杂交狼尾草切铡机的设计

罗新文，杨陆强，陈 钊，高彦玉，赵玉清，高志超，朱加繁

(云南农业大学 机电工程学院，昆明 650201)

0 引言

杂交狼尾草(Pennisetum americanum x P．purpureum)是一种暖季型多年生禾本科牧草，属于C4植物，其产量高、生长期长，具有广泛的适应性[1]。杂交狼尾草的木质素含量约为8.92%，纤维素含量为36.15%左右，半纤维素含量为21.01%左右[2]。其木质素含量低于玉米秸秆，而纤维素和半纤维含量较玉米秸秆的相似，具有与玉米秸秆相似的韧性和小于玉米秸秆的硬度。作为优质牧草，其用途主要体现在以下两方面：一是作为青贮饲料[3]；二是作为生物质能源(如沼气发酵等)[2，4]。

切铡机的主要功能是用来切断稻谷、麦秸、玉米秸等作物茎秆，较适用于农作物乳熟期的青贮。按规格大小的不同，可分为小型、中型和大型；按切割方式的不同，可分为滚筒式和圆盘式；按作业方式的不同，可分为田间直接收获机和固定式切碎机。杂交狼尾草的再生能力强，一年内可刈割多次，其鲜草的单产可达90～120t/hm2[5-6]。切铡作业后，狼尾草茎秆叶的适口性和消化反应率将得以有效提高，且产业的经济效益也将随之增加。切铡作为狼尾草饲料化及能源化利用的基础环节，将有效提高狼尾草资源化利用的效率。

为简化杂交狼尾草切铡机的机型，提高狼尾草草料的生产率，并降低切铡机的功率消耗，研究设计了一种卧式圆盘式杂交狼尾草切碎机。利用ANSYS Workbench有限元分析软件，对其核心工作部件刀盘进行了包括静力学分析在内的数值模拟，旨在为杂交狼尾草切铡机的优化设计提供理论依据，并缩短其设计制造周期。

1 总体机构与工作原理

1.1 总体结构

该切铡机主要由机架、传动机构、喂入装置及切铡装置等构成，如图1所示。其中，机架上焊接有电机机架，电机机架上安装有电动机，在电动机上安装有两槽V带轮，带轮通过V带将电机动力传递于主轴，机架上通过一组轴承座来支持切碎机主轴；主轴上安装有刀盘，刀盘的一面安装有3组动刀，另一面装有3组抛板；主轴的另一端与减速箱连接，减速箱的输出轴通过齿轮和喂入辊连接。

1.2 工作原理及过程

切碎机作业时，在电动机的作用下，带轮及皮带将带动切碎机主轴转动，刀盘及安装在其上的刀片将获得一定的转速；在上下喂入辊相向转动的卷送作用下，狼尾草被压送进入喂料口，随后被高速旋转的刀片所铡断；被铡断的草料会随刀盘的离心转动，在抛送叶片的携带作用下被排送出排料道，最终完成狼尾草的喂料、切铡和排送作业。

1.3 主要技术参数

该杂交狼尾草切碎机的主要技术参数：外形尺寸为772.5mm×1 477.5mm×965mm(长×宽×高)，机架尺寸为772.5mm×385mm×530mm(长×宽×高)，电机型号为Y132S-6Y系列三相异步电动机，刀片圆弧刃的弧长为131mm，狼尾草茎秆叶的切碎长度为10mm，生产效率为400kg/h。

1.机架 2.喂入槽 3.喂入辊 4.轧距调节装置 5.罩壳 6.刀片 7.刀盘 8.抛送叶片 9.排料道 10.减速箱 11.皮带

2 关键部件设计

2.1 传动系统

该机传动机构主要由安装在机架下部的电动机、其上的皮带轮和V带、刀盘传动轴和喂入辊传动轴及其上的直齿轮，以及变速系统中的锥齿轮和直齿轮等构成，如图2所示。

1.带轮 2.刀盘 3.小圆柱齿轮 4.轴承座 5.小锥齿轮

由于主轴旋转方向和喂入辊旋转方向成90°夹角，为了改变旋向加入了一组锥齿轮。同时，考虑到喂入机构有卡死的情况，把锥齿轮组改为了星齿轮组，当拨叉拨到不同位置时，可以实现喂入辊的正转、倒转、静止3种状态。其中，带轮选用灰铸铁HT200作为加工材料，小带轮直径D1=170mm，大带轮直径D2=320mm，选用2根三角胶带；齿轮选用45钢经调制处理加工而得。

2.2 喂入装置

喂入装置由轧距调节装置、喂入槽、上喂入辊及下喂入辊构成，动力通过齿轮传递给喂入辊，如图3所示。为避免物料堵塞，该装置带有间隙调节装置，上喂入辊上下移动的范围大, 能承受较大的喂入量, 故生产率高。上喂入辊轴承与滑块轴承座相连，滑块轴承座与喂入辊上盖相连，喂入辊上盖又通过双头螺柱与机架相连，使上喂入辊能随饲草层的厚度而上下调整，以适应物料层厚薄的变化并保证物料能够被均匀地压紧。切铡机工作时，上下喂入辊以相反方向转动，草料被均匀地压紧送入，由刀片将其切成碎段。其中，上下喂入辊均为沟槽形，由于设计中喂入辊载荷不大，但要求韧性较高，所以喂入辊由20钢经正火处理得到；根据秸秆加工质量和生产率[7]，确定喂入口的高为50mm，宽为100mm。则有

计算得喂入辊的转速n1=64r/min。

针对喂入槽，为保证喂入辊连续不断地向切碎室喂料，并防止物料掉落，在设计中，将其设计为双槽重叠式。其中，利用5mm厚的钢板将外面的钢槽焊接而成，其两侧则用钢板加厚；在钢槽内再插一个薄壁进料槽，料槽的长度根据整体机型定为1.2m，用螺栓固定。

1.轧距调节装置 2.喂入槽 3.喂入辊

2.3 机架

根据狼尾草切铡机的使用环境，确定该狼尾草切铡机的机架材料为Q235B等边角钢(30×30×4)，通过手工电弧焊将其焊接而成。另外，在机架刀盘的罩壳四周安放一块10mm厚的钢板以便固定各零部件。根据各零部件的设计尺寸，最终将机架的整体尺寸设计确定为772.5mm×385mm×530mm(长×宽×高)。

2.4 刀轴

在切铡机的工作过程中，刀轴将承受来自刀盘的扭矩和电机的驱动力矩，会产生扭曲、弯曲等组合变形，并伴随着强烈的冲击和振动。所以，刀轴的材料应当满足强度、刚度、耐磨性和耐高温等条件[8]，在此选择45钢，并对其实施调质处理，其基本尺寸为：总长300mm，轴径35mm。

由相关数据计算得，皮带轮传递于刀轴的扭矩为

根据刀轴的受力情况，按第三强度理论校核其最大弯矩和扭矩截面的强度为

由于轴的计算强度小于材料的最大许用强度，设计合理。

2.5 刀盘及刀片

刀盘是连接刀片和抛送装置的机构，安装在主轴上，如图4所示。作为狼尾草秸秆切碎机的核心工作部件，刀片的质量和寿命直接影响其切碎性能和生产率。根据青贮原料韧性大、强度低的特点，选择圆盘式凹凸刃刀片相结合的滑切设计方案[9]。其中，刀片制作材料选择65Mn[10]，其长度为131mm，圆弧刃所在圆的半径为375mm，刃口角度为40°，厚度为10mm，其上均布3个直径为12mm的螺纹孔。

3 切铡机刀盘有限元仿真分析

3.1 模型网格划分

刀盘的制作材料为45钢，在其中心轴孔的外围设计有环形的加强筋；将SolidWorks建立的刀盘三维模型以IGS文件的格式导出，运用ANSYS Workbench有限元分析软件对其进行网格划分，如图5所示。

图5 网格划分图

3.2 刀盘静力学分析

通过静力学分析，结合其等效应力云图(见图6)可以发现：在圆周方向上，应力分布由3个相似部分所组成，刀盘应力主要集中在轴孔到丫形交叉点之间，最大值为204.46MPa，小于材料的屈服强度355MPa。结合其等效应变图(见图7)发现：应力集中部位与应变较大部位基本吻合，最大应变值为1.03×10-3mm。结合其总变形云图(见图8)发现：位移以轴孔为中心呈中心对称分布，位移最大值处在安装刀片的枝丫的最外端，最大的位移为0.54mm。

图6 等效应力图

3.3 刀盘模态分析

模态是指机械结构的固有振动特性，每一个模态都有特定的固有频率、 阻尼比和模态振型， 随着分析

阶数的逐渐增大，误差也会随之变大。 在这里，采用Block lanczos法分析提取该刀盘的前6阶模态，得到相应的结果如表1所示。振型云图如图9～图14所示。

图8 总变形云图

Hz

图9 刀盘1阶振型云图

图10 刀盘2阶振型云图

图11 刀盘3阶振型云图

图12 刀盘4阶振型云图

图13 刀盘5阶振型云图

图14 刀盘6阶振型云图

从分析结果可以看出：刀盘的2阶模态和3阶模态振动频率较为接近；4阶模态、5阶模态、6阶模态也较为接近，分别是振动方程的两个二重根。针对对称结构，这样的分析结果是正常的[11]。从各阶振型云图可以看出：随着与轴孔中心位置距离的加大，刀盘的位移量也逐渐变大，最大位移值处在最外端边缘处。

刀盘的干扰频率与轴的转速存在如下关系，即

n=60f

其中，n为转速(r/min)；f为干扰频率(Hz)。

切铡机刀轴转速为500r/min，由公式可得刀盘的干扰频率为8.3Hz，该值远小于刀盘的前6阶模态振频，说明该机在工作过程中可远离共振现象的出现。

4 试验效果

试验材料为栽种于云南农业大学后山的杂交狼尾

草，距上次刈割期有60天。将切铡机主轴转速设定为500r/min，平稳、均匀地将收割到的杂交狼尾草从喂入装置喂入。试验发现：该切铡机的生产率可达400kg/h，近95%的杂交狼尾草茎秆叶的切断长度为10～11mm，整机在工作过程中运行平稳，能够满足实际作业需求。

5 结论

)根据杂交狼尾草的性状及特征，设计了一种杂交狼尾草切铡机，介绍了该机的整体结构与工作原理，阐述了其关键部件的设计思路。

2)采用数值模拟的方法，运用ANSYS Workb-ench有限元分析软件，对其核心工作部件刀盘做了工作过程的仿真分析。通过仿真分析发现，刀盘应力主要集中在轴孔到丫形交叉点之间，最大值为204.46MPa，小于材料的屈服强度355MPa；应力集中部位与应变较大部位基本吻合，最大应变值为1.03×10-3mm；其位移最大值处在安装刀片的枝丫的最外端，最大的位移为0.54mm；干扰频率8.3Hz远小于前6阶模态振频。