小型秸秆粉碎机设计研究

小型秸秆粉碎机设计研究小型秸秆粉碎机设计研究 2019/03/21 摘要:秸秆作为生物质能并加以利用，对减轻温室效应和改善生态环境具有显著成效。在此基础之上，对现有的秸秆粉碎机进行了分析和再创新，研发一种小型铡切式秸秆粉碎机。对秸秆粉碎刀具进行了优化设计，利用直切碎刀和弯切碎刀对秸秆进行不同程度的粉碎，使得粉碎效果更佳。关键词：生物质能；秸秆；粉碎机；刀具随着全球环境问题的日益突出和化石类能源的逐步消耗，人们对能源问题越来越重视。我国作为人口和农业大国，如今对于新能源的开发与利用也愈发重视。生物质能是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为生物的化学能，清洁可再生，是世界第四大能源。开发和利用生物质能，减少化石能源的使用，对降低温室气体的排放量、缓解能源危机和保护环境起到了重要的作用。1秸秆生物质开发的意义秸秆属于农作物收获后的废弃物，同时也是一种常见的生物质能。我国每年产生的秸秆数量庞大，年产量约为7亿吨，其中一部分用于还田、畜牧和造纸等。但是，由于农作物秸秆分布广、物质形态不规则，使得收集、运输、贮藏、利用等变得较为困难，处理成本大大上升。每到秋收时节，大部分秸秆会被废弃或大量焚烧，产生大量烟尘，造成了环境污染和资源的浪费1。因此，将秸秆作为生物质能再利用，不仅降低了环境污染，而且在利用过程中硫氮化物排放较少，是一种充分利用生物质能的科学方法；同时，生物质能再生过程中由于光合作用会吸收二氧化碳气体并释放氧气，减轻了温室效应，改善了生态环境2。大部分的秸秆在利用前是需要进行粉碎处理的，只有当秸秆颗粒符合一定要求时，才可用于进一步开发和利用。因此，秸秆粉碎机的研究和设计对生物质能的开发与利用具有重要的意义。2秸秆粉碎机的发展现状目前，我国农作物秸秆综合利用技术主要是切碎处理。根据秸秆的处理方式不同，我国机械化秸秆切碎主要包括秸秆整株切碎技术、秸秆粉碎切碎技术、根茬粉碎及耕翻切碎技术和联合作业切碎技术3。秸秆粉碎机有铡切式粉碎机、锤片式粉碎机、揉切式粉碎机以及组合式粉碎机等4。通过剪切、挤压、击碎、碰撞、揉搓等方式，可实现玉米秸秆、小麦秸秆、豆秆等农作物秸秆的粉碎。铡切式粉碎机集剪切、揉搓、磨碎等功能于一体，结构简单、操作便捷、能耗低且生产效率高5。锤片式粉碎机适应性广泛、生产率高，首先对秸秆进行捶打，得到一定程度的秸秆粉碎物，然后将物料以较高速度抛向粉碎室内的齿板和筛片，通过碰撞和搓擦得到进一步粉碎6。揉切式是秸秆在高速旋转的锤片和锯齿下，揉切成柔软蓬松的丝状段7。组合式粉碎机是将剪切、挤压、击碎、碰撞、揉搓等功能组合为一体，通过动刀和定刀的剪切、锤片的击打、锤片与筛网和齿板间的碰撞摩擦、以及锯齿板的撕裂等共同作用，实现对秸秆的粉碎8。虽然我国在大型秸秆粉碎技术上相对成熟，粉碎机的种类也较多，但是从现有的机型适应性、能耗和产量、经济性以及物料的粉碎效果等方面来看，还是有很多需要完善的地方，所以，研究小型秸秆粉碎机的创新设计对我国生物质能源的开发和农业的可持续发展具有重要意义。3秸秆粉碎机的结构设计目前，铡切式秸秆粉碎机在我国使用的较多，但是大多数粉碎机粉碎后的颗粒度比较大，不能很好地将秸秆得到进一步的开发和再利用。此外，一些粉碎机的粉碎刀具磨损较大，对粉碎效果造成影响，进而导致处理成本的上升。因此，本文将在现有粉碎机的基础上进行创新研究，设计机型相对较小，结构简便、能耗低、生产效率较高的新型秸秆粉碎机。3.1总体设计此小型秸秆粉碎机使用铡切式，包括驱动电机3、皮带轮4、V型带5、秸秆粉碎桶1、转动轴8、轴承及轴承支撑杆11、直切碎刀10、弯切碎刀9、固定支撑架6、驱动电机安装座2，以及驱动电机集成的遥控开关等，如图1所示。该小型秸秆粉碎机增加了操作的便利性和安全性，减少了工作量，一个人就可以操作。由图1可知：在秸秆粉碎桶1里面安装有高速旋转的弯切碎刀9和直切碎刀10，通过这两种刀具的有机组合来进行秸秆切碎，在弯切碎刀9和直切碎刀10的共同作用下完成粉碎过程。其工作过程是：驱动电机3将动力传递到带轮4，通过V型带5带动皮带轮4旋转（大带轮7和转轴8通过键连接），刀具安装在转动轴8上面，通过皮带轮4的旋转带动刀具的旋转进行切割。在切割过程中碎屑由于重力作用往下掉落，落入地面；同时该装置运转时机器会震动，进一步提高了碎屑的排出效率。3.2切碎刀设计由图2所示的装置俯视图中可以看出，切碎刀具采用二种不同类型的刀具。图3(a)为大尺寸直切碎刀，当秸秆放入机体时，由于直切碎刀在高速旋转，秸秆相对禁止不动，刀具可轻松将秸秆切块，此外该种刀具这样的结构也便于批量制造以及刀具刃口的研磨。图3(b)所示的为弯切碎刀，利用刀具的弯角形状实现更大的切割线程，更有利于秸秆的切割，弯切碎刀工作效率高，加工也不是太难，制造上也易实现。3.3创新性分析1）与传统的秸秆粉碎机相比，本文所述的小型铡切式秸秆粉碎机机型较小，所占空间相对较少，整体重量相对较轻，有利于在田边地头装载作业，机动灵活，同时本文所提出的小型粉碎机结构简单，易于装配，增加了操作的便利性和安全性，减少了人员作业的工作量，降低了成本。2）小型粉碎机装有两种不同类型的刀具，一种是大尺寸直刀，另一种是弯形切碎刀。两种刀具装在同一根转动轴上，直切碎刀排列在粉碎桶的上部，弯切碎刀则排列在下方。通过这种优化的刀具排列方式，将秸秆进一步粉碎，从而使得秸秆的粉碎效果更佳，提高了工作效率9。3）由于秸秆纤维呈竖直长条状，若顺着纤维方向切割会导致机器设备尺寸增大，利用铡切式使机体尺寸相对较小，另外长条形的纤维容易铰入刀具转轴，从纤维垂直方向切入可细化颗粒，更有利于秸秆的降解还田以及再利用。通过上述的创新性设计，使该秸秆粉碎机易于农民上手操作，切割效率高，改善了农作物残余物的处理效率；此秸秆粉碎机在工作过程中，运行平稳，刀具缠绕发生率较低。4结语随着我国农业资源的不断发展，对秸秆粉碎机的创新性研发要求也在不断提高，产品需求也在增加。利用小型粉碎机进行秸秆粉碎，使得秸秆颗粒直径符合农作物生产及返田要求，便于产品投入使用。小型秸秆粉碎机能够提高粉碎效率，减少刀具磨损，降低产品制造成本，有利于秸秆等生物质能的开发和利用，对缓解能源危机、减轻温室效应、改善生态环境具有重要意义。参考文献1鲍振博，方帆，靳登超，等.组合式秸秆生物质粉碎机的设计J.农机化研究，2016，（5）：255-258.2李美华，俞国胜.生物质燃烧成型技术研究现状J.木材加工机械，2005，（2）：36-40.3李晓旭.玉米秸秆切断一体机的设计研究J.木材加工机械，2013，（3）：9-12.4于海燕，刘向阳.秸秆饲料加工机械现状及发展J.粮油加工与食品机械，2003，（6）：53-55.5柴民杰，李磊，李金民.我国秸秆的利用现状及发展趋势分析J.硅谷，2009，（19）：158.6黄勇.锤片式粉碎机的调试、维护及保养J.机械工程师，2006，（3）：159-160.7祖宇，一种高效节能秸秆粉碎机的研制D.长春：吉林农业大学，2012.8汪莉萍.复合式秸秆粉碎机设计方法理论研究D.哈尔滨：东北林业大学，2010.9涂建平，徐雪红，夏忠义.秸秆还田机刀片及刀片优化排列的研究J.农机化研究，2003，（2）：102-104.