孫家偉，陶志影，張林，黃娥慧，何金成

(福建農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院，福建 福州 350002)

中國每年會有38億t畜禽糞污產(chǎn)生，畜禽糞污綜合利用率不足60%[1].大量畜禽糞污沒有得到有效利用，帶來的污染已成為中國農(nóng)村地區(qū)污染的主要來源[2-4].農(nóng)業(yè)部把糞污處理技術(shù)分為糞污墊料回用、污水深度處理、糞污全量化收集還田利用、污水肥料化利用、糞污專業(yè)化能源利用、異位發(fā)酵床和污水達(dá)標(biāo)排放七種模式，異位堆肥發(fā)酵被列為中國7種經(jīng)濟(jì)實用處理糞污的技術(shù)模式之一，國家鼓勵福建、浙江、廣西等地區(qū)使用“異位發(fā)酵床”模式[5-6].異位發(fā)酵床技術(shù)改善了畜禽的生活環(huán)境并能有效的處理大量的糞污[7].為了能夠保證微生物的繁殖和發(fā)育并加速發(fā)酵，墊料在發(fā)酵過程中需要進(jìn)行定期地翻拋作業(yè)，給發(fā)酵床中的微生物增加氧氣避免出現(xiàn)死床、除去墊料中多余水分加速墊料干化、調(diào)節(jié)發(fā)酵溫度濕度、起到糞污與墊料的均勻混合等作用，從而為微生物生長繁殖提供有利條件[8-9].因此，翻拋機是糞污堆肥發(fā)酵處理過程中必不可少的一個設(shè)備[11].

槽式翻拋機根據(jù)翻拋裝置的不同可以分為鏈板式、滾筒式、撥齒式和螺旋式四類，其中耙齒式翻拋能力大，對物料具有一定的破碎和攪拌功能，因此在生活中槽式翻拋機應(yīng)用廣泛[12].翻拋耙刀作為翻拋機與翻拋墊料直接接觸的工作部件，其結(jié)構(gòu)形狀對翻拋機的翻拋深度、翻拋效果和作業(yè)功耗有不可忽視的影響，其作業(yè)性能的優(yōu)劣直接關(guān)系著翻拋機翻拋方案的成敗.撥板式耙刀和旋切式耙刀是目前槽式翻拋中常用的2種類型耙刀.撥板式耙刀結(jié)構(gòu)和加工制造簡單，但工作過程中，不易切入料堆、翻拋阻力大、功耗大；旋切式耙刀設(shè)有滑切角，降低了翻拋阻力和翻拋功耗，但是刀具設(shè)計比較復(fù)雜，加工精度和成本比較高，只能單向翻拋，且翻拋深度較淺[13-15].本文對翻拋機耙刀和滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，對耙刀在滾筒上的排列方式和翻拋性能進(jìn)行分析，通過ANSYS軟件對耙刀受力進(jìn)行分析，通過運用ADAMS軟件對耙刀3種排布方案進(jìn)行運動仿真分析，并且進(jìn)行現(xiàn)場試驗與驗證，得出奇偶四螺旋排列的鋤頭式雙向耙刀具有良好的翻拋性能.

1 翻拋機結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

槽式翻拋機由動力裝置、升降裝置、行走裝置和翻拋裝置組成，其中行走裝置由下機架、傳動軸和行走輪等組成，為翻拋機提供行走動力；翻拋裝置由滾筒、滾筒軸和耙刀組成.整機技術(shù)參數(shù)如表1所列，整機結(jié)構(gòu)如圖1所示.

表1 槽式翻拋機主要技術(shù)參數(shù)

1：動力裝置；2:機架;3:行走裝置;4:翻拋裝置.1:Power device;2:Frame;3:Walking device;4:Turning device.圖1 槽式翻拋機結(jié)構(gòu)Figure 1 A schematic diagram of the structure of the troughed compost turner

1.2 工作原理

翻拋機行走裝置由4個輪子組成，前面2個輪子安裝在一根階梯軸的兩端，后面2個輪子獨立安裝，減速電機通過鏈條帶動軸轉(zhuǎn)動，從而帶動翻拋機在發(fā)酵槽上勻速前進(jìn).翻拋裝置中的刀輥上固定有若干把耙刀，在鏈條的帶動下做勻速圓周運動，耙齒不停的翻動墊料，將發(fā)酵墊料粉碎并向后拋撒，使墊料與空氣充分混合、控制發(fā)酵床的溫度、并蒸發(fā)掉多余的水分.升降裝置安裝在上機架和行走底盤之間，由兩個液壓缸組成，液壓驅(qū)動實現(xiàn)整個上機架與滾筒組件的向上提升，在工作過程中便于調(diào)節(jié)翻拋深度，同時可以避免與剛性障礙物發(fā)生磕碰，并方便翻拋機在非工作狀態(tài)下進(jìn)行無負(fù)載行走.翻拋機到達(dá)發(fā)酵槽終點時，可以改變方向繼續(xù)工作，打破現(xiàn)有翻拋機單向翻拋、空載返回的局面，也可以通過移位機將翻拋機轉(zhuǎn)移到另一個槽，繼續(xù)工作.

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 耙刀結(jié)構(gòu)設(shè)計

翻拋耙刀作為翻拋機與發(fā)酵床墊料直接接觸的工作部件，其結(jié)構(gòu)形狀對翻拋機的翻拋深度、翻拋效果和作業(yè)功耗有不可忽視的影響，其作業(yè)性能的優(yōu)劣直接關(guān)系著翻拋機翻拋方案的成敗.為使設(shè)計翻拋機能夠達(dá)到工作要求，在綜合現(xiàn)有耙刀的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一種新耙刀結(jié)構(gòu)命名為雙向鋤頭式耙刀，該耙刀是由1個刀柄、1個耙齒和2塊矩形板焊合而成，外形類似鋤頭.具體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

1:刀柄;2:翻拋板;3:耙齒.1:Hilt;2:Rectangular plate;3:Blade.圖2 翻拋耙刀結(jié)構(gòu)Figure 2 Flip rake blade structure drawing

槽式翻拋機通過翻拋軸帶動耙刀做旋轉(zhuǎn)運動，來完成對墊料的翻拋作業(yè)，故設(shè)計的翻拋裝置回轉(zhuǎn)直徑須大于等于翻拋深度，取回轉(zhuǎn)直徑為2 m；考慮到現(xiàn)有翻拋機完成一次翻拋后，出現(xiàn)空載行駛，退回到起始端.因此將耙刀設(shè)計為結(jié)構(gòu)對稱的、不具有方向性的雙向鋤頭式耙刀，實現(xiàn)雙向翻拋，提高了設(shè)備的利用率及翻拋效率；為盡可能多的提升翻拋墊料，將切削下來的墊料在空中的拋撒行程達(dá)到2～3 m，因此本翻拋耙刀的耙齒設(shè)計成有切削刃和齒尖，具有良好的切入墊料堆的能力，完成縱向切入作業(yè)及回轉(zhuǎn)翻拋.

耙刀是槽式翻拋機與墊料進(jìn)行直接接觸，實現(xiàn)翻拋作業(yè)的關(guān)鍵部件，為懸臂梁結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)方向為主要受力方向，因此刀柄在旋轉(zhuǎn)面上較厚，軸向方向較薄.將翻拋耙齒設(shè)計成六邊形且耙齒各個端面均設(shè)有切削刃，能有效降低切削阻力，減少耙齒磨損，還可以實現(xiàn)往返程翻拋，翻拋效率高.圖3所示，r表示耙齒楔角，楔角按被加工材料來選擇，一般切削軟材料，楔角取30°～50°，墊料屬于軟材料，考慮墊料中含有較多硬雜質(zhì)和刀具的使用壽命，將r取為45°[14]；a表示耙齒的滑切角，在一定的范圍內(nèi)增大滑切角可降低功耗，一般滑切角取20°～55°，本文耙齒的滑切角取45°；在耙刀刀柄的兩側(cè)中部增設(shè)翻拋板，目的是為了增加耙刀刀柄的強度，翻拋板的底端面與所述翻拋耙齒的頂端面之間存在間隙既能有效防止窩積物料，又能減少物料回帶前拋.

圖3 耙齒結(jié)構(gòu)Figure 3 Rake tooth structure drawing

圖4 刀盤Figure 4 Cutter head

刀盤通過焊接將其焊在滾筒軸組件上，刀盤上設(shè)有2組對稱的螺栓孔，1組有3個，通過螺栓連接將耙刀固定在刀盤上，更換方便，維修成本低.1臺翻拋機設(shè)計有3種刀盤，如圖4所示—中間刀盤(左)，端面刀盤(中)，側(cè)刀盤(右).

滾筒軸焊合件主要由刀盤、實心軸、無縫鋼管和刀盤等焊接而成的，結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 滾筒軸焊合件Figure 5 Drum shaft welded parts

2.2 耙刀工作時阻力分析及運動學(xué)分析

2.2.1 耙刀工作阻力分析 耙刀工作時阻力示意圖如圖6所示，刀輥上的耙刀在進(jìn)行翻拋作業(yè)時，受到的反作用力主要有墊料對耙刀的壓力、切削阻力、摩擦力等.

圖6 耙刀工作時阻力示意圖Figure 6 Schematic diagram of resistance during rake operation

忽略耙刀在工作過程中的純切削阻力，則耙刀受到x、y方向上的反作用力分別為：

Fx=Tsinβ+μTcosβ

(1)

Fy=Tcosβ+μTsinβ

(2)

式中，F(xiàn)x為耙刀在x方向受到的阻力，T為耙刀工作的法向載荷，μ為耙刀與墊料的摩擦系數(shù)，β為耙刀工作時與槽底的夾角.

2.2.2 耙刀運動學(xué)分析 翻拋機工作時，翻拋裝置作勻速圓周運動，翻拋機自身作勻速直線運動，故耙刀端點的絕對運動是由翻拋機的移動和耙刀的轉(zhuǎn)動合成的，稱作余擺線運動[16].耙刀端點運動軌跡如圖7所示.

以刀輥軸心為坐標(biāo)原點，翻拋機前進(jìn)方向x軸的正向，垂直向上方向為y軸的正向.耙刀端點的運動方程為：

圖7 耙刀端點運動軌跡圖Figure 7 Rake blade end point motion trace

(3)

式中，x、y為耙刀端點的位移，v0為翻拋機前進(jìn)速度，R為耙刀端點轉(zhuǎn)動半徑，θ為耙刀的初始相位，ω為刀輥旋轉(zhuǎn)角速度，t為工作時長.

翻拋速比是指耙刀端點的線速度與翻拋機行走線速度之比，翻拋機的耙刀端點要作余擺線運動，翻拋速ε比須大于1.翻拋速比對翻拋進(jìn)給量的大小有直接的影響，是影響著翻拋機工作質(zhì)量和功率的關(guān)鍵參數(shù)，翻拋速比計算公式如下.

(4)

式中，ε為翻拋速比，v1為耙刀端點的線速度.

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及前期試驗[17-18]，當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速n和翻拋深度不變的情況下，翻堆機前進(jìn)速度v0與功耗W之間的關(guān)系近似呈線性遞增關(guān)系，本文取行走電機頻率為10 Hz、v0為1.9 m/min；當(dāng)前進(jìn)速度v0和翻拋深度不變時，刀輥轉(zhuǎn)速n與功耗W的關(guān)系也呈近似的線性遞減關(guān)系，本文取n為90 r/min；線性遞增關(guān)系翻拋速比在43.82～300范圍內(nèi)，翻堆機的翻拋效果隨著翻拋速比增大而變好，故本文翻拋速比取為300.

2.3 耙刀排列設(shè)計

翻拋裝置的耙刀排列是影響翻拋機作業(yè)穩(wěn)定性和墊料平整度的重要因素.目前使用較多的是單螺旋布置與對稱雙螺旋布置，但單螺旋布置會造成墊料朝一側(cè)翻拋堆積，左右擺動且運行不穩(wěn)，雙螺旋布置會造成翻拋后的墊料不平整.本文以滾筒軸共安裝36把耙刀為案例對刀具進(jìn)行排列布置，運用Visual C++6.0軟件對耙刀排列輔助設(shè)計.先以滾筒軸長度方向的中心面作為分割面，再以滾筒軸的直徑所在的面分割，得到1/4的滾筒軸，取9把耙刀作為耙刀組，進(jìn)行計算，結(jié)果如圖8所示.

耙刀環(huán)線排列問題沒有前后與首尾之分，運用DFS深度優(yōu)先搜索算法對耙刀位置進(jìn)行排列設(shè)計，所有結(jié)果都是按20、100、180、80、160、60、140、40、120排列，數(shù)字相對位置不變，任取一個角度作為第一把耙刀安裝角，以從左到右或者從右到左的順序?qū)业栋惭b在滾筒上，得到刀具排列的徑向圖及軸向圖，如圖9所示.

圖8 程序運行結(jié)果圖Figure 8 Program run result diagram

圖9 刀具排列徑向圖(左)及刀具排列軸向圖(右)Figure 9 Radial diagram of tool arrangement (left) and axial diagram of tool arrangement (right)

上圖可以直觀的看出，奇數(shù)位置和偶數(shù)位置的耙刀各為1條螺旋線，本設(shè)計中螺旋升角為20°，最后運行計算結(jié)果為1個完整的翻拋裝置上，耙刀按奇偶錯開排列在刀輥的4條螺旋線上，本文將其稱為奇偶四螺旋排列.這種排列的耙刀沿滾筒軸向和周向均勻?qū)ΨQ分布，按規(guī)定順序依次工作，且每次只有兩把耙刀同步切入墊料，軸向相鄰耙刀周向夾角相等，較好的保證了刀輥運行時受力平衡以及翻拋的均勻性、平整度.

3 耙刀校核及仿真分析

3.1 耙刀強度校核

耙刀作為翻拋機主要的受力部件，必須具備良好的強度、剛度和耐磨性[20-23].耙刀采用GB/T699規(guī)定的45#鋼制造，已知翻拋機的翻拋額定功率為22 kW，翻拋軸轉(zhuǎn)速約在50～140 r/min之間.扭矩與傳遞功率成正比，與回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速成反比，所以可得到最大翻拋扭矩：

則耙刀所受到的外部載荷為：

正常工作時兩把耙刀同步切入墊料，考慮最危險情況，一把耙刀受力4 202 N，根據(jù)受力面積，耙刀刃部所受壓強為3 001 429 Pa.對耙刀有限元模型進(jìn)行求解，刀形變圖及等效應(yīng)力圖如圖10～11所示.

由仿真分析可知，耙刀的變形形式為沿受力方向繞固定端彎曲變形，變形最大處為耙刀末端耙齒，最大變形量為0.340 857 mm，不會影響翻拋機正常的作業(yè)，耙刀主要受到彎曲應(yīng)力的作用，受力較大處是受力方向的耙齒與刀柄的焊接處，最大為91.5 MPa，遠(yuǎn)小于耙刀材料335 MPa的屈服極限，安全系數(shù)約為1.4，符合設(shè)計要求.

圖10 耙刀的總變形圖Figure 10 The total deformation diagram of rake blade

圖11 耙刀等效應(yīng)力云圖Figure 11 Equivalent stress nephogram of rake blade

3.2 耙刀排列方式仿真分析

耙刀排列布置不合理將會影響翻拋機的翻拋平整度和整機運行的穩(wěn)定性，使整機受力不均造成振動.本文基于Adams對單螺旋排列、對稱雙螺旋排列及本文提出的奇偶四螺旋排列3種排列布置方案進(jìn)行運動仿真，對翻拋機工作平穩(wěn)性進(jìn)行分析[24].

將模型簡化為墊料槽、機架、滾軸和耙刀四部分，圖12-A為單螺旋排列的耙刀刀輥三維模型，圖12-B為對稱雙螺旋排列的耙刀刀輥三維模型，圖12-C為奇偶四螺旋排列的耙刀刀輥三維模型.

圖12 耙刀刀輥三維模型Figure 12 A three-dimensional model of harrow knife roller

根據(jù)實際工況，添加固定約束在墊料槽和地面上，在翻拋裝置與翻拋機機架間添加轉(zhuǎn)動副，在翻拋機行走架與墊料槽之間添加移動副，將每把耙刀與滾軸通過添加固定副固結(jié)在一起，在虛擬樣機的機架與墊料槽的移動副處添加滑移驅(qū)動，速度v0=0.033 m/s；添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動在翻拋裝置與行走機架的轉(zhuǎn)動副上，線速度v1=9.425 m/s，以模擬翻拋機的運動.在模擬前給每把翻拋耙刀上添加不同的初始相位角和相同的周期性方波載荷，周期性方波載荷，如圖13所示.

圖13 施加的載荷波形圖Figure 13 Wave chart of applied load

翻拋機左右受力不均衡是翻拋機左右振動、偏離軌道甚至脫軌的主要影響因素，因此本文通過將機架與墊料槽的移動副約束改成平面副約束，在翻拋裝置與行走架的轉(zhuǎn)動副上添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，分別測試3種排列方式的在xoy平面的運動情況.最后得到的機架與墊料槽的相對位移、相對速度及相對加速度隨時間變化的關(guān)系圖，分別如圖13～15所示.

通過分析圖13～15得到，在同樣情況下，奇偶四螺旋排列和對稱雙螺旋排列的耙刀刀輥在y軸方向均不產(chǎn)生相對位移、速度以及相對加速度，數(shù)值上始終為0，表明在仿真條件下，奇偶四螺旋排列和對稱雙螺旋排列的兩種耙刀刀輥受力比較均衡、運行比較平穩(wěn)、減少振動和有效防止脫軌.

單螺旋排列的耙刀刀輥會使翻拋機在y軸方向產(chǎn)生運動位移、速度以及加速度，其中，運行5 s中產(chǎn)生了150 mm的相對位移，相對運動的位移隨翻拋裝置旋轉(zhuǎn)運動時間增大而幅度加快，說明單螺旋排列的刀輥在工作過程中容易產(chǎn)生脫軌；運動速度隨翻拋裝置旋轉(zhuǎn)運動時間呈現(xiàn)出周期振蕩式增大的趨勢，說明在翻拋過程中運動速度的改變會導(dǎo)致墊料翻拋不均勻；相對加速度的方向隨時間呈周期性變化，且加速度的絕對值大小隨時間的增加而越來越大，根據(jù)牛頓第二定律，加速度的方向和所受作用力的方向一致，意味著單螺旋排列方式長時間運作會造成行走輪和行走軌道嚴(yán)重磨損和破壞.

圖14 相對位移隨時間變化關(guān)系Figure 14 Diagram of relative displacement over time

圖15 相對速度隨時間變化關(guān)系Figure 15 Diagram of relative velocity over time

4 翻拋試驗

耙刀排列的效果以翻拋機作業(yè)的平穩(wěn)性和翻拋平整度為主要評價指標(biāo).翻拋機耙刀軸向和周向排列分布不對稱、墊料不均勻等會對翻拋機造成沖擊力，導(dǎo)致翻拋機整機受力不平衡，影響翻拋機平穩(wěn)運行.翻拋平整度是被翻拋的物料堆落在槽內(nèi)后，所形成的表面縱向方向上的凹凸量的偏差值.單螺旋排列方式因結(jié)構(gòu)上分布不對稱，所以會造成翻拋機左右來回振動，且翻拋效果不佳.因此本文對奇偶四螺旋和對稱雙螺旋2種排列方式的翻拋機進(jìn)行現(xiàn)場試驗，翻拋機的試驗工作參數(shù)：滾筒轉(zhuǎn)速90 r/min、行走電機頻率10 Hz、行走速度2 m/min、速比為300，翻拋效果圖如圖17所示.

圖16 相對加速度隨時間變化的關(guān)系Figure 16 The relationship between relative acceleration and time

圖17 墊料翻拋過后的表面平整度Figure 17 Surface evenness after turning over of bedding material

圖17-A是在南平政和縣楊源鎮(zhèn)的堆肥廠采用對稱雙螺旋排列的翻拋機翻拋后的墊料堆置圖，可能是由于耙刀在刀輥上連續(xù)的螺旋作用，使得被翻拋的墊料往槽的中間拋送形成壟，壟的高度約為40～60 cm.圖17-B是在福建福清堆肥廠采用奇偶四螺旋排列的翻拋機翻拋后的墊料堆置圖，翻拋后基本平整，形成的壟最高不超過10 cm，比對稱雙螺旋排列降低了至少30 cm；奇偶四螺旋排布是奇偶耙刀錯開，大大地減弱螺旋對墊料軸向拋擲的作用.兩種排布形式的翻拋機翻最大拋深度均能夠達(dá)到1.6 m；采用對稱雙螺旋排列的翻拋機單位能耗為0.065 kW·h/t，采用奇偶四螺旋排列的翻拋機單位能耗為0.057 6 kW·h/t，能耗節(jié)省了11.4%，均符合GB/T 28740-2012中要求翻拋設(shè)備單位能耗小于等于0.2 kW·h/t的標(biāo)準(zhǔn).目前奇偶四螺旋的排列方式也已被福建省農(nóng)科農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司采用，是現(xiàn)有機型的耙刀排列方案.

5 結(jié)論

1) 本文對翻拋機的關(guān)鍵部件耙刀及耙刀在刀輥上的排列方式設(shè)計研究，提出了雙向鋤頭式翻拋耙刀和耙刀奇偶四螺旋排列布置的方法，該耙刀可以實現(xiàn)雙向翻拋，且較好的保證了刀輥運行時受力平衡.

2) 通過ADAMS仿真分析3種耙刀排列方式，得到機架與墊料槽的相對位移、相對速度及相對加速度隨時間變化的關(guān)系圖，分析發(fā)現(xiàn)耙刀以單螺旋排列方式長時間運作會造成行走輪和行走軌道磨損和破壞嚴(yán)重，對稱雙螺旋和奇偶四螺旋排列方式可以使翻拋機軸向方向受力均衡、運行平穩(wěn)、減少振動和有效防止脫軌；

3) 翻拋機以滾筒轉(zhuǎn)速90 r/min、行走電機頻率10 Hz、行走速度2 m/min、速比為300為試驗參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場試驗，對稱雙螺旋排列的翻拋機，翻拋后的墊料會在槽中間形成一條壟，垂直方向上的高度差在40～60 cm；以奇偶四螺旋排列的耙刀，翻拋后的墊料表面基本平整，表面垂直方向的高度差不超過10 cm.兩種排列方式的翻拋機最大翻拋深度均可達(dá)到1.6 m.奇偶四螺旋排列的翻拋機單位能耗比對稱雙螺旋排列的翻拋機節(jié)省了11.4%.奇偶四螺旋排列布置的雙向鋤頭式翻拋耙刀滿足翻拋性能要求，改善了現(xiàn)有翻拋機的不足.