通過推廣示范運用，可以改變過去枝條堆積、焚燒等不合理的處理方式，有效解決果園枝條難處理、資源浪費等問題，保護了生態環境，促進了環境可持續發展，生態效益顯著。