灌木切割粉碎一体机结构设计与仿真分析*

李智强 闫文刚 李志昊 郭世杰 解静涛 彭志鑫

（ 1. 内蒙古工业大学机械工程学院，呼和浩特 010051； 2. 中国兵器工业集团北奔重汽技术中心，包头 014032）

灌木在我国土地荒漠化的治理过程中具有突出的作用，而且也是经济建设不可缺少的重要资源，尤其是在内蒙古地区，灌木林面积近 800 多万 m2。按照生长周期计算，当灌木种植期达到 3～5 年，需进行一次平茬复壮[1-2]。用于灌木资源收割加工的机械主要有灌木平茬机、灌木削片机和灌木粉碎机3 种[3-9]。国外对于灌木机械的研究较早，美国D&M Machine Division 公司研制了先进高效的Slashbuster系列铣削式灌木收割机；巴西研制了新型悬挂式灌木收割机[11-12]。随着技术的发展，国内对于营林机械的重视程度越来越高，很多高校与研究所对各类营林机械进行了改进[13-17]。比较典型的营林机械有XDNZ-2008 型自走式收割机和4MG-200 型灌木联合收割机，但整体研究相对于国外较晚[18-25]。此外，国内灌木类机械总体工作效率低，品种单一且缺少一体机类机械。为了提高营林作业效率，加强对灌木类资源的利用，本研究将灌木的切割与粉碎过程结合，设计了一种灌木切割粉碎一体机。

1 整机结构与工作原理

灌木切割粉碎一体机整机模型如图1 所示，主要包括割灌机构、传送机构、喂入机构、切削机构和粉碎机构。割灌机构通过锯片切削实现对灌木的平茬作业，灌木倒伏后，通过传送机构，将枝条送到喂入机构。喂入机构的上下辊子相向转动，对灌木枝条形成一个勾拉的力，将灌木枝条强制送入切削机构。切削机构的动力来自于外部电机，通过刀辊上的动刀片与刀片支架上的定刀配合，完成削片动作，削出的灌木料，通过箱体下方的落料口落入粉碎机构。粉碎机构的主轴上装有粉碎锤片，锤片跟随主轴转动，对灌木片进行粉碎，粉碎后的灌木料通过筛片落下。

图1 灌木切割粉碎一体机整机建模图Fig.1 Overall drawing of shrub cutting and pulverizing integrated machine

2 关键结构设计与改进

2.1 割灌机构设计

图2 为灌木切割粉碎一体机的割灌机构，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，从而带动刀片一起转动，达到割灌的目的。

割灌锯片刀头种类有三角刀头、十字刀头、圆锯片等。本研究选用刃口滑切角为53°的圆锯片割刀。经计算，割灌机构选用 Y200L-1-2 型三相异步电动机作为动力输入源，此时锯片的转速为2 865 r/min。此外，在割灌机构底部设置仿形机构，以提高机构的通过性，在割灌机构顶部设置倒人字导板，以保证灌木枝条可有序地送到输送带。

图2 割灌机构Fig.2 Cutting irrigation par

2.2 切削机构与喂入机构设计

2.2.1 切削与喂入机构工作原理

灌木枝条经过输送带通过喂入机构送至切削部分，进入后续加工。如图3 所示，削片主轴转动带动刀辊部分转动，通过刀辊上的动刀和定刀的配合完成对灌木枝条的切割。其中喂入机构由上喂入机构和下喂入机构组成。上喂入机构有3 个不同喂入辊子，根据灌木的结构和生长特性，第一喂入辊的表面设计为点凸式，结构如图4（a）所示，凸起的柱状结构可以很好地勾住灌木枝条，将枝条顺利喂入；第二喂入辊采用沟齿式喂入辊，结构如图4（b）所示，该结构抓取性良好，不易被枝条缠绕；第三喂入辊必须拥有很好的压紧性能，所以将末端辊子设计为图中4（c）所示的方齿形辊子。

图3 切削与喂入机构图Fig.3 Cutting and feeding mechanism

图4 喂入辊结构图Fig.4 Structure diagram of feeding roller

2.2.2 刀辊结构设计与运动校核

图5 刀辊装配图Fig.5 Knife roll assembly

本研究所设计的开式刀辊结构如图5 所示，刀辊前后端鼓体片采用花键安装在主轴上，用于限制刀片组整体位置，垫刀块安装于刀片支架上，起到垫起刀片减少支架磨损的作用。切削刀片安装在垫刀片上，用压刀块紧固，各个刀片支架之间由花键间隔套固定距离，刀片采用螺旋排列的方式。

刀辊是否能正常工作直接影响到灌木切割粉碎一体机的整体性能，因此需要对刀辊进行运动校核。

所选电机的转矩为70 979 N·m，大于刀辊工作时所需转矩，满足使用要求。

2.3 粉碎机构设计

2.3.1 粉碎机构工作原理

粉碎机构结构如图6 所示，电机的动力经弹性套柱销联轴器传至粉碎主轴，通过主轴带动相关部件共同转动。扬升机构的风扇采用和主轴同轴设计，简化了整体结构并且节省能耗。为提高粉碎效果，在粉碎室的上箱体安装有耐磨板，锤片通过筛片和耐磨板的配合对削片料进行粉碎。通过对粉碎机构理论生产力的计算，该机构选用Y132M-4 三相异步电动机作为动力源。

图6 粉碎部分结构示意图Fig.6 Schematic diagram of crushed part structure

2.3.2 粉碎室的优化设计

图7 粉碎室环流层比较Fig.7 Comparison of circulation layers in pulverizing chambers

传统的圆形粉碎室经常会出现物料环流层，物料环流层的存在会造成粉碎效率低下，能耗高，粉碎室内温度高。因此对粉碎室结构优化的主要方法就是破坏粉碎室内的物料环流层。本设计中，粉碎室被改进为水滴形的异形室，如图7 所示。水滴形粉碎室可以有效破坏物料环流层，提高粉碎机构的生产效率，减小能耗。

2.3.3 粉碎核心部分结构

灌木切割粉碎一体机的粉碎系统核心部分主要包括：风扇扇片、粉碎锤片、传动主轴、限位套筒、法兰盘、锤片连接板和锤片连接柱销等部件，如图8 所示。

所有锤片通过连接柱销连接在锤片连接板上，锤片之间的距离通过限位套筒进行控制。锤片连接板通过两个粉碎连接螺栓和长限位套筒连接在法兰盘上。每个法兰盘均匀布置4 组锤片。当传动主轴高速运转时，带动锤片进行转动，此时的整个转子结构可看做为一个惯性轮机构，当外部的喂入量发生变化时，转子机构依靠惯性轮的储能和释能特性，保证粉碎部分运转平稳。

图8 粉碎部分转子结构示意图Fig.8 Schematic diagram of rotor structure of comminute part

2.3.4 粉碎锤片优化设计

由此可知，增大粉碎力F，可以从增大锤片质量和锤片末端线速度两方面考虑。

图9为传统锤片示意图。对于传统锤片，为了增加粉碎效率，采用增加锤片长度和厚度的方法来增加锤片的质量。但增加锤片长度，会使锤片容易产生偏让，机器的振动和噪声会增大；增加锤片厚度又会阻碍物料的轴向移动，产生与锤片侧面接触的无效摩擦，影响锤片使用寿命。

图9 传统锤片Fig.9 Traditional hammer

图10 新型锤片Fig.10 New type of hammer

本研究设计出一种新型工字型锤片，其结构如图10 所示。相比于传统锤片，工字型锤片端部体积增大，加大了接触部的体积，减小了中间不直接参与工作部分的尺寸。改进后的锤片，既可以提高锤片对物料的冲击率，又可大大增加锤片末端的线速度，提高粉碎效果。所设计的锤片，采用对称双孔结构，一片锤片在不修补情况下可以利用 4 次，使用寿命也比传统锤片提高了4 倍。同时，将T型锤头设计为齿板式，加大了锤片与物料之间的接触面，从而提升粉碎效果。

3 基于ADAMS的运动学仿真

3.1 粉碎机构运动学仿真

对粉碎机构简化后导入ADAMS软件中，对其添加约束与驱动，为主轴添加转速v，从0～4 000 r/min稳定增加，为保证仿真结果接近实际，在锤片与锤片柱销及锤片与套筒之间添加摩擦力。

仿真后得到锤片的运动轨迹如图11 所示。在锤片式粉碎机从电机启动到主轴转子达到稳定工作这一过程中，锤片是由静止状态快速转变为围绕主轴作圆周运动的状态。

锤片与销轴进行铰接，每片锤片均可看作是以销轴作为悬点的单摆，当转动动作开始后，销轴与锤片连接处绕主轴旋转。可得锤片运动过程存在两种运动的结合，一种是粉碎锤片整体绕主轴转动，另一种是锤片以悬点为基础绕销轴做单摆运动。

图11 粉碎锤片运动轨迹Fig.11 Motion track of crushing hammer

仿真后得到锤片质心位移规律如图12 所示，锤片质心角速度变化规律如图13 所示。结合锤片的运动轨迹图，可以发现，锤片的运动是平稳的，在0 s到1.5 s这段时间，粉碎部分处于启动阶段，主轴开始旋转，带动锤片一起转动，但是由于锤片锤头质量集中，因此锤片运动存在滞后，锤片的转动角速度存在较大的波动，在这期间，锤片的运动轨迹是不规则的。在1.5 s以后，锤片的波动逐渐减小，最后达到平稳的工作状态，整个粉碎锤片的仿真运动过程与实际工作过程极为接近。

图12 锤片质心位移规律图Fig.12 Mass center displacement diagram of hammer

图13 锤片质心角速度变化规律图Fig.13 Chart of angular velocity change of hammer center of mass

仿真结果表明，粉碎机构的设计是合理的，粉碎机构可以完成预期的粉碎工作。

3.2 切削机构运动学仿真

对切削机构的刀辊进行简化后，添加旋转驱动，使得主轴在 0～3 s 内从静止状态加速到740 r/min，并在后续时间内保持匀速转动。进行运动学仿真，得到刀片质心位移图如图14 所示。刀片速度-加速度-角加速度联合图，如图15 所示。

由图可知，削片刀整个运动过程中，运动是相对平稳的。主轴开始旋转启动，刀片跟随刀盘转动，此时的刀片处于启动加速过程中，速度及加速度变化明显，在 3 s 之后由速度及加速度图可知启动过程完毕，主轴及刀片处于平稳运动状态。

图14 刀片质心位移图Fig.14 Blade centroid position map

图15 刀片速度-加速度-角加速度联合图Fig.15 Velocity-acceleration-angular acceleration joint diagram

仿真结果表明，切削机构的设计是合理的，可以完成预期的切削任务。

3.3 割灌机构运动学仿真

对割灌机构进行简化后，添加相应的运动副、齿轮副与约束，对锯片的运动过程进行仿真分析，使锯片在0 到2 s时间内从0 r/min加速到2 856 r/min。仿真后得到刀片质心位移-速度-加速度变化联合曲线图如图16 所示。

图16 刀头质心位移-速度-加速度图Fig.16 Position-velocity-acceleration diagram of the center of mass of the tool head

刀头的运动在0到2 s的时间内处于启动加速阶段，所以在刀头速度-加速度图中，在 0 到 2 s 的时间区间内，速度-加速度曲线是一条上升的曲线。在2 s之后加速结束，启动阶段完成，机构进入平稳运动工作阶段。因此在2 s之后，速度和加速度曲线是一条近似水平线。仿真结果表明，割灌部分的结构设计是合理的，整个机构运动非常平稳，满足机器割灌作业的需求。

4 结论

为了提高灌木平茬作业的效率，本研究设计了一种灌木切割粉碎一体机，重点对割灌机构、喂入机构、切削机构和粉碎机构进行设计，同时对粉碎室和粉碎锤片设计进行优化，以提高机器粉碎效率，最后运用ADAMS软件对割灌机构、切削机构和粉碎机构进行运动学仿真，分别得到三部分中关键零件的运动轨迹、质心位置、速度、加速度和角加速度数据。结果表明，机器的设计结构合理，设计方案可行，可满足工作需求。