履带式枝条粉碎机研究

万先起 蒋辉霞 徐 一 随顺涛 李光辉 王 林 蒋金巧 魏鼎才

（四川省农业机械研究设计院，四川成都 610066）

随着四川省“10+3”现代农业产业的高质量发展和持续推进，川果产业得到了快速发展，大量的种植大户、种植农业专业合作社、家庭农场等新型经营主体不断涌现，果树种植面积不断扩大。随之而来的是大量修剪产生的果树枝条急需处理。传统的枝条处理方式主要有填埋、焚烧、丢弃等。但是，这3种方式存在一些缺点，其中：枝条填埋处理方式需要很大的处理场地，资源消耗多，而且不易快速发酵；枝条焚烧处理方式严重影响环境；枝条直接丢弃，浪费资源。随着人们环保意识的日益增强和城市管理要求的提高，这些做法已被逐渐禁止。目前对这些废弃枝条的处理方法主要是将其粉碎后堆肥[1]。废弃枝条的粉碎需要用粉碎设备进行粉碎。我国现有的枝条粉碎机普遍为大型粉碎机或电动固定粉碎机，这些枝条粉碎机各有特点，不便于移动作业。

四川省丘陵地区果园采用分户管理模式，规模小，分散性强，规范化程度低，而大型枝条粉碎机系统复杂，能耗高，运行成本高，运行不稳定，噪声大，难以克服面积小、分散的客观问题，应用推广难度较大。现有的小型枝条粉碎机也存在一些问题，比如种类少、参数配置不完善等。对于大多数丘陵山区的果园来说，小型枝条粉碎机地形适应性差，移动不便，效率较低。

为有效解决大型枝条粉碎机和小型枝条粉碎机在丘陵地区应用中存在的问题，提高枝条资源利用率，降低劳动强度，本项目研发了一种行走方便、动力强劲、粉碎高效的小型履带式枝条粉碎机。该枝条粉碎机的研发具有重要意义。一是满足了川果产业可持续发展、高质量发展的需要。该枝条粉碎机可有效、及时地处理果园枝条，将枝条粉碎还田后可为果树生长提供充足的养分，促进果园增产、水果品质提升和果农增收。二是满足了生态环境保护、宜居乡村建设、现代农业园区发展的需要。该枝条粉碎机可及时处理修剪果树产生的大量枝条，不会对环境造成破坏，合乎美丽乡村建设、现代农业园区建设要求。三是满足了新型经营主体对果园枝条处理及资源化利用的需要。该枝条粉碎机可大量减少果园枝条粉碎作业投入的人工量，降低劳动强度，极大地满足家庭农场、专业合作社降低果园枝条处理及资源化利用成本的需要。四是为农业机械化转型升级进行了有益探索。该枝条粉碎机可极大地提高枝条粉碎的机械化作业水平，有利于推动果园机械转型升级。

1 设计原则

1.1 主要用于四川省丘陵山区的林果枝条粉碎

四川省丘陵山区果园地形地貌复杂，道路条件较差，多数采用缓坡种植、依山就势小地块阶梯种植。四川省丘陵山区果园种植类型多样，枝条直径大小不一，硬度较大，实现有效粉碎的难度大。当地常年潮湿多雨，地面湿度大，不利于运输。小型履带式枝条粉碎机的设计需要考虑地形、地貌、气候、粉碎对象等因素，提高整机适用性。

1.2 实现高效粉碎的目的

根据不同直径的枝条粉碎对象，分段预设动力模式和动力大小，切换发动机动力输出，动态匹配变速箱输出轴、输入轴传动比，动态调整发动机、变速箱的匹配参数，实现动力强劲，使转子产生高速气流随着刀片旋转，物料在气流中加速并被反复冲击、切割摩擦，同时受到多种粉碎作用，达到高效粉碎、适应性强的效果。

1.3 行走方便

针对四川省丘陵山区地形地貌特点，对不同地形的坡度范围涉及的行走不便问题，研究行走速度调整技术，提高粉碎机的行走性能，满足四川省丘陵山区果园行走需求。

2 系统组成

该枝条粉碎机的设计包含五大子系统：动力系统、行走系统、粉碎系统、支撑系统和操纵系统，系统组成框如图1所示，样机示意图如图2所示。

图1 系统组成框图

图2 样机示意图

2.1 动力系统

动力系统包括发动机、变速箱、发电机、整机电瓶等，主要为设备提供行走动力、粉碎动力。动力系统布局简单有效，能有效地将发动机功率传递到整机各个功能部位。

2.1.1 发动机。发动机与变速箱传动连接，提供动力。发动机采用带轮传动的方式为粉碎装置和行走装置提供作业动力，优点是在增强传动效率的同时，当整机各个机械部位出现过载现象时，可以防止因过载导致的机械部位损坏。发动机底部通过螺栓固定在底盘架上，为整机提供动力，其输出轴端部安装发动机皮带轮。发动机的动力经变速箱传递到走行机构，从而控制整机移动。采用柴油机作为动力，在醒目位置标明了主轴的转向；排气部件设置有防护，排气方向避开了所有操作位置上的操作者。

2.1.2 变速箱。变速箱与发动机传动连接，传输动力。变速箱与粉碎机主体之间为皮带传动连接。经变速箱之后的动力分成两路，一路传递到走行机构，一路传递到粉碎机主体。变速箱通过压板连接在底盘架上，防止变速箱窜动。变速箱上设有变速操纵杆和变速箱皮带轮，通过变速操纵杆可以实现整机的前进和后退，通过皮带连接发动机皮带轮和变速箱皮带轮实现动力传输。在变速箱的输出轴上安装有驱动轮。

2.1.3 发电机和整机电瓶。发电机安装于发动机上，整机电瓶设置在发电机电能的输出路径上，结构简单，便于拆卸维修。

2.2 行走系统

行走系统主要用于控制枝条粉碎机的行走。发动机的动力经变速箱传递到行走系统，从而控制整机移动。行走系统包括支撑轮总成、张紧轮总成及设置于支撑轮总成与张紧轮总成上的履带，与动力系统传动连接。支撑轮总成和张紧轮总成通过螺栓安装在底盘架上，履带安装在支撑轮总成、张紧轮总成和驱动轮上，实现整机行走移动。通过调整张紧轮总成安装在底盘架的位置可调节履带的松紧。单侧的支撑轮总成数量为3个，张紧轮总成数量为1个。行走系统采用履带式行走和灵活改变张紧轮位置的方式，灵活调整不同地形条件下履带松紧度，调整行走速度，行走方便[2]。

2.3 粉碎系统

粉碎系统包括粉碎机主体等，安装在底盘架上且与动力系统传动连接，主要用于物料粉碎。粉碎机主体包括喂料斗、出料口、粉碎离合器臂、粉碎皮带轮、粉碎张紧轮、机壳、粉碎刀盘。

2.3.1 喂料斗。喂料斗位于粉碎机外侧，与粉碎机主体相连便于枝干喂入，防止枝干掉落和安全事故发生。喂入口上设有防止物体抛射的软帘。喂入口上设有防护罩，且与进料辊外边缘的水平距离≥550 mm。喂入口设有安全警示标志，且安全警示标志内容准确、清晰，便于观察[3]。

2.3.2 出料口。出料口位于粉碎机顶部，与粉碎机主体相连。出料口的出料高度高于喂料斗的高度，且出料口呈预设的角度倾斜上扬，便于粉碎后的枝干能够抛撒在田间。出料口设有防护装置，且防护装置拆卸方便[4]。

2.3.3 粉碎离合器臂和皮带轮。粉碎离合器臂的一端与粉碎机主体连接。粉碎皮带轮与粉碎机主体内粉碎刀具转轴连接，并通过皮带与发动机皮带轮相连，实现动力传输。粉碎张紧轮安装在粉碎机主体外，并与皮带接触，改变其安装位置，则控制粉碎皮带轮与发动机皮带轮之间的皮带松紧程度。

2.3.4 机壳。粉碎机整体机壳设计成圆盘形状，便于枝条粉碎作业和排出。机壳材料由钢板焊接而成，机壳中心与动力输出轴的转动中心重合。机壳主要由上机壳和下机壳组成。上机壳和下机壳采用螺栓连接形成一个封闭的整体，将粉碎刀盘与粉碎物料封闭于机壳内部，机壳整体便于拆装。

2.3.5 粉碎刀盘。粉碎刀盘采用交叉刀和多刀片设计。粉碎刀片安装在刀座之上，经动平衡测试检测合格后装配到动力输出轴上。进料口处安装切削底刀，切削后的废枝条便于后续粉碎作业。粉碎刀盘随着动力输出轴快速旋转，对废枝条进行粉碎，枝条粉碎机的发动机带动粉碎机转子高速运转，使机械产生高速气流对粉碎物料产生高强度的撞击力、压缩力、切割力、摩擦力，同时使物料受到多种粉碎作用，达到高效粉碎的效果[5]。

2.4 支撑系统

支撑系统包括底盘架、扶手架等，主要用于安装及支撑。底盘架的下端设置有走行机构，底盘架的上端设置有发动机、变速箱以及粉碎机主体。扶手架设置于底盘架的一端，操纵系统设置于扶手架上。

2.5 操纵系统

操纵系统包括设置在扶手架上的转向控制手柄、粉碎机离合器控制手柄、行走离合器控制手柄、驻车制动控制手柄和电压监视装置等，主要用于操作控制设备行走、停止、转向、粉碎机主体启动、粉碎机主体停止及整机制动，控制枝条粉碎机工作状态。

2.5.1 转向、行走离合器控制手柄。转向控制手柄与变速箱相连，用于控制整机在行走时的左右转向。可采用单流单边离合制动的原理来完成转向，也可采用牙嵌式离合器的原理来完成转向。行走离合器控制手柄，通过行走离合臂与行走离合器的连接，控制整机行走、停止以及换挡时切断动力，防止换挡时损坏变速箱。

2.5.2 驻车、粉碎机离合器控制手柄。粉碎机离合器控制手柄，通过粉碎离合臂与粉碎离合器的连接，控制粉碎机主体的启动和停止；驻车制动控制手柄与变速箱相连，控制整机制动，防止在坡道停车时发生溜车现象。

2.5.3 电压监视装置。电压监视装置与发电机及整机电瓶分别电性连接，可实时显示整机电瓶电压是否合适，发动机、发电机是否正常工作。

3 关键技术

针对不同地形的坡度范围涉及的行走不便问题，研究行走速度调整技术。根据不同地形的坡度范围，合理选择适宜于丘陵地区的小型化履带自走式行走模式，因地调整行走模式和行走速度，改变张紧轮位置，灵活调整不同地形条件下履带松紧度，调整行走速度，满足果园凹凸不平路段的行驶需求。实践证明，该枝条粉碎机爬坡能力强，通过性好，适应性强。

针对不同形状的枝条粉碎效率低问题，研究刀片选择技术。该机械实现了分类设置粉碎模式和枝条切断长度，选择粉碎刀片，调节刀盘上刀片的伸缩量。在粉碎刀片切割粉碎过程中，转子产生高速气流随刀片旋转，物料在气流中加速并被反复冲击、切割摩擦，同时受到多种粉碎作用，粉碎高效，整体提高了粉碎效率和合格率，综合优势明显。

4 结语

本文研究的履带式枝条粉碎机具有动力强劲、行走方便、粉碎高效等优点，可有效降低人工处理果园枝条的劳动强度，提高资源利用率，促进产业可持续、高质量发展，经济效益显著。本文研究的履带式枝条粉碎机通过推广示范运用，可以改变过去枝条堆积、焚烧等不合理的处理方式，有效解决果园枝条难处理、资源浪费等问题，保护了生态环境，促进了环境可持续发展，生态效益显著。