秸稈粉碎機(jī)輕量化設(shè)計(jì)的探索與研究*

雍 凱

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241006）

我國(guó)是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國(guó)，糧食總產(chǎn)量占全球四分之一，相應(yīng)的其副產(chǎn)品秸稈資源也非常豐富，人們對(duì)其利用的意識(shí)也越來(lái)越強(qiáng)。其利用的方式先采用粉碎機(jī)對(duì)秸稈粉碎，再將其投入具體的農(nóng)業(yè)工程中。

目前，國(guó)內(nèi)秸稈粉碎常用通用型飼料粉碎機(jī)，通用型粉碎機(jī)種類有鍘切式、錘片式、揉切式和組合式等4種，其中錘片式粉碎機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)、粉碎效能高，比較適合粉碎秸稈，但因其存在能耗高、體積大、售后維修困難等問(wèn)題，所以也一定程度降低了人們的使用意愿[1-3]。

針對(duì)存在的問(wèn)題，有許多學(xué)者展開(kāi)了研究，徐偉等[4]研究錘片式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子的工作特性，以最大應(yīng)力應(yīng)變?yōu)閰⒖?，?yōu)化粉碎機(jī)主軸結(jié)構(gòu)，提升粉碎機(jī)性能，杜春寬[5]通過(guò)碰撞力學(xué)分析，對(duì)錘頭的碰撞中心公式進(jìn)行了修正，為粉碎機(jī)錘頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)方向，李震等[6]基于泛函分析理論，對(duì)粉碎機(jī)分離裝置進(jìn)行優(yōu)化，提高錘片式粉碎機(jī)的篩分效率，這些研究一定程度推進(jìn)了粉碎機(jī)的發(fā)展，但未涉及粉碎機(jī)輕量化的研究。余朝靜等[7]采用了拓?fù)浜瓦z傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化方法，對(duì)改進(jìn)型煙稈拔稈粉碎機(jī)的機(jī)架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，最終重量?jī)?yōu)化了18%，他的研究為秸稈粉碎機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)提供思路。

秸稈與玉米等糧食產(chǎn)品粉碎所需的輸入功率和轉(zhuǎn)速不同，直接采用這些飼料錘片粉碎機(jī)粉碎秸稈，存在能源浪費(fèi)，所以針對(duì)秸稈粉碎，急需對(duì)現(xiàn)有通用型飼料粉碎機(jī)進(jìn)行輕量化改進(jìn)。在保證秸稈粉碎機(jī)正常工作的前提下，以減重、提效為目標(biāo)，搭建秸稈粉碎機(jī)輕量化設(shè)計(jì)框架，提出主要部件的輕量化設(shè)計(jì)方案，為該設(shè)備的輕量化生產(chǎn)和推廣應(yīng)用提供必要的理論依據(jù)。

1 輕量化設(shè)計(jì)總體框架

1.1 秸稈粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

秸稈錘片式粉碎機(jī)從結(jié)構(gòu)上是由底座、轉(zhuǎn)子、進(jìn)出料口、機(jī)身和篩網(wǎng)等組成，從功能上是由粉碎機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)等組成，其中粉碎機(jī)構(gòu)由錘片、錘軸、隔板和主軸等構(gòu)成，本文按功能分類來(lái)研究。秸稈粉碎機(jī)工作分為負(fù)載和空載兩種工況，空載即啟動(dòng)過(guò)程和未切割秸稈過(guò)程，負(fù)載即切割秸稈過(guò)程。在空載時(shí)，原動(dòng)機(jī)輸入動(dòng)力，并帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸帶動(dòng)隔板、錘軸和錘片轉(zhuǎn)動(dòng)，由于錘片不與秸稈接觸，所以無(wú)太大阻力，此狀態(tài)下整機(jī)功耗較低；在負(fù)載時(shí)，動(dòng)力輸入同空載情況，但錘片對(duì)秸稈碰撞、剪切，并配合篩網(wǎng)的摩擦作用實(shí)現(xiàn)秸稈粉碎，粉碎后小尺寸顆粒能通過(guò)篩網(wǎng)孔，并最終在出料口排出，而較大尺寸顆粒無(wú)法通過(guò)篩網(wǎng)孔，只能繼續(xù)被錘片粉碎，直至小于篩網(wǎng)孔尺寸排出粉碎室外為止。

1.2 輕量化設(shè)計(jì)整體思路

秸稈粉碎機(jī)整機(jī)輕量化設(shè)計(jì)思路如圖1所示，先從市場(chǎng)調(diào)研開(kāi)始，了解現(xiàn)有粉碎機(jī)行情，明確存在的問(wèn)題，尋找解決的途徑。輕量化設(shè)計(jì)路線分三個(gè)方向，分別從粉碎機(jī)構(gòu)的輕量化、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的輕量化和支撐機(jī)構(gòu)的輕量化三個(gè)方面展開(kāi)，具體如下：

圖1 秸稈粉碎機(jī)輕量化設(shè)計(jì)思路

（1）粉碎機(jī)構(gòu)輕量化。采用動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)等分析方法，研究粉碎機(jī)工作過(guò)程中粉碎機(jī)構(gòu)各部件的受力情況，以最大變形為參考目標(biāo)，優(yōu)化機(jī)構(gòu)尺寸。

（2）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)輕量化。采用流體力學(xué)和靜力學(xué)等分析方法，研究秸稈粉碎后的粉末運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定為參考目標(biāo)，優(yōu)化機(jī)構(gòu)尺寸。

（3）支撐機(jī)構(gòu)輕量化。采用靜力學(xué)和模態(tài)等分析方法，研究支撐裝置對(duì)整機(jī)的承載受力情況，以變形、應(yīng)力極限為參考目標(biāo)，優(yōu)化機(jī)構(gòu)尺寸。

2 主要部件輕量化設(shè)計(jì)方案

2.1 粉碎機(jī)構(gòu)的輕量化

粉碎機(jī)構(gòu)是秸稈粉碎機(jī)的功能部件，其由錘片、錘軸、隔板和主軸等結(jié)構(gòu)組成，在粉碎機(jī)工作過(guò)程中，整機(jī)的功率消耗主要集中在這里，研究粉碎機(jī)構(gòu)的輕量化需要以工作負(fù)載狀態(tài)為條件，下面選擇部分關(guān)鍵組件來(lái)設(shè)計(jì)輕量化方案。

2.1.1 錘片

錘片是與秸稈直接接觸的工作部件，其種類多種多樣，市場(chǎng)常見(jiàn)錘片結(jié)構(gòu)如圖2所示，有矩形錘片、銳角形錘片、階梯型錘片和環(huán)形錘片等，各錘片有各自的優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景，如秸稈粉碎機(jī)常用錘片結(jié)構(gòu)是矩形錘片，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便且變形量小。據(jù)徐偉等[8]論文參考，錘片的變形量大小影響錘片的工作效率，且錘片的長(zhǎng)度、寬度和厚度越小，其變形量越大，而錘片變形量一般不超過(guò)50 μm都無(wú)明顯影響，所以在對(duì)錘片的輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，可以預(yù)設(shè)最大變形量，并采用有限元分析軟件逐步優(yōu)化錘片尺寸，實(shí)現(xiàn)錘片輕量化，具體優(yōu)化方案如下：

（1）錘片的運(yùn)動(dòng)分析。錘片有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)是隨著主軸、隔板和錘軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)是自身繞著錘軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，前者需要考慮輸入的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，后者需要考慮自轉(zhuǎn)的穩(wěn)定周期。

（2）錘片與秸稈的碰撞分析。錘片在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)與秸稈是瞬時(shí)碰撞，需要假設(shè)一定場(chǎng)景，如在5個(gè)接觸點(diǎn)同時(shí)碰撞等。

（3）有限元優(yōu)化分析。采用有限元分析軟件，結(jié)合上述力學(xué)分析施加對(duì)應(yīng)負(fù)載，設(shè)定錘片材料屬性，模擬實(shí)際工作時(shí)錘片的變形和應(yīng)力變化情況，逐級(jí)改變錘片關(guān)鍵尺寸參數(shù)，直至結(jié)構(gòu)滿足要求，實(shí)現(xiàn)錘片輕量化設(shè)計(jì)。

（4）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。制造優(yōu)化后的錘片，并與優(yōu)化前的錘片進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在兩臺(tái)同型號(hào)粉碎機(jī)上粉碎秸稈，記錄粉碎效率、錘片變形和錘片壽命等參數(shù)，驗(yàn)證分析結(jié)果的合理性。

2.1.2 隔板

隔板作為主軸和錘片的中間件，除了傳遞動(dòng)力外，也保證整個(gè)粉碎機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定。圖3為隔板的三種形式。市場(chǎng)常見(jiàn)隔板結(jié)構(gòu)如圖3a所示，圓盤(pán)形狀在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中比較穩(wěn)定，但體積大造成笨重，并且大大增大了能量損耗，圖3b、圖3c所示的隔板是優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，但在減少材料的同時(shí)能否保證性能的穩(wěn)定，需要進(jìn)一步研究。對(duì)隔板的輕量化建議從材料和結(jié)構(gòu)兩方面共同考慮，具體輕量化方案如下：

圖3 隔板結(jié)構(gòu)模型

（1）隔板的運(yùn)動(dòng)分析。隔板伴隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，傳遞主軸帶給錘片軸及錘片的轉(zhuǎn)矩。

（2）隔板的材料分析。由于隔板不碰撞、不切割秸稈，所以不需要選取高屈服強(qiáng)度材料，所以在滿足正常工作的前提下，選擇低密度材料。

（3）結(jié)構(gòu)分析。根據(jù)力學(xué)原理和專業(yè)軟件，合理設(shè)計(jì)輕量化隔板結(jié)構(gòu)。

（4）有限元優(yōu)化分析。結(jié)合結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)分析和材料分析，通過(guò)運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果施加負(fù)載，從結(jié)構(gòu)和材料兩個(gè)方面組合優(yōu)化隔板結(jié)構(gòu)，最終得到輕量化隔板。

2.2 支撐機(jī)構(gòu)的輕量化

支撐機(jī)構(gòu)即底座，對(duì)粉碎機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)起到支撐和穩(wěn)定作用，其結(jié)構(gòu)可由槽鋼、鋼板等型材組成，在結(jié)構(gòu)搭建時(shí)，需考慮負(fù)載變形和應(yīng)力集中等問(wèn)題，保證正常工作的前提下，減少材料和空間占用，具體方案如下：

（1）支撐機(jī)構(gòu)的受力分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。粉碎機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)都需要底座支撐，搭建底座結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮底座的負(fù)載面、重心和地腳面等設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，負(fù)載面方面要考慮其大小和位置，重心方面要考慮底座與整機(jī)重心的一致，地腳面方面要注意整機(jī)穩(wěn)定性。

（2）支撐機(jī)構(gòu)的材料分析。支撐機(jī)構(gòu)非工作部件，所以可同時(shí)作結(jié)構(gòu)輕量化和材料輕量化，材料方面盡量選擇輕質(zhì)、低價(jià)且有一定強(qiáng)度和韌性的材料。

（3）有限元優(yōu)化分析。結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料分析，通過(guò)模態(tài)分析和靜力學(xué)分析，模擬整機(jī)負(fù)載和空載兩種工況，得到整機(jī)的應(yīng)力、應(yīng)變變化趨勢(shì)及振動(dòng)情況，最終實(shí)現(xiàn)支撐機(jī)構(gòu)的輕量化。

2.3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的輕量化

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要包括進(jìn)料口和出料口等，其結(jié)構(gòu)也影響粉碎機(jī)構(gòu)的工作效率，如曹麗英等[9]研究回料管直徑對(duì)粉碎效率的影響，采用EDEM-Fluent相耦合方法對(duì)回料管直徑、喂料速率和喂料量三個(gè)因素進(jìn)行研究，采用最佳參數(shù)得到大幅提升的篩分效率。結(jié)合這種研究思路，在保證導(dǎo)向機(jī)構(gòu)正常工作的前提下，進(jìn)行導(dǎo)向機(jī)構(gòu)輕量化的設(shè)計(jì)方案如下：

（1）粉碎顆粒的流體分析。粉碎機(jī)內(nèi)部因轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)而形成氣流，并影響粉碎顆粒的運(yùn)動(dòng)，所以需分析不同大小的顆粒在受到自身重力、錘片碰撞和運(yùn)動(dòng)氣流等影響下的運(yùn)動(dòng)軌跡。

（2）有限元優(yōu)化分析。結(jié)合流體分析結(jié)果，采用流體分析，模擬秸稈在進(jìn)料口和出料口的運(yùn)動(dòng)情況，采用靜力學(xué)分析，模擬實(shí)際工況下，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變變化趨勢(shì)，最終優(yōu)化導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。

3 總結(jié)

（1）結(jié)合秸稈粉碎機(jī)的市場(chǎng)背景和結(jié)構(gòu)原理，擬定整機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)思路，并細(xì)化為粉碎機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的輕量化方案。

（2）秸稈粉碎機(jī)各機(jī)構(gòu)的輕量化方案，即分別采用力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)分析和材料分析等研究方法，運(yùn)用有限元分析軟件，逐步對(duì)各機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備輕量化。

（3）秸稈粉碎機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)方案，為該設(shè)備的輕量化實(shí)際應(yīng)用提供思路，也為今后其他粉碎機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)提供參考。