[轉帖]玉米青貯機滾筒式切碎裝置的設計

鶯

文章來源：飼料工業

目前，自走式青飼料收割機在農業生產中應用較少，但簡易的牽引式收割機和粉碎機卻較多。青飼機的切碎性能主要取決于切碎器。切碎器不外乎滾筒式、盤刀式和銷釘式3種類型。盤刀式切碎器傳動復雜，結構不緊湊，圓盤剛度較差，且擠推角變化不理想，造成切割不均，刀刃磨損不勻，切割質量變壞。銷釘式切碎器性能受秸稈濕度影響很大，濕度提高時，能量比耗直線增加，生產率也急劇下降。因此盤刀式和銷釘式切碎器應用漸少。
滾刀式切碎器結構緊湊，滾筒上可安裝較多的切刀，滾筒在較低轉速時，仍可獲得較短的切碎段。滾筒上的動刀速度一致，切碎質量較好。滾刀式切碎器還具有安裝方便、易于刃磨等優點，因此，滾刀式切碎器被廣泛應用。
滾筒式切碎器主要有螺旋刃口滾筒式和直刃斜裝滾筒式之分。直刃斜裝滾筒式雖然制造簡單，但是功耗較大且系統振動較大，現已很少使用。螺旋式具有工作負荷均勻、切碎質量好、機器振動小的特點。它缺點是刀片的制造精度高，磨刃和間隙調整較麻煩，不宜保證切割質量，故其使用也受到一定程度限制。為了克服上述缺點，我們在設計中選用了橢圓刃口平板刀滾筒式切碎器。對比而言，平板刀滾筒式切碎器的拋送能力較強，但是仍不理想，需要配置專門的拋送裝置。為了進一步提高滾筒式鍘草機的工作質量，我們研制了一種新型滾筒式鍘草機，對其結構設計、動定刀的配置關系、拋送裝置、超負荷安全保護裝置等進行了試驗研究，以下對設計中的幾個技術問題及試驗結果進行分析。

1 滾筒式切碎裝置的常規技術要求及總體結構、性能指標：
1.1 不推擠滑出飼草以保證切割
為此應該保證X≤Φ1+Φ2
式中：X——推擠角即動刀刃與定刀刃的夾角；
Φ1——動刀對飼草的摩擦角；
Φ2——定刀對飼草的摩擦角。
切割過程中X是變化的，故要求其最大擠推角X滿足上式條件。通常Φ1=32°，Φ2=18°，故X一般小于50°。
1.2 切割飼草時主要是滑切，以降低功耗
試驗表明，滑切比砍切省力。主要有2方面原因：
①微觀狀態下刀刃為鋸齒狀，砍切時飼草僅受壓應力，滑切同時受壓應力與張應力，而飼草的破碎張應力小于壓碎應力。
②滑切時刀刃斜置，故單位長度刃口的切割阻力減小了。從節約功耗的角度來說，選取滑切角18～55°較為有利。
1.3 切割阻力矩均勻
在切碎器每轉2π轉角的切割過程中，要求切割阻力矩盡可能均勻，以減輕飛輪重量，使工作平穩。如果機器部件剛度差，當阻力矩不均勻時，巨大沖擊力將使切割副及其固定部件產生彈性變形，改變了靜止狀態時調整好的刀片間隙，使碎段長草增多，影響切割質量。
1.4 總體方案與性能指標
該機由喂入裝置、切碎動刀滾筒、定刀、上擋板、下殼板、拋送裝置等組成見圖1。


切碎滾筒安裝4把橢圓刃口平板刀進行切碎作業；喂入裝置為棘齒式喂入輥，左喂入輥為浮動式，右喂入輥傳動軸上安裝有牙嵌式安全離合器，超負荷時離合器自動打滑切斷喂入輥的動力傳遞。

2 滾筒的設計和選定
2.1 橢圓刃口平板刀的形成和設計
平板刀的刃口曲線是橢圓曲線的一部分，其結構見圖2。圖中一平面與圓柱軸線成一定角度傾斜相截時形成的曲線就是橢圓刃口曲線。

平板刀刀刃AB的運動軌跡為圓柱面，刃口曲線是圓柱被平面所切的橢圓曲線的一段，其結構參數如圖2所示。從圖中可得到所切橢圓曲線的方程為：

平板刀結構參數間的關系可用下式表示：
Ztgα=RsinΦ
式中：Z——刀刃上A點的坐標值；
α——傾斜角，平板刀刀面所在平面與滾筒中心線的夾角；
R——切碎滾筒刀刃軌跡半徑；
Φ——平板刀刀刃上A點的前安裝前傾角。

2.2 滾筒參數的確定
滾筒直徑選定為 220mm，長度待定。轉速為2 100r/min。當z取不同值時，平板刀刀刃有不同的曲線段，其切碎性能、拋送性能、功率消耗各有不同，經大量試驗表明，當z取2 645mm時切碎性能最好，同時滾筒運轉平穩，功率消耗也較小。Hq為52mm，Hh為80mm，則有截平面的傾斜角α=arctan(Hq-Hh)/L。
從理論分析中我們可知：平板刀的安裝前傾角Φ是個變值，從A點到B點，Φ值逐漸變大。試驗表明，Φ角越大，其切碎性能越好，但拋送性能越差。由于我們在滾筒后加裝拋送裝置，因此在設計中，Φ角的選取應在保證可靠拋送切碎物的前提下，盡量大一些。
當用沿滾筒縱長方向移動的磨石磨銳刀刃時，可獲得弧形刃口，這樣的刀刃線回轉起來是一個圓柱面。因此，平板刀式滾筒切碎器在動刀是平板刀，定刀是平板直刃刀的情況下，定刀安裝位置正常而不傾斜，這樣可獲得一定的滑切角（此處也即擠推角），平板刀的滑切角也是一個變值，α角（由圖2可知，α角為傾斜角及截面上刀刃曲線與滾筒軸線或者素線之間的夾角，傾斜角與滾筒長度或直徑有關）越大滑切角越大，由于受平板刀切碎滾筒的結構限制傾斜角不可能取得過大，一般取傾斜角4～7°，通過試驗，我們取5°，以滿足刀片的滑切性能?！　?
2.3 切刀的加工要求及在滾筒上的分布
切刀要求用T9碳素工具鋼或者Mn65鋼制造，也可以用B2鋼在刃口部位鑲嵌Mn65鋼制成，刃口部位要淬火和回火，淬火帶寬為20～30mm，硬度為HRC58～65，非淬火帶硬度不大于HRC38,刀口部位要磨銳，其寬度不大于0.2mm,刃角為16～26°。
2.4 定刀配置高度
鍘草機工作時，物料由喂入輥壓縮并夾持送入切碎滾筒，物料壓縮后的厚度與生產率和物料的品種有關。壓縮后的物料有一中間面，從理論分析，若滾筒軸中心的安裝面剛好與物料的中間面重合，則中間面以上的物料切割時將首先被動刀向外推送，處于中間面的物料被動刀直接切割，而中間面以下的物料被動刀向內拉送，推拉物料的情況均等，切草平均長度較均勻。基于以上分析，定刀刃的位置高于物料的中心面時動刀對物料的推送作用大于拉送作用，定刀刃的位置低于物料的中心面線時動刀對物料的拉送作用大于推送作用，這兩種情況都會引起超長率和剪切功率上升。滾筒式鍘草機的喂入口的配置尺寸關系見圖4。

滾刀式切碎器喂草口要求切刀在切割草層時，不阻礙草層喂入，為了滿足該要求，必須使滾刀軸的旋轉中心O高于固定底刀，此高度h可由下式求得：
h1=h+R(Vy/Vu)（m）
式中：h——草層厚度（m）；
R——滾刀筒半徑（m）；
Vy——切刀刃口處圓周速度（m/s）；
Vu——草層喂送速度（m/s）。
由于影響超長率的因素很多，難于用純理論分析方法解決定刀配置高度，因此我們進行了對比試驗。定刀刃位于滾筒中心線以下為20mm、30mm、40mm和50mm4種情況，切碎秸稈的生產率為1.2t/h，試驗結果表明，在以上情況下，定刀的最佳配置高度應為20mm，此時的功率消耗低，綜合性能最好。

3 摘穗輥的設計
摘穗裝置是玉米前割臺的核心，直接影響整機的各項摘穗指標，如籽粒破碎率、籽粒損失率等。摘穗是在玉米果穗下垂狀態下完成的，摘下的果穗很快完成了與摘穗輥的分離，減少了與摘穗輥的接觸，減少了摩擦。因此降低了摘穗輥對籽粒的碾壓，大大降低了籽粒的破碎率和損失率。為了增強拉莖摘穗能力在摘穗輥后面設有拉莖輥，能在拉莖的同時將莖稈強制喂入滾刀切碎，使摘穗輥與滾刀間莖稈輸送通暢，不堵塞；其次，摘穗輥、拉莖輥對莖稈還起碾壓作用，莖稈及莖節被碾壓后對破碎和提高飼料品質起很好的作用。
摘穗輥表面應有足夠的抓取能力，但又不致增加掉粒損失。摘穗輥表面的形狀是影響抓取能力的主要因素。立式摘穗裝置分為上中下3段的摘穗輥、擋禾板、傳動箱、偏心套、夾持喂入鏈主動鏈輪等組成，摘穗輥兩軸線所在平面與垂直面成前傾約25°的夾角，割下的玉米植株由夾持喂入裝置送來，在弧形擋禾板的作用下，喂入摘穗輥時，莖稈與摘穗輥軸線成40～50°的夾角。兩摘穗輥間的間隙由偏心套調整。由于摘穗輥的提升作用，摘穗后的植株基本與摘穗成垂直角度向后輸送進切碎滾筒切碎。
立式摘穗輥分為3段，上段沿摘穗輥表面軸線方向設有突棱，中段設有螺旋線突棱，下段為直徑較小的光輥。玉米莖稈由切割器切斷以后被輸送夾持鏈輸送至摘穗輥，根部先進入摘穗輥下段，再進入拉莖輥，由于摘穗輥中部設有螺旋線突棱，有利于莖稈進入摘穗輥，隨著摘穗輥的旋轉莖稈以速度V1沿著軸線上升，同時又以一個速度V2向后輸送，當達到最上段時，摘穗輥僅靠中段對莖稈推擠和慣性作用力向上移動，并向后輸送。

拉莖輥的作用是增加對莖稈的拉引力和對切碎裝置的喂入，結構為六棱形，長度等于摘穗輥的總長度，并在拉莖的同時對莖稈起擠壓破碎作用。

4 拋送裝置的設計
物料經滾筒切碎后，一般由拋送裝置拋出，滾筒式鍘草機常用的拋送裝置有2種型式，一種是在滾筒上安裝拋送葉片，滾筒在切碎物料的同時將被切碎物料拋出，該方式使滾筒結構復雜，為了保證物料的拋送距高，要求滾筒轉速較高，功率消耗大。另一種方式是在滾筒軸的一側串聯一個風機，切碎的物料由滾筒下方滑至風機后由風扇葉片拋出，為了保證物料的拋送距離，風機直徑較大。
本設計在滾筒的后下方直接配置拋送風機，風機為四葉片高心式，為了保證物料的拋送距高，由滾筒軸經皮帶傳動并使風機升速使切碎的物料直接拋送到機器的后方。該配置方式工藝流暢，傳動簡便，整機功耗小。
本設計的風機葉輪直徑為240mm，風機與滾筒等寬，風機轉速1 076r/min，風機葉片線速度為135m/s，物料拋送距高達18m。滿足了青貯機的使用要求。

5 切碎裝置的技術規格及性能測試
　　滾筒式切碎裝置的技術規格見表1。

樣機試制完成后，經過在泰安北郊、東郊的試驗表明，該裝置具有切碎性能優良（物料切口整齊、長短均勻，超長率＜7％，破節率＞55％，斜茬率＜5％），切割阻力矩均勻，拋送性能強（物料成束拋出，沒有中間落料），整機振動小等優點。機上備有磨刀機構和定刀調節機構，磨刃時，無需將動刀片卸下，令切碎器滾筒反轉即可，使刀片刃磨方便。