張久雷

(廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系， 廣東 佛山 528041)

0 引言

香蕉是我國最重要的經(jīng)濟作物之一，種植區(qū)域主要分布在廣東、廣西、海南及臺灣等省區(qū)[1]。目前，各產(chǎn)區(qū)對香蕉樹的處理主要是采用人工鋤砍蕉樹后，搬到田邊空閑地堆放[2]，這種處理方法勞動強度高、生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高，又會導(dǎo)致阻礙道路、河流、農(nóng)田水利等，還極大地造成了環(huán)境污染和香蕉樹的資源浪費。現(xiàn)有的香蕉樹切碎還田機主要采用后置作業(yè)方式，大都通過大功率拖拉機輸出軸傳入動力，使圓盤切割器在水平面內(nèi)做高速旋轉(zhuǎn)運動，對進入機殼里的香蕉樹進行切削、打擊、切碎，具有結(jié)構(gòu)簡單、機械化程度高等優(yōu)點；但存在不必要的重復(fù)打擊和切碎, 刀盤與土壤、石塊的接觸而使刀盤易損壞問題，功耗浪費等問題，而且機具易纏繞，切碎效果并不理想。

針對以上存在的問題，根據(jù)張久雷等提出的先分段再切塊還田的工藝思想[3]，以多把圓盤鋸齒刀背刀交錯布置在兩條轉(zhuǎn)軸上的類似對輥式運動原理的切塊方法[4]，設(shè)計制作了蕉樹切塊試驗臺，驗證了切塊還田方案的可行性，并進行了香蕉樹莖的力學(xué)特性試驗研究等。按照設(shè)計方案、試驗參數(shù)和東風(fēng)-250輪式拖拉機的結(jié)構(gòu)及其配制的移動液壓站，設(shè)計制作了液壓驅(qū)動的香蕉樹切碎還田樣機，并進行了切碎合格率和功率試驗。

1 設(shè)計原理

1.1 總體設(shè)計方案

本文提出一種液壓驅(qū)動型香蕉樹切碎還田方案，仿真試驗臺如圖1所示。其主要結(jié)構(gòu)有：一是切割部分，由20英寸鋸木用的圓鋸片和尼龍定位擋圈組成；二是傳動部分，由傳動軸、聯(lián)軸器及液壓馬達(dá)組成；三是支承部分，由鋁合金異型材所做的機架和軸承組成；四是送料部分，由低速傳送帶組成。

圖1 香蕉樹切碎試驗臺仿真圖Fig.1 Simulation of banana tree chopping test bench

1.2 作業(yè)機理

工作時，動力經(jīng)兩個液壓馬達(dá)傳遞給兩傳動軸，從而帶動兩傳動軸上的圓盤鋸齒刀做相向旋轉(zhuǎn)運動，類似對輥式運動；操縱人員先將香蕉樹切成小段，然后把小段香蕉樹經(jīng)喂料裝置輸送到切割區(qū)域內(nèi)，以此對進入切割范圍的香蕉樹進行切碎還田。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 切割系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 切割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

切割系統(tǒng)采用臥式結(jié)構(gòu)，主要由圓鋸片組、傳動軸、軸承和機架組成，如圖2所示。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有兩傳動軸之間的夾角α、鋸片直徑D和數(shù)量、傳動軸近端距離S，以及兩傳動軸的轉(zhuǎn)速n1、n2。

圖2 切割系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.2 Cutting system structural parameters

2.1.2 傳動軸夾角α的確定

1)α對切塊大小的影響?，F(xiàn)研究α的變化引起鋸片投影面積變化來說明α對切碎能力的影響，如圖3所示。圖3中雙點畫線代表直徑是250mm，長為280mm的香蕉樹斷面。

圖3 投影面分析Fig.3 Projection surface analysis

當(dāng)取圓盤鋸片的直徑為508mm、轉(zhuǎn)軸近端距離為300mm、鋸片距近端最近的距離為105mm時，α取16°、20°、24°，可以算得鋸片投影面積S1、S2、S3，計算結(jié)果如表1所示。

從表1可得出：隨兩轉(zhuǎn)軸夾角α的減小，鋸片之間的投影面積在同一位置的面積也減小。投影面積的大小體現(xiàn)了圓盤鋸片之間的交叉程度，投影面積越小，交叉就越多，即α越小切碎能力就越好。

2)α對切割功耗的影響。香蕉樹在切割過程中的受力簡圖，如圖4所示。圖4中，F(xiàn)1x、F2x為鋸片對樹莖作用力在水平面的分力，同理其他鋸片。所有鋸片對樹莖作用力的合力在水平面的分力合成得到一個合力F'，如圖4(a)所示。在F'的作用下，樹莖會對鋸片產(chǎn)生擠壓。從圖4(b)中可以看出：當(dāng)α增大時，F(xiàn)1x、F2x與F'的夾角減??；F'增大，鋸片變形就增大，鋸片與假莖間的摩擦力增大，切割器的功耗增大。

表1 不同傳動軸夾角α對切碎度的影響Table 1 Effect of the angle on the shredding mm2

(a)

(b)圖4 切割器受力分析Fig.4 Cutter force analysis

分別取夾角α為16°、20°、24°進行單因素功耗測量試驗，每個試驗重復(fù)3次，取單邊功率平均值，以轉(zhuǎn)軸夾角為橫坐標(biāo)，切碎機構(gòu)工作功率為縱坐標(biāo)對數(shù)據(jù)分析作圖，如圖5所示。從圖5中可以看出：功耗隨α的增大，先是減小，再增大，在20°時出現(xiàn)最小值。在對切割器受力分析時，功耗是隨α的增大而增大，但試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)在20°時出現(xiàn)最小值。隨著α減小，切深增加，樹莖對鋸片的切向力Ft增加。

圖5 α對切割功耗的影響曲線Fig.5 Impact on cutting power consumption

從以上論述可知：隨著α減小，切碎度也提高，但所需功耗也提高；對比α取16°和20°時，其切碎能力相差不大，但其功耗相差幾乎一倍，由此取α=20°為設(shè)計參數(shù)。

2.1.3 刀盤直徑尺寸對切碎度的影響

在α=20°條件下，對直徑為20英寸、22英寸鋸片進行研究分析其切碎度。

從圖6中可以看出：當(dāng)取圓盤鋸片直徑d=20英寸時，切碎能力增加了，但其有效切割面積小，需要增加刀數(shù)，但功耗也隨刀數(shù)增加而增加；當(dāng)取d=22英寸時，雖然有效切割面積增加了，但投影面積大，切碎度差。因此，圓盤鋸片的直徑不能過小，也不能過大，既要保證能夠把香蕉樹切斷切碎，又不能浪費功耗；本文選用圓盤鋸片直徑d=20英寸。

(a) 直徑d=20英寸

(b) 直徑d=22英寸圖6 鋸片直徑對切碎度的影響仿真圖Fig.6 Effect of blade diameter on chopping degree

2.1.4 傳動軸近端距離S的確定

切割器要正常工作，香蕉樹莖不能超過兩傳動軸之間的距離，否則就會被卡住而無法工作。香蕉樹是多年生常綠大型草本植物，根據(jù)廣東省果樹研究所香蕉樹直徑調(diào)查結(jié)果表明：地上200mm處直徑的平均值252.78mm，最大值283.76mm；現(xiàn)取傳動軸近端的距離S為300mm，可以保證切割系統(tǒng)不會被卡住。

2.1.5 兩傳動軸的轉(zhuǎn)速n1、n2的確定

由功率公式p=T·ω可知，當(dāng)扭矩T一定時，角速度ω越大，功率就越大；當(dāng)n1=n2時，樹莖受到兩鋸片組對其的作用力大小、方向幾乎相同，切割器工作平穩(wěn)，出料流暢；當(dāng)n1≠n2時，轉(zhuǎn)得快的鋸片組切割深度較大，容易出現(xiàn)卡死現(xiàn)象[4]。

2.2 傳動系統(tǒng)設(shè)計

樣機傳動方案采用拖拉機的液壓系統(tǒng)+切割系統(tǒng)裝置，動力源為配備液壓系統(tǒng)的拖拉機。傳動液壓系統(tǒng)主要由液壓站、液壓馬達(dá)、油管、聯(lián)軸器及轉(zhuǎn)軸組成，為切割系統(tǒng)提供動力。該傳動液壓馬達(dá)的停止、轉(zhuǎn)動、正反轉(zhuǎn)和調(diào)速可以通過液壓閥來控制，操作方便簡單。液壓系統(tǒng)工作原理如圖7所示。

1.液壓馬達(dá) 2.節(jié)流閥 3.壓力表 4.換向閥 5.溢流閥 6.液壓泵 7.油箱圖7 液壓系統(tǒng)傳動方案原理圖Fig.7 Hydraulic system transmission plan schematic

3 樣機制作

3.1 懸掛及受力分析

由于掛板與拖拉機前端配掛件是通過螺栓而緊固的，因此可以看成是固定端。固定端A處的約束作用力可簡化為兩個約束力FAx、FAy和一個約束力偶MA，其受力簡圖如圖8所示。其中，G為樣機自身重力；F1為支撐桿的推力。從樣機的受力簡圖中可以看出：支撐桿是受壓的。因此，假設(shè)支撐桿受到拉應(yīng)力或不受力時(即圖中的F1的實際方向與圖示相反或等于零)，對A點求主矢和主矩。

圖8 懸掛的受力分析Fig.8 Suspension force analysis

設(shè)FR為A點處的主矢，F(xiàn)Rx、FRy分別為主矢FR在x、y軸上的投影。其中，F(xiàn)1x、F1y分別是F1在x、y軸上的投影，y為F1的作用點到A點的距離，l為重力G的作用點到A點在X方向上的距離，則有

∑FRx=FAx+F1x

∑FRy=FAy+F1y+G

Mo=Mo(FR)=G·l+F1x·y+MA

3.2 樣機裝配

樣機主要由可移動液壓站所提供的動力系統(tǒng)、拉桿、緊固板、機架、切割系統(tǒng)、防堵卸料裝置、上罩板及進料裝置等組成，如圖9所示。

1.掛板 2.圓盤踞切割器 3.軸承及傳動軸 4.防堵卸料裝置 5.機架 6.液壓馬達(dá)固定板圖9 樣機組成Fig.9 Prototype composition

樣機裝配效果圖如圖10所示。其中，上罩板與機架通過活扣聯(lián)接起來，進料口對準(zhǔn)切割器的切碎區(qū)域。工作時，啟動移動液壓站馬達(dá)，把動力傳遞給切割系統(tǒng)，帶動切割器旋轉(zhuǎn)工作；此時，香蕉樹莖段經(jīng)進料裝置到達(dá)切割區(qū)域，被切割器切塊后甩出，完成香蕉樹莖切碎還田的工作過程。

圖10 香蕉樹切碎還田樣機效果圖Fig.10 Prototype assembly

4 樣機切碎效果及功率影響試驗

4.1 試驗材料

試驗用香蕉樹直徑在130～200mm，長度取270mm。

4.2 試驗方法

現(xiàn)選取如表2所示的試驗因素與水平為切碎效果和影響功耗試驗內(nèi)容，采用單因素重復(fù)試驗的方法，每個試驗重復(fù)3次，研究切碎效果、功耗和各因素之間的規(guī)律。

表2 試驗因素水平值的選取Table 2 Selection of test factor level value

4.3 試驗結(jié)果與分析

4.3.1 切碎效果及分析

切割器轉(zhuǎn)速為190r/min試驗條件下，樣機切碎效果如圖11所示，試樣經(jīng)切碎后呈葉片狀。

切碎質(zhì)量合格率的測定結(jié)果：切塊碎片大多數(shù)集中在50g以下這個區(qū)域內(nèi)，只有少數(shù)幾塊大的、沒有散開的碎片大于150g；從碎片的數(shù)目上看，94%以上的碎片集中在110×60的區(qū)域內(nèi)；若以碎片質(zhì)量為統(tǒng)計樣本，則切碎合格率大于84%。在理想工作狀態(tài)下，生產(chǎn)效率可達(dá)900棵/h(按平均每棵樹高2.1m，切成8段算)，約0.35hm2/h(香蕉種植密度按平均1棵/2.2m計)。由此可以看出：此香蕉樹切碎還田機的切碎能力較好，生產(chǎn)效率較高。

圖11 香蕉樹切碎效果圖Fig.11 Chopped renderings

4.3.2 功率影響試驗結(jié)果及分析

在香蕉樹切碎試驗臺上進行不同轉(zhuǎn)軸夾角、不同蕉樹莖、不同切割速度對工作功率的單因素影響試驗，各試驗結(jié)果如表3所示。

表3 各因素對工作功率影響試驗結(jié)果Table 3 Various factors affect the power test (a) 不同轉(zhuǎn)軸夾角對工作功率的影響試驗結(jié)果

(b) 不同蕉樹莖對工作功率的影響試驗結(jié)果

(c) 不同切割速度對工作功率的影響試驗結(jié)果

從表3中可以看出：香蕉樹切碎樣機的工作功率隨傳動軸夾角的增大而先減小后增大，隨蕉樹莖、切割速度增大而增大。根據(jù)兩傳動軸夾角、蕉樹莖、切割速度對工作功率影響試驗結(jié)果，進行單因素方差分析，結(jié)果如表4所示。

通過表4中的各單因素方差分析，得到兩傳動軸夾角角度、香蕉假莖直徑和切割速度顯著值分別為0.005、0.002、0.012，均小于0.05，證明兩傳動軸夾角角度、香蕉假莖直徑和切割速度都對工作功率有顯著影響。

表4 各因素對工作功率影響的單因素方差分析Table 4 Single factor analysis of variance. (a) 傳動軸夾角對功率影響的單因素方差分析

(b) 蕉樹莖對功率的影響的單因素方差分析

(c) 切割速度對功率的影響的單因素方差分析

5 結(jié)論

1)以交錯布置的圓鋸片作為蕉樹莖切割器，對蕉樹莖沿著軸向切割，可以得到體積均勻的葉片狀碎片，且切割功耗低，滿足了蕉樹莖還田的要求。

2)蕉樹莖切碎試驗表明：切碎機的功耗隨兩傳動軸間的夾角增大而增大，隨著圓鋸片的直徑增大而增大。

3)在兩傳動軸近端距離一定的條件下，切割器的切碎能力隨著圓鋸片的直徑減小而增強，但有效切割面積也隨之減小。

4)在選取的3個因素影響功耗試驗中，直徑、切割器和轉(zhuǎn)軸夾角是功耗的主要影響因素。因此，在設(shè)計制作樣機時，需要先確定最低功耗的刀盤組合所對應(yīng)的轉(zhuǎn)軸夾角，然后在保證能夠進行香蕉樹切碎的前提下，盡量降低轉(zhuǎn)速。