秸稈農(nóng)作物切片裝置的設(shè)計(jì)與制作

巫蘭軒，徐曉烽，于新悅，李 競，周 湛，徐向前，廖章浩

（廣西大學(xué)機(jī) 械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中一項(xiàng)重要的生物質(zhì)資源，同時(shí)也是可持續(xù)農(nóng)業(yè)的重要組成部分[1]。農(nóng)作物秸稈中含有大量的礦質(zhì)元素，所以針對農(nóng)作物秸稈的綜合價(jià)值[2（]包括營養(yǎng)價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、再利用價(jià)值等）的研究對于提高作物產(chǎn)量以及秸稈的再利用有著重大的意義[3]。

在秸稈研究的過程中需要將其切成大量可以透光的薄片制成標(biāo)本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但不同的纖維組織將會導(dǎo)致秸稈的力學(xué)性能不同[4]，因此，在制作標(biāo)本的過程中，由于秸稈纖維組織的變化容易出現(xiàn)切不斷或切片厚度不能滿足研究要求等問題，極大地增加了切片難度。與此同時(shí)，目前市場上還沒有一種裝置可以達(dá)到研究過程中所需秸稈薄片標(biāo)本的切片要求，所以目前多采用手工切片來制作標(biāo)本，但人工切片不能精準(zhǔn)控制切片厚度，所以切片合格率極低。

針對現(xiàn)有的情況，本文設(shè)計(jì)一種秸稈農(nóng)作物切片裝置。該裝置應(yīng)用螺桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物秸稈的自動(dòng)進(jìn)給，保證了所切秸稈薄片的厚度均勻一致，同時(shí)通過調(diào)整上刀片的安裝角度可以實(shí)現(xiàn)對不同纖維組織的秸稈進(jìn)行切片，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1 整體設(shè)計(jì)及工作原理

驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，通過鏈輪鏈條將動(dòng)力傳遞到減速器減速后以最佳轉(zhuǎn)速帶動(dòng)偏心輪作整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于偏心輪和刀桿以及刀桿固定架組成了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，因此可以使得與刀桿連接的上刀片能夠?qū)崿F(xiàn)對作物秸稈的切片處理。在刀桿擺動(dòng)切削的過程中，自動(dòng)定位進(jìn)給機(jī)構(gòu)帶動(dòng)秸稈進(jìn)給，通過調(diào)節(jié)進(jìn)給電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對切片厚度的調(diào)節(jié)。機(jī)器整體三維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 秸稈農(nóng)作物切片試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 旋滑雙定位切片機(jī)構(gòu)

旋滑雙定位切片機(jī)構(gòu)中上刀片用螺栓連接在刀桿中部，且是向偏離切片定位座一側(cè)傾斜安裝在刀桿上，以實(shí)現(xiàn)針對不同纖維組織的秸稈傾斜不同的角度實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切削，同時(shí)還能避免上下刀片的刀刃直接碰撞導(dǎo)致刀刃崩碎。刀桿兩端用刀桿固定架固定，從而防止刀桿產(chǎn)生周期性激勵(lì)振動(dòng)使得切出的秸稈薄片表面不平整。旋滑雙定位切片機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 旋滑雙定位切片機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.2 自動(dòng)定位進(jìn)給機(jī)構(gòu)

本裝置中的秸稈進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用螺桿傳動(dòng)，螺桿每旋轉(zhuǎn)一周，秸稈向前進(jìn)給的距離為1個(gè)螺距。因此，通過調(diào)節(jié)進(jìn)給電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)螺桿傳動(dòng)速度和切片速度的聯(lián)動(dòng)，使得當(dāng)秸稈進(jìn)給所需厚度的距離后，切片機(jī)構(gòu)恰好實(shí)現(xiàn)對秸稈的切片，從而獲得預(yù)期厚度的秸稈薄片。

在秸稈進(jìn)給切片時(shí)，進(jìn)給慣性和機(jī)器運(yùn)作的振動(dòng)會改變秸稈的空間位置，需要定位機(jī)構(gòu)固定秸稈，保證切片的厚度和平整度符合要求。定位機(jī)構(gòu)采用秸稈定位環(huán)、壓緊螺栓、復(fù)位彈簧以及直動(dòng)壓緊軸等對秸稈進(jìn)行壓緊定位。自動(dòng)定位進(jìn)給機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自動(dòng)定位進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

3 虛擬仿真與樣機(jī)試驗(yàn)

3.1 虛擬仿真

將秸稈農(nóng)作物切片裝置的三維模型導(dǎo)入Adams虛擬樣機(jī)中，添加仿真所需的連接、力和驅(qū)動(dòng)后，進(jìn)行裝置的虛擬仿真試驗(yàn)。由于旋滑雙定位切片機(jī)構(gòu)的刀桿所做的運(yùn)動(dòng)是往復(fù)周期性擺動(dòng)切削，因此其運(yùn)動(dòng)的速度方程應(yīng)該是一三角函數(shù)曲線。故設(shè)定好仿真參數(shù)以后，得到的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 上刀片豎直方向速度曲線

由仿真結(jié)果可知，仿真模擬運(yùn)動(dòng)得出的速度曲線與預(yù)期的三角函數(shù)曲線相符。因此，該裝置在理論是是可行的，能完成預(yù)期的切片要求。

3.2 樣機(jī)試驗(yàn)

3.2.1 樣機(jī)切片準(zhǔn)備

通過理論計(jì)算以及Adams仿真結(jié)果設(shè)計(jì)出實(shí)物樣機(jī)，根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果對驅(qū)動(dòng)電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)進(jìn)行調(diào)速后的高速超薄秸稈農(nóng)作物切片試驗(yàn)機(jī)實(shí)物樣機(jī)如圖5所示。

圖5 實(shí)物樣機(jī)

3.2.2 實(shí)物切片試驗(yàn)

本試驗(yàn)共選取4根內(nèi)部組織成分相近的甘蔗秸稈，選取的秸稈段平均長度為400 mm，最小長度為386 mm，最大莖徑為35 mm，充分考慮人工切片難度較大，故本試驗(yàn)設(shè)定兩個(gè)目標(biāo)切片厚度，分別為0.5 mm和0.1 mm，將一分鐘內(nèi)機(jī)器切片的合格率以及切片效率與人工切片進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證機(jī)器的可行性。

機(jī)器性能試驗(yàn)指標(biāo)見表1、表2。

表1 0.5 mm切片厚度試驗(yàn)結(jié)果

表2 0.1mm切片厚度試驗(yàn)結(jié)果

表1和表2結(jié)果表明：相對于人工切片，該裝置在切片效率以及合格率方面都優(yōu)于人工切片，即使提高切片難度，在人工切片無法滿足切片要求的情況下，該裝置依然能切出符合要求的切片，只是合格率略有下降。因此，本機(jī)設(shè)計(jì)合理，具有較高的使用價(jià)值。

4 結(jié)論

綜上所述，得出以下結(jié)論：

（1）通過模型的虛擬仿真可知，裝置設(shè)計(jì)合理，仿真所得速度軌跡曲線與理論運(yùn)動(dòng)方程相符合，裝置能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期切削運(yùn)動(dòng)。

（2）通過實(shí)物樣機(jī)試驗(yàn)可知，與人工切片相比該裝置能夠有效提高切片合格率和切片效率，完全能夠?qū)崿F(xiàn)對秸稈農(nóng)作物研究過程中的切片處理。

（3）本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)秸稈的自動(dòng)進(jìn)給，秸稈切片厚度均勻，可達(dá)0.1 mm，有效地解決了目前秸稈切片裝置功能單一且厚度不均的問題。