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切碎机说明书毕业设计
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第1章绪论
1.1本研究的目的和意义
中国是农业大国，也是秸秆资源最为丰富的国家之一。
历史上，中国有利用秸秆的优良传统，农民用秸秆建房蔽日遮雨，用秸秆烧火做饭取暖，用秸秆养畜积肥还田，合理利用秸秆是中国传统农业的精华之一。
在传统农业阶段，秸秆资源主要是不经任何处理直接用于肥料、燃料和饲料。
随着传统农业向现代化农业的转变以及经济、社会的发展，农村能源、饲料结构等发生了深刻变化，传统的秸秆利用途径发生了历史性的转变。
在经济发达的地区，秸秆低效不清洁的直接燃烧利用方式已不适应农民生活水平提高的需要，富裕起来的农民迫切需要优质、清洁、方便的能源。
农业主产区秸秆资源大量过剩问题日趋突出，农民就地焚烧秸秆，不仅带来污染大气的严重后果，还因烟雾造成了附近机场飞机不能下降，高速公路被迫关闭的严重社会问题，引起了全社会的关注。
我国政府十分重视秸秆禁烧和综合利用问题，1999年4月，国家环境保护总局、农业部、财政部、铁道部、中国民用航空总局联合颁发了《秸秆燃烧和综合利用管理办法》。
《办法》要求:
禁止在机场、交通干线、高压输电线路附近和省辖级人民政府划定的区域内焚烧秸秆，到2005年，各省、自治区的秸秆综合利用率将达到85%。
科技部组织力量研究推广秸秆综合利用技术，并把秸秆综合利用技术列入国家“九五”、“十五”科技攻关计划。
农作物秸秆经粉碎或切碎后机械压缩成燃料块，能有效地改变其燃料特性，热值接近中质烟煤，平均为16736kJ。
压缩成型技术为秸秆燃料异地运输使用创造条件，可以作为生物煤供应工业生产和居民使用，同时也是很好的气化原料，对推广气化炉有促进作用。
压制成型的秸秆块也可以进一步炭化处理，得到木炭和活性炭，可广泛用于冶金、化工、环保、生活燃料。
另外，利用压缩成型技术可以将秸秆模压成不同形状和用途的产品，如一次性快餐盒、盘、碟、包装盒、工业托盘、育苗容器、人造纸板、瓦楞纸等。
本研究以棉秆等硬茎秆为研究对象，通过对秸秆原料特性的分析，确定切碎原理和方法，设计出动力消耗低、粒度大小满足压缩成型要求的秸秆切碎机。
推动我国目前综合开发利用农作物秸秆资源的技术创新和实际应用。
1.2农作物秸秆综合利用现状
中国农作物秸秆资源量大面广，每年产出量多达6.4亿t，且随着农作物单产的提高，秸秆产量也将随之增加。
现阶段其用途大致可分为4个方面:
①秸秆还田;②牲畜饲料;③替代能源;④工业原料，约占12.7%的剩余秸秆就地焚烧或闲置。
各种用途所占比例如图l.1所示（高祥照等，2002）。
图1.1中国农作物秸秆的主要用途
（1）秸秆还田
秸秆还田是目前秸秆利用的最主要方面，据统计，2000年我国主要粮食作物秸秆粉碎还田的面积占其种植面积的58.6%（韩鲁佳等，2002）。
秸秆还田的方法分为整株还田技术、粉碎还田技术、有根茬切碎还田技术和传统沤肥还田技术。
配套的秸秆还田设备有粉碎还田机、灭茬机、收获还田机和水田埋草机等。
目前，经过对秸秆还田技术和配套操作规程等的研究，秸秆直接还田在我国已有了一定面积的推广应用。
在“八五”期间，秸秆直接还田技术规程研究取得了重要突破，已经制定出了包括华北、西南、长江中游区、江苏水早轮作区和浙江三熟制种植区的麦秸、玉米秸、稻草直接翻压还田的技术规程，包括还田方式、秸秆数量、施氮量、土壤水分、粉碎程度、还田时间以及防治病虫害、杂草等方面的技术要求，实践证明适量的秸秆还田能有效增加土壤的有机质含量，改良土壤，培肥地力（黄忠乾等，1999）。
（2）牲畜饲料
秸秆用作饲料，在中国主要是以秸秆养畜、过腹还田的方式进行的。
未经任何处理的秸秆，不仅消化率低，粗蛋白和矿物质含量低，而且适口性差。
为提高饲料的适口性和营养价值，近年来普遍采用氨化、微生物发酵贮存、热喷、揉搓等技术处理，目前全国的年加工处理量约1000万t，已开发出的加工设备有氨化炉、调质机、青贮收获机、揉搓机、压饼机、热喷设备等。
（3）替代能源
据全国农村可再生资源统计资料显示（2001），“九五”期间，秸秆能源用量仍占农村生活用能的30%-50%。
传统的秸秆利用方式是直接燃烧，因其密度小，灰分多，己不再适应农民生活水平的需要，国内现行的秸秆优质能源利用技术，除了本文所要研究的秸秆压缩成型技术以外，还有秸秆气化集中供气技术、秸秆制取沼气技术、秸秆燃料热风烘干技术等。
秸秆热解气化技术把细软、松散的低品位秸秆转换成清洁的高品位气体，热效率可达40%。
气相燃料速度快，热量输出可以控制，在烘干木材、茶叶、饲料和代替燃油发电及农村居民炊事等方面己有成功应用。
部分气化炉和配套装置己经批量生产，进入实用推广阶段。
目前全国己有350余处秸秆气化集中供气示范点，主要集中在山东、河南、江苏、河北、山西、北京、陕西等。
仅山东就有170余处（韩鲁佳等，2002）。
秸秆制取沼气技术，近年来经攻关研究在技术上有了较大突破，解决了秸秆易结壳、出料困难和发酵不充分的难题。
干发酵工艺则有助于节约建池费用，提高池容利用率，目前该技术在北方应用较多。
秸秆燃料热风烘干技术是将成捆或经预处理的秸秆加入由两段燃料室组成的高效燃料炉，燃烧产物经过离心除尘可得到洁净的热烟道气，产生的热风温度可以调节（60-800℃），含烟尘量小于20mgm，，尤其适宜于高湿物料，如粮食、木材、饲料、鸡粪、酒糟等的烘干（马学良，1995）。
（4）工业原料
秸秆作为工业原料主要用于工业造纸，占秸秆总产出量的2.9%。
其它目前正在兴起的研究与应用有:
南京林业大学将秸秆压缩成型制作秸秆板材，建筑墙体材料，包装材料等;西北农大开展模压制品的研究，如一次性快餐盒、托盘、家具构件和建筑构件等;辽宁省农科院研制成功秸秆皮镶分离及其综合利用技术;另外一些科研院所采取生物技术的手段发酵生产乙醇、糠醛、苯酚、单细胞蛋白、燃料油气、工业酶制剂等。
由于秸秆还田数量有限，作饲料其营养价值不高，因此要真正解决秸秆的合理利用问题，关键在于研究秸秆的能源化和工业化利用技术。
1.3秸秆的特性：
1.3.1秸秆的物理特性
秸秆本身的物理特性是影响秸秆切碎和压缩成型的主要因素之一。
秸秆的物理特性受物种、品种、产区、成熟度等多种因素的影响。
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较多（o’Dogherty，1995）。
国内相关报道较少，孙骊（1998）、徐学耘（加00）等对麦秸和棉杆的物理特性作了初步的分析。
1.3.2秸秆的切碎特性
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、切碎度和切断效率的各种影响因素，如o’Dogherty（1986）等人分析了切割速度、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，在15-30ms范围内，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。
国内主要是对切碎能耗和切断效率的研究，如张晋国（2000）等人分析了秸秆的含水率和有无定刀对切断效率的影响;吴子岳（2001）和蔺公振（1999）等研究了受切根数和割刀参数对切割功耗的影响。
1.3.3秸秆的化学成分
不管任何植物材料其主要化学组份均为纤维素，半纤维素，木质素三种。
由表1.1可知，棉秆中的纤维素含量为50%左右，木质素含量为20%以上，半纤维素含量为75%以上，均明显高于麦秸类软茎秆，更接近于杉木等低级木材。
表1.1秸秆的化学成分（徐学耘，1994）
种类
木质素
纤维素
半纤维素
果胶
聚戊糖
%
%
%
%
%
棉秆
22
50.23
75.10
3.51
19.21
麦秸
18.34
40.4
71.30
0.30
25.56
杉木
24.91
50.43
44.69
1.69
25.90
第2章切碎机整体方案设计
2.1总体结构设计
秸秆切碎机的总体结构见图2.1。
1.变速箱和喂入机构2.喂入槽3.切碎器4.带传动5.电动机
图2.1秸秆切碎机总体结构示意图
该机主要由切碎器、变速箱和喂入机构、喂入槽、甩抛装置、带传动、电动机组成。
秸秆由喂入槽2喂入，在喂入机构1作用下将其压实并卷入机构，被动定刀片组成的切碎器3切碎，最后由抛送装置抛出机外。
2.2样机的性能试验
根据前面的理论和试验分析，我们设计了农作物硬茎秆切碎机，见图2.2，其主要的技术参数如下:
喂入齿辊有效长度:
100mm;
喂入齿辊张开间距最大值:
59mm，张开间距自动调节;
喂入齿辊节径:
83mm;
总速比:
6.47;
动刀数:
2;
动刀转速:
550rmin;
喂入齿辊转速:
85rmin:
物料切碎长度:
10mm;
配备动力:
2.2kw
图2.2直刃刀硬茎秆切碎机
试验材料选用浙江大学实验农场提供的本年度棉花采收后的成熟棉秆，去除根部和霉烂变质茎秆，原料平均含水率为18.5%（湿基）。
每次试验物料15kg，共进行5次测试，取平均值，对切碎物料进行粒度筛分分析，测试结果见表2.1。
表2.1秸秆切碎机性能试验结果
测试项目
测试结果
刀轴转速（rmin）
550
喂入辊转速（rmin）
85
切碎生产率（kgh）
500
能耗（kJkg）
110
切碎效率（%）
92.2
粒度分布:
（%）
>0~2.omm
11.5%
>2.0~10.omm
59.4%
>10.0~20.omm
21.3%，
>20.omm
7.8%
对切碎物料的粒度分布测定结果表明，经一次切碎，粒度为>20.0mm的残余组分中主要为细枝梗，这表明该喂入机构在夹持粗枝梗的同时对细枝梗还会产生漏切现象。
需进一步加以分析改进。
2.3本章小结
对硬茎秆切碎机进行样机的设计研制和性能试验，确定整体方案，验证设计方法的合理性。
第3章秸秆切碎机结构设计
3.1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。
影响切碎性能的主要因素有:
（l）切割时要产生滑切，以减少切割阻力。
（2）切割要稳定，秸秆相对于动定刀片没有滑移。
（3）切割阻力矩变化均匀。
3.1.1切碎方式选择
秸秆切碎方式主要有轮刀式切碎、滚刀式（螺旋刀）切碎和锤片式切碎等。
轮刀式切碎质量好，刀片结构简单，主要缺点是刀盘运转不均匀。
滚刀式切碎滑切作用强，切割阻力小，但切碎体不能自动抛出，刀片刚度差，不适合硬茎秆切碎。
锤片式切碎是利用高速旋转的锤片来击碎秸秆，刀片结构简单，通用性好，但能耗高（蔺公振等，19%;朴香兰，1998）。
表3.1切碎秸秆的粒度分布
刀轴转速
粒度（mm）及百分含量（%）
r·min
0-1.4
1.4-2
2-3.35
3.35-9.5
9.5-12.5
12.5-19.5
>19.5
0-12.5
锤片切碎
860
1.9
1.1
2.3
10.3
9.9
15.6
58.9
25.5
1220
0.8
0.6
1.8
9.6
7.9
10.8
68.6
20.7
1580
2.6
1.7
4.2
15.3
11.7
17.1
46.8
35.5
螺旋刀切碎
920
3.7
3.2
9.2
37.6
11.7
9.6
25.0
65.4
1250
4.4
3.9
11.2
39.9
12.0
10.8
17.8
71.4
1500
5.8
4.7
12.8
43.7
11.9
9.2
11.9
78.9
直刃刀切碎
900
4.3
4.3
13.2
41.1
11.3
9.7
16.1
74.2
1230
4.2
4.4
13.1
41.6
14.2
11.0
11.5
77.5
1450
5.3
6.2
17.6
41.8
8.5
7.3
13.3
79.4
根据对直刃刀切碎、螺旋刀切碎和锤片切碎3种不同切碎方式的比较试验（盛奎川等，1999），如图3.l所示，在相同转速下，直刃刀切碎的单位质量棉杆能耗最低，由表3.1可知，采用直刃刀切碎细小颗粒产量较高，在900~1450rmin范围内，提高转速对细小颗粒产量增加不明显。
图3.1切碎机主动轴转速与能耗的关系
根据以上分析，我们选择直刃刀切碎作为棉秆等硬茎秆切碎的设计方案，动刀片数为3，均布于动刀架上，其动刀架结构见图3.2。
3.1.2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3.3）:
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。
3.1.3割刀参数分析
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3.4）。
图3.2直刃刀动刀架简图
图3.3刀片的滑切
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。
由图3.4可得:
tg=（3.1）
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。
2.推挤角
图3.4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:
（3.2）
1.O--动刀回转中心2.AB--动刀刃3.e--偏心距4.--滑切角5.r--切割半径6.x--推挤角
图3.4切碎器的结构图
根据文献资料（陶南，1991），取=，，则x。
图3.4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，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。
3.1.4主要技术参数确定
1.切碎长度
切碎长度是切碎机主要性能指标之一，机器工作时，秸秆被喂入辊卷入切碎机构的速度v（ms），切砰器每秒钟切碎次数为，则理论切碎长度为:
L==
考虑到喂入辊的打滑因素，实际切碎长度为:
L=（3.3）
式中：
k—动刀片数
i—切碎器主轴n与喂入辊转速n之传动比
D—喂入辊直径
—打滑系数，一般取0.05~0.07
切碎器主轴与喂入辊之传动比i=6.47，喂入辊直径d=83mm，动刀片数K为2，打滑系数取0.06，则理论切碎长度L=20mm。
2.切碎机生产率
切碎机生产率的大小取决于喂入口面积，切碎器刀片数和转速，茎秆种类和切碎长度等，理论生产率可由下式计算:
Q=60·k·a·b·L·n·（3.4）
式中:
k—动刀片数;
a、b—为喂入口高度和宽度，m;
L—理论切碎长度，m;
n—喂入辊转速，rmin;
—喂入辊压缩后的茎秆容重，kgm。
切碎器的动刀片数k为2，喂入辊转速n为85rmin，喂入口宽度a取0.1m，
度b取0.14m，茎秆压缩后容重以棉秆为例约为120~150kgm，若取130kgm。
切碎长度为0.02m，理论生产率约为Q=500kg[（R+r-e）2Rr]（4.1）
x=τ+arcsin（Hr）（4.2）
θ=arcsin[（Ra-R·sinx）e]（4.3）
式中:
R—圆弧刀刃的半径
r—切割点处的回转半径
e—圆弧刀刃的偏心距
H—切割中心线高度
Ra—切割点与回转中心水平距离
对于直线刀刃,切割过程中的几何参数与其结构参数的关系为:
τ=arcsin（er）（4.4）
x=τ+arcsin（Hr）（4.5）
θ=（π2）-x（4.6）
式中：
e—直线刀刃偏心距;
r—切割点处回转半径
H—切割中心线高度
对于等滑切角曲线刀刃，在切割过程中的滑切角τ保持恒定不变；而挤推角和切割转角与其结构参数的关系为：
x=τ+arcsin（Hr）（4.7）
θ=k·ln（rc）（4.8）
式中：
H—切割中心线高度
r—切割点处的回转半径
k—常数
从上面3种形式曲线刀刃的切割参数与其结构参数之间的几何关系可以看出:
滑切角τ、挤推角x和切割转角θ三者之间是密切相关的。
在切碎器上,只要其结构参数确定,3个角度的大小及其在切割过程中的变化规律也就随之确定。
在切碎器的设计过程中,上面的3个角度只要有1个确定,其他2个角度的变化便在一定的结构限制下随之确定。
无论采何种形状的刀刃曲线,其3个角度间的关系皆是如此。
4.2试验设计
考虑到直线刃、圆弧刃和等滑切角刃3种类型切碎器在切割过程中的能量消耗,圆弧刃和等滑切角刃各选择3组不同的结构参数,直线刃选择4组不同的参数,其参数的取值、滑切角、挤推角和切割转角的数值见表4.1。
试验在9ZF110型盘刀式切碎器上进行。
试验中为使不同切割刃曲线刀的切割能耗具有可比性,除刀刃曲线外其他试验条件保持相同。
试验切割的物料为青贮玉米秸,切割层宽度170mm,切割层厚度23mm,喂入量3400kg。
试验过程中,记录切碎器主轴的扭矩和转速,并对记录的扭矩曲线进行离散化处理。
为提高精度和消除干扰因素影响,每号试验重复10次,结果见表4.2
4.3结果与分析
因试验所用10种动刀的工作条件一致,故除切割以外其他部分能量消耗相同,所以切碎器主轴上的切割扭矩就代表了切割能耗的大小。
因此以切割平均扭矩值作为试验评价指标。
表4.1曲线刀刃结构参数
圆弧刃
等滑切角刃
直线刃
实验号
参数
实验号
参数
实验号
参数
R=375;e=375
e=87.2
τ=6.8°～19.8°
τ=25°
τ=20.2°~77.3°
χ=28.9°～33.5°
χ=34.1°～51.6°
χ=29.3°~50.7°
θ=18.79°
θ=28.7°
θ=7.8°
R=313;e=226
e=55.6
τ=6.2°～44.1°
τ=35°
τ=12.7°~38.5°
χ=15.3°～70.6°
χ=44.1°～61.6°
χ=21.8°～65.1°
θ=53.8°
θ=52.8°
θ=3.2°
R=409;e=335
e=81.3
τ=25.1°～40.1°
τ=45°
τ=18.8°~65.5°
χ=11.6°～66.7°
χ=54.1°～71.6°
χ=27.8°~38.9°
θ=45.24°
θ=46.9°
θ=11.1°
e=129.3
τ=30.7°~96.5°
χ=39.8°~89.9°
θ=50.1°
对试验结果进行单因素方差分析,结果表明:
不同刀刃曲线对切割时的平均切割扭矩具有显著的影响（显著水平α=0101）。
为了确定哪些曲线刀刃在切割过程中的平均扭矩具有显著差异,对试验结果进行多重比较,结果是:
D1号试验的平均扭矩极显著地高于其他9号试验,这是由于D1号试验所用圆弧曲线刃的结构参数导致切割过程中滑切角和挤推角的数值较小而引起。
D3、D2、D6和D10组试验结果之间不存在显著差异;D7、D8和D9组试验结果之间也不存在显著差异,但是显著地高于D2和D3组试验结果。
4.4结论
通过对3类不同刀刃曲线10组结构参数的动刀切割试验结果进行统计分析,得出如下结论:
表4.2平均切割扭矩试验结果
重复
试验号
1
38.61
27.51
24.15
36.3
27.59
21.53
21.86
25.68
30.48
26.78
2
34.81
24.15
23.53
30.80
25.12
21.53
28.41
26.53
27.82
26.07
3
33.39
22.55
23.82
28.5
24.76
23.07
25.40
26.89
26.76
23.95
4
32.86
21.85
20.69
27.1
2441
24.78
30.00
23.88
21.99
21.42
5
36.69
20.43
19.36
28.32
24.76
25.1
32.12
26.89
23.58
22.01
6
36.30
25.38
22.78
28.81
27.06
24.6
29.08
23.70
28.78
23.46
7
33.47
22.55
21.45
32.53
23.35
26.45
24.13
27.95
21.00
24.52
8
32.69
22.38
22.59
30.53
22.47
26.42
30.49
24.94
26.17
23.10
9
33.29
22.20
24.48
34.30
29.01
25.41
23.59
25.47
27.85
24.34
10
32.58
23.97
21.38
25.45
24.76
21.10
30.14
25.76
28.60
24.87
均值
34.49
23.30
22.47
30.33
25.33
23.99
27.58
25.77
26.13
24.06
1）切割时的滑切角τ和切割转角θ是影响切割能耗的主要因素。
当滑切角在35°～45°范围内,切割转角在45°～65°范围内时,切割的平均扭矩较低,切割能耗较小。
2）刀刃曲线的形状影响切碎器的切割能耗,但是这种影响受结构设计参数的制约。
对于不同类型的刀刃曲线,只要结构参数的设计能够保证滑切角和切割转角在适宜的范围内变化,则可保证切碎器具有较低的切割能耗。
3）传统切碎器扭矩计算公式是在静态切割条件下以受力分析为基础推导而来的。
而在实际的动态切割过程中,由于物料受力状态的改变以及切割过程中动刀惯性力的存在,使得理论计算扭矩值与实际测量值之间具有较大的差异。
因此,在应用理论计算公式进行切碎器结构参数设计,要考虑动态切割的影响,对设计参数进行必要的修正。
4.5本章小结
以9ZF110型盘刀式切碎器为基础,研究了圆弧曲线、直线和等滑切角曲线刀刃在切割青饲玉米时的切割能耗变化。
结果表明:
切割时的滑切角和切割转角是影响切割能耗的主要因素。
当滑切角在35°～45°范围内,切割转角在45°～65°范围内时,切割的平均扭矩较低,切割能
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