切碎组合式香蕉秸秆还田机设计

切碎组合式香蕉秸秆还田机设计
李毅;张喜瑞;李粤;梁栋;王娟
【摘要】针对我国热带农业区香蕉秸秆粗大、含水率高、机械化处理设备少等问题,研究设计了切碎组合式香蕉秸秆还田机,确定了切割装置、输送装置、粉碎装置等部件的主要结构参数.本机的成功研制,能够大大降低劳动强度、提高生产效率和香蕉秸秆机械化处理水平,能使热带农业区农民增加收益,同]时防止环境污染,保护生态环境.
【期刊名称】《广东农业科学》
【年(卷),期】2012(039)018
【总页数】4页(P187-190)
【关键词】香蕉秸秆;切碎;还田机;设计
【作者】李毅;张喜瑞;李粤;梁栋;王娟
【作者单位】海南大学机电工程学院,海南海口570228;海南大学机电工程学院,海南海口570228;海南大学机电工程学院,海南海口570228;海南大学机电工程学院,海南海口570228;海南大学机电工程学院,海南海口570228
【正文语种】中文
【中图分类】S224.1+49
香蕉是我国热带地区重要的热带作物，其产业已成为我国南亚热带地区农业支柱性产业，在热区经济和农村社会发展中发挥着重要作用[1-2]。

香蕉秸秆是香蕉产区
的主要副产品，长期以来，由于机械化水平低，缺乏配套的农机具，我国香蕉种植业一直是采用人工方式处理收获后的香蕉秸秆[3-4]。

这种传统方式的弊端主要有
以下4点：（1）工作效率低，劳动强度大，作业成本高；（2）香蕉秸秆堆放到
田边，占用了很大场地，减少了耕地的利用率；（3）由于依靠人力难于及时处理香蕉秸秆，因此目前大部分种植的香蕉留多年苗，品种逐年老化，香蕉产量低、品质差，远不如一年一造一收的优质品种香蕉；（4）香蕉秸秆的综合利用率低。

由于香蕉秸秆具有茎干粗大、含水率高和不易干燥等特点，常规机械化秸秆还田工具对其处理难度极大[5]。

目前，国内外对香蕉秸秆切碎机械的研究仍较少。

国外，如澳大利亚由于其香蕉种植的土地资源非常丰富，香蕉秸秆处理常采用田间自然腐烂，种植绿肥的轮作方式，因此不需专用装备[6]；印度、马拉西亚等国家，在人
工方式处理香蕉假茎的基础上，采用挖茎机对香蕉底部秸秆进行处理[7]。

在国内，我国香蕉主产区部分科研工作者对香蕉秸秆切碎做了一定的基础研究[8-9]，但由
于不能完全切碎秸秆纤维，且功率消耗高，目前部分机具仍处于实验室或小批量试验阶段。

由此可见，香蕉秸秆是一个未被利用的巨大资源，利用机械化处理技术推进香蕉秸秆的综合利用率，既可缓解农村肥料、饲料、能源和工业原料的紧张状况，又可保护农村生态环境，促进农村经济可持续发展[10-11]。

鉴于此，本研究设计了切碎
组合式香蕉秸秆还田机，该机采用圆盘切割刀和粉碎刀相组合切割、切碎原理，能够有效将香蕉秸秆进行切碎还田，其工作效率高，稳定性好，在热带农业区具有一定的推广应用价值。

1 总体结构与工作参数
1.1 样机结构
切碎组合式香蕉秸秆还田机主要由输送装置、切割装置、粉碎装置、间歇机构和链轮等组成，其结构示意图如图1所示。

机架由悬挂装置悬挂在拖拉机上，香蕉秸
秆在输送装置中的滚筒带动下向切断装置方向进给，当输送完一段距离后，滚筒在间歇机构的作用下停止运动，随后切断装置上高速运动的圆盘式切割刀将香蕉秸秆切断下来，落入到粉碎装置中，通过高速旋转的粉碎刀进行粉碎后均匀还田。

1.2 工作参数
切碎组合式香蕉秸秆还田机主要技术参数如表1所示。

2 主要工作部件与参数分析
2.1 切割装置的设计
图1 切碎组合式香蕉秸秆还田机
表1 切碎组合式香蕉秸秆还田机的主要技术参数指标外形尺寸（长×宽×高，mm）配套动力（kW）样机总质量（kg）机具工作幅宽（mm）切割转速（r/min）粉
碎率（%）单位时间燃油消耗量（kg/h）工作效率（hm2/h）参数
1580×870×1080 35.2 400 1500 800 85～90 3.5 0.3～0.4
香蕉秸秆叶片结构的特性[12]表明，香蕉秸秆主要由纤维类物质组成，因此很难被打断或打烂，但很容易被切断；而且在切割过程中，可使层层互相叠裹而成的叶片的叶鞘轻易散开而达到还田的目的。

本设计中，切割装置配置在粉碎装置机架上，要求体积、长度适中、质量轻，操作灵活、方便。

切割器是切割装置的关键部件，对其性能要求是切割速度快、消耗功率少、切割能力强、工作平稳。

结合常见切割器的优缺点，本切割装置的切割器选用圆盘式切割器[13]。

2.1.1 切割转速切割速度是指刀具刀刃上的某一点相对于待切割表面在主动方向上的瞬时速度[14]，切割速度等于刀具转速与刀具半径之积。

切割速度与切割转速成正比，若切割转速太低，切割茎杆时由于香蕉茎杆丰富的纤维可能会缠住刀具，影响切割质量和效率；若切割转速太快，则消耗功率多，造成功率浪费。

因此，合理的切割转速是功率合理利用和切割质量的保证，结合实验室土槽试验和理论分析，
本设计选取切割转速为800 r/min。

2.1.2 切割刀片的选择常见的圆盘割刀刃口曲线形状有光刃圆盘型、锯齿圆盘型、行星回转型和星齿型等几种[15]。

本设计采用圆盘式切割器，并将圆盘到刀边缘加工成锯齿形，其结构示意图如图2所示。

为了防止圆盘刀在高速切割时受力而发
生应力集中损坏刀口，设计中在每个锯齿形的根部加工为小圆弧形。

图2 圆盘刀片外齿示意图
2.1.3 切割刀片参数切割刀片直径的大小将影响香蕉秸秆的切割速度和切割率。

在切割过程中，如果刀片直径过大，旋转的阻力矩增大，机具运行阻力增加，增加动力消耗。

如果刀片直径过小，将会导致切割不完全，影响下一步的粉碎效果。

结合香蕉秸秆的平均尺寸和刀片切割功率要求，本设计选取切割刀片直径为360 mm，刀片厚度为4 mm，切割刀片刀齿为100个。

2.2 输送装置的设计
输送装置是切碎组合式香蕉秸秆还田机的重要组成部分，它影响着机器结构的复杂程度和工作的可靠性。

由于香蕉秸秆长度不一、粗细不均，为保证香蕉秸秆输送稳定，本设计采用滚筒式，主要由挡板、链轮、滚筒、滚筒轴、机架、和间歇机构等组成，其结构简图如图3所示。

工作时，间歇机构在动力输入轴的驱动下，经过
链传动带动链轮运转，从而使滚筒运转带动香蕉秸秆作间歇进给运动，从而为下一步切断香蕉秸秆做准备。

2.3 粉碎装置的设计
图3 输送装置结构示意图
为有效粉碎香蕉秸秆纤维，防止纤维缠绕堵塞，设计中，需要合理的设计粉碎装置。

尤其主要工作部件粉碎刀的设计，其刀片选择、排列方式和受力分析对粉碎装置至关重要。

2.3.1 粉碎刀的设计粉碎刀的重量、形状、材质对粉碎装置的工作能力有很大影响。

刀片材料必须具有很高的硬度和耐磨性，必要的抗弯强度和冲击韧性，良好的工艺性，且不易变形。

香蕉属草本植物，纤维较长且极具韧性，含水量一般达90%以上，而香蕉秸秆纤维回潮率大、吸湿快，普通碳素钢不具备较高的耐磨性和耐腐蚀性，容易磨损或腐蚀，因此，选用优质的碳素工具钢。

本设计粉碎刀采用T12材料，刀片形状选用Y型甩刀，其刀片有效长度L为140 mm，宽度H为60 mm，厚度B为15 mm，其结构示意图如图4所示。

图4 粉碎刀示意图
2.3.2 粉碎刀的排列粉碎刀的排列方式影响香蕉秸秆的切碎效果，合理的排列方式可以提高粉碎质量，提高机器平衡性能好，减少机器震动。

本设计粉碎刀的排列采用双螺线排列，该排列方式可以使刀轴受力均匀，径向受力平衡；相邻两刀片径向夹角大，利于粉碎。

2.3.3 粉碎刀的受力分析工作时粉碎刀作高速旋转，由于离心力的作用，粉碎刀近似处于圆周径向射线位置。

假设切割香蕉秸秆时粉碎刀端部受到均匀的切割阻力为F2，则粉碎刀部分动能用来克服切割阻力，粉碎刀产生偏转角为β，其受力分析如图5所示。

若忽略销轴对甩刀的摩擦力矩，则粉碎刀相对于O1点产生力矩的力主要有重力mg、离心力F1、切削阻力F2，它们的力臂分别是L0sinβ、L1、L2，
设从粉碎刀销孔计刀长为L。

粉碎刀相对于销孔点O1的力矩平衡方程式为：
图5 粉碎刀受力分析示意图
将式（1）整理可得：
由式（2）可知：粉碎刀几何尺寸及粉碎刀安装尺寸一定时，增大粉碎刀质量m，β将减小，因此粉碎刀设计时，质量不宜过小；增大时，β将减小，说明在粉碎刀
质量一定的情况下，把粉碎刀的质量中心向刀端移动，可以获得减小粉碎刀工作偏角的效果，这一点对粉碎刀的结构设计有很好的指导意义；在粉碎刀的质量、几何尺寸及甩刀安装尺寸一定的条件下，增加转子的旋转角速度ω，同样可以使β角
减小，获得较好的切削效果。

3 田间试验结果与分析
3.1 试验基本条件
田间性能试验在位于海南省儋州市宝岛新村进行。

试验的香蕉地条件为：香蕉行距为1 500 mm，香蕉秸秆含水率为83.6%，香蕉秸秆平均直径为385 mm，香蕉
秸秆株高为2 700 mm；试验机具配套动力为SH50型拖拉机，作业速度为Ⅱ挡。

试验的主要性能指标：香蕉秸秆粉碎率、工作效率和可靠性。

试验重复3次，取
平均值。

3.2 试验结果
切碎组合式香蕉秸秆还田机试验结果如表2所示。

从试验结果可以看出，在热带
农业区香蕉地进行切碎作业后，香蕉秸秆粉碎率为87.4%，工作效率为0.39
hm2/h，可靠性为94.2%。

这表明切碎组合式香蕉秸秆还田机切碎良好，符合香
蕉秸秆粉碎的农艺要求，可以达到设计要求。

表2 样机试验性能结果项目粉碎率（%）测试次数工作效率（hm2/h）可靠性（%）123123123测试值86.2 88.5 87.6 0.38 0.39 0.41 93.2 94.5 95.0
4 结语
本研究结果表明，本试验设计的切碎组合式香蕉秸秆还田机采用圆盘切割刀和粉碎刀相组合切割、切碎原理，能够有效切碎香蕉秸秆，整机结构简单，工作可靠。

在完成样机的设计后，对其香蕉秸秆切断性能进行了一定试验，结果表明，该机香蕉秸秆粉碎率为87.4%，工作效率为0.39 hm2/h，可靠性为94.2%，粉碎效果良好，能满足香蕉秸秆粉碎还田技术要求。

本机的成功研制，能够大大降低劳动强度，
提高生产效率，提高香蕉秸秆机械化处理水平，能使热带农业区农民增加收益，同时防止环境污染，保护生态环境。

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