0、前言
甘蔗經(jīng)收獲后剔除下的大量蔗葉，目前的處理辦法，一種是粉碎還田，一種是直接焚燒。隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的重視，甘蔗葉的能源化是近年來(lái)對(duì)甘蔗葉資源開(kāi)發(fā)利用所開(kāi)辟的一種新途徑。經(jīng)研究人員測(cè)試甘蔗葉纖維素含量為52.30%．與玉米秸稈相比，其碳含量高10個(gè)百分點(diǎn)，氮含量相當(dāng)，是生產(chǎn)沼氣的優(yōu)良原料。中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所對(duì)甘蔗葉沼氣發(fā)酵工藝進(jìn)行了研究表明，提高物料的分解率．需要在發(fā)酵前對(duì)莖葉類(lèi)原料進(jìn)行粉碎處理，使其達(dá)到2~6cm長(zhǎng)。目前對(duì)甘蔗葉的粉碎是利用鍘切機(jī)進(jìn)行切碎，雖然切碎長(zhǎng)度能滿(mǎn)足制作沼氣原料的要求，但不能破壞甘蔗葉表面結(jié)構(gòu)，不利于被沼氣菌分解轉(zhuǎn)化。
1、原理設(shè)計(jì)
經(jīng)測(cè)試甘蔗葉平均長(zhǎng)度為165cm．平均葉寬為5.5cm，表面較光滑。考慮到既要滿(mǎn)足長(zhǎng)度要求又要破壞甘蔗葉表面結(jié)構(gòu)的要求，決定采用動(dòng)、定刀打擊和切割原理。因單蔗葉的平均最大斷裂力大約為600N，所以采用該工作原理也不會(huì)消耗太大的功率。
2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程
考慮到操作的方便性，該機(jī)采用臥式結(jié)構(gòu)，主要由喂料斗、機(jī)架、動(dòng)刀軸、粉碎室、出料口以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制裝置和電機(jī)組成，外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：2200mmX520mmx1500mm。
該機(jī)的工作過(guò)程為甘蔗葉原料經(jīng)人工通過(guò)喂料斗送到
粉碎機(jī)進(jìn)料口處，被高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)刀抓取進(jìn)入粉碎室，在動(dòng)刀、定刀、粉碎室罩殼及由動(dòng)刀軸旋轉(zhuǎn)形成的環(huán)流層的共同作用下，在圓周方向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到打擊、剪切及搓擦作用而被粉碎成斷口形狀不規(guī)則的細(xì)條狀短片，并有效地破壞了葉表面結(jié)構(gòu)，其中被粉碎的甘蔗葉隨粉碎室中的動(dòng)刀和氣流送至出料口排出，未經(jīng)粉碎或經(jīng)粉碎仍較長(zhǎng)或?qū)挼母收崛~隨動(dòng)刀轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，在粉碎室中與新進(jìn)入的原料一起再次被粉碎，增加了被打擊、剪切和搓擦的機(jī)會(huì)，保證了物料被充分粉碎。
2.2主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.2.1動(dòng)刀軸及動(dòng)刀排列方式
動(dòng)刀安裝于動(dòng)刀軸上，動(dòng)刀軸直徑大可有效防止物料纏繞，但又受到機(jī)器本身尺寸的限制，所以綜合考慮后動(dòng)刀軸采用φ140mm的無(wú)縫鋼管，既可減少物料纏繞，又可使機(jī)器尺寸不會(huì)過(guò)大。考慮到動(dòng)刀間距對(duì)粉碎后物料長(zhǎng)度、功耗及工作效率的影響，即刀片的排列越密，物料粉碎的就越碎，但功耗相對(duì)增大，工作效率也較低，同時(shí)考慮到機(jī)器尺寸的限制，綜合分析后動(dòng)刀數(shù)量選為16，動(dòng)刀間隔選為30mm。
關(guān)于動(dòng)刀的排列形式目前粉碎機(jī)上常見(jiàn)的有正反雙螺旋線(xiàn)對(duì)稱(chēng)排列、對(duì)稱(chēng)排列、交錯(cuò)平衡排列3種方式，其基本設(shè)計(jì)要求是要在滿(mǎn)足粉碎質(zhì)量的前提下盡可能地減少振動(dòng)。本刀軸刀座排列沒(méi)有采用上述三種方式，而是從理論動(dòng)平衡為0的設(shè)計(jì)思路出發(fā)，按動(dòng)刀在刀軸上的位置建立空間力系，依據(jù)其所產(chǎn)生的合外力（式1）與合外力矩(式2)進(jìn)行動(dòng)平衡計(jì)算，得到其排列方式如圖2所示，計(jì)算結(jié)果值均為0，說(shuō)明動(dòng)平衡良好。
2.2.2動(dòng)刀結(jié)構(gòu)
目前秸桿粉碎還田機(jī)等機(jī)具上用的動(dòng)刀是甩刀和鉸接式聯(lián)接方式，是為了防止刀片在作業(yè)時(shí)碰到堅(jiān)硬的物體而損壞。考慮到本機(jī)的工作對(duì)象為收集后的甘蔗葉，基本無(wú)硬質(zhì)雜物，為減少功率消耗，提高打擊和切割效果，本機(jī)采用將動(dòng)刀片將螺栓固定于刀座上。動(dòng)刀回轉(zhuǎn)半徑R值決定動(dòng)刀末端線(xiàn)速度v，值的大小，而v值的大小對(duì)揉碎性能、效率等影響很大，v值越大可增大切割慣力，有利于切割和揉搓能力的提高．同時(shí)對(duì)物料的打擊作用也增強(qiáng)。但y值過(guò)大時(shí)，對(duì)零部件強(qiáng)度的要求也越高，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡要求也越高．因此為了保證機(jī)器一定的平穩(wěn)性和粉碎效果，參照國(guó)內(nèi)外幾種主要的秸桿粉碎還田機(jī)的I／值37-56mts的范圍，本機(jī)動(dòng)刀設(shè)計(jì)為矩型直刀，單面開(kāi)刃，如圖3所示，安裝后動(dòng)刀回轉(zhuǎn)直徑R為480mm．線(xiàn)速度為50.24m/s(對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為2000r/min)．能有效地對(duì)物料進(jìn)行打擊、切割及揉搓。
2.2.3定刀
定刀的主要作用是配合動(dòng)刀對(duì)物料進(jìn)行切割，同時(shí)影響物料在粉碎室中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使工作間隙在定刀處突然減少，加強(qiáng)物料間的摩擦作用，進(jìn)一步提高粉碎效果。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粉碎室中定刀組數(shù)及定刀排列的位置對(duì)粉碎效果影響很大，如表l所示，一組定刀時(shí)粉碎效果差，兩組和三組定刀能明顯提高粉碎率，且二者粉碎率無(wú)明顯差異，但三組定刀時(shí)功耗增加比較明顯，綜合考慮粉碎效果和功耗后確定定刀的結(jié)構(gòu)型式為U型，共兩組．用螺栓固定安裝于粉碎室的下蓋板上，與動(dòng)刀的間隙為2-4mm，重疊50-60mm，定刀組間角度相差80°。
2.2.4粉碎室
粉碎室整體向出料口方向偏移20mm，使得粉碎室相對(duì)動(dòng)刀軸成一偏心圓形式，即喂入口離動(dòng)刀的距離較出料口小，便于動(dòng)刀對(duì)物料的抓取和物料的喂入。其具體結(jié)構(gòu)是由左右兩支撐擋板、上下蓋板、定刀組及動(dòng)刀轉(zhuǎn)子總成共同組成，并通過(guò)螺栓連接到機(jī)架上。
2.3配套功率和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
用電機(jī)功率為5.5kW的機(jī)械無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速調(diào)至2000r/min，對(duì)甘蔗葉粉碎機(jī)進(jìn)行實(shí)際工作測(cè)定，功率測(cè)試結(jié)果為3.5-4.0kW，因此選擇電機(jī)功率為4kW。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇B型V帶輪，傳動(dòng)可靠。
3、試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)用甘蔗葉來(lái)自于湛江華海農(nóng)場(chǎng)，使用圓捆撿拾打捆機(jī)收集，其含水率為13.5%。試驗(yàn)時(shí)動(dòng)刀軸轉(zhuǎn)速為2000r/min，人工方式喂料，試驗(yàn)指標(biāo)選擇為粉碎率、耗電量和生產(chǎn)率，結(jié)果如下：
1)粉碎率為90%;
2)耗電量為3.8 kWfh
3)生產(chǎn)率為200kg/h
其中粉碎率是以長(zhǎng)度小于6cm的蔗葉占蔗葉總重量的百分比來(lái)計(jì)算。試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)器振動(dòng)小，經(jīng)粉碎后的甘蔗葉平均長(zhǎng)度小于6cm，寬度小于lOmm的占90%（即粉碎率），物料大小能滿(mǎn)足沼氣生產(chǎn)發(fā)酵的要求；實(shí)際功率消耗為3.5kW．且甘蔗葉斷裂的斷口極不規(guī)則，表面破損，有效地破壞了葉表面蠟質(zhì)層，增加了與沼氣菌接觸的有效面積：結(jié)果表明試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的要求。
如圖4和圖5為利用鍘切機(jī)和本設(shè)計(jì)的粉碎機(jī)進(jìn)行兩種不同粉碎原理時(shí)的蔗葉粉碎效果對(duì)比。
圖4為鍘切機(jī)的粉碎試驗(yàn)，可以看出甘蔗葉在葉寬方向上沒(méi)有被破壞，仍保持其原有寬度，其表面結(jié)構(gòu)不能被破壞，而圖5是利用設(shè)計(jì)的粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎的效果圖，甘蔗葉在葉寬方向上被破碎成細(xì)絲條狀，較好地破壞了其表面結(jié)構(gòu)。與切段式鍘切機(jī)相比具有粉碎物料細(xì)的優(yōu)點(diǎn)。
4、問(wèn)題與討論
1)甘蔗葉為長(zhǎng)形物料，如進(jìn)料時(shí)以長(zhǎng)度方向平行于動(dòng)刀軸的方式進(jìn)料，則更有利于粉碎效果的提升。
2)盡管本機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)時(shí)已應(yīng)用動(dòng)平衡計(jì)算公式進(jìn)行過(guò)計(jì)算，并使得動(dòng)平衡量為零，但由于實(shí)際的制造誤差，仍有少許振動(dòng)，為進(jìn)一步減少振動(dòng)，最好還是做靜平衡或動(dòng)平衡。
3)經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)料口開(kāi)口寬度與角度及定刀的配置角度對(duì)粉碎室內(nèi)氣流的運(yùn)動(dòng)有較大的影響，以至于影響到物料的喂入，目前觀(guān)察到進(jìn)料口風(fēng)速較高，負(fù)壓情況不理想．還需對(duì)粉碎機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)做進(jìn)一步研究。
4)由于甘蔗葉物料具有蓬松且雜亂的特點(diǎn)，如在喂料斗上加裝喂料裝置，將更有利于物料的喂入。
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