灌木切割粉碎一体机设计

李志昊，闫文刚，刘志刚，李治国，白 阳

（内蒙古工业大学 机械工程学院，呼和浩特 010051）

1 我国灌木机械的市场前景

我国全国沙漠化土地、具有沙化趋势的土地分别有438.16、32.15万平方公里，其中内蒙古自治区的荒漠化土地面积占全国的约57%，是目前全国范围内土地沙漠化最严重的省份。为了治理土地荒漠化，国家同内蒙古自治区政府投入了大量精力，在内蒙古地区每年的平均灌木营造面积已经占据总营林面积的接近70%。沙生灌木是我国西部干旱、半干旱地区在治理土地荒漠化的过程中重要的营造树种，内蒙古自治区目前现有灌木面积达333.4万公顷，灌木大约每三到四年为一个周期需要进行一次平茬复壮。平茬后灌木生长较快，枝条更茂盛。平茬复壮中切下的枝条可用于生产人造板，柳编产品，灌木饲料加工等。传统的依靠人工平茬的方式不仅生产效率低，而且劳动强度高。对于灌木的营林工作，急需要大量的灌木营林械。全国林业对于灌木机械的需求每年大约在5万台以上。

2 总体方案确定

如图1所示，2号为割灌部分，通过3号皮带传动使得主轴转动，通过2号机体里面的斜齿轮和直齿轮的传动带动圆形刀片转动，从而达到切割灌木的目的。此种切割方式为无支撑切割。1号为倒人字形导板，灌木被切割倒之后由于车体的速度，灌木枝条通过1号人字形导板到达4号传送带部分，通过传递带传递到14号喂入辊的位置，喂入辊安装在6号喂入辊架上，喂入辊设计为两部分分上喂入辊和下喂入辊，通过皮带传动上喂入辊转动，上下喂入辊通过齿轮传动，这样可以使得上下喂入辊拥有相反的转动方向使得起到导向和传送的作用。喂入辊设计为沟齿状，这样可以使得上相喂入辊拥有更好的相对转动，也提高了灌木在进入之后喂入辊对枝条产生挤压，以便于切割。经过喂入辊后，灌木枝条到达13号定刀片处，定刀片安装在7号定刀架上，11号动刀旋转粉碎枝条，粉碎后的枝条下落，8号分料器转动，调整落料的位置。通过对各种灌木机械的调查和了解，本着方便，生产率高，节省劳动力的原则，对本机进行了总体设计。

图1 切割灌一体机原理图

3 典型部件的设计

3.1 喂入辊的设计

喂入机构压紧灌木枝条并将其喂入切碎器，在切碎时夹持住灌木枝条以免在切碎时因受力不均产生长枝条，为了保证粉碎过程的顺利，喂料时要求物料层不可以相对滑动，并且当物料层厚度发生变化时必须保证也能够加紧物料，所以喂入辊的设计为如图2所示，上下喂入辊为沟齿状，并且可以相互配合，上下喂入辊之间传动方式采用齿轮传动，齿轮传动平稳可靠，可以保证喂入辊平稳正常的工作。

图2 喂入机构

主要参数确定：

上下喂入辊长度1200mm。

沟齿数z=30。

外径计算式为：

式中：t为喂入灌木枝条的厚度，取t=60mm；

u为枝条通过喂入辊时的压缩系数，u=0.6～0.8，取u=0.6；

φ为草层和喂入辊之间的摩擦角，φ=16°～32°，取φ=20°；

3.2 切碎器的设计

切碎器的设计标准是结构紧凑，刀具便于刃磨，动刀和定刀之间间隙足够小，粉碎的物料抛送方便，并且粉碎时要省力，负荷均匀。

如图3所示切碎机构有旋转动刀和定刀组成，动刀有6片，均匀分布在旋转体上。通过动刀和定刀的配合，达到切碎的目的。

3.3 割灌机部分的设计

如图4所示为灌木切割粉碎一体机的割灌机部分，主轴旋转通过锥齿轮传动带动中间轴转动，再通过传动齿轮带动上下两个轴转动，圆形刀片通过螺栓安装在主轴上，主轴同旋转刀片一起转动，达到割灌的目的。

图3 切碎机构

图4 割灌机部分

下面以割灌器中的一对齿轮为例进行设计计算：

小齿轮齿数为z1=5 2，大齿轮齿数z2=u z1=3.2×52=166.4，取z2=167齿。经过齿面接触疲劳强度校核与齿根弯曲疲劳强度校核计算，再经过变位调整中心距设计得割灌机部分的主要设计结论为：

齿数z1=52，z2=181，模数m=1.25mm，压力角a=20°，变位系数x1=0.362，x2=0.416，中心距a=148.5mm，齿宽b1=70mm，b2=65mm，在材料选择上小齿轮材料选用40Cr，大齿轮选用45钢，全部调质处理。齿轮按7级精度设计。

3.4 电机选择

转速n=2000r/min～3000r/min。

材料65Mn。

圆锯片直径D=400mm。

1）圆锯片空载转动消耗的功率

空载时所需消耗的功率为：

式中：n为圆锯盘转速（r/min），n=2500；

j为刀盘转动惯量（kg·m2），j=0.1；

w为刀盘角速度（rad/s），w=210rad/s。

代入公式得到p1=5.5kw。

2）圆锯盘切割灌木时消耗的功率

式中：vm为机器进给速度（m/s），vm=1；

A为刀盘的切割宽度（m），A=0.4m；

l0为切割灌木时所需的功（J/m2），l0=480。

代入公式得：

3）考虑在传递过程中的功率消耗，查表可得齿 更轮传动效率1=0.98，轴承效率2=0.99，联轴器传递效率3=0.99。

则有：

由于本机器采用的是三锯片同时作用，所以机器所消耗总功为：

因此，选取Y200L-1-2型三相异步电动机，如表1所示。

表1 三相异步电机选型

3.5 仿形机构设计

由于风的作用，灌木的根部会形成一个半圆形沙包，考虑到这个问题，该套装置在割灌机部分的底部安装3个仿形轮，3个轮子采用三角形布局，提高稳定性。在工作过程中，遇到沙包，轮子会在沙包表面滚动，使割灌机设备抬升，保证其始终与地面保持一定距离。

3.6 导向板机构设计

由于切割装置安装在车体的前方，所以要保证割倒的灌木枝条，及时准确的到达传送带部分，否则会因为枝条的拥堵影响车体前进。所以设计倒人字导板结构，枝条通过倒人字导板可以准确及时的到达传送带。

3.7 传送带设计

如图5所示，传送带驱动方式为电机驱动，传送带的带面设计为固定距离凸起状，这样可以使得灌木枝条好的跟随传送带运动，顺利进入到喂入辊机构。

图5 传送带

3.8 割灌刀片的选择

割灌刀头种类有三角刀头，十字刀头，圆锯片。其中，如图6所示的圆锯片刀头是所有刀头中应用最为广泛的一种，圆锯片与三角刀头和十字刀头相比能够切割直径更大的灌木，切割效率高，结构简单，操作安装方便。

图6 圆锯片刀片

3.9 分料器的设计

分料器的作用是调整落料位置，防止落料堆积从而影响箱体的容积。如图7所示，分料器有四片叶片，两两叶片之间相互垂直，叶片随轴转动。

图7 分料器

4 结论

本套机械参考国内外的割灌机和粉碎机进行设计，通过输送机构将割灌机和粉碎机串联在一起，做到了灌木由割倒接输送到粉碎的同步，本套装置拥有很好的地形通过性。大大提高了灌木平茬的效率，同时也大大减少了工人了劳动强度和企业的成本，解决了现有的问题。

但该机器还需要在生产实践中进行检验，以完善不足之处。