小型可移动式树枝粉碎机设计

前言
果园林的树枝修剪和废株清理不但对环境的护卫有很大的影响，而且是生产质量和提高生产过程中不可缺少的一步。

新疆南疆果园林每一年都会有很多修剪后的废弃的树枝而且这些树枝不容易捆装，运输出来不太容易，修剪后的残枝大量的堆积既影响生活环境，又容易引起果树的病虫害的流传和诱发失火等灾患。

针对大量修剪后的树枝解决问题的有效措施是对修剪废弃的树枝及时进行现场粉碎处理。

因此，本课题设计了一款小型可移动式树枝粉碎机来粉碎新疆南疆的果园、园林的废弃树枝桠，把其粉碎为长度小于30毫米、粒度要小于5毫米的木屑。

其工作方式是在单通道喂料辊喂料、转子总成、齿板以及筛网等的共同工作下完成的非重复式树枝粉碎。

转子总成包括了锤夹板、主轴、锤片、定位套筒、扇叶、销轴等零件。

本课题设计的小型移动式树枝粉碎机的动力来源于拖拉机。

关键词：小型；锤片；树枝；粉碎机
目录
1绪论 (1)
1.1选题的目的及意义 (1)
1.2选题的国内外研究现状 (2)
1.3 研究的内容 (3)
1.4 技术路线 (4)
2小型可移动式树枝粉碎机的总体设计 (5)
2.1 总体设计的目标原则 (5)
2.2粉碎机总体方案的确定 (5)
2.3 工作原理的确定 (5)
2.4 粉碎机构的确定 (6)
2.5 进、出料方式的确定 (6)
2.6 动力及传动方案的确定 (7)
2.7移动装置的选择 (7)
2.8 粉碎机总体方案如图所示 (8)
3关键零部件的设计 (9)
3.1 转子总成 (9)
3.2 喂料装置的设计 (13)
3.3 粉碎室的设计 (14)
3.4 机架和移动装置的选择 (16)
4传动装置的设计 (17)
4.1 带轮的设计 (17)
4.2 主轴的设计计算 (19)
总结 (21)
致谢 (23)
参考文献 (25)
工程概况
由于新疆南疆的果园林每一年都会产生大量的废弃枝桠及修剪后的树枝不能达到效果的处理和使用，所以就可以在果园林地里粉碎后马上就输送出去以方便对粉碎后的物料使用，而果园的实际状况等因素制约了现在有的某些机械设备进来粉碎。

通过对现有树枝粉碎机进行分析和比较，确定了针对新疆南疆果园残枝树枝粉碎机的总体设计方案，设计了一种小型可移动式树枝粉碎机。

总体方案为：树枝从喂料口进入经过喂料辊秩序的进入粉碎室经锤片锤碎，在粉碎室锤片和齿板相互摩擦再次达到粉碎的目的，使物料在粉碎室内在气流和扇叶的作用下被扇出送至接料斗。

对现有的树枝粉碎机进行分析，结合本课题研究的树枝粉碎机将树枝粉碎成长度为30mm，粒度达5mm以下的木屑，其用途也非常广泛。

结合总体方案的设计确定，对转子总成、喂料装置、粉碎装置、传动装置等关键零部件相关参数及尺寸的确定和计算，并进行了组装配合，完成了单通道厚锤片的非重复式粉碎机的设计方案。

利用solidworks软件对粉碎机关键部件进行三维建模及配合。

1绪论
1.1选题的目的及意义
1.1.1选题的目的
我国农业生产中的水果产业中占有重要地位，水果产业的发展不仅要满足市场需求，而且成为一个重要的手段，农民致富，但果园残枝利用问题一直困扰着农民。

我国不少的果园林树木每一年都要修剪树枝条，大部分果园林都会经过稼接等技术措施对种类革新，因此会有很多的残废树枝。

除了修剪后的残枝给农民用作做饭的燃料，很多的修剪后的树枝不能被及时的除掉，大部分的树枝都不可避免地堆放在路边，地面等。

随着社会经济不断发展，果园和园林的树枝修剪和废株清理不仅对环境的保护有重大影响，也是保质增产不可缺少的园艺工序。

新疆南疆的果园林每一年都要产生大量的废弃的树枝和经过修剪的树枝。

在果园的树枝枝桠不易封装和捆绑，运输也较困难，大量残枝的堆积既影响生活环境，也容易造成果树病虫害传播以及引发火灾等安全事故。

解决好果业发展中的残枝和资源化利用的问题，对果园农民的果树的健康成长以及可以给果农带来额外的收入来源等都有很重要的影响，而且解决好这些问题还可以帮助一些环境污染的问题。

以前残枝处理的方法是对其进行填埋、焚烧，这样既容易造成环境的污染，还不能充分的利用好资源。

现在树枝的处理方法是对修剪的废弃树枝进行现场粉碎处理等。

废弃的树枝经过粉碎木屑被广泛使用，可作为绿色有机肥料，压缩成型燃料，沼气发酵，堆肥原料，生物质原料炭化，也可用于培养食用菌培养基材料。

被切碎后的物料，经过了发酵的处理方法还能制成有机肥，可用在果园林或农业施肥等中，将树枝变得更有价值。

1.1.2 本课题选题的意义
研究了一种适用于新疆南疆的移动的小型粉碎机，可将果树上修剪的患病的树枝和植物的清洁和废弃的树枝进行粉碎，树枝粉碎的木屑可以很方便的套袋。

装袋又可以很方便的用现有的果园的运输机运输出去，解决了废弃的树枝等在果园林的大量堆积和搬运的困难等问题，也减轻了大量人力劳动，还减少了果园林产生严重病虫害的可能性等问题。

树枝进行粉碎后的木屑可以根据情况使用，可以粉碎后装袋后运输出来，经过加工等工序制成栽培基质作为各种食用菌的原材料等，用来培养食用菌[1]。

也可用于生物质能源的原料，如碎木屑成块等，作为燃料使用，而且还可以作为用于沼气发酵原料，用于生产沼气等。

本课题主要尝试利用将粉碎后的木屑用作生物质颗粒燃料的原材料。

开发这种适用于新疆南疆果园的树枝粉碎机是为了很好的促进新疆南疆果园林产业化的发展，提高了果园林的机械化生产，降低了生产的成本。

这种树枝粉碎机的研制，可以有效的减少人力的劳动，提高劳动效率。

树枝粉碎机的购买和使用成本低，操作简单方便，性能可靠，安全，降低农民的劳动强度，生产成本也可以降低到农民收入又开发了新途径，环境保护效益和经济效益等是很可观的。

1.2.1我国树枝粉碎机的研究现状
当前，国内的研究者对玉米棒、稻壳、秸秆、麦壳等农作物的粉碎进行了很多的深入的研究，而且也研制出了各种相对应粉碎机械设备。

但是，针对果园林木业的釆伐加工的剩余物，原木材和林木生产的过程中除去了分叉等产生的枝杈、腐烂或不能用的原木段木材等，果园林树木的树枝修剪粉碎的技能及机械配置的专研还是相对于有点少的[2]。

相关设备也不常见。

当前我国最常见和最适用的牵引式树枝的粉碎机，大都是用来粉碎花园或者街道修剪后的树枝等。

因为修剪作业的工作的地点比较分散，就需要粉碎机粉碎和修剪等一起作业，所以就需要相关的拖车设备牵引。

这类粉碎机最大可粉碎直径为200mm以上的树枝，其动力功率一般大都在30kw 以上。

该类型的树枝粉碎机运行起来是稳定可靠的，还能粉碎较大直径的树枝，但机器噪音和能源消耗都比较高[3]。

北京农业推广站研发的SFJ-8.0型的树枝粉碎机作业时，树枝的直径直径大于20mm可经过刀盘切碎后再进入粉碎室中进行粉碎，树枝在锤片的作用下被粉碎成为木屑，当木屑的粒径能通过筛孔时则被抛出。

枝条直径小于20m毫米时，在入口处切成约50毫米，然后进入粉碎室被粉碎。

这种机器适用于中小树枝枝条的粉碎，但是效率不太高，工序较为复杂，成本也比较高[4]。

QS型系列树枝粉碎机可粉碎树枝直径在10-140毫米之间的树枝。

这种类型的机器的转子和切刀都是在主轴上的，但是这种机器不适合对韧性大的树枝粉碎。

唐硕专研了一种由拖拉机来牵引和供应动力的粉碎机，这种粉碎机可以移动起来工作，但是这种粉碎机有点大，工作时对地形要求有一定的平整度，不适合新疆南疆果园林间的工作，而且该机粉碎后的木屑粒度在5毫米以上[6]。

付敏，谌春讳等研发的是先切再粉碎并要求有高细粒度的树枝粉碎机，这主要是集中在发展的粉碎材料高细粒度的实施和设计新的类型的锤子。

粉碎后的粒度较小，可直接适用于生物质的发电等。

但是机器太复杂，往往使材料粉碎高细颗粒，导致低能耗和其他问题[7]。

赵俊等研发的树枝粉碎机设备可以根据切碎滚筒的负荷大小，自动的调整喂入量的多少，树枝切碎直径最大可达300毫米。

该设备包括设备系统，电控系统和液压系统，机型较大，还需要专门牵引机械[8]。

1.2.1.1 我国粉碎机相关机构的研究现状
1、喂入装置的研究现状
送料装置的功能是将树枝条往挤压装置中推送，并在挤压过程中支撑，以适应不同直径的枝条。

我国的送料装置有：（1）朱思洪研究的“浮动式”，主要是给料辊组件，包括进料辊、轴承、液压马达等，这种方式可以适应喂入滚轮组件的上下浮动以适应不同直径的树枝的粉碎:（2）张汉月研究的液压驱动喂料机构，是由液压马达直接驱动拨料轮。

（3）直接喂入方式，即喂料辊转动使树枝均匀喂入操作简单、安全，且进料速率快等。

我国当前即有三种粉碎装置盘式切碎加锤片锤碎和鼓式切碎加锤片锤碎，或直接由粉碎锤粉碎3种结构形式。

其中，盘式切碎加锤片锤碎应用比较广泛。

1.2.2 国外树枝粉碎机的研究现状
目前，有关设备在国外的相关研究和应用有：
KF-150A型粉碎机是由日本公司生产的，可以对修剪的树枝进行粉碎后再利用。

其采用的是二级处理方式即利用气压油压的辊式喂料装置和滚筒切刀的高速破碎，可将树枝粉碎为2毫米的木屑。

粉碎后的木屑可用作田间植被覆盖物、生物质堆肥、制作食用菌培养基等；日本研制的SR3000-1树枝切碎机采取切削刀片和破碎刀片组合，该机有效切削树枝直径最大可达170毫米。

瑞典布鲁克斯公司推出的805CTECo型可移动式树枝粉碎机的功率可达到331KW，同样是使用的鼓式切碎机构，可切碎木材的最大直径为500毫米。

以上所述，国内相关科研院所、科研院所等相关科研机构开展了相关研究，并制定了相关的设备，但是，存在的问题，如有限的工作场所，有限的应用范围，低能耗等问题。

而国外的设备价格太贵，系统也复杂，引进使用的成本比较高，同时也存在一定的使用局限性。

所以，设计一个在用于果园林的可移动小型树枝粉碎机将拥有很大的市场前景和社会需求。

1.3 研究的内容
依据现在国内外的各种树枝粉碎机的结构和原理，结合新疆南疆果园林工作地势的空间狭小和树枝粗细等特点，设计一个移动方便，操作简单，破碎效率高，节能和稳定的小锤，可动枝条粉碎机，粉碎的最大直径为30 mm的树枝，磨粒径小于5mm的粉碎目标。

设计的内容主要有：（1）根据新疆南疆果园林树枝粉碎机的粉碎要求等确定该粉碎机的设计参数并研究确定整机的设计方案
确定粉碎机设计的总体方案和设计目标及设计原则和相关的工作过程是依据可粉碎树枝最大直径为30mm且粉碎粒度小于5毫米的粉碎目标来确定的。

相关零部件组成的设计思想和方案的选择及相关部件的装配。

（2）该机主要部件的计算与设计
根据总体方案的设计，对各关键零部件进行设计和计算，如对喂料装置、转子总成以及粉碎室等的相关零部件的具体设计和研究计算，并且对有关的设计数据进行分析，进一步对整机的整体设计进行完善。

（3）对关键粉碎部件进行三维建模
本课题主要是结合了国内外树枝粉碎机的原理和特点，研究了一种锤片式小型树枝粉碎机，分析并设计了转子总成，喂料装置，传动装置等关键零部件。

本机工作时，操作工人将树枝喂入到进料斗中经喂料辊装置将树枝连续均匀地送到粉碎室中进行粉碎处理；物料经过锤片的打击剪切作用后进入粉碎室，经过锤片和破碎衬板使物料进一步被粉碎，锤片的末端与破碎衬板顶端间隙不超过
5毫米，这样确保了粉碎后的木屑粒径符合要求；树枝经过一次打断和一次粉碎后在扇叶的气流作用下通过筛网经出料口排出。

1.4 技术路线
本课题研究的技术路线如图所示。

图 1-1 技术路线图
查阅相关资料文献
选定粉碎机类型
总体方案设计
关键部件的设计
转子总成 喂
料装置
粉碎室 传
动
装
置
整体装配设计
2小型可移动式树枝粉碎机的总体设计
2.1 总体设计的目标原则
本课题研究设计的可移动式小型树枝粉碎机主要是用于新疆南疆的果园林修剪后的树枝的粉碎。

本机在果园林工作时可以移动着将修剪下来的树枝进行粉碎，而且粉碎的结果可达到要求。

果园林修剪的树枝通过针对直径最大为30毫米的树枝并且实现只有单通道进料，只进行一次粉碎的粉碎目标，这样可以使生产率提高，达到能耗降低的目的。

该粉碎机的具体设计目标原则如下：
（1）可粉碎最大直径为30毫米的树枝
（2）粉碎粒度可达5mm以下
本课题研究设计的机器是将树枝粉碎后的物料用于成型燃料压缩、生物质碳化和沼气发酵等，其要求的粒径不是很细小，所以将粉碎木屑粒径大小定在5毫米以下，长度小于30毫米即可满足设计要求。

（3）该粉碎机有较好的适应性
（4）适用于大型果林、园林
（5）操作简单，安全可靠
（6）生产效率高，使用成本低。

2.2粉碎机总体方案的确定
为了解决新疆南疆在果园对修剪的残枝树枝粉碎的问题，在查阅大量文献和相关设计经验的基础上，针对以上问题设计了一个在果园和园林使用的小型可移动式粉碎机，粉碎机的能量来源于小型拖拉机，查阅资料采用输出轴转速为540r/min的拖拉机，为整体方案的设计供应参考和依据。

2.2.1 主要参数的选择
粉碎机的主要参数的确定是依据生产率的要求和原料的情况。

参考现有粉碎机的粉碎转速大都在1400-2000r/min左右，选取粉碎机主轴转速为1600r/min，生产能力可达到700kg/h。

2.3 工作原理的确定
我国当前即有三种粉碎装置盘式切碎加锤片锤碎和鼓式切碎加锤片锤碎，或直接由粉碎锤粉碎3种结构形式。

本课题研究的树枝粉碎机主要由传动系统、进料装置、粉碎装置、出料装置以及带行走轮的机架等零部件组成，其工作原理是拖拉机作为动力，拖拉机的输出轴和变速箱的主轴用万向联轴器相连接，变速箱的另一端输出轴和转子一端的输入轴通过带轮相连接，转子总成的另一端输出轴与喂料辊也用带轮相连。

树枝从喂料口进入经过喂料辊秩序的进入粉碎室经锤片锤碎，在粉碎室锤片和齿板相互摩擦再次达到粉碎的目的，使物料在粉碎室内在气流和扇叶的作用下被扇出送至接料斗。

2.4 粉碎机构的确定
树枝粉碎设备的粉碎机构主要包括锤片式粉碎机中的锤片、破碎衬板，筛网以及辊式粉碎机的压辊等。

这些有关的零部件是对物料直接作用的，当对物料施加的作用力大于其内部凝聚力时，可以使物料的内部结构被破坏从而进行粉碎。

粉碎机粉碎部件施加的作用力粉碎的方式主要有压碎、磨碎、锯切碎和击碎等[9]。

（1）压碎
利用两辊轴采用相同的转速相对运动来对物料挤压和摩擦从而达到破碎的目的的这种粉碎方式即为压碎。

这种粉碎方式的不足之处是不能对物料进行充分粉碎。

（2）磨碎
使用两个盘式的带有齿槽的部件，通过相对移动对物料产生切削和摩擦力的作用使其被破坏的粉碎方式称为磨碎。

这种方法大多适用于含水率较低的非油性材料，可具体视现实需要来加工成粒度不同的产品，多用于制粉。

（3）锯切碎
采用双齿面与齿形零件以不同转速相对旋转或相对运动的材料产生锯切作用，在剪切力作用下使材料被破坏的方式称为锯切。

对于谷物饲料的粉碎该方式使用较多。

（4）击碎
当高速运行的相关工作部件冲击材料时，材料被一瞬间冲击力大，这是用于对脆性材料的破碎，而且破碎的范围是非常大的。

但是这种方式的不足之处是要求工作部件的速度快，会带来一定振动和噪音。

根据本课题设计粉碎机的目标原则，本课题研究的粉碎机不宜釆用过大机型的设计且粉碎后粒度要求适中。

所以，综合考虑锤片式粉碎方式可以很好的到达设计目标的标准，而且锤片式粉碎机还具有结构简单、制作方便、适用性较广、生产效率高；容易控制物料的粒度、没有空转等特点。

本课题钻研设计的粉碎机的工作原理和动刀与定刀的工作原理类似，本机设计的是有关粉碎零部件对树枝直接进行粉碎处理，树枝的粉碎需粉碎部件的剪切后在进行粉碎，而锤片的工作原理正好具有剪切和粉碎的作用。

所以，经过多方面的考虑后最后选择并确定了锤片式粉碎结构作为本课题研究的粉碎机粉碎构件的设计方案。

2.5 进、出料方式的确定
2.5.1 进料方式的确定
进料口位置主要有轴向进给、切向进给、径向进给等[10]。

然而本课题设计的粉碎机主要采用的的是锤片对树枝的打击剪切作用从而达到粉碎德牧的的，所以本课题进料口的方式采取的进料方式为切向进料的方式。

由于该课题研究设计的粉碎机的粉碎对象是树枝，所以，为了减小机型体积，简化结构，节能，本课题研究设计的粉碎机将不会使用传统的切割盘将枝条切割成木屑后再喂入粉碎室粉碎的方式，
而采取的是将树枝直接送入研磨室，并在锤片的作用下将树枝直接压碎。

所以，本课题研究选择的进料方式为进料斗加喂料辊喂料的送料方式，这种方式进料操作安全可靠，而且进料的速度快。

2.5.2 出料方式的确定
粉碎机使用较多的出料装置有三种主要方式即自重出料、气力输送出料及机械输送出料[11]。

气力输送方式是因为其气流的特点对物料水分的挥发有帮助，而且可对粉碎设备和物料进行冷却，并且气流的作用还能使筛网的出料能力提高，使生产率的提高。

但成本较高，能耗较大。

由于其成本低、结构简单，在中、小型机器上大多使用了自重出料的方式。

但其不足之处有除尘、输送不便、消风等。

机械输送方式大多采用螺旋输送机配合加负压吸风和料斗出料装置。

但是其机型设备过大，价格昂贵，功耗较高，多适用于大型多功能粉碎机中。

综合上述的特点分析，本课题研究的粉碎机是小机型，并且粉碎后的木屑粒度不是太大，设计时釆用的是非重复式一次性粉碎的粉碎方式。

所以，本粉碎机的出料方式釆用的是转子总成上的扇叶扇料的方式即粉碎后的木屑在粉碎室的扇叶气流作用下，经过筛网扇至出料口出料。

2.6 动力及传动方案的确定
由于该课题设计的是能够移动的树枝粉碎机，而且多用于新疆南疆果园林间的修剪后的树枝的粉碎，所以为了能够在果园林等缺乏电力资源的情况下并且需要在不同的地方移动着工作，本粉碎机的动力采用拖拉机。

粉碎机主轴所需转速在1400r/min到2000r/min之间的转速较为常见，所以采用变速箱和拖拉机相连接，改变输出转速，达到所需粉碎的转速。

因此，考虑到V带传动具有传动平稳、结构紧凑、缓冲吸振、价格低廉等特点，本机设计的驱动装置采用的都是V带轮。

2.7移动装置的选择
本课题研究的粉碎机的移动装置是通过小型带后板的拖拉机来拖动的，不需要进行太复杂的移动装置，只需在机架上安装移动行走轮和连接拖拉机牵引装置即可。

机架上安装了可折叠式的支撑架，当需要卸载机械时可把支撑架放下支撑机架，防止机械到处移动。

2.8 粉碎机总体方案如图所示
(a)
(b)
1.进料口
2. 喂料辊
3. 上箱体
4.锤片
5.扇叶
6. 锤架板
7.筛网
8.出料口
9.接料斗10. 行走轮11.齿板12.下箱体
图2-1 粉碎机总体结构图
3关键零部件的设计
3.1 转子总成
转子组件是设计粉碎机的重点，它是粉碎树枝最主要的部件，并且是直接和树枝相作用的。

转子组件的有关零件的设计直接确定了粉碎机的功能。

当机器作业时，高速旋转的转子组件对树枝粉碎，有关零件和部件设计的优点和缺点，确定了树枝被破碎的质量，整个机器的平衡以及产生的振动和噪音，机器的耗能和生产率等。

如图3-1所示为树枝粉碎机转子总成的总体设计图。

图3-1 转子总成
该课题设计钻研的机器的转子组件的重要零件包括锤片、主轴、销轴、扇叶、锤架板、定位套筒、等，其结构示意图如图3-1所示。

锤架板的结构采用的是支撑板销孔的设计，主轴用轴套套入与架板与之间紧固连接；锤片与间隔套筒分别在4根销轴上间隔排列，套筒与销轴采用径向通孔螺栓紧固连接。

每根销轴上布置3块锤片，共12块。

主轴轴套上带有扇叶，可在转子运转时及时把物料输送出去。

3.1.1 锤片的设计
粉碎机用来打击剪切树枝的重要零件是锤片，也是主要的易损件。

锤片的形状、尺寸、数目和排列方法对粉碎机的度电产量，成品粗细度均有一定的影响。

1)锤片的形状、材料、尺寸和数目
（a）普通矩形锤片（b）（c）（d）工作棱角堆焊耐磨合金材料矩形锤片（e）（f）（g）端口形状特殊设计矩形锤片（h）锯齿圆形锤片（i）（j）组合锤片（k）锤头刀具（l）双棱形锤片
图3-2 不同锤片形状
在本课题中，机器的粉碎过程主要是依赖于锤片的击打和冲撞作用来对树枝的粉碎作用，完成树枝的粉碎的目的。

因此在选择锤片时应考虑到不同形状锤片的优缺点，要考虑到其粉碎效果要求，锤片使用寿命及设计成本等问题，本课题设计的锤片将选用双销孔式普通矩形锤片，如图3-2所示。

其具有结构形状简单、容易制造、适用性好以及节约材料等特点，通过换销孔和换边的装配，可以轮换着使用四个角来工作。

本课题锤片的设计结合现有锤片厚度的优缺点以及设计的树枝粉碎机要求粉碎后的木屑粒度不算很小，而且设计的思路为非重复式一次性粉碎的方式，完成粉碎主要是依赖于锤片的锤打和打击剪切枝条来实现粉碎的具体情况和考虑需要延长锤片使用寿命等的要求以及转子布列要求等，从较宽较厚的方向对进行锤片设计。

参考现有常规的矩形锤片的尺寸及本课题设计的粉碎机粉碎室的相关尺寸，为实现对树枝有效剪切粉碎达到所需要的粒度要求，锤片末端到齿板的距离为5毫米。

所以本课题设计的锤片长度为160毫米，厚度设计为12毫米，宽度为50mm 的锤片。

(a)
(b)
图 3-3 锤片
粉碎机的生产能力和功能损耗是受锤片的数量的影响。

锤片太多，工作时产生的环形气流大，使粉碎的物料大部分都集中在环流上，这样不仅使物料减少了被打击机会，空载功率也会增大，导致粉碎能力下降，生产率降低。

国产系列粉碎机选用的锤片数目为16~12片。

根据试验，16~12片生产率高，钢材消耗不多，而且锤片磨损后易于平衡。

锤片数目76.115
14042.01=⨯==δB
K Z ，式中：δ为锤片厚度，1K 为锤片配制系数，42.0~28.01=K ，想得到较大粒度需取小值。

最后结果圆整Z=12，锤片所采用材料为45Mn 钢，两头采用热处理，硬度为62~56HRC 。

2) 锤片的排列
锤片的布列形式，对转子的均衡、物料在粉碎室内的散布以及锤片的使用寿命等有关系，锤片。