液压式香蕉茎秆粉碎机的设计

公 菲，张喜瑞，李 粤，梁 栋

(海南大学 机电工程学院，海口 570228)

0 引言

香蕉产业作为中国南亚热带地区农业的支柱性产业，2015年种植面积达到39.6万hm2，产量932.05万t[1-2]。按照每公顷香蕉可产生750t秸秆计，其产生的秸秆总量达到2 970万t。根据农业部科技教育司《全国农作物秸秆资源调查与评价报告》中统计出秸秆资源利用比例：还田28.62%、废弃及焚烧26.19%、饲料25.70%、燃料15.71%、工业原料1.95%、基料1.83%[2]，废弃所占比例是很高的，造成秸秆资源很大损失。传统农业在采摘完香蕉后多数将秸秆弃在田间，这会引起一系列问题。腐烂在田间的香蕉秸秆会产生大量的细菌，并且会不断地扩散，从而使得香蕉减产，给农民带来巨大的经济损失；也会污染环境，与可持续发展相悖[3-5]。

香蕉秸秆中不仅含有大量的有机质，而且还含有丰富的钙、钾、磷、氮等对土壤有利的微量元素[6]。若将这些秸秆粉碎后再回归到土壤中继续给土壤提供养分，不仅能够改善土壤的结构，而且增加土壤肥力，提供有机质及微量元素，还能够延缓土壤板结及提高土壤的保水能力，从而使得农作物更好的生长，增加农作物的产量。

在国外，美国、日本、英国等国家其秸秆粉碎还田技术已经很先进，而且还田量占秸秆产量的所有有机残余物的68%以上，排在世界前列[7]。在我国，虽然相关的技术也在不断进步，但是秸秆还田机利用率远远不够，仍有大量的秸秆需要靠人工解决或者为省农时直接丢弃在田地。基于“可持续发展”和“以人为本”的理念，应加强秸秆粉碎还田的应用，降低工人的劳动强度，也要避免秸秆处理不当而造成对人体的伤害。

根据以上所述，本文利用液压传动和控制等原理，设计出一种香蕉秸秆粉碎机。香蕉秸秆粉碎机将采用变量泵与定量马达式的容积调速回路，可以改变一些工作部件的速度，从而最大可能地满足不同生产效率及不同长度的香蕉秸秆粉碎要求。本机的使用不仅能够增加农民收入，而且能够提高热带农业综合生产能力。因此，此设计的香蕉秸秆粉碎机会有很大的市场及较高的使用价值。

1 结构和工作原理

1.1 整机结构

液压式香蕉茎秆粉碎机主要包含输送装置、喂入装置、粉碎装置、齿轮传动装置、液压传动装置、行走轮及机壳等装置，如图1所示。

1.2 工作原理

香蕉秸秆通过皮带传送到喂入装置，经喂入装置喂入压辊将香蕉秸秆固定住后，由粉碎刀将其进行粉碎。粉碎完成后，经粉碎刀辊的惯性将粉碎后的物料抛到出口去，落入粉碎刀下面的凹板；喂入装置中的喂入压辊与粉碎装置位于机壳内，粉碎装置的定刀安装在两个喂入压辊后的机壳上，喂入压辊上方的辊子装有一个弹性机构，用来调节两喂入压辊之间的距离，以便适应不同大小的秸秆。

1.输送装置 2.喂入装置 3.粉碎装置 4.机架 5.行走轮 图1 液压式香蕉茎秆粉碎机结构示意图Fig.1 Schematic diagram of hydraulic structure of banana stalk chopper

液压式香蕉秸秆粉碎机使用两个变量泵和两个定量液压马达进行一对一驱动。其中，一个液压马达带动传送带进行香蕉秸秆的传送，将其送到喂入口；另一个液压马达带动粉碎刀轴旋转，从而完成粉碎刀对香蕉秸秆的粉碎。同时，皮带轮与喂入压辊通过齿轮进行传动。本机采用了两个变量泵来驱动和控制两个定量液压马达，依据改变变量泵的输出流量就会以液压马达发生速度的变化原理来进行作业，当想要机器粉碎后的秸秆长度变短时，就可以增加粉碎刀辊的转速，反之亦然。另一方面，要想增加粉碎效率，可同时控制这两个液压马达，进行提速，即可实现。当然速度的变化都是在合理的范围内进行调节，本机调节速度的方法便捷且很容易实现。

2 主要工作部件及参数

2.1 喂入装置

在喂入装置中两喂入压辊将经过皮带传送的香蕉秸秆夹住，随后将其送到粉碎入口。喂入装置位于整个机器的中部，主要由两个对辊以及弹性机构组成，结构如图2所示。

弹性机构设置在上喂入压辊上，当锯齿式喂入压辊将香蕉秸秆抓住时，上喂入压辊可以根据香蕉秸秆的大小通过滑块变更对辊之间的宽度，从而能够将一定限度内不同大小、粗度的香蕉秸秆喂入。锯齿式喂入压辊的作用是防止粉碎香蕉秸秆时产生相对滑动，能够使秸秆速度均匀地喂入粉碎，提高了粉碎质量[8]。

1.锯齿式喂入压辊 2.弹性装置 3.滑块 4.T型支架 图2 喂入装置结构示意图Fig.2 Schematic diagram of feeding device

在喂入对辊的圆周表面上设有7对锯齿条，增大了与香蕉秸秆接触的压强。当对辊转动时，上辊的转动方向与下辊的转动方向相反，上辊从右往左看为逆时针旋转，如图3所示。喂入对辊的设计克服了粉碎香蕉秸秆时滑动的问题，为保证顺利粉碎秸秆提供了保障，是粉碎机的关键部分。

(b) 喂入压辊侧视图 图3 喂入压辊结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the feed roller structure

香蕉秸秆粉碎机喂入压辊辊筒的直径由以下公式[9]进行计算，即

(1)

式中Dmin—压辊滚筒最小直径(mm)；

A—香蕉秸秆喂入压辊前的直径，取值240～360mm；

kn—压延比，取值50%[10]；

P—喂入压辊与香蕉秸秆之间的正压力(N)；

F—秸秆与喂入压辊之间的摩擦力(N)；

Α—摩擦角(°)。

由库仑定理可知，摩擦因数μ=F/P[11]，从而得知，μ=tanα。经过测定得μ=0.7～0.87 ，计算得α=40°～50°，代入式(1)后，得出：Dmin为101～209mm。

考虑到一些因素，压辊辊筒的直径既不能过大也不能过小：如果压辊辊筒直径太小，遇到茎秆细的香蕉秸秆时，不容易将其抓牢固，导致粉碎时不彻底，影响粉碎机的工作；如果压辊辊筒直径过大，虽然能够很好地抓紧香蕉秸秆，但却增加了秸秆粉碎机的能耗。结合上面所说的这两种情况，选取压辊辊筒直径D为130 mm。

两喂入压辊轴线之间的距离亦不能过大或过小，首先应满足基础条件：距离h需保证h

喂入压辊的转速对香蕉秸秆粉碎机的粉碎效果效果有着相当大的影响。香蕉秸秆经传送带送入到喂入压辊之前的速度为输送速度v(m/s)，若喂入压辊转速n过大，会消耗过多的能量；若喂入压辊转速n过小，将导致秸秆向推动压辊方向用力，也会增加能耗。经测定后，若秸秆的输送速度，与喂入压辊的线速度v(m/s)的相对速度相同时，即可满足香蕉秸秆能够稳定的喂入。因此，应该使得喂入压辊线速度与输送速度相同，取v=0.6～0.9m/s[12]。

喂入压辊转速为

(2)

由上面的计算，将确定好的压辊辊筒直径D=130mm,喂入压辊转速v线为0.6～0.9m/s，代入式(2)。经计算，得出喂入压辊的转速n范围为88～132r/min。进行液压调速时可在这一范围进行速度的调节。

2.2 粉碎装置

粉碎装置是本设计香蕉秸秆粉碎机的核心部件，它由粉碎刀轴、粉碎刀辊、弯形粉碎刀以及螺栓组成，如图4所示。粉碎刀辊是由4个环形支架构成，粉碎刀辊上分布着两排粉碎刀座，每个粉碎刀座通过螺栓固定在粉碎刀辊的两支架上，呈相互错开排列，等距离排列18对粉碎刀座。方形粉碎刀片固接在粉碎刀座上。

1.粉碎刀轴 2.粉碎刀辊 3.弯型刀 图4 粉碎装置结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the grinding device

当装置启动时，粉碎刀辊的旋转方向从前往后看为逆时针方向(即与弹性喂入压辊的旋转方向相同)；粉碎完后的香蕉秸秆在粉碎刀的作用力的惯性下抛向物料出口[13]。

粉碎刀片的形状为半圆筒，与常用的直刀型相比，这种刀片粉碎的有效长度大，刀刃要比直刀型更锋利一些，因此粉碎效果会更好。采用的弯型刀片通过螺栓便于拆卸，当刀刃磨损时可进行替换，降低了使用成本。

由于香蕉秸秆的含水率要比其他秸秆要高，对粉碎刀的要求是使用能够抗腐蚀的材料。因此，选用的刀片材料为硬度较高，耐磨的的65Mn钢，通过精密锻压成型等作用，整个刀刃部分焊接经过淬火处理的硬质合金条，并在刀的表面喷焊了层Niwc合金粉末加用来强化整个刀表面的强度[14]。该粉碎装置因为其紧密的工作过程，具有噪音小、振动小、粉碎能力强及粉碎长度可调节等优点。

3 液压传动与调速

液压马达的转速随着输入流量的增大而增大，随着液压马达的排量增大而变小。故针对变量马达来说， 改变液压马达的转速， 一方面可以通过改变马达的排量实现，另一方面可以改变马达的输入流量来实现[15]。

在本文设计的香蕉秸秆粉碎机中采用的调速原理是前者，通过改变马达的排量来改变粉碎装置以及输送装置的速度。图5为香蕉秸秆粉碎机系统原理图。

图5中，单向阀的作用就是限制回路系统中的压力，避免在回路中出现油压过高的情况，若油压过高在回路系统中是非常不安全的。因此，安全阀在液压系统中的作用是非常重要的。在容积调速回路中油液是不断循环的运动，其散热性非常差，很容易发生油液温度过高这一问题。解决这一问题就要在回路中连接一个定量泵，这样回路的油液就可以从溢流阀流回到油箱中[16]，辅助泵是低压小流量即可，这样就可保障系统的安全性。

1.油箱 2、5、8、13. 过滤器 3.辅助泵 4.单向阀 6、15.变量泵 7、14换向阀 9、12 定量马达 10、11、16． 溢流阀 图5 粉碎机液压系统的工作原理图Fig.5 Hydraulic system of the working principle diagram

当香蕉秸秆粉碎机工作时，第一步就是电磁铁1YA和2YA 得电，随后二位三通电磁换向阀在回路中在有电流的流通后发生动作。其中，变量泵与液压定量马达构成液压回路，另一个变量泵与液压马达构成液压回路。液压定量马达带动粉碎装置，另一液压定量马达带动输送喂入装置。在此过程中，若想改变粉碎速度以及输送速度，可以分别通过调节变量泵来作相应的改变。当香蕉秸秆的粉碎工作完成后，要停止香蕉秸秆粉碎机工作时，只要把将电磁铁1YA和 2YA 断电即可结束粉碎机的粉碎工作，本机操作简单方便。

4 结论

1)基于香蕉秸秆含水量高，纤维丰富等特点，设计了一种针对性解决此特点的粉碎刀片，能够将香蕉秸秆粉碎彻底。

2)香蕉秸秆粉碎的喂入对辊装置上带有弹性装置不仅能适应不同大小的香蕉秸秆，而且还能起到在粉碎装置粉碎香蕉秸秆时起到防止滑动的作用。设计的一种弯型刀要比普通的直刀、Y型刀锋利一些，且有效工作长度要长，通过螺栓进行替换，减少成本。

3)通过改变马达排量的方法来改变在一定范围

内喂入速度以及粉碎的速度。

该机的成功研制将提高香蕉秸秆利用率，满足不同农户的需要，提高经济和社会效益。

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