基于丘陵果园轨道输运系统的自走式枝条粉碎机设计与试验

公彦晨,宋月鹏*,任龙龙,张红梅,韩 云

1.山东农业大学机械与电子工程学院,山东 泰安 271018

2.山东省园艺机械与装备重点实验室,山东 泰安 271018

3.潍坊科技学院,山东 潍坊 262700

我国丘陵山地约占国土面积的十分之一，达100 多万km2，是我国主要的果树种植基地[1]。果树枝条的修剪工作是树体管理的重要环节，果树枝条蕴含着大量的生物能源和矿质养分，对果树的生物能源和有机肥生产具有重要意义[2]。但受地形条件影响，丘陵山地果园综树体管理机械化水平较低，目前果树枝条的处理方式主要有两种，最常见的一种是作为薪柴燃烧使用，虽然能够使枝条得到有效的处理，但是燃烧产生的烟雾及芳烃化合物对环境和人体的危害较大；另一种处理方式是集中堆放处理，但枝条长时间的堆放，极易诱发病虫害，增加果树病虫害传播隐患。因此，丘陵山地果园枝条的处理及综合利用成为丘陵果园亟待解决的问题[3]。

果树枝条粉碎机可以将枝条进行粉碎处理，根据粉碎细度可以直接用于土壤表层覆盖或者堆肥，有利于提升土壤的蓄水性能，实现改善土壤质地的目的[4]。因此，近几年来果树枝条粉碎机受到国内学者广泛的关注。北京农机鉴定推广站研发了SFJ-8.0 型树枝粉碎机，该机具有体积小、操作简单的特点[5]。另外，南京农业机械化研究所研发的NZF100A1 型树枝粉碎机，粉碎能力较强[6]。

丘陵山地果园坡度较大，果树种植较为分散性，而目前果园枝条粉碎机大部分以电动机为动力源，需要稳定的供电线路，移动作业范围较小，同时手推式式的设计，在大坡度果园中使用大大增加了果农的劳动强度大[7]。基于此，本文针对现阶段丘陵果园枝条有效处理难的问题，在丘陵果园运输轨道的基础上，研制一种自走式单轨枝条粉碎机并进行田间试验验证，进一步提升我国丘陵山地树体机械化管理水平。

1 总体结构及工作原理

1.1 总体结构设计

目前为了解决丘陵果园的果品运输问题，单轨牵引车被广泛的应用于丘陵果园中，单轨牵引车结构小巧、移动性，能够良好的适应丘陵果园坡度大、果树种植标准化程度低的特点。因此，基于轨道研发一款自走式丘陵果园枝条粉碎机，整机主要由单轨牵引装置和果树枝条粉碎装置构成。自走式丘陵果园枝条粉碎机结构设计如图1 所示。

图1 基于轨道的自走式丘陵果园枝条粉碎机结构设计图Fig.1 Structure design of self-propelled hill-orchard branch crusher based on track

1.2 工作原理

基于单轨的自走式丘陵果园枝条粉碎机在工作时，采用双汽油发动机为动力源。单轨牵引装置发动机固定于机架上，通过V 带将动力传递至减速箱，驱动销轮安装在减速箱的传动轴上，通过驱动销轮与轨道的啮合，实现单轨车的运行。

枝条粉碎装置通过连接机构与单轨车连接，粉碎装置汽油发动机固定于粉碎装置顶部支架上。粉碎作业时，枝条通过喂料滚轮喂入，粉碎装置汽油发动机通过粉碎装置主轴带动旋转刀盘进行高速旋转切削，粉碎的物料进入粉碎室，从排料口排出。

该机的主要技术性能参数设计如表1 所示。

表1 主要技术性能参数Table 1 Main technical performance parameters

2 关键部件的设计

2.1 单轨车发动机选型

发动机是单轨牵引车关键的工作部件。发动机的结构参数对单轨车的运行性能有重要的影响。发动机按照燃料使用情况分为柴油发动机和汽油发动机。汽油发动机体积小、质量轻、噪音较小、结构性能良好，更适用于轨道牵引车的使用。

额定功率是发动机选型的主要参数。发动机性能对单轨牵引车运行的连续性、稳定性等有较大的影响。根据文献[8]，牵引车运行时所需的功率大小

式中：P：牵引车运行时所需功率，kW；F：牵引力，N；v：速度，m/s；G：机具自重，N；ɑ：果园坡度，°；δ：滚动摩阻系数，mm；r：承重轮的半径，mm；μ：滑动摩擦系数。

根据丘陵果园作业的农艺要求，果园坡度α取30°。依据课题设计要求，牵引车运行速度v为1 m/s，机具自重与负载G约为4000 N，承重轮半径r为30 mm。根据机械设计手册可知，滚动摩阻系数δ和滑动摩擦系数μ分别为0.05 mm 和0.03，根据公式（1），结合整机运行时的受力分析如图3-1 所示。计算得到整机运行时所需最大功率为2.531 kW。考虑牵引车传动过程中的损耗以及保证运行的稳定性，选择型号为YAMAHA MZ175(R)，额定功率为3.5 kW，额定转速为3600 r/min 的汽油发动机。

图2 整机受力分析图Fig.2 Mechanical analysis diagram of the whole machine

2.2 行走机构设计

单轨牵引车行走机构主要由驱动销轮、平衡轮和承重轮构成。牵引车通过驱动销轮和轨道下方齿条之间的啮合传动实现运行，轨道上表面采用一组承重轮与轨道接触式的结构，使机具具有较强的承重能力，同时轨道下方还装有导向轮，起平衡作用。驱动销轮主要由驱动轮盘和销齿构成，驱动销轮节圆直径为95.54 mm，驱动轮盘通过轮毂与传动轴连接，驱动轮盘间均布12 个活动销齿结构，销齿直径为12 mm，轨道采用多节50 mm×100 mm×δ5 mm 的空心矩形钢轨道，齿条焊接在空心矩形钢下方中央处。牵引车行走机构三维模型如图3 所示。

图3 行走机构三维模型Fig.3 Three dimensional models of walking structure

行走机构是整机运行的核心机构，对机具性能有至关重要的影响。采用ADAMS 软件，对行走机构进行动力学分析计算，得到驱动销轮与轨道齿条之间的啮合力曲线，如图4 所示。从图中可以看出，在行走机构初始启动阶段，驱动销轮因突然受到传动力矩的作用，产生一个瞬时较大的冲击力，但随着运行时间的增加，驱动销轮与轨道之间啮合产生的接触力大小呈稳定的周期性波动，说明驱动销轮与轨道之间啮合情况较好，行走机构运行稳定。

图4 驱动销轮与轨道之间的啮合力曲线Fig.4 Engaging force curve between drive pin wheel and track

2.3 枝条粉碎刀盘主轴设计

整机的粉碎部件主要由动力系统、切削粉碎系统、喂料系统和排料系统组成。切削粉碎系统是枝条粉碎作业的核心部件，进行枝条粉碎作业时，粉碎刀盘主轴处于高速旋转状态，容易发生变形及损坏，对粉碎作业效率有较大影响[9]。目前我国对枝条粉碎刀盘主轴结构参数设计一般直径校核，粉碎刀盘主轴直径：

式中：A1：根据轴的材料及承载情况确定的系数，轴的材料为40 Gr 时A=98～106；d：粉碎机主动轴直径，mm；P：粉碎装置发动机，kW；n：粉碎机主动轴转速，r/min。

根据丘陵果园枝条粉碎作业要求，粉碎装置汽油机功率P≥4.1kW，粉碎机主轴转速n为2800 r/min，A1取106 时，依据公式（2）计算可得到粉碎刀盘主轴最小直径d为12 mm。值得注意的是，按公式（2）进行计算轴的直径时，需要考虑轴上键槽的应力作用，当轴截面上有一个键槽时，轴径应增大4%～5%[10]，根据设计经验与考虑发动机轴伸出端直径，最终确定主轴的直径为22 mm。

2.4 喂料滚轮设计

喂料滚轮是喂料系统的关键部件，是影响枝条粉碎效率的重要因素之一。喂料滚轮的结构设计参数主要由粉碎枝条的最大直径确定[11]。喂料滚轮直径较小时，枝条无法有效、均匀地进入粉碎装置，导致枝条喂料效率较低；当喂料滚轮直径过大时，容易出现枝条输送时无法扶持的现象[12]。通过实地调查发现丘陵果园废弃果树枝条直径普遍偏小，同时结合现有枝条粉碎机产品，最终确定枝条粉碎装置喂料滚轮直径为68 mm。

3 田间试验

3.1 试验条件

为验证丘陵果园自走式单轨枝条粉碎机作业性能，在山东省龙口市石良镇黄城阳少华果蔬专业合作社示范基地苹果园进行田间试验和性能测试。试验苹果园属于典型的山东省丘陵果园，在果园内按照设计要求进行轨道及样机的安装。田间试验如图5 所示。

图5 田间试验图Fig.5 Field test

3.2 试验结果及分析

试验过程中，果树枝条粉碎机连接在单轨牵引车上后，枝条粉碎作业过程中，运行平稳，工作安全可靠，可以较好的实现枝条粉碎作业。同时可以通过操纵单轨牵引车实现枝条粉碎机的远距离、大范围移动，满足丘陵果园的枝条粉碎要求。为进一步验证基于轨道的自走式单轨枝条粉碎机的工作性能，对枝条粉碎机的粉碎效率，单轨车的运行速度和运行坡度进行测定，测定数据结果如表2所示。

表2 性能试验结果Table 2 Performance test results

由表3 结合试验，枝条粉碎机在4.1 kW 发动机的带动下，粉碎效率可以达到230 kg/h，可以满足设计要求。同时，在3.5 kW 牵引车发动机的带动下，整机运行稳定，运行速度为0.69 m/s，运行坡度为30°。可以较好地满足丘陵果园农艺要求。

4 结论

（1）根据丘陵果园果树枝条粉碎还田需求，基于丘陵果品运输轨道研制设计了自走式单轨果园枝条粉碎机，解决了丘陵果园废弃枝条处理过程中劳动强度大、效率低的问题，实现了丘陵果园枝条粉碎作业的机械化，同时，自走式的单轨果树枝条粉碎机设计可以解决传统枝条粉碎机受动力源限制移动作业范围小的问题，可以较好地适应丘陵果园果树种植分散性强的特点；

（2）田间试验结果表明，粉碎机枝条粉碎效率为230 kg/h，整机平均运行速度为0.69 m/s，最大运行坡度为30°，机具的各项性能指标均符合设计要求。