摘要：為提高秸稈利用率，針對秸稈飼料的粉碎加工，設(shè)計一種錘片式秸稈粉碎機，主要對粉碎機結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，同時對關(guān)鍵部件進行分析。建立錘片的力矩平衡方程，得出影響錘片平衡的主要因素是轉(zhuǎn)子角速度和錘片擺動角速度。通過利用ADAMS軟件，分析錘片在空載狀態(tài)時的運動參數(shù)以及運動規(guī)律，對進一步參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：秸稈飼料；粉碎機；錘片
O  引言
 近年來，我國畜牧業(yè)快速發(fā)展，牲畜數(shù)量不斷增加。但由于牧區(qū)牧草數(shù)量有限，許多牧區(qū)由于過度放牧，牧草質(zhì)量和數(shù)量都在減少。目前主要制約畜牧業(yè)發(fā)展的因素是飼草短缺。而在我國農(nóng)區(qū)，每年會產(chǎn)生大量的農(nóng)作物秸稈，以前農(nóng)民沒有發(fā)現(xiàn)秸稈的利用價值，往往在秋收后把作物秸稈燃燒，這樣不僅浪費資源，還污染環(huán)境。近幾年加大對作物秸稈利用的重視，作物秸稈變廢為寶。然而，許多作物秸稈不能很好地被牲畜所吸收消化，秸稈類粗飼草料普遍具有質(zhì)地粗硬、咀嚼費力、適口性差、粗蛋白含量少、消化率低等特點。因此，必須對其進行切碎加工或相應處理，以提高其利用價值。研究發(fā)現(xiàn)通過利用粉碎機把作物秸稈粉碎成尺寸短小的秸稈飼料后，其營養(yǎng)價值會有較大的提高。
 粉碎秸稈時，主要是對秸稈施加剪切、拉伸、沖擊、揉搓、彎曲、折斷等破壞形式。研究表明，由于農(nóng)作物秸稈具有韌性大、易變性等特點，適宜采用的加工方式一般是切割、揉搓、粉碎與壓縮。目前，使用較為廣泛的秸稈粉碎機型主要有鍘草機、粉碎機、揉碎機等。隨著我國向節(jié)約型社會的發(fā)展，應加快研制能耗較低、生產(chǎn)率較高、粉碎效果好的粉碎機型。
1  粉碎機的結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.1  設(shè)計要求
 本文設(shè)計的粉碎機主要是中小機型，其結(jié)構(gòu)簡單、尺寸較小、工作靈活，可以用于粉碎麥稈、棉稈、青草等飼料。主要設(shè)計參數(shù)：切碎長度30～50 mm，轉(zhuǎn)速1 440 r．min，切碎裝置為錘片，粉碎室內(nèi)部為斜齒式，喂入方式為人工喂入。
1.2總體結(jié)構(gòu)
 秸稈粉碎機主要是由錘片粉碎室、風機出料機構(gòu)、喂入機構(gòu)、傳動部分，護罩等結(jié)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。粉碎室主要是由4組以不同排列形式安裝在銷軸上的錘片組成。出料機構(gòu)采用風機，效果較好。
1.3工作原理
 秸稈粉碎機工作時，通過電機帶動主軸轉(zhuǎn)動，同時使得安裝在主軸上的錘片粉碎機構(gòu)和風機葉片轉(zhuǎn)動；秸稈從喂入口進入，通過錘片的沖擊以及剪切作用，以及秸稈與齒板的沖擊摩擦作用，從而被粉碎；粉碎后的秸稈到達風機葉片處，最后在風機的吹動下通過出料口被送出，拋送到指定位置。

2  粉碎機主要部件設(shè)計
2.1  粉碎室的設(shè)計
粉碎室主要有轉(zhuǎn)子與齒板組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了結(jié)構(gòu)便于安裝，齒板分為上齒板和下齒板兩部分，下齒板固定安裝在機架上，上齒板安裝在下齒板上方。轉(zhuǎn)子主要是由4列轉(zhuǎn)動錘片組成，錘片分別安裝在4組銷軸上，錘片可以在銷軸上自由擺動，錘片安裝位置采用螺旋線排列。

2.2錘片結(jié)構(gòu)設(shè)計
 作物秸稈在粉碎時主要受到粉碎室的兩個作用，一是錘片對秸稈的沖擊、摩擦作用；二是齒板對秸稈的摩擦作用，以及秸稈之間的摩擦作用。錘片在工作時，主要是受到秸稈對錘片正面的沖擊和對棱角的剪切作用，容易出現(xiàn)磨損，最后導致錘片失效。目前，主要是從采用耐磨材料和優(yōu)化錘片結(jié)構(gòu)兩個方面來提高錘片的工作性能。
 為了防止錘片在工作時出現(xiàn)嚴重磨損，粉碎機的錘片結(jié)構(gòu)設(shè)計為如圖3所示的結(jié)構(gòu)。這樣可以防止錘片在工作一段時間之后，出現(xiàn)棱角處快速磨損現(xiàn)象。由于錘片的材料硬度不一樣，其磨損機理也不一樣。為了提高錘片的性能，所以采用自磨刃錘片，材料選用Q235，并且表面進行滲碳處理。

2.3風機結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計
 風機作為秸稈飼料的輸送裝置，其工作性能直接影響到粉碎機的粉碎效果。所以風機在工作時，要保證物料輸送通道的暢通。粉碎后的秸稈經(jīng)過風機葉片的拋送，以較高的速度沿風機外殼切線方向進入出料口中，出料口內(nèi)有一股由風機葉片高速旋轉(zhuǎn)后所產(chǎn)生的上升氣流，使碎秸稈繼續(xù)向上輸送，最后落至指定處。碎秸稈的拋送高度H可用下式計算：

 因為在秸稈飼料出口處，設(shè)置為平滑的水平朝向出口，所以在實際工作時，不需要將飼料拋出太高，通過出口通道的引導，秸稈飼料便會很容易的落在指定的位置。
3錘片空載運動時的分析
  錘片式粉碎機有一個顯著的特征，就是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是錘片與銷軸的鉸接形式，每一個錘片均可看作是以相應銷軸為懸點的單擺，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，各懸點又具有繞主軸旋轉(zhuǎn)的運動。所以，錘片在工作時存在兩種運動，一是錘片整體繞主軸轉(zhuǎn)動，二是錘片繞銷軸做單擺運動。
  粉碎機從啟動到穩(wěn)定工作這個階段，錘片由靜止狀態(tài)變?yōu)槔@主軸作圓周運動，在這個過程中錘片的運動是復雜的，而且不同位置的錘片運動參數(shù)也有所不同，所以在這個階段粉碎機會產(chǎn)生一個短暫的、不穩(wěn)定的過渡工作狀態(tài)，從而會影響到粉碎機的工作穩(wěn)定性。為了研究這個過程，本文對錘片進行受力分析，并且利用ADAMS軟件對錘片的運動進行分析。
3.1  錘片空載狀態(tài)時的受力分析
  錘片空載狀態(tài)時的受力如圖4所示，其中，F(xiàn)c1為錘片繞主軸轉(zhuǎn)動時錘片產(chǎn)生的慣性力，F(xiàn)c2為錘片繞銷軸鉸接處轉(zhuǎn)動時錘片產(chǎn)生的慣性力，mg為錘片受到的重力，f為銷軸鉸接處錘片受到的摩擦力，F(xiàn)N為銷軸鉸接處錘片受到的正壓力，w1為主軸轉(zhuǎn)動的角速度，w2為錘片繞銷軸相對轉(zhuǎn)動的角速度，φ為錘片的擺角，α為錘片鉸接點繞旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)角，β為錘片質(zhì)心繞旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)角。

  假設(shè)錘片在工作時處于非平衡狀態(tài)，所產(chǎn)生的摩擦力f與正壓力FN的大小及方向處于時刻變化的狀態(tài)，此時如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動半徑為R，錘片質(zhì)心到鉸接點的距離為r，銷軸直徑d時，此時會存在3個力矩：慣性力Fc1關(guān)于鉸接點O的力矩m1，重力mg關(guān)于鉸接點O的力矩M2，摩擦力f，關(guān)于鉸接點O的力矩M3。取逆時針方向為正則有：

  由此可見，影響錘片平衡的主要因素有w1和w2：，且摩擦力的大小和方向也主要取決于這兩個因素，在平衡狀態(tài)時便可得到摩擦力與正壓力的大小和方向。
3.2錘片空載狀態(tài)運動仿真分析
  通過利用Solidworks軟件對粉碎室進行建模，然后導人ADAMS軟件中，通過添加約束，對主軸施加轉(zhuǎn)速1 440 r．min，設(shè)置轉(zhuǎn)速從0到1 440 r．min過渡，時間為1s，然后進行仿真，得到錘片末端的運動軌跡圖如圖5所示，同時也測得錘片質(zhì)心角速度的變化規(guī)律如圖6所示。
  可以看出，錘片在整個工作過程中，運動是比較平穩(wěn)的，在0s到1s這段時間，處于啟動的階段，由于主軸旋轉(zhuǎn)的帶動，錘片便會跟著一起轉(zhuǎn)動，但是存在滯后，這時錘片相對于銷軸便會產(chǎn)生相對旋轉(zhuǎn)，導致錘片的角速度與主軸角速度不一致，錘片的轉(zhuǎn)動角速度存在較大的波動，所以在這期間，錘片的運動軌跡也不是圓。通過這段時間的過渡，從1s以后，很快錘片與銷軸的相對擺動幅度越來越小，使得錘片與主軸的角速度相接近，錘片轉(zhuǎn)速的波動范圍也在逐漸減小，最后達到比較平穩(wěn)的工作狀態(tài)。


4  結(jié)論
  錘片式粉碎機的應用比較廣泛，但是錘片在粉碎的過程中容易磨損，是影響生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本的重要因素。本文設(shè)計了一種錘片式粉碎機，可以有效地提高粉碎機的性能，降低加工成本在實際生產(chǎn)中還可以不斷改進，以便達到最優(yōu)效果。
  本文利用軟件對錘片在空載狀態(tài)下的運動進行了模擬，得到了錘片的運動軌跡和角速度變化規(guī)律，分析了粉碎機從啟動到穩(wěn)定工作這段時間，錘片的運動也是從波動的運動狀態(tài)逐漸走向平穩(wěn)。剛啟動的階段，錘片會對銷軸產(chǎn)生一定的沖擊，這個階段會對錘片與銷軸的鉸接處產(chǎn)生磨損，由于錘片運動的不平衡性，還會使整個粉碎機產(chǎn)生振動，從而影響了粉碎機的穩(wěn)定性。通過理論分析錘片的運動對粉碎機產(chǎn)生的不利因素，在實際生產(chǎn)過程中針對性的進行優(yōu)化，從而達到理想的效果。
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