公 菲，張喜瑞，李 粵，梁 棟

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海口 570228)

0 引言

香蕉產(chǎn)業(yè)作為中國(guó)南亞熱帶地區(qū)農(nóng)業(yè)的支柱性產(chǎn)業(yè)，2015年種植面積達(dá)到39.6萬(wàn)hm2，產(chǎn)量932.05萬(wàn)t[1-2]。按照每公頃香蕉可產(chǎn)生750t秸稈計(jì)，其產(chǎn)生的秸稈總量達(dá)到2 970萬(wàn)t。根據(jù)農(nóng)業(yè)部科技教育司《全國(guó)農(nóng)作物秸稈資源調(diào)查與評(píng)價(jià)報(bào)告》中統(tǒng)計(jì)出秸稈資源利用比例：還田28.62%、廢棄及焚燒26.19%、飼料25.70%、燃料15.71%、工業(yè)原料1.95%、基料1.83%[2]，廢棄所占比例是很高的，造成秸稈資源很大損失。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在采摘完香蕉后多數(shù)將秸稈棄在田間，這會(huì)引起一系列問(wèn)題。腐爛在田間的香蕉秸稈會(huì)產(chǎn)生大量的細(xì)菌，并且會(huì)不斷地?cái)U(kuò)散，從而使得香蕉減產(chǎn)，給農(nóng)民帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失；也會(huì)污染環(huán)境，與可持續(xù)發(fā)展相悖[3-5]。

香蕉秸稈中不僅含有大量的有機(jī)質(zhì)，而且還含有豐富的鈣、鉀、磷、氮等對(duì)土壤有利的微量元素[6]。若將這些秸稈粉碎后再回歸到土壤中繼續(xù)給土壤提供養(yǎng)分，不僅能夠改善土壤的結(jié)構(gòu)，而且增加土壤肥力，提供有機(jī)質(zhì)及微量元素，還能夠延緩?fù)寥腊褰Y(jié)及提高土壤的保水能力，從而使得農(nóng)作物更好的生長(zhǎng)，增加農(nóng)作物的產(chǎn)量。

在國(guó)外，美國(guó)、日本、英國(guó)等國(guó)家其秸稈粉碎還田技術(shù)已經(jīng)很先進(jìn)，而且還田量占秸稈產(chǎn)量的所有有機(jī)殘余物的68%以上，排在世界前列[7]。在我國(guó)，雖然相關(guān)的技術(shù)也在不斷進(jìn)步，但是秸稈還田機(jī)利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，仍有大量的秸稈需要靠人工解決或者為省農(nóng)時(shí)直接丟棄在田地?；凇翱沙掷m(xù)發(fā)展”和“以人為本”的理念，應(yīng)加強(qiáng)秸稈粉碎還田的應(yīng)用，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也要避免秸稈處理不當(dāng)而造成對(duì)人體的傷害。

根據(jù)以上所述，本文利用液壓傳動(dòng)和控制等原理，設(shè)計(jì)出一種香蕉秸稈粉碎機(jī)。香蕉秸稈粉碎機(jī)將采用變量泵與定量馬達(dá)式的容積調(diào)速回路，可以改變一些工作部件的速度，從而最大可能地滿足不同生產(chǎn)效率及不同長(zhǎng)度的香蕉秸稈粉碎要求。本機(jī)的使用不僅能夠增加農(nóng)民收入，而且能夠提高熱帶農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力。因此，此設(shè)計(jì)的香蕉秸稈粉碎機(jī)會(huì)有很大的市場(chǎng)及較高的使用價(jià)值。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

液壓式香蕉莖稈粉碎機(jī)主要包含輸送裝置、喂入裝置、粉碎裝置、齒輪傳動(dòng)裝置、液壓傳動(dòng)裝置、行走輪及機(jī)殼等裝置，如圖1所示。

1.2 工作原理

香蕉秸稈通過(guò)皮帶傳送到喂入裝置，經(jīng)喂入裝置喂入壓輥將香蕉秸稈固定住后，由粉碎刀將其進(jìn)行粉碎。粉碎完成后，經(jīng)粉碎刀輥的慣性將粉碎后的物料拋到出口去，落入粉碎刀下面的凹板；喂入裝置中的喂入壓輥與粉碎裝置位于機(jī)殼內(nèi)，粉碎裝置的定刀安裝在兩個(gè)喂入壓輥后的機(jī)殼上，喂入壓輥上方的輥?zhàn)友b有一個(gè)彈性機(jī)構(gòu)，用來(lái)調(diào)節(jié)兩喂入壓輥之間的距離，以便適應(yīng)不同大小的秸稈。

1.輸送裝置 2.喂入裝置 3.粉碎裝置 4.機(jī)架 5.行走輪 圖1 液壓式香蕉莖稈粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hydraulic structure of banana stalk chopper

液壓式香蕉秸稈粉碎機(jī)使用兩個(gè)變量泵和兩個(gè)定量液壓馬達(dá)進(jìn)行一對(duì)一驅(qū)動(dòng)。其中，一個(gè)液壓馬達(dá)帶動(dòng)傳送帶進(jìn)行香蕉秸稈的傳送，將其送到喂入口；另一個(gè)液壓馬達(dá)帶動(dòng)粉碎刀軸旋轉(zhuǎn)，從而完成粉碎刀對(duì)香蕉秸稈的粉碎。同時(shí)，皮帶輪與喂入壓輥通過(guò)齒輪進(jìn)行傳動(dòng)。本機(jī)采用了兩個(gè)變量泵來(lái)驅(qū)動(dòng)和控制兩個(gè)定量液壓馬達(dá)，依據(jù)改變變量泵的輸出流量就會(huì)以液壓馬達(dá)發(fā)生速度的變化原理來(lái)進(jìn)行作業(yè)，當(dāng)想要機(jī)器粉碎后的秸稈長(zhǎng)度變短時(shí)，就可以增加粉碎刀輥的轉(zhuǎn)速，反之亦然。另一方面，要想增加粉碎效率，可同時(shí)控制這兩個(gè)液壓馬達(dá)，進(jìn)行提速，即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然速度的變化都是在合理的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，本機(jī)調(diào)節(jié)速度的方法便捷且很容易實(shí)現(xiàn)。

2 主要工作部件及參數(shù)

2.1 喂入裝置

在喂入裝置中兩喂入壓輥將經(jīng)過(guò)皮帶傳送的香蕉秸稈夾住，隨后將其送到粉碎入口。喂入裝置位于整個(gè)機(jī)器的中部，主要由兩個(gè)對(duì)輥以及彈性機(jī)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

彈性機(jī)構(gòu)設(shè)置在上喂入壓輥上，當(dāng)鋸齒式喂入壓輥將香蕉秸稈抓住時(shí)，上喂入壓輥可以根據(jù)香蕉秸稈的大小通過(guò)滑塊變更對(duì)輥之間的寬度，從而能夠?qū)⒁欢ㄏ薅葍?nèi)不同大小、粗度的香蕉秸稈喂入。鋸齒式喂入壓輥的作用是防止粉碎香蕉秸稈時(shí)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，能夠使秸稈速度均勻地喂入粉碎，提高了粉碎質(zhì)量[8]。

1.鋸齒式喂入壓輥 2.彈性裝置 3.滑塊 4.T型支架 圖2 喂入裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of feeding device

在喂入對(duì)輥的圓周表面上設(shè)有7對(duì)鋸齒條，增大了與香蕉秸稈接觸的壓強(qiáng)。當(dāng)對(duì)輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上輥的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與下輥的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，上輥從右往左看為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，如圖3所示。喂入對(duì)輥的設(shè)計(jì)克服了粉碎香蕉秸稈時(shí)滑動(dòng)的問(wèn)題，為保證順利粉碎秸稈提供了保障，是粉碎機(jī)的關(guān)鍵部分。

(b) 喂入壓輥側(cè)視圖 圖3 喂入壓輥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the feed roller structure

香蕉秸稈粉碎機(jī)喂入壓輥輥筒的直徑由以下公式[9]進(jìn)行計(jì)算，即

(1)

式中Dmin—壓輥滾筒最小直徑(mm)；

A—香蕉秸稈喂入壓輥前的直徑，取值240～360mm；

kn—壓延比，取值50%[10]；

P—喂入壓輥與香蕉秸稈之間的正壓力(N)；

F—秸稈與喂入壓輥之間的摩擦力(N)；

Α—摩擦角(°)。

由庫(kù)侖定理可知，摩擦因數(shù)μ=F/P[11]，從而得知，μ=tanα。經(jīng)過(guò)測(cè)定得μ=0.7～0.87 ，計(jì)算得α=40°～50°，代入式(1)后，得出：Dmin為101～209mm。

考慮到一些因素，壓輥輥筒的直徑既不能過(guò)大也不能過(guò)?。喝绻麎狠佪佂仓睆教。龅角o稈細(xì)的香蕉秸稈時(shí)，不容易將其抓牢固，導(dǎo)致粉碎時(shí)不徹底，影響粉碎機(jī)的工作；如果壓輥輥筒直徑過(guò)大，雖然能夠很好地抓緊香蕉秸稈，但卻增加了秸稈粉碎機(jī)的能耗。結(jié)合上面所說(shuō)的這兩種情況，選取壓輥輥筒直徑D為130 mm。

兩喂入壓輥軸線之間的距離亦不能過(guò)大或過(guò)小，首先應(yīng)滿足基礎(chǔ)條件：距離h需保證h

喂入壓輥的轉(zhuǎn)速對(duì)香蕉秸稈粉碎機(jī)的粉碎效果效果有著相當(dāng)大的影響。香蕉秸稈經(jīng)傳送帶送入到喂入壓輥之前的速度為輸送速度v(m/s)，若喂入壓輥轉(zhuǎn)速n過(guò)大，會(huì)消耗過(guò)多的能量；若喂入壓輥轉(zhuǎn)速n過(guò)小，將導(dǎo)致秸稈向推動(dòng)壓輥方向用力，也會(huì)增加能耗。經(jīng)測(cè)定后，若秸稈的輸送速度，與喂入壓輥的線速度v(m/s)的相對(duì)速度相同時(shí)，即可滿足香蕉秸稈能夠穩(wěn)定的喂入。因此，應(yīng)該使得喂入壓輥線速度與輸送速度相同，取v=0.6～0.9m/s[12]。

喂入壓輥轉(zhuǎn)速為

(2)

由上面的計(jì)算，將確定好的壓輥輥筒直徑D=130mm,喂入壓輥轉(zhuǎn)速v線為0.6～0.9m/s，代入式(2)。經(jīng)計(jì)算，得出喂入壓輥的轉(zhuǎn)速n范圍為88～132r/min。進(jìn)行液壓調(diào)速時(shí)可在這一范圍進(jìn)行速度的調(diào)節(jié)。

2.2 粉碎裝置

粉碎裝置是本設(shè)計(jì)香蕉秸稈粉碎機(jī)的核心部件，它由粉碎刀軸、粉碎刀輥、彎形粉碎刀以及螺栓組成，如圖4所示。粉碎刀輥是由4個(gè)環(huán)形支架構(gòu)成，粉碎刀輥上分布著兩排粉碎刀座，每個(gè)粉碎刀座通過(guò)螺栓固定在粉碎刀輥的兩支架上，呈相互錯(cuò)開(kāi)排列，等距離排列18對(duì)粉碎刀座。方形粉碎刀片固接在粉碎刀座上。

1.粉碎刀軸 2.粉碎刀輥 3.彎型刀 圖4 粉碎裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the grinding device

當(dāng)裝置啟動(dòng)時(shí)，粉碎刀輥的旋轉(zhuǎn)方向從前往后看為逆時(shí)針?lè)较?即與彈性喂入壓輥的旋轉(zhuǎn)方向相同)；粉碎完后的香蕉秸稈在粉碎刀的作用力的慣性下拋向物料出口[13]。

粉碎刀片的形狀為半圓筒，與常用的直刀型相比，這種刀片粉碎的有效長(zhǎng)度大，刀刃要比直刀型更鋒利一些，因此粉碎效果會(huì)更好。采用的彎型刀片通過(guò)螺栓便于拆卸，當(dāng)?shù)度心p時(shí)可進(jìn)行替換，降低了使用成本。

由于香蕉秸稈的含水率要比其他秸稈要高，對(duì)粉碎刀的要求是使用能夠抗腐蝕的材料。因此，選用的刀片材料為硬度較高，耐磨的的65Mn鋼，通過(guò)精密鍛壓成型等作用，整個(gè)刀刃部分焊接經(jīng)過(guò)淬火處理的硬質(zhì)合金條，并在刀的表面噴焊了層Niwc合金粉末加用來(lái)強(qiáng)化整個(gè)刀表面的強(qiáng)度[14]。該粉碎裝置因?yàn)槠渚o密的工作過(guò)程，具有噪音小、振動(dòng)小、粉碎能力強(qiáng)及粉碎長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。

3 液壓傳動(dòng)與調(diào)速

液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速隨著輸入流量的增大而增大，隨著液壓馬達(dá)的排量增大而變小。故針對(duì)變量馬達(dá)來(lái)說(shuō)， 改變液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速， 一方面可以通過(guò)改變馬達(dá)的排量實(shí)現(xiàn)，另一方面可以改變馬達(dá)的輸入流量來(lái)實(shí)現(xiàn)[15]。

在本文設(shè)計(jì)的香蕉秸稈粉碎機(jī)中采用的調(diào)速原理是前者，通過(guò)改變馬達(dá)的排量來(lái)改變粉碎裝置以及輸送裝置的速度。圖5為香蕉秸稈粉碎機(jī)系統(tǒng)原理圖。

圖5中，單向閥的作用就是限制回路系統(tǒng)中的壓力，避免在回路中出現(xiàn)油壓過(guò)高的情況，若油壓過(guò)高在回路系統(tǒng)中是非常不安全的。因此，安全閥在液壓系統(tǒng)中的作用是非常重要的。在容積調(diào)速回路中油液是不斷循環(huán)的運(yùn)動(dòng)，其散熱性非常差，很容易發(fā)生油液溫度過(guò)高這一問(wèn)題。解決這一問(wèn)題就要在回路中連接一個(gè)定量泵，這樣回路的油液就可以從溢流閥流回到油箱中[16]，輔助泵是低壓小流量即可，這樣就可保障系統(tǒng)的安全性。

1.油箱 2、5、8、13. 過(guò)濾器 3.輔助泵 4.單向閥 6、15.變量泵 7、14換向閥 9、12 定量馬達(dá) 10、11、16． 溢流閥 圖5 粉碎機(jī)液壓系統(tǒng)的工作原理圖Fig.5 Hydraulic system of the working principle diagram

當(dāng)香蕉秸稈粉碎機(jī)工作時(shí)，第一步就是電磁鐵1YA和2YA 得電，隨后二位三通電磁換向閥在回路中在有電流的流通后發(fā)生動(dòng)作。其中，變量泵與液壓定量馬達(dá)構(gòu)成液壓回路，另一個(gè)變量泵與液壓馬達(dá)構(gòu)成液壓回路。液壓定量馬達(dá)帶動(dòng)粉碎裝置，另一液壓定量馬達(dá)帶動(dòng)輸送喂入裝置。在此過(guò)程中，若想改變粉碎速度以及輸送速度，可以分別通過(guò)調(diào)節(jié)變量泵來(lái)作相應(yīng)的改變。當(dāng)香蕉秸稈的粉碎工作完成后，要停止香蕉秸稈粉碎機(jī)工作時(shí)，只要把將電磁鐵1YA和 2YA 斷電即可結(jié)束粉碎機(jī)的粉碎工作，本機(jī)操作簡(jiǎn)單方便。

4 結(jié)論

1)基于香蕉秸稈含水量高，纖維豐富等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)性解決此特點(diǎn)的粉碎刀片，能夠?qū)⑾憬督斩挿鬯閺氐住?/p>

2)香蕉秸稈粉碎的喂入對(duì)輥裝置上帶有彈性裝置不僅能適應(yīng)不同大小的香蕉秸稈，而且還能起到在粉碎裝置粉碎香蕉秸稈時(shí)起到防止滑動(dòng)的作用。設(shè)計(jì)的一種彎型刀要比普通的直刀、Y型刀鋒利一些，且有效工作長(zhǎng)度要長(zhǎng)，通過(guò)螺栓進(jìn)行替換，減少成本。

3)通過(guò)改變馬達(dá)排量的方法來(lái)改變?cè)谝欢ǚ秶?/p>

內(nèi)喂入速度以及粉碎的速度。

該機(jī)的成功研制將提高香蕉秸稈利用率，滿足不同農(nóng)戶的需要，提高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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