[转帖]玉米青贮机滚筒式切碎装置的设计

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文章来源：饲料工业

目前，自走式青饲料收割机在农业生产中应用较少，但简易的牵引式收割机和粉碎机却较多。青饲机的切碎性能主要取决于切碎器。切碎器不外乎滚筒式、盘刀式和销钉式3种类型。盘刀式切碎器传动复杂，结构不紧凑，圆盘刚度较差，且挤推角变化不理想，造成切割不均，刀刃磨损不匀，切割质量变坏。销钉式切碎器性能受秸秆湿度影响很大，湿度提高时，能量比耗直线增加，生产率也急剧下降。因此盘刀式和销钉式切碎器应用渐少。
滚刀式切碎器结构紧凑，滚筒上可安装较多的切刀，滚筒在较低转速时，仍可获得较短的切碎段。滚筒上的动刀速度一致，切碎质量较好。滚刀式切碎器还具有安装方便、易于刃磨等优点，因此，滚刀式切碎器被广泛应用。
滚筒式切碎器主要有螺旋刃口滚筒式和直刃斜装滚筒式之分。直刃斜装滚筒式虽然制造简单，但是功耗较大且系统振动较大，现已很少使用。螺旋式具有工作负荷均匀、切碎质量好、机器振动小的特点。它缺点是刀片的制造精度高，磨刃和间隙调整较麻烦，不宜保证切割质量，故其使用也受到一定程度限制。为了克服上述缺点，我们在设计中选用了椭圆刃口平板刀滚筒式切碎器。对比而言，平板刀滚筒式切碎器的抛送能力较强，但是仍不理想，需要配置专门的抛送装置。为了进一步提高滚筒式铡草机的工作质量，我们研制了一种新型滚筒式铡草机，对其结构设计、动定刀的配置关系、抛送装置、超负荷安全保护装置等进行了试验研究，以下对设计中的几个技术问题及试验结果进行分析。

1 滚筒式切碎装置的常规技术要求及总体结构、性能指标：
1.1 不推挤滑出饲草以保证切割
为此应该保证X≤Φ1+Φ2
式中：X——推挤角即动刀刃与定刀刃的夹角；
Φ1——动刀对饲草的摩擦角；
Φ2——定刀对饲草的摩擦角。
切割过程中X是变化的，故要求其最大挤推角X满足上式条件。通常Φ1=32°，Φ2=18°，故X一般小于50°。
1.2 切割饲草时主要是滑切，以降低功耗
试验表明，滑切比砍切省力。主要有2方面原因：
①微观状态下刀刃为锯齿状，砍切时饲草仅受压应力，滑切同时受压应力与张应力，而饲草的破碎张应力小于压碎应力。
②滑切时刀刃斜置，故单位长度刃口的切割阻力减小了。从节约功耗的角度来说，选取滑切角18～55°较为有利。
1.3 切割阻力矩均匀
在切碎器每转2π转角的切割过程中，要求切割阻力矩尽可能均匀，以减轻飞轮重量，使工作平稳。如果机器部件刚度差，当阻力矩不均匀时，巨大冲击力将使切割副及其固定部件产生弹性变形，改变了静止状态时调整好的刀片间隙，使碎段长草增多，影响切割质量。
1.4 总体方案与性能指标
该机由喂入装置、切碎动刀滚筒、定刀、上挡板、下壳板、抛送装置等组成见图1。


切碎滚筒安装4把椭圆刃口平板刀进行切碎作业；喂入装置为棘齿式喂入辊，左喂入辊为浮动式，右喂入辊传动轴上安装有牙嵌式安全离合器，超负荷时离合器自动打滑切断喂入辊的动力传递。

2 滚筒的设计和选定
2.1 椭圆刃口平板刀的形成和设计
平板刀的刃口曲线是椭圆曲线的一部分，其结构见图2。图中一平面与圆柱轴线成一定角度倾斜相截时形成的曲线就是椭圆刃口曲线。

平板刀刀刃AB的运动轨迹为圆柱面，刃口曲线是圆柱被平面所切的椭圆曲线的一段，其结构参数如图2所示。从图中可得到所切椭圆曲线的方程为：

平板刀结构参数间的关系可用下式表示：
Ztgα=RsinΦ
式中：Z——刀刃上A点的坐标值；
α——倾斜角，平板刀刀面所在平面与滚筒中心线的夹角；
R——切碎滚筒刀刃轨迹半径；
Φ——平板刀刀刃上A点的前安装前倾角。

2.2 滚筒参数的确定
滚筒直径选定为 220mm，长度待定。转速为2 100r/min。当z取不同值时，平板刀刀刃有不同的曲线段，其切碎性能、抛送性能、功率消耗各有不同，经大量试验表明，当z取2 645mm时切碎性能最好，同时滚筒运转平稳，功率消耗也较小。Hq为52mm，Hh为80mm，则有截平面的倾斜角α=arctan(Hq-Hh)/L。
从理论分析中我们可知：平板刀的安装前倾角Φ是个变值，从A点到B点，Φ值逐渐变大。试验表明，Φ角越大，其切碎性能越好，但抛送性能越差。由于我们在滚筒后加装抛送装置，因此在设计中，Φ角的选取应在保证可靠抛送切碎物的前提下，尽量大一些。
当用沿滚筒纵长方向移动的磨石磨锐刀刃时，可获得弧形刃口，这样的刀刃线回转起来是一个圆柱面。因此，平板刀式滚筒切碎器在动刀是平板刀，定刀是平板直刃刀的情况下，定刀安装位置正常而不倾斜，这样可获得一定的滑切角（此处也即挤推角），平板刀的滑切角也是一个变值，α角（由图2可知，α角为倾斜角及截面上刀刃曲线与滚筒轴线或者素线之间的夹角，倾斜角与滚筒长度或直径有关）越大滑切角越大，由于受平板刀切碎滚筒的结构限制倾斜角不可能取得过大，一般取倾斜角4～7°，通过试验，我们取5°，以满足刀片的滑切性能。　　
2.3 切刀的加工要求及在滚筒上的分布
切刀要求用T9碳素工具钢或者Mn65钢制造，也可以用B2钢在刃口部位镶嵌Mn65钢制成，刃口部位要淬火和回火，淬火带宽为20～30mm，硬度为HRC58～65，非淬火带硬度不大于HRC38,刀口部位要磨锐，其宽度不大于0.2mm,刃角为16～26°。
2.4 定刀配置高度
铡草机工作时，物料由喂入辊压缩并夹持送入切碎滚筒，物料压缩后的厚度与生产率和物料的品种有关。压缩后的物料有一中间面，从理论分析，若滚筒轴中心的安装面刚好与物料的中间面重合，则中间面以上的物料切割时将首先被动刀向外推送，处于中间面的物料被动刀直接切割，而中间面以下的物料被动刀向内拉送，推拉物料的情况均等，切草平均长度较均匀。基于以上分析，定刀刃的位置高于物料的中心面时动刀对物料的推送作用大于拉送作用，定刀刃的位置低于物料的中心面线时动刀对物料的拉送作用大于推送作用，这两种情况都会引起超长率和剪切功率上升。滚筒式铡草机的喂入口的配置尺寸关系见图4。

滚刀式切碎器喂草口要求切刀在切割草层时，不阻碍草层喂入，为了满足该要求，必须使滚刀轴的旋转中心O高于固定底刀，此高度h可由下式求得：
h1=h+R(Vy/Vu)（m）
式中：h——草层厚度（m）；
R——滚刀筒半径（m）；
Vy——切刀刃口处圆周速度（m/s）；
Vu——草层喂送速度（m/s）。
由于影响超长率的因素很多，难于用纯理论分析方法解决定刀配置高度，因此我们进行了对比试验。定刀刃位于滚筒中心线以下为20mm、30mm、40mm和50mm4种情况，切碎秸秆的生产率为1.2t/h，试验结果表明，在以上情况下，定刀的最佳配置高度应为20mm，此时的功率消耗低，综合性能最好。

3 摘穗辊的设计
摘穗装置是玉米前割台的核心，直接影响整机的各项摘穗指标，如籽粒破碎率、籽粒损失率等。摘穗是在玉米果穗下垂状态下完成的，摘下的果穗很快完成了与摘穗辊的分离，减少了与摘穗辊的接触，减少了摩擦。因此降低了摘穗辊对籽粒的碾压，大大降低了籽粒的破碎率和损失率。为了增强拉茎摘穗能力在摘穗辊后面设有拉茎辊，能在拉茎的同时将茎秆强制喂入滚刀切碎，使摘穗辊与滚刀间茎秆输送通畅，不堵塞；其次，摘穗辊、拉茎辊对茎秆还起碾压作用，茎秆及茎节被碾压后对破碎和提高饲料品质起很好的作用。
摘穗辊表面应有足够的抓取能力，但又不致增加掉粒损失。摘穗辊表面的形状是影响抓取能力的主要因素。立式摘穗装置分为上中下3段的摘穗辊、挡禾板、传动箱、偏心套、夹持喂入链主动链轮等组成，摘穗辊两轴线所在平面与垂直面成前倾约25°的夹角，割下的玉米植株由夹持喂入装置送来，在弧形挡禾板的作用下，喂入摘穗辊时，茎秆与摘穗辊轴线成40～50°的夹角。两摘穗辊间的间隙由偏心套调整。由于摘穗辊的提升作用，摘穗后的植株基本与摘穗成垂直角度向后输送进切碎滚筒切碎。
立式摘穗辊分为3段，上段沿摘穗辊表面轴线方向设有突棱，中段设有螺旋线突棱，下段为直径较小的光辊。玉米茎秆由切割器切断以后被输送夹持链输送至摘穗辊，根部先进入摘穗辊下段，再进入拉茎辊，由于摘穗辊中部设有螺旋线突棱，有利于茎秆进入摘穗辊，随着摘穗辊的旋转茎秆以速度V1沿着轴线上升，同时又以一个速度V2向后输送，当达到最上段时，摘穗辊仅靠中段对茎秆推挤和惯性作用力向上移动，并向后输送。

拉茎辊的作用是增加对茎秆的拉引力和对切碎装置的喂入，结构为六棱形，长度等于摘穗辊的总长度，并在拉茎的同时对茎秆起挤压破碎作用。

4 抛送装置的设计
物料经滚筒切碎后，一般由抛送装置抛出，滚筒式铡草机常用的抛送装置有2种型式，一种是在滚筒上安装抛送叶片，滚筒在切碎物料的同时将被切碎物料抛出，该方式使滚筒结构复杂，为了保证物料的抛送距高，要求滚筒转速较高，功率消耗大。另一种方式是在滚筒轴的一侧串联一个风机，切碎的物料由滚筒下方滑至风机后由风扇叶片抛出，为了保证物料的抛送距离，风机直径较大。
本设计在滚筒的后下方直接配置抛送风机，风机为四叶片高心式，为了保证物料的抛送距高，由滚筒轴经皮带传动并使风机升速使切碎的物料直接抛送到机器的后方。该配置方式工艺流畅，传动简便，整机功耗小。
本设计的风机叶轮直径为240mm，风机与滚筒等宽，风机转速1 076r/min，风机叶片线速度为135m/s，物料抛送距高达18m。满足了青贮机的使用要求。

5 切碎装置的技术规格及性能测试
　　滚筒式切碎装置的技术规格见表1。

样机试制完成后，经过在泰安北郊、东郊的试验表明，该装置具有切碎性能优良（物料切口整齐、长短均匀，超长率＜7％，破节率＞55％，斜茬率＜5％），切割阻力矩均匀，抛送性能强（物料成束抛出，没有中间落料），整机振动小等优点。机上备有磨刀机构和定刀调节机构，磨刃时，无需将动刀片卸下，令切碎器滚筒反转即可，使刀片刃磨方便。