張曉偉，曹海峰，王德明

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院 綏化分院，黑龍江 綏化 152054)

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)大國,每年產(chǎn)生大量玉米秸稈和牛糞資源。據(jù)統(tǒng)計2020年我國玉米種植面積4 126.69億m2，總秸稈量為9億t，牛糞排放量20億t，玉米秸稈和牛糞不能有效處理，致使生態(tài)環(huán)境受到破壞[1]。玉米秸稈和牛糞轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C肥料不僅可以實現(xiàn)廢棄物資源化利用和生態(tài)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，還可提高農(nóng)業(yè)污染的防治水平，改善人居環(huán)境。有機肥生產(chǎn)工藝是近年來發(fā)展起來的一項新技術(shù)，利用在牛糞、秸稈等原料中摻入微生物菌種使其發(fā)酵。有機肥可充分改善土壤物理性質(zhì)、提高土壤有效水含量。有機肥在預(yù)處理過程中通常使用固液分離設(shè)備、粉碎和攪拌設(shè)備[2-3]?，F(xiàn)有有機肥料攪拌機存在物料混合不均勻、易堵料和尾端積料、工作效率低、只能采用一種動力等諸多缺點，因而，急需研制一種新型有機肥料臥式攪拌機。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

TY-5F型有機肥臥式攪拌機主要由機架、電機、減速機、聯(lián)軸器、配電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、主攪龍、料箱、輔助攪龍、動力輸入軸等組成，整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

a 主視圖

1.2 工作原理

作業(yè)時主攪龍將物料向前推送，到達前端后被向上頂起，由上方輔助攪龍向后推送，到達料箱后部時下落，再由主攪龍向前推送，如此反復(fù)，實現(xiàn)前后、上下的縱向強制大循環(huán)，以達到混合攪拌均勻。安裝于料箱下部的兩根主攪龍的直徑與螺距均大于兩根輔助攪龍，四根螺旋攪龍的直徑、螺距、轉(zhuǎn)速各異。該機可實現(xiàn)兩種不同動力的輸入方式，在沒有三相電的情況下可以由拖拉機后輸出軸通過萬向節(jié)進行動力的輸入。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

外形尺寸(長×寬×高)：3 570 mm×1 750 mm×2 080 mm；

配套動力：15 kW；

攪拌倉容積：5 m3；

轉(zhuǎn)速范圍：15～20 r·min-1；

混合均勻度：≥90%；

主攪龍數(shù)量：2個；

輔助攪龍數(shù)量：2個；

整機重量：2 000 kg。

2 主要工作裝置的設(shè)計

2.1 鋸齒葉片螺旋攪拌裝置設(shè)計方案

設(shè)計方案如圖2所示，鋸齒葉片螺旋攪拌裝置包括聯(lián)軸器軸頭、連接花鍵、攪龍主軸軸管、正螺旋攪龍鋸齒葉片、助推加強導(dǎo)流板、弧形扒齒、反螺旋攪龍鋸齒葉片、鋸齒、硬質(zhì)合金刀塊等。攪龍主軸軸管外表面左端焊接正螺旋攪龍鋸齒葉片，右端焊接反螺旋攪龍鋸齒葉片；正螺旋攪龍鋸齒葉片與反螺旋攪龍鋸齒葉片設(shè)有交替排列的鋸齒，鋸齒上設(shè)有硬質(zhì)合金刀塊；助推加強導(dǎo)流板螺接在正螺旋攪龍鋸齒葉片與反螺旋攪龍鋸齒葉片背側(cè)；攪龍主軸軸管中心位置設(shè)有弧形扒齒，弧形扒齒沿軸管外緣呈60°交錯螺旋排列，攪龍主軸軸管兩端設(shè)有連接花鍵，聯(lián)軸器軸頭與連接花鍵連接。

1.聯(lián)軸器軸頭；2.連接花鍵；3.攪龍主軸軸管；4.正螺旋攪龍鋸齒葉片；5.助推加強導(dǎo)流板；6.弧形扒齒；7.反螺旋攪龍鋸齒葉片；8.硬質(zhì)合金刀塊；9.鋸齒

該攪拌軸裝置安裝于攪拌機料箱下部，可單個使用，也可成對使用，成對使用時兩個攪拌軸旋向相反，工作時物料在攪拌軸的作用下由兩端向中間輸送，在正螺旋攪龍鋸齒葉片和反螺旋攪龍鋸齒葉片間形成擠壓、翻轉(zhuǎn)、對流、擴散、撕扯、揉搓等運動，助推加強導(dǎo)流板在磨損的情況下可隨時更換，在出料口處設(shè)有兩組弧形扒齒，能提高攪拌機的抗堵料能力，滿足防積料性能要求。使用該裝置可使攪拌過程中物料攪拌均勻、不堵料積料，揉搓效果好，該裝置實用性好、結(jié)構(gòu)簡單、攪拌效率高。

2.2 鋸齒葉片螺旋攪拌裝置主要參數(shù)確定

2.2.1 螺旋葉片直徑

螺旋葉片直徑根據(jù)攪拌機生產(chǎn)能力、攪拌物料類型、結(jié)構(gòu)和布置形式等確定為

(1)

式中D0—螺旋葉片直徑，m；

K—物料綜合系數(shù)，取值0.045；

Q—輸送能力，t·h-1，該設(shè)備為2 t·h-1；

C—傾角系數(shù)，取值1；

λ—物料的單位容積質(zhì)量，t·m-3，同物料的種類、濕度、切料的長度及凈化方式、效果等多種因素有關(guān)，取值1.1 t·m-3；

Ψ—顆粒的填充度，取值0.35。

代入計算求得D0≥0.2 m。結(jié)合實際工作情況，取D0=0.3 m,攪龍總長定為2 500 mm[4-5]。

2.2.2 螺距

螺距不僅決定螺旋升角，還決定物料運行的滑移面，螺距的大小直接影響攪拌均勻度，通常按下式計算

P=K1D0

(2)

式中P—螺距，m。

物料秸稈與牛糞流動性能較差，取K1為0.8，則P=240 mm[6]。

2.3 鋸齒葉片螺旋攪拌裝置三維建模及有限元分析

鋸齒葉片螺旋攪拌裝置三維實體模型如圖3所示。

圖3 鋸齒葉片螺旋攪拌裝置三維實體模型

借助CATIA強大的實體建模功能，將圖2所示裝置零件按其設(shè)計參數(shù)應(yīng)用草圖繪制工具、特征工具等建立三維模型；零件建模完成后，采用自下而上的設(shè)計方法建立裝配體，先將聯(lián)軸器軸頭插入攪龍主軸軸管焊合，將其固定，再將正螺旋攪龍鋸齒葉片、反螺旋攪龍鋸齒葉片、弧形扒齒分別與攪龍主軸軸管進行配合約束，最終，通過各零件之間相互配合關(guān)系生成裝置的三維建模，完成裝配。

攪龍作為攪拌機的關(guān)鍵部件，起著混合與揉搓破碎的重要作用，其性能也影響著攪拌機的工作效率，將CATIA軟件建立的三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件對攪拌機主攪龍進行靜力學(xué)分析，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化做基礎(chǔ)。主攪龍長2 500 mm，葉片直徑300 mm，螺距240 mm，轉(zhuǎn)速18 r·min-1，材料45號鋼，彈性模量200 GPa，泊松比0.269，密度7.89×103kg·m-3。

選用自由網(wǎng)格劃分法對主攪龍進行劃分，設(shè)定網(wǎng)格尺寸EIement Size=10 mm，最終網(wǎng)格劃分節(jié)點總數(shù)302 819個，單元總數(shù)186 500個[7]。在主攪龍兩端施加圓周方向上的約束，并在主軸與葉片徑向施加重力載荷25 000 N,分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 主攪龍應(yīng)力應(yīng)變云圖

由分析結(jié)果可以看出：主攪龍在軸體和葉片連接處及葉片外緣受力最大，最大應(yīng)力為2.192 1 MPa，最大變形量為0.463 48 mm，參考材料特性，主攪龍強度滿足設(shè)計要求，設(shè)計合理、安全。

3 性能試驗

3.1 方法和儀器

為驗證TY-5F型有機肥臥式攪拌機的實際作業(yè)性能，于2021年7月在黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院綏化分院試驗基地進行了性能試驗，牛糞為普通黃牛的牛糞，對秸稈進行粉碎處理，測得秸稈長度為10～35 mm，含水量為15%左右，牛糞含水量為60%左右，參照國家標(biāo)準(zhǔn)JB/T 11438-021測試攪拌機主要性能參數(shù)，包括生產(chǎn)率、功耗、混合均勻度、秸稈揉搓破碎長度。生產(chǎn)率為單位時間內(nèi)被混合、揉搓破碎的物料質(zhì)量，功耗為工作時間內(nèi)的耗電量。使用的儀器有YK4P-31三相功率表、PC2810電子秒表(0.01 s)、高精度電子天平(0.000 1 g)、游標(biāo)卡尺(0.02 mm)等[8]。

3.2 試驗過程與結(jié)果分析

隨機截取5個樣本做含水率試樣，樣機開始進行空運轉(zhuǎn)試驗，直到空載功率趨于穩(wěn)定后開始攪拌試驗。每次試驗為30 min，試驗結(jié)果如表1所示。

由表1可知：樣機單位時間工作生產(chǎn)率可穩(wěn)定保持在5 120 kg·h-1以上，功耗為13.5 kw·h-1，混合均勻度在92.5%以上，秸稈揉搓破碎長度在8.5 mm以下。試驗結(jié)果表明：樣機的性能基本滿足設(shè)計要求，可實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運行。

表1 試驗結(jié)果

4 結(jié)論

將玉米秸稈和牛糞資源化利用 制成有機肥料，有利于降低農(nóng)業(yè)污染、實現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)、改善人居環(huán)境。現(xiàn)階段，因缺少穩(wěn)定適用的攪拌設(shè)備制約了玉米秸稈和牛糞的資源化利用，針對攪拌物料的理化性質(zhì)和產(chǎn)業(yè)需求，研制了一種新型有機肥料臥式攪拌機，經(jīng)實驗得出如下結(jié)論：

1)設(shè)計了一種TY-5F型有機肥臥式攪拌機，通過鋸齒葉片螺旋攪拌裝置實現(xiàn)物料充分混合、提高了物料揉搓破碎效果。

2)運用CATIA軟件進行三維建模，運用ANSYS軟件對主攪龍軸及攪拌葉片進行了靜力學(xué)分析。靜力學(xué)分析表明：主攪龍在軸體和葉片連接處及葉片外緣受力最大，最大應(yīng)力為2.192 1 MPa，最大變形量為0.463 48 mm，參考材料特性，主攪龍強度滿足設(shè)計要求。

3)試驗結(jié)果表明，攪拌機工作生產(chǎn)率為5 200 kg·h-1,功耗為13.83 kW·h-1,混合均勻度為93.97%，秸稈揉搓破碎長度8.1 mm，可實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運行，性能滿足設(shè)計要求。