棉花秸秆螺旋压缩输送装袋机的设计

徐志强 ，郭 辉 ，2，陈恒峰 ，高国民

（1.新疆农业大学 机电工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室，乌鲁木齐 830052）

新疆的棉花秸秆产量巨大，对其进行有效粉碎和微生物发酵后作为饲料，是一种非常有前景的综合利用方式。目前，螺旋输送装袋技术主要应用于食用菌装袋，在用于秸秆饲料装袋过程中会出现缠绕堵塞、压缩效果不佳等问题。为此，以螺旋输送系统为基础，参照食用菌螺旋输送装袋机，设计一款适用于棉花秸秆输送装袋的机具，实现秸秆饲料半自动装袋，并使饲料具有一定的压缩成块特性。

1 棉花秸秆螺旋压缩输送装袋机的总体设计

1.1 总体结构

该装袋机为螺旋压缩输送式，装袋模式采用半自动式，可实现间歇性工作，且在装袋过程中实现物料搅拌压缩。装袋机主要由减速电机、油缸、电磁离合器、链传动系统、搅拌机构、压缩输送机构、装袋机构组成（如图1所示），可完成粉碎后的棉花秸秆喂入、搅拌、输送、压缩、装袋等作业。

图1 棉花秸秆螺旋压缩输送装袋机结构示意图Figure 1 Structural diagram of cotton straw spiral compression conveying and bagging machine

1.2 工作原理

将粉碎的棉花秸秆喂入进料箱后，减速电机通过链传动带动拨杆和输料挤压螺旋旋转；物料落下时加入菌种，通过拨杆搅拌并进入底部料槽；输料挤压螺旋将物料向右端压缩输送和搅拌；料筒右端套上φ60 mm×40 mm的塑料袋，当物料装满塑料袋时，通过电磁离合器暂停运行，推进油缸将物料进一步压缩并装入拖筒内，推进油缸复位；通过卸料油缸伸缩将下拖筒向斜下方向拉动，物料从拖筒内滑落，由人工包扎。

2 棉花秸秆螺旋压缩输送装袋机关键部件设计

2.1 喂料箱

喂料箱（见图2）根据物料摩擦特性设计，可以增加物料流通性，减少其与内壁的摩擦阻力，从而避免物料在料箱内滞留和架空。

喂料箱两侧的角度最佳倾角在55°～75°之间，高度为330 mm，上口宽680 mm，下口宽380 mm。经测算，倾角选择63°，便于棉秸秆物料滑落。

图2 喂料箱Figure 2 Feed box

2.2 拨杆机构

拨杆机构如图3所示。其拨杆轴上空间交错对称排列了4个拨杆，拨杆与拨杆轴都呈90°，拨杆轴长504 mm，高 165 mm。

图3 拨杆机构Figure 3 Shifter lever mechanism

拨杆机构旋转可避免粉碎后的棉花秸秆缠绕，有利于物料喂入与搅拌。

2.3 输料挤压螺旋

输料挤压螺旋（图4）是一个变螺距螺旋，为装袋机的核心部件，其设计直接影响生产率的物料挤压能力。输料挤压螺旋在料槽内起搅拌和输送物料的作用，在料筒内起到输送与挤压物料的作用。螺旋外径为378 mm，料筒内壁为390 mm，径向间隙为6 mm，料槽内螺旋螺距为360 mm，料筒内螺旋螺距为300 mm。料槽内的螺旋输送能力大于料筒内的输送能力，所以料筒内的物料挤压能力大大提高。

2.4 输料挤压螺旋端部

输料挤压螺旋的端部是装袋机出料挤压的部位，也是易磨损易变形的部位，所以在加工处理过程中进行加厚或热处理，以提高此部位的韧性和强度。

图4 输料挤压螺旋Figure 4 Conveying compression spiral

2.5 卸料

整个卸料过程如图5所示。推进油缸在物料挤压过程中收缩，向右推进拖筒；当拖筒脱离料筒一段距离后，卸料油缸开始工作；当卸料油缸以B点为圆心顺时针旋转α角度后，下拖筒以A点为圆心顺时针旋转B角度，装满物料的塑料袋从下拖筒滑落至地面，最终实现卸料。

图5 卸料过程示意图Figure 5 Schematic diagram of unloading

2.6 传动方案

设计采用三级链传动，电机为减速电机。传动系统由减速电机、链轮、轴承、电磁离合器组成。一级传动与电机同步转动，同时电磁离合器实现装袋机间歇性工作；二级传动带动输料挤压螺旋转动；三级传动带动拨杆机构转动。

3 棉花秸秆螺旋压缩输送装袋机主要参数的确定

3.1 设计参数的选取

根据农业机械手册，选择的设计参数为干、湿铡碎秸秆，螺旋外径D为378 mm，变螺旋螺距分别为360 mm 和 300 mm，转速 n为 80 r/min，螺旋轴直径d为100 mm，径向间隙为6 mm，螺旋厚度为3 mm。

3.2 螺旋输送装置的生产率计算

螺旋输送器的生产率为：

式中：D为螺旋外径，m；S为螺距，m；n为螺旋每分钟转速，r/min；λ为螺旋外径与输送管内表面的间隙，取 λ＝0.006 m；d 为螺旋轴直径，取 d＝100 mm＝0.1 m；C为倾斜输送系数，倾斜角为0°时取C＝1；γ为被输送的物料容重，取 γ＝0.3 t/m3；ψ 为充满系数，长度小于150 mm干、湿铡碎秸秆取ψ＝0.4。

根据设计要求，按小螺距S＝300 mm，计算得：

3.3 螺旋输送装置的功率计算

螺旋输送机在工作状态时主要受运输物料的阻力，可分为物料与输料筒内壁的摩擦力、物料与螺旋叶片的摩擦力及物料与物料之间的摩擦阻力，而工作时轴承间的摩擦为空载阻力。因该机为水平式螺旋输送机，不用考虑提升阻力，故阻力产生的功率之和即为螺旋输送机驱动功率之和。

运输阻力产生的功率为：

式中：μ 为阻力系数，取值范围 1.2～4.0（磨琢性或粘性较大的物料取大值），取最大值4.0；L为水平输送长度，取 L＝1 m。 经计算得 P1＝0.21 kW。

空载阻力产生的功率为：

螺旋输送机总驱动功率：

式中：K0为电动机功率储备系数，取值范围为1.1～1.4，取 1.4；Η为传动机构的效率，取值范围为0.9～0.94，取 0.9。

经计算得 P2＝0.21 kW，P1＝0.019 kW，P ≥0.35 kW。故电机选用YCJ132减速电机，额定功率为1.1 kW，额定转速 1 400 r/min。

4 结论

棉花秸秆螺旋压缩输送装袋机采用拨杆搅拌和电磁离合器实现间歇性工作，选用变螺距螺旋实现物料压缩输送功能。机具能够半自动装袋和增加物料压缩量，大大提高物料的压缩程度，降低操作者的工作强度，为实现自动装袋机设计奠定技术基础。

［1］张枫叶，王伟，刘卫星，等.我国棉花秸秆利用现状及前景分析［J］.中国棉花，2016，43（8）：21-23.

［2］李兴莲.巴州棉花秸秆饲用模式及现状分析［J］.新疆畜牧业，2014（10）：15-18.

［3］李国一，李革，苏和生，等.食用菌培养料自动定量装袋机的设计［J］.农机化研究，2010，32（1）：110-112.

［4］张晶晶.棉花秸秆收获打捆机的数字化设计［D］.石家庄：河北科技大学，2014.

［5］毛广卿.不同截面形状的溜管对物料流动的影响［J］.粮食加工，2004（5）：34-37.

［6］崔博.生物质垃圾热解焚烧一体化装置设计［D］.天津：河北工业大学，2015.

［7］张世军.生物质热解柔性输送装置研究［D］.广州：华南农业大学，2016.

［8］李有志，郭俊先，张丽，等.4FY—0.8B型移动式生物质固化成型车螺旋输送系统的改进设计与仿真分析［J］.中国农机化学报，2016，37（12）：131-135.