秸秆切碎机的设计

秸秆切碎机的设计
摘要
我国农村有着种类多、分布广、数量大的秸秆资源，积极发展秸秆养畜，实行农牧结合，形成节粮型的畜牧业结构是符合我国国情的畜牧业发展的有效途径。

随着畜牧业的发展，草饲料加工机械也得到了大力发展，铡草机是应用较广泛的草饲料加工机具之一。

新型秸秆铡草机能扩大饲料来源，改善秸秆品质，避免粗饲料茎杆部分不被采食的浪费。

但铡草机在使用过程中，性能的某些方面还不能满足广大用户的需要。

因此，本文针对铡草机关键部件切碎器进行分析研究，为铡草机今后的改进提供理论依据。

本文铡草机刀片的切割方式、滑切角、刃磨角和材料等方面进行分析研究，在刀片结构设计上提出改进措施，为刀片进行优化设计提供了必要的理论依据。

最后，本文对铡草机样机进行工作性能试验，证明改进后的铡草机性能良好。

这种基于Auto CAD装配的设计方法可使设计方案交流方便，整体设计程序更具有灵活性和高效性，缩短了产品研发周期。

关键词：铡草机；刀片；CAD设计
Abstract
In our country，resources of stalks are rich in the field，with widespread and large in amount. It is available method which accord with developing stockbreeding，With the development of animal husbandry，the grass feed processing machinery was developed vigorously. The straw cutter is one of the widely used machines. to develop stalk feeding livestock，to carry out farming and herding combined，and to form stockbreeding structure of saving grain. By a new chaff box machine，the range of feedstuff was enlarged，the quality of straw－stalk was improved，as a result，the waste of coarse fodder of straw－stalk was decreased. the thesis’s aim is to analyze and study the key parts of the machine，so that the theoretic gist is offered to inporve dthe sign of chaff box. A knife of the machine was analyzed from these aspects which include kinds of cutting way，shape of cutter－edge，material and so on．the theoretical gist was offered for optimizing design of the knife. parts of chaff box machine were drawn，the result confirmed that the machine was good. The way of Auto CAD design has more flexibility and effectiveness，reduces the development cycle of product.
Key word：chaff box ；knife ; CAD design
目录
摘要........................................................................................................................................ 错误！未定义书签。

1.1国内外草饲料加工机械的发展现状 (4)
1.2国内外铡草机的发展现状 (5)
1.3课题的提出及意义 (5)
1.4本课题主要研究内容 (6)
2 铡草机结构设计 (6)
2.1秸秆的切碎特性和力学特性分析 (7)
2.2喂入机构设计 (8)
2.3切碎器设计 (8)
2.4传动系统设计 (8)
2.5出料装置设计 (9)
3铡草机分析和参数设计 (9)
3.1切碎原理分析 (9)
3.2动刀参数分析 (9)
3.2.1滑切角 (9)
3.2.2推挤角 (10)
3.3电动机的选择 (10)
3.4轴的设计和轴的安全校核 (11)
3.4.1轴的设计 (11)
3.4.2轴的安全校核 (11)
3.5带轮参数设计和V带选择 (11)
3.6铡草机主要技术参数确定和效果图 .................................................................. 错误！未定义书签。

3.6.1切碎长度 ................................................................................................... 错误！未定义书签。

3.6.2切碎机生产率 ........................................................................................... 错误！未定义书签。

4 总结 (12)
致谢 (13)
参考文献 (14)
1引言
我国农村有着种类多、分布广、数量大的秸秆资源，积极发展秸秆养畜，实行农牧结合，形成节粮型的畜牧业结构是符合我国国情的畜牧业发展的有效途径。

随着畜牧业的发展，草饲料加工机械也得到了大力发展。

经济的发展和人们生活水平的逐步提高，对畜产品的需求有了较大的增加，大力加强和发展畜牧业将是中国农业的主要发展方向。

畜牧业近期实行节约粮食型，远期看将依靠饲草料粮。

饲草料是发展畜牧业重要的物质基础，我国虽然是农业大国，但人均占有粮食不足400千克，距世界公认的粮食过关标准500千克相差甚远，与发达国家相比差距更大。

显然对我国而言，仅仅依靠粮食生产饲料来发展畜牧业这条路是行不通的。

目前，减少畜牧用粮的办法有[1]：(l)发展配合饲料并改良畜禽品种，以提高饲料转化率；（2)调整畜牧业结构，发展饲草料转化率高的家禽生产；(3)加强防疫灭病，减少畜禽因死亡造成的饲料损失；(4)饲、粮分流，以一部分耕地种植优质高产饲草料作物；(5)大量开发利用非常规饲草料资源。

其中前四点已经受到注意，第五点对于减少饲料粮消耗有重要的意义，却一直未被重视。

在“非常规饲草料”中，农作物秸秆等数量最大、分布最广，自然成为发展畜牧业的首选突破口。

秸秆作为一种资源，已受到世界各国的关注和开发利用。

我国人口众多，而耕地面积有限，为了减少畜牧业对粮食的依赖，因此，更要充分开发和利用各种饲草料资源。

据资料统计[2]，我国每年农业生产中所遗留的各种农作物秸秆大约有6亿多吨，其中约30％为玉米秸秆。

如果充分利用秸秆加工技术，如切碎、揉碎和粉碎以及青贮与氨化等，把秸秆加工成饲草料，不但可以节约大量的粮食，还可以过腹还田，充分利用氮、磷以及各种有机物成分；提高微量元素的循环利用率，达到培育地力、提高土壤的肥力、改善土壤土粒结构的目的，起到防止土壤风蚀、沙化和退化的作用。

据报道，从“八五”到“十一五”期间，我国的秸秆利用率有了很大提高，其中：青贮饲草料约6000万吨，氨化秸秆约3500万吨，每年可节约粮食约2000万吨。

近年来，我国每年的农作物秸秆总产量数量可观，并逐年增多。

据估测，可用于粗饲草料的秸秆约为总产量的20％—40％，相当于欧洲与美国的用量总和。

但是，我国农业秸秆资源的利用率只占世界先进水平的30％。

因此，在我国秸秆的开发利用方面还有很大的发展潜力和空间[3]。

秸秆是一种粗饲草料资源，尤其在反刍家畜的饲草料来源中，秸秆类粗饲草料占相当重要的地位。

但秸秆类粗饲草料普遍具有质地粗硬、咀嚼费力、适口性差、粗蛋白含量少、消化率低等特点。

因此，必须对其进行合理加工或相应的处理，以提高其利用价值。

近年来，对农作物秸秆这一生物资源的开发利用在国内外引起了高度重视，内外的许多科研部门和学者在合理利用和深度开发农作物秸秆产品方面做了大量的科学研究工作，对农作物秸秆的加工特性研究也有了较大的发展。

各式各样的秸秆加工机具、设备、配套工艺和秸秆物料产品应运而生，也为进一步设计与开发新型机具、新工艺和新技术提供了一定的理论依据和试验基础，开辟了农作物秸秆资源充分开发和利用的新途径[4][5]。

秸秆加工方式及设备根据施力形式与加工方式的不同而不同，秸秆加工的基本受力原理主要有弯曲、拉伸、折断、剪切、冲击和揉搓等破坏形式，以及压缩流变等。

研究表明，由于农作物秸秆具有韧性大、易变性等特点，适宜采用的加工方式一般是切割（砍切、滑切）、揉搓（切）、粉碎与压缩。

目前，广泛应用于农业生产中的秸秆加工机具主要有铡草机、粉碎机、揉碎机和压捆机等[6]。

1.1国内外草饲料加工机械的发展现状
由于绝大多数可用于粗饲草料的农作物秸秆具有杆节粗大、质地坚硬等特点。

导致牲畜采食困难、咀嚼费力、适口性差、消化率低，其代谢能的利用率也较差。

因此，应对其进行合理加工与处理以提高利用价值，这也就为各种秸秆加工机械和加工工艺提供了良好的应用平台和发展机遇。

我国秸秆加工机械起步较晚，但发展速度较快[7][8]。

其中铡草机是较早定型并广泛推广使用的产品之一，该机型主要利用切割的工作原理来加工秸秆。

它具有结构简单、功耗低、生产率较高等特点[9]。

铡草机把秸秆
切成段状，来满足喂饲需求，但是，在加工过程中一般无法破碎秸秆的茎节，且部分切碎段粗大，从而影响了牲畜的采食和消化吸收，造成较大浪费。

秸秆粉碎机是目前应用比较多的另一类秸秆加工机具，其加工原理主要是冲击粉碎。

粉碎机具加工出的秸秆饲草料因粒度细小而不利于反刍家畜的消化，因此主要作为秸秆饲草料制粒和压块等工序的前处理[10]。

另外，秸秆粉碎机还具有动力消耗较大，噪声高等缺点。

秸秆饲草料揉碎机是我国近年来研制的一种秸秆加工的新机型，包括揉搓机和揉切机。

揉搓机主要采用拉伸、揉搓和粉碎的加工原理，综合利用了剪（砍、滑）切、揉搓和粉碎的加工方式，使秸秆在加工过程中既能受到多次打击，又能受到不断的揉搓和粉碎，处理过的秸秆较好地满足了加工质量的要求，可将秸秆加工成具有一定长度和粗细度的丝状段，大大提高了加工物料的采食率和消化率，深受广大用户的好评和欢迎。

我国草饲料加工设备已有一定的发展，某些已经达到国外九十年中期的先进水平[11]。

欧美以及一些畜牧业比较发达国家在秸秆加工机械应用方面起步较早，相继研制生产出许多技术性能优良、工艺性和配套性先进的秸秆加工机具和设备。

多年来，国外一直以发展自动化程度高、通用性好的大型秸秆和饲草料加工机具为主，大幅度提高了生产效率和秸秆与饲草料的加工质量[12]。

1.2国内外铡草机的发展现状
铡草机也称切碎机，主要用来切断茎秆，如谷草、稻草、麦秸、玉米秸秆等。

适用于作物乳熟期的青贮。

铡草机按机型可分为小型、中型和大型；按切割方式不同可分为滚筒式和圆盘式；按固定方式可分为固定式和移动式。

大中型铡草机为了便于抛送青贮饲料，一般都采用圆盘式，而小型铡草机以滚筒式为多[13]。

铡草机是我国使用最早和生产量较多、应用比较广泛的饲草料加工机械之一。

早在上世纪三十年代，我国广大农村开始应用手压铡刀，来实现长草短喂的饲养方法。

中华人民共和国成立以来，先在农村推广了手摇铡草机。

50年代我国是以仿制原苏联的产品为主，如风送铡草机。

60～70年代开始自行研制，但没有形成系列，也没有标准可循。

1.3课题的提出及意义
饲草料加工工业的迅速发展对饲草料加工机械的设计和制造提出了更高、更新的要求，要求饲草料加工机械工业迅速提高制造装备能力和工艺水平。

近20多年来，我国饲草料加工机械和加工技术取得了非常显著的进步，机具的品种规格不断增加，产品质量不断提高，一些特殊工艺要求的机械设备也迅速发展起来了，特别是通过引进技术和关键加工设备，与外商合资合作生产等方法，使国产草饲料加工设备的技术水平已接近国际90年代初的水平。

但是，要适应经济全球化的发展和国际饲草料集团进入中国市场参与竞争的挑战，饲草料加工机械依然面临着改进工艺、降低能耗、降低成本、优选材质、提高精度、成套供应和售后服务的国际竞争，与发达国家的先进科学水平相比，仍然存在一定的差距。

随着节粮型畜牧业的发展，为此应加快研制各种类型和规格的饲草料加工机具，重点解决提高生产率，降低能耗，改善加工质量，以适应不同用户需求。

为了适应快速发展的市场要求，企业必须要有高度柔性，对市场的变化作出快速敏捷的反应，并及时对自身的生产做出合理的调整与重新规划。

将促进我国饲草料加工机械产品质量进一步提高；另一方面，有利于我国草饲料加工机械进入国际市场竞争，提高竞争力。

目前我国在秸秆加工机械设备设计和制造中存在一些问题：饲草料加工机械多属中小型厂家，自主研发能力、科技创新能力和系列化、通用化、标准化生产水平较低，专业化生产厂家较少，生产出的机具型号杂乱。

目前，秸秆切碎是秸秆加工处理的主要工艺之一。

铡草机(含青贮切碎机、青饲料切碎机、多功能铡草机)是畜牧业生产中重要的饲草料加工机械。

随着我国畜牧业由“耗粮型”向“节粮效益型”的战略转移及农区畜牧业“秸秆过腹还田”工程的推进，饲草料加工机械得到了长足的发展和广泛的应用。

铡草机以其结构简单、操作方便深受广大养畜用户的欢迎。

而
切碎器又是其主要工作部件，切碎器性能的优良程度决定了铡草机的性能的好坏。

改善切碎器的性能，提高切碎质量和工作效率，降低功率消耗一直是农（牧）机械行业所重视的问题。

目前铡草机的切碎器的形式有轮刀式（盘刀式）和滚筒式两种[13]。

其中滚筒式切碎器多用于青饲料收获机上，轮刀式多为铡草机所用。

轮刀式切碎器动刀片刀刃的类型主要有凹曲线型、凸曲线型和直线型。

大中型铡草机多采用曲线型，小型铡草机多用直线型。

那么如何设计、选择动刀片的形状与结构，是铡草机生产中的一个非常重要的问题，它直接影响着铡草机的工作质量和效率。

就现代机械设备设计生产而言，解决这个问题有效的方法之一就是在计算机上进行模型化设计和运动仿真设计，即利用虚拟设计技术。

它是利用计算机模拟技术比较真实地模拟机械的工作状态，能够在虚拟的状态下设计、制造、测试和分析产品；有效的解决那些在结构参数、制造技术、生产质量等方面存在的问题，从而大大缩短设计和研发周期，降低了制造成本，提高生产效率，加快产品的生产和更新换代。

先进的计算机技术，尤其是虚拟设计技术的发展与应用，对解决上述类似问题提供了有效的方法和手段；为产品的开发提出了新型的设计思路。

这种设计方法将对铡草机系列产品的开发提供了一个良好的研发平台和手段，同时能够很好的实现产品的柔性制造。

与传统的设计方法相比，在机械的设计、制造加工、安装调试、试验改进等很多方面都具有非常明显的优势。

因此本课题主要针对铡草机各主要工作部件，利用虚拟设计技术进行改进设计，并进行试验分析研究，为该类机具的改进提供相关的依据和方法。

1.4本课题主要研究内容
1）对切碎器进行结构分析并确定其主要结构参数。

2）对切碎器各部件参数化建模。

3）在虚拟环境下对各部件进行装配，并对其进行干涉检验，然后按预定的规律进行仿真运动。

通过对铡草机切割过程分析，确定影响其切割性能的主要结构参数。

4）最后得出结论，提出新的研究方法；为后续研究类似农牧业机械提供理论依据。

2 铡草机结构设计
铡草机又叫秸秆切碎机，其主要结构主要由切碎器、喂入槽、出料装置、带传动、防护装置和电动机等部件组成。

小型铡草机采用圆盘式切割器，由电动机带动，以带传动做为传动装置。

破碎室采用3片动刀片设计，破碎室内侧固定一片定刀以保证切削质量，切碎的秸秆由出料口自动排出。

总体结构图设计如下：
图2-1 铡草机总体结构图
2.1秸秆的切碎特性和力学特性分析
国外对秸秆切碎的研究集中于麦秸、稻秸等软茎杆，主要分析切碎能耗、切碎长度和切断效率的各种影响因素，如分析切割速度、割刀参数、受切根数等因素对切割过程的影响，指出秸秆切割过程中有一临界速度范围，低于临界速度，能耗和无效切割快速增加;大于临界速度，能耗基本不变，实际切割长度接近于理论长度根据国外对麦秸、饲草等软茎秆的拉伸强度、剪切强度、弹性模量、刚度模量等物理特性研究资料。

秸秆的力学特性测试结果见表2-2，棉秆的剪切强度远远大于麦秆，同时棉秸秆。

中级木材和高级木材的剪切强度相当。

生物质抗压强度普遍较小，且纤维较长，物料间自碰撞破碎的概率较小，故采用剪切力破碎方式最为有效。

表2-2 秸秆的力学特性测试结果（Mpa）[14]
根据以上分析，我们选择直刃刀切碎作为秸秆等硬茎秆切碎的设计方案。

2.2喂入机构设计
喂人机构就是喂入槽。

小型铡草机的喂入槽采用阔口人工送料方式的设计，由操作者持续不断地把要铡切的秸秆推进喂入槽中去，伸进切碎器切削刃范围的内的秸秆被切断，重复填料动作。

2.3切碎器设计
切碎器是秸秆切碎机的重要工作部件。

它的参数设计是否合理，对切碎质量、功率消耗以及机器运转均匀程度有直接影响。

兼顾设计、成本、使用和维护方便，选择直刃刀切碎作为秸秆切碎的设计方案。

小型铡草机采用圆盘式刀刃切碎方式。

采用适合于硬茎杆切碎的直刃刀的轮刀式切碎方式，具有滑切性能好、产量高、能耗低等特点，适当增加动刀架的质量，既增加刀架的转动惯量(即刀架质量)，以补偿由于阻力矩变化所引起的运转不均的缺点，改善切碎性能。

所设计的切碎机动刀片数为3，均布于动刀架上，其动刀架结构简图2-3。

为了切割动作顺利完成，在破碎室内侧加一片定刀片，同时适当提高动刀切削的速度，保证刀具刀刃的锋利[15]。

切碎器刀片结构简单，制造、安装和磨刃方便。

图2-3 直刃刀动刀架简图
2.4传动系统设计
考虑到小型铡草机的使用方便和生产成本，铡草机采用V带组传动，切碎机传动系统：由电动机产生的动力经带传动传给动刀轴，轴带动刀架上的刀具完成切碎秸秆的动作。

传动轴的零件强度和刚度校核。

2.5出料装置设计
铡草机在完成对秸秆草料的切碎动作之后，铡切好的短秸秆由出料口自动滑出来，在本设计中，
mm mm的阔口，铡草机工作过程中，铡草机的简易出料装置是在破碎室下盖底端留出一个100*150
不断滑出来的碎秸秆需要人工搬动一下。

3铡草机分析和参数设计
3.1切碎原理分析
按刀片刃线运动方式，切割可分为砍切和滑切两种。

砍切时刀片切割点M运动方向垂直刃线，而滑切时刀片切割点M运动方向不垂直刃线。

由于滑切使刀片斜置切入，实际刃角相应变小，刃线变锐，切割阻力减少，因此滑切比砍切省力，且在一定滑切角范围内，滑切程度越大，切割越省力。

当刀片产生滑切时，切割点M速度V分解为2部分(图3一1):滑切速度Vt，方向平行刃线;砍切速度Vn，方向垂直刃线。

速度V和Vn夹角为滑切角?，在一定滑切角范围内，滑切程度越大，切割越省力[16]。

图 3—1 刀片的滑切
3.2动刀参数分析
3.2.1滑切角
直线型刀片的滑切角 在数值上等于刀片刃线AB与切割半径r之夹角(图3一2)。

为了保证刀片有滑切，其刃线AB至回转中心O应具有偏心距e。

图 3—2 切碎器的结构示意图
式中：1ψ、2ψ——秸秆与刀片之间的摩擦角。

根据文献资料（陶南，1991），取112ψ=，2ψ=38，则50x ≤。

由图3一2可得：
tg τ=
上式说明，从切割开始到终了，随着切割点外移，切割半径r 的增加，刀片的滑切角逐渐减小。

因此，刀片切割阻力矩随着切割半径的增大，滑切角的减小，切割阻力的增大而增大。

所以本文中的动刀偏心距62e mm =。

3.2.2推挤角
图3一2中，动刀刃线AB 与定刀刃线CM 间的夹角为推挤角x.切割时如果推挤角过大，秸秆受刀片作用，会先沿刃线一侧滑移，逐渐集中在最后阶段切割，结果造成刀片负荷不均，刃线末端磨损严重，碎段变长，切碎质量变坏。

因此，为保证切割稳定，不产生滑动切割，满足如下切割条件：
12x ψψ≤+
图3一2中，由三角形OGH 和HCD 相似关系可知，推挤角x 在数值上等于回转角p ，p 在切割过程中逐渐减小。

故刀片推挤角随着切割点外移、回转角的减小而减小。

从以上分析可以得出，直刃刀刀片的推挤角变化比较合理，而滑切角和阻力矩变化不够理想。

因此，为了改善其切碎性能，本设计采用提高切碎器转速和增大其本身转动惯量(即刀架质量)的方法，来补偿由于阻力矩变化所引起的运转不均的缺点。

通过将动刀架与甩抛轮设计为一体，既可增加刀架的转动惯量，又可改善切碎物料的甩抛性能。

3.3电动机的选择
根据设计要求的功率，本设计选取Y90L-4 电动机作为动力输出设备，电动机的的功率为P0=1.5KW ，
转速为n1 =1400r/min ，功率因数
ρ=0.79. 电动机的最大输出功率P P= ρ* P0=1.185KW 电动机的其它参数：50E =、56C =、125B =、90H =、190HD =、140A =、180AB = 与电动机配合的带轮选取实心带轮，带轮180D mm =，小径124d mm =；同时采用A 型圆头锥度
1:100的楔键固定，其中楔键参数*8*50b L =。

3.4轴的设计和轴的安全校核
转轴的材料选取为45#钢材，鉴于切断秸秆时功率较小，本文采用电动机的最大输出功率来设计和校核。

3.4.1轴的设计
后得到246k Φ轴径与轴承配合处：0.021240.008
+Φ+，采用A 型园头楔键固定带轮，楔键参数：**10*8*50b h L =。

3.4.2轴的安全校核（简略版）
轴的弯矩由带轮对转轴的压力与刀架带动的刀具切断秸秆的传递来的压力所产生的弯矩组成，转轴采用双支架设计，因为弯矩较小，设计时候可忽略不计。

转轴的抗扭矩强度校核： 由公式：639550*10[]0.2T
f P T n W d ττ==≤ 得：
11.09d A === 其中 45#钢材料的转轴Φ24 带论处0A 取值范围为：118—107，此处取值为0A =118
而在传动轴的带轮接触处，由于单键槽的设计存在，转轴的理论直径min d ：
min *3%11.4d d d =+=
11.424≤mm 所以轴的抗弯矩设计校核安全。

3.5带轮参数设计和V 带选择
4 总结
本文对铡草机设备作了试验性质的理论分析工作和虚拟装配，建立铡草机的3D数学模型并进行实验验证。

还需进行优化设计以提高设备的利用率。

与传统制造技术相比，数字化制造技术的核心是建模与仿真技术。

在数字化制造中，利用建模技术建立与物理样机相似的数字化模型，并对该模型进行仿真、实验和评估，从而达到提高产品质量和缩短研制周期以及实现从传统制造向可预测制造转变的目的。

把这种制造技术应用于农牧业机械行业中可以大大改善我们该行业的现状。

同时虚拟设计装配还可以在建立物理模型后，如果可以得到其实际工作状况下的受力及材料的边界条件，可以通过其它软件分析其强度，刚度及危险截面等功能的操作，这一点也是本文以暂没涉及到的，以后也需要继续在这方面学习研究。

致谢
首先向论文辅导老师xx老师表示衷心的感谢和由衷的敬意！文章是在导师的悉心指导和严格要求下完成的。

导师渊博的知识，严谨、认真、科学的治学态度，求真务实的科研作，诲人不倦的敬业品德，乐于助人的师表精神不仅使作者在知识上受益匪浅，而目在学习态度、治学方法、为人做事上也受到了潜移默化的影响着我，这些都将使我终生受益。

导师在论文选题阶段以及论文写作过程中富有启发性的指导是本文得以顺利完成的重要保证，同时也感谢机械电子系领导给我论文设计过程中的无私的帮助，尤其在教学资源上给予我们的支持和帮助。

他们的帮助，为我的论文顺利完成并增色不少，我论文的顺利完成与大家共同的帮助是分不开的。

特别要感谢我曾经的和现在的各位老师，正是他们用自己辛勤的劳动多年以来一直培养着我、激励着我，是他们给子我成就理想、放飞希望的动力和源泉。

再次感谢我的同学的帮助，感谢所有关心过我和给子过我帮助的人！。