家庭式香蕉芯自動化切碎機的設計與仿真

于新悅，徐曉烽，巫蘭軒，唐 賓，陸婷婷，盛智鑫，張儀煒

（廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

世界上栽培香蕉的國家有130多個，以中美洲產量最多，其次是亞洲。我國香蕉主要分布在廣東、廣西、福建、臺灣、云南和海南，貴州、四川、重慶也有少量栽培。香蕉具有生長周期短和產量高等特點，每年收獲大量香蕉產品的同時也產生幾乎等量的香蕉芯等農業廢棄物。在國內，由于香蕉芯分布零散、體積大、收集勞動強度高、運輸成本高，且缺乏適應的機械化處理技術，蕉農多采用在田間堆棄腐爛、焚燒等方式處理香蕉芯。這樣不僅污染環境、勞動強度高，而且香蕉芯堆肥過程中的利用率低。香蕉莖稈除含有豐富的纖維資源，可以用于造紙、飼料、燃料、醫用等方面，是一種可回收利用的農作物資源。香蕉芯回收利用的一大途徑是用來制成飼料，其切碎后禽畜食用方便，營養價值高[1-3]。

現有的香蕉芯切碎機械,普遍存在功耗大、刀具易損壞等問題，尚缺乏操作安全、功能全面、價格經濟、適合于廣大農民個體使用的機型。針對這一現狀,我們所設計與制作一個適用于農民個體的家庭式香蕉芯自動化切碎機，便于普及使用。

1 切碎機的結構設計及原理分析

1.1 結構設計

家庭式香蕉芯自動化切碎機主要由電機、減速電機、傳動部分、自動輸送自動調節裝置及切碎滾筒刀組成。具體結構和連接關系如圖1所示。

圖1 整體結構裝置

1.2 裝置工作原理

裝置電機作為驅動源，通過皮帶傳動為滾筒刀運作提供驅動力；減速電機作為驅動源，通過電機軸給自動輸送自動調節裝置運作提供驅動力。工作時，將物料夾持在上、下輥筒間隙，后物料隨輸送輥筒組勻速喂入切碎滾筒刀,使之被切割成長度均勻的香蕉芯塊，以保證切碎質量,最后香蕉芯塊掉落在切碎裝置下方，方便下一步加工處理。本切碎機采用行星輪系根據物料直徑自動調節上下輥筒間隙大小，采用雙彈簧和輔助調節螺栓螺母保證物料夾緊。

1.3 關鍵部件設計

1.3.1 行星輪系

行星輪系用來實現本裝置的自動調節功能，具體途徑是上下兩輥筒高度可以根據喂入香蕉芯的直徑通過行星輪系變更，從而切碎機能夠將一定限度內喂入的不同直徑的香蕉秸稈切碎。行星輪系結構如圖2所示。上下輥筒間隙隨中心輪和行星輪嚙合位點的改變而改變，當物料直徑大時，行星輪正轉一定角度使上下輥筒間隙增大，以保證物料可夾緊在間隙處，反之亦然。受齒面磨損以及調節范圍的影響，齒間間隙一般取0.1～0.2 mm，中心輪和行星輪按常用材料20CrMnTi和20CrNi2MoA選取，按滲碳、淬火處理，從而獲得較高硬度、耐磨性。

圖2 行星輪系結構

1.3.2 切碎滾筒刀

切碎滾筒刀用來實現本裝置喂入物料的切碎功能。切碎滾筒刀結構如圖3所示。按刀片刃線運動方式,切割可分為砍切和滑切，由于滑切使刀片斜置切入,實際刃角相應變小，切割阻力減少,因此滑切比砍切省力,本裝置切碎刀傾斜角度選擇在5°～35°。輥筒內側每120°設置一對刀固定塊，三把切碎刀傾斜安裝在三對刀固定塊上。由于香蕉芯韌性好、不易切割，故選用具有高硬度和高耐磨性的刀具材料W6Mo5Cr4V3。切碎刀經淬火處理，長度360 mm，厚度2 mm，設計為可拆卸結構，便于刀具的維修和護理。

圖3 切碎滾筒刀結構

2 動態仿真與試驗結果

2.1 動態仿真

將三維建模軟件UG建立的3D模型導入Adams虛擬樣機中，添加所需的約束與力得到其仿真約束圖，如圖4所示。

圖4 仿真約束

2.2 試驗結果

根據仿真圖制作物理樣機如圖5所示。選用功率為1 kW的電機和減速電機進行試驗。

選用相同長度為2 m、直徑為200 mm、平均含水率為80%、平均纖維含量為4%的多根香蕉芯進行5組1 min切割試驗，為消除隨機誤差，每組試驗重復3次，結果取平均值。通過變頻調速器調節電機轉速，從而使滾筒刀轉速分別調至1000 r/min、1050 r/min、1100 r/min、1150 r/min；通過調節減速電機轉速，使進料速度分別維持在0.9、1.0、1.1、1.2 m/s。其中，切塊長度不超過20 mm為合格。

從表1的試驗數據可以看出，滾筒刀轉速和喂料速度均會影響切碎的合格率。隨著滾筒刀轉速或喂料速度的增大，切碎合格率均呈現先增大后減小的趨勢，功耗均呈現上升的趨勢，且兩影響因素間不存在交互作用。因此最優參數的選取應在保證香蕉芯切碎率大的同時降低功耗，故滾筒刀轉速1100 r/min、喂料速度為1.1 m/s為最優組合。

3 結語

本文應用機械設計、機械原理等理論和UG及仿真軟件，設計與研制了家庭式香蕉芯切碎機，并對其進行性能試驗。從試驗結果來看：

切碎機切碎良好，符合香蕉芯切碎的農藝要求，操作安全、結構較簡單、易于控制，能夠實現香蕉芯切碎的機械化、普及化，具有顯著的經濟效益和生態效益。

在實際作業時考慮滾筒刀轉速和喂料速度兩因素，并在保證切碎合格率的條件下降低功耗，試驗各組中最優組合為滾筒刀轉速1100 r/min、喂料速度為1.1 m/s，相應得到切碎合格率為93.3%，功耗為0.72 kW。