丁龍朋，雷世博，王寒磊，徐健康，李景彬

（石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院/現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械兵團重點實驗室，新疆 石河子 832003）

我國是紅棗原產(chǎn)國和主產(chǎn)國。新疆憑借得天獨厚的自然條件成為紅棗重要產(chǎn)區(qū)，2020年新疆紅棗種植面積41.35萬hm2、產(chǎn)量為381.24萬t[1]。修剪能有效提高紅棗品質(zhì)、產(chǎn)量和減少病蟲害，但每年都要產(chǎn)生大量的果園廢棄枝條[2-3]，焚燒處理這些廢棄枝條會產(chǎn)生大量有害氣體污染農(nóng)業(yè)環(huán)境，地頭溝渠堆積處理易加劇土地資源浪費并引發(fā)火災(zāi)風(fēng)險[4]，粉碎制粒因投入成本過大、枝條運輸困難等問題暫時難以推廣。果樹枝條粉碎還田可以變肥為寶，增加土壤有機質(zhì)含量，提高果品品質(zhì)，降低生產(chǎn)成本，經(jīng)濟效益顯著[5-6]。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對枝條粉碎裝置進行了大量研究。LI N等[7]、SULAIMAN等[8]通過分析枝條物料特性，開展了枝條粉碎性能試驗研究，依據(jù)試驗結(jié)果優(yōu)化了粉碎裝置；魏萬成等[9]基于振動特性優(yōu)化了錘片式枝條粉碎機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了粉碎作業(yè)過程穩(wěn)定性；米強[10]、張杰等[11]針對棗園殘枝問題研制了棗枝粉碎裝置，通過試驗對裝置參數(shù)進行了參數(shù)優(yōu)化，得到了相關(guān)裝置的最佳參數(shù)；高銳[12]結(jié)合南方丘陵山地區(qū)采伐樹種特點設(shè)計具有切片與粉碎功能的中型可移動式樹枝粉碎機；夏雄等[13]設(shè)計厚錘片單通道、喂料輥喂料、非重復(fù)式粉碎的可移動小型樹枝粉碎機；張磊磊等[14]從仿生學(xué)設(shè)計一種具備特殊切削刀片的樹枝粉碎機，該裝置比其它粉碎裝置具備更高的粉碎性能；丁素明等[15]以提高粉碎切削合格率降低生產(chǎn)能耗為目標，設(shè)計了梨樹條粉碎裝置試驗臺，通過粉碎性能試驗得到影響粉碎性能的關(guān)鍵因素，并完成了相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化。

針對目前棗園枝條處理以人工為主、勞動強度大、效率低和現(xiàn)有機具粉碎效果差、功耗大的問題，本文設(shè)計了一種棗園枝條粉碎裝置，確定其關(guān)鍵零部件，并通過樣機試驗分析粉碎裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)對粉碎性能的影響，確定其最優(yōu)參數(shù)組合，為棗園枝條粉碎機械的設(shè)計與研發(fā)提供理論參考。

1 粉碎裝置總體設(shè)計

1.1 粉碎裝置工作原理

棗園枝條粉碎裝置主要由粉碎輥、弧形篩、傳動系統(tǒng)、喂料口、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、機架等組成。（圖1）。其工作過程為變頻器控制電機轉(zhuǎn)速，由電機通過聯(lián)軸器、傳動軸帶動主動輪、從動輪旋轉(zhuǎn)，將動力傳遞給工作主軸，帶動錘爪高速旋轉(zhuǎn)，待粉碎裝置運行平穩(wěn)后將棗枝經(jīng)由喂料口進入機體，在高速回轉(zhuǎn)的錘爪作用下打斷，再經(jīng)粉碎錘爪與弧形篩上搓桿擊打、撕裂、搓揉等作用，直至將枝條粉碎至合適長度，由篩孔排出；同時動態(tài)扭矩傳感器采集整個過程扭矩轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，傳輸?shù)絼討B(tài)扭矩數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)中記錄并存儲。

圖1 棗園枝條粉碎裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

棗園枝條粉碎裝置的主要技術(shù)參數(shù)如下：電機功率為22 kW；最大喂料量為3.5 kg；刀片類型為錘爪；最大粉碎直徑為45 mm；外形尺寸（長×寬×高）為1 490 mm×1 290 mm×950 mm。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 粉碎輥

粉碎輥主要由銷軸、刀具支座、粉碎主軸、錘爪等組成，如圖2所示。刀具支座焊接在粉碎主軸上，方便更換易磨損的錘爪；粉碎主軸兩側(cè)安裝在機架上。

圖2 粉碎輥結(jié)構(gòu)示意圖

工作過程中，粉碎主軸承受高速旋轉(zhuǎn)錘爪的離心力和錘爪粉碎枝條的反作用力，是粉碎輥的核心部件。根據(jù)新疆矮化棗園種植模式，確定粉碎裝置寬度為1 490 mm，其中粉碎主軸長度為1 300 mm。軸在使用過程中，其應(yīng)力往往集中于軸的表面，芯部僅受較小的應(yīng)力[16]，外徑相同的空心軸和實心軸在在傳遞彎矩和扭矩時的效果差別不大，但重量卻能大幅降低[17]，因此為有效減輕粉碎主軸自身重量，粉碎主軸的設(shè)計采用“空心管+實心軸頭”相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。選取壁厚7 mm、直徑135 mm的空心管作為粉碎主軸中間部分，兩側(cè)連接機架的實心軸直徑為45 mm。

圖3 粉碎刀軸剖視圖

錘爪數(shù)量及其排列布置方式對粉碎裝置運行穩(wěn)定性、使用壽命、作業(yè)效果有顯著影響。參考農(nóng)業(yè)機械計手冊[18]，錘爪的數(shù)量應(yīng)為9～18 把，為減少轉(zhuǎn)動功率消耗，錘爪數(shù)量選為9 把。

合理的錘爪布局能夠提高粉碎質(zhì)量，減輕振動。常見的排列方式一般單螺旋線排列、雙螺旋線排列、對稱排列、交錯排列、星形排列等，本裝置統(tǒng)籌各排列方式優(yōu)缺點，結(jié)合棗園枝條粉碎機的設(shè)計、作業(yè)要求，采用交錯排列形式，展開布局如圖4所示。

圖4 刀具排列示意圖

2.2 弧形篩

弧形篩主要由篩網(wǎng)、搓桿等組成，如圖5所示。搓桿焊接在篩網(wǎng)上面，通過錘爪和搓桿對枝條揉搓、沖擊，增強粉碎效果，打破碎料環(huán)流層，防止棗枝隨錘爪一起轉(zhuǎn)動；篩孔的作用在于適時排出合格粉碎物料，保證粉碎效果，提高粉碎效率。

圖5 弧形篩結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)主要包括電機、聯(lián)軸器、傳感器、軸承座、皮帶輪等，如圖6所示。粉碎裝置動力來源于三相異步電機，電機通電后通過聯(lián)軸器帶動傳動軸、主動輪同步旋轉(zhuǎn)，再通過皮帶將動力傳遞給從動輪及粉碎軸。

圖6 傳動系統(tǒng)示意圖

2.4 控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括三相電源、電機、變頻器、傳感器、動態(tài)扭矩數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)等，見表1。工作時，調(diào)節(jié)變頻器，控制電機啟動及調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，傳感器實時采集粉碎裝置轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)，傳輸?shù)絼討B(tài)扭矩數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)上，記錄并存儲。

表1 控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件信息

3 性能試驗

3.1 材料與試驗條件

樣品選用新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第一師灰棗樹春剪枝條，所需試驗設(shè)備有數(shù)顯式電子秤（精度0.01 g）、MD2K-2型電子天平（精度0.000 1 g）、鋼卷尺、密封袋、標簽、枝條粉碎裝置、試驗篩網(wǎng)等。棗園枝條粉碎裝置實物如圖7所示。

圖7 棗園枝條粉碎裝置實物圖

3.2 試驗指標

按照GB/T 24675.6—2021《秸稈粉碎還田機》試驗方法，選取粉碎合格率和粉碎功率作為評定枝條粉碎裝置的主要性能指標。

3.3 試驗方法與結(jié)果分析

3.3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗方案與結(jié)果

（1）試驗方法。

按照前期預(yù)試驗結(jié)果，取喂料量為1.5 kg、主軸轉(zhuǎn)速為1 823 r/min。對試驗裝置的運動過程分析后，選擇搓桿類型、篩網(wǎng)孔型、搓桿布局作為影響因素，以及粉碎合格率、粉碎功率為試驗指標。

試驗方法采用三因素三水平正交試驗，因素水平編碼表見表2，正交試驗方案及結(jié)果見表3。

表2 正交試驗因素水平編碼表

表3 正交試驗方案及結(jié)果

（2）試驗結(jié)果及分析。

對正交試驗結(jié)果（表3）進行極差分析，結(jié)果見表4。由表4可知：各因素對粉碎合格率影響由大到小的因素依次為篩網(wǎng)孔型、搓桿布局和搓桿類型，各因素對粉碎功率影響由大到小依次為搓桿布局、篩網(wǎng)孔型、搓桿類型。

表4 極差分析

對正交試驗結(jié)果（表3）進行方差分析，結(jié)果見表5。

表5 方差分析

由表5方差分析中各因素對粉碎合格率的結(jié)果可得：因素A（篩網(wǎng)孔型）對粉碎合格率影響極顯著，這是由于錘爪高速沖擊枝條，粉碎后枝條透過篩孔的姿態(tài)不同，且圓形、矩形、橢圓形3種篩孔的形狀邊界差異較大，導(dǎo)致等長度枝條的對3種篩孔的通過性差異較大，因此不同篩孔形狀對粉碎合格率的影響較大。因素C（搓桿布局）對粉碎合格率影響極顯著，這是由于搓桿排布形式?jīng)Q定了棗樹枝條在篩網(wǎng)上的作業(yè)區(qū)，不同位置的作業(yè)區(qū)枝條的受力情況、運動狀態(tài)不同，因此搓板布局對粉碎合格率的影響較大。因素B（搓桿類型）對粉碎合格率影響顯著，由于搓桿類型決定錘爪與棗樹枝條揉搓程度，圓柱式搓桿在各個方向上都能對較長棗樹枝條進行揉搓，故其粉碎效果更好。

由表5方差分析中各因素對粉碎功率的結(jié)果可得：因素C（搓桿布局）對粉碎功率影響顯著，由于搓桿布局決定了主要粉碎作業(yè)區(qū)域，決定了枝條粉碎過程的流暢度，從而對粉碎功率影響較大。因素B（搓桿類型）對粉碎功率影響不顯著，由于搓桿類型僅對枝條的揉搓效果有影響，而對棗枝沖擊斷裂影響較小，因此對粉碎功率影響較小。因素A（即篩網(wǎng)孔）型對粉碎功率影響不顯著，由于本設(shè)計篩孔形狀較大，3種篩網(wǎng)孔型都能有效阻擋過較長枝條通過，不存在堵料、排料慢的情況，因此對粉碎功率影響較小。

（3）最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。

通過表4和表5分析可知：篩網(wǎng)孔型、搓桿類型對粉碎合格率影響分別為極顯著、顯著，對粉碎功率影響均為不顯著，因此它們最優(yōu)水平不需要考慮粉碎功率；搓桿布局對粉碎合格率、粉碎功率均有顯著影響，但通過表4可得搓桿布局1水平相比3水平粉碎功率增加了14.39%，但粉碎合格率僅提高5.92%；在優(yōu)先保證粉碎合格率的前提下考慮最小粉碎功率，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)組合為橢圓形篩孔、圓柱式搓桿類型、倒階梯形搓桿布局，與7號試驗方案結(jié)果一樣，均表明該組參數(shù)組合對粉碎效果最好。

3.3.2 工作參數(shù)試驗方案與結(jié)果

（1）試驗方案與試驗結(jié)果。

在確定上述最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，選取喂料量、主軸轉(zhuǎn)速為試驗因素，粉碎合格率、粉碎功率為試驗指標，試驗方法為響應(yīng)曲面試驗。根據(jù)本課題組前期預(yù)試驗，結(jié)合粉碎裝置設(shè)計要求，確定喂料量、主軸轉(zhuǎn)速的水平范圍，具體試驗因素水平見表表6，響應(yīng)曲面試驗方案與結(jié)果見表7。

表6 試驗因素水平及編碼

表7 響應(yīng)曲面試驗方案及結(jié)果

（2）試驗結(jié)果及分析。

采用Design-Expert軟件擬合，得粉碎合格率、粉碎功率的編碼值擬合回歸方程分別為：

P1=82.56+3.86A+11.63B-5.28AB-0.41A2-2.59B2，

（1）

P2=2.97-0.1A+1.24B-0.02AB+0.55A2-0.48B2。

（2）

由表8可知：2個方程模型失擬性P不顯著，因此粉碎合格率和粉碎功率的各因素擬合模型具有較好的擬合性，具有研究意義。因素A、B、AB對粉碎合格率影響顯著，且影響主次順序為B>A>AB；因素B、A2、B2對粉碎功率影響顯著，A對粉碎功率影響不顯著，影響主次順序為B>A2>B2>A。

表8 方差分析

3.3.3 最優(yōu)工作參數(shù)組合

在Design-Expert軟件中設(shè)置工作參數(shù)喂料量1.29～2.71 kg，主軸轉(zhuǎn)速1 230～2 193 r/min，依據(jù)枝條粉碎裝置設(shè)計要求，按照粉碎合格率為90%～96.83%、粉碎功率最小原則，選擇工作參數(shù)最優(yōu)組合喂料量為2 kg，主軸轉(zhuǎn)速為1 973 r/min，重復(fù)5次，試驗結(jié)果見表9，得到粉碎合格率平均值為91.23%，粉碎功率平均值為4.72 kW。

表9 最優(yōu)參數(shù)組合試驗結(jié)果

4 結(jié)論

（1）針對棗園枝條粉碎還田作業(yè)中存在的粉碎效果不佳、能耗大等問題，本文設(shè)計了一種棗園枝條粉碎裝置，確定了關(guān)鍵部件粉碎輥、弧形篩的設(shè)計參數(shù)，搭建了粉碎裝置的控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（2）通過三因素三水平正交試驗得出：影響粉碎合格率由大到小的因素依次為篩網(wǎng)孔型、搓桿布局、搓桿類型；影響粉碎功率由大到小的因素依次為搓桿布局、篩網(wǎng)孔型、搓桿類型。在保證粉碎合格率的前提下選取最低粉碎功率，得到結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)組合為橢圓形篩孔、圓柱式搓桿、倒梯形搓桿布局。

（3）采用響應(yīng)曲面試驗方法在粉碎裝置最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下得到：粉碎裝置工作參數(shù)對粉碎合格率、粉碎功率影響由大到小的因素依次均為主軸轉(zhuǎn)速、喂料量；以粉碎合格率最大，粉碎功率最小為原則，確定工作參數(shù)最優(yōu)組合為喂料量2.0 kg、主軸轉(zhuǎn)速1 973 r/min，此時粉碎合格率91.23%，粉碎功率4.72 kW。