秸稈粉碎機輕量化設計的探索與研究*

雍 凱

（蕪湖職業技術學院 機械工程學院，安徽 蕪湖 241006）

我國是傳統農業大國，糧食總產量占全球四分之一，相應的其副產品秸稈資源也非常豐富，人們對其利用的意識也越來越強。其利用的方式先采用粉碎機對秸稈粉碎，再將其投入具體的農業工程中。

目前，國內秸稈粉碎常用通用型飼料粉碎機，通用型粉碎機種類有鍘切式、錘片式、揉切式和組合式等4種，其中錘片式粉碎機適應性強、粉碎效能高，比較適合粉碎秸稈，但因其存在能耗高、體積大、售后維修困難等問題，所以也一定程度降低了人們的使用意愿[1-3]。

針對存在的問題，有許多學者展開了研究，徐偉等[4]研究錘片式粉碎機轉子的工作特性，以最大應力應變為參考，優化粉碎機主軸結構，提升粉碎機性能，杜春寬[5]通過碰撞力學分析，對錘頭的碰撞中心公式進行了修正，為粉碎機錘頭的結構優化提供指導方向，李震等[6]基于泛函分析理論，對粉碎機分離裝置進行優化，提高錘片式粉碎機的篩分效率，這些研究一定程度推進了粉碎機的發展，但未涉及粉碎機輕量化的研究。余朝靜等[7]采用了拓撲和遺傳算法的多目標優化方法，對改進型煙稈拔稈粉碎機的機架進行輕量化設計，最終重量優化了18%，他的研究為秸稈粉碎機的輕量化設計提供思路。

秸稈與玉米等糧食產品粉碎所需的輸入功率和轉速不同，直接采用這些飼料錘片粉碎機粉碎秸稈，存在能源浪費，所以針對秸稈粉碎，急需對現有通用型飼料粉碎機進行輕量化改進。在保證秸稈粉碎機正常工作的前提下，以減重、提效為目標，搭建秸稈粉碎機輕量化設計框架，提出主要部件的輕量化設計方案，為該設備的輕量化生產和推廣應用提供必要的理論依據。

1 輕量化設計總體框架

1.1 秸稈粉碎機的結構與工作原理

秸稈錘片式粉碎機從結構上是由底座、轉子、進出料口、機身和篩網等組成，從功能上是由粉碎機構、導向機構和支撐機構等組成，其中粉碎機構由錘片、錘軸、隔板和主軸等構成，本文按功能分類來研究。秸稈粉碎機工作分為負載和空載兩種工況，空載即啟動過程和未切割秸稈過程，負載即切割秸稈過程。在空載時，原動機輸入動力，并帶動主軸轉動，主軸帶動隔板、錘軸和錘片轉動，由于錘片不與秸稈接觸，所以無太大阻力，此狀態下整機功耗較低；在負載時，動力輸入同空載情況，但錘片對秸稈碰撞、剪切，并配合篩網的摩擦作用實現秸稈粉碎，粉碎后小尺寸顆粒能通過篩網孔，并最終在出料口排出，而較大尺寸顆粒無法通過篩網孔，只能繼續被錘片粉碎，直至小于篩網孔尺寸排出粉碎室外為止。

1.2 輕量化設計整體思路

秸稈粉碎機整機輕量化設計思路如圖1所示，先從市場調研開始，了解現有粉碎機行情，明確存在的問題，尋找解決的途徑。輕量化設計路線分三個方向，分別從粉碎機構的輕量化、導向機構的輕量化和支撐機構的輕量化三個方面展開，具體如下：

圖1 秸稈粉碎機輕量化設計思路

（1）粉碎機構輕量化。采用動力學和靜力學等分析方法，研究粉碎機工作過程中粉碎機構各部件的受力情況，以最大變形為參考目標，優化機構尺寸。

（2）導向機構輕量化。采用流體力學和靜力學等分析方法，研究秸稈粉碎后的粉末運動規律，以運動穩定為參考目標，優化機構尺寸。

（3）支撐機構輕量化。采用靜力學和模態等分析方法，研究支撐裝置對整機的承載受力情況，以變形、應力極限為參考目標，優化機構尺寸。

2 主要部件輕量化設計方案

2.1 粉碎機構的輕量化

粉碎機構是秸稈粉碎機的功能部件，其由錘片、錘軸、隔板和主軸等結構組成，在粉碎機工作過程中，整機的功率消耗主要集中在這里，研究粉碎機構的輕量化需要以工作負載狀態為條件，下面選擇部分關鍵組件來設計輕量化方案。

2.1.1 錘片

錘片是與秸稈直接接觸的工作部件，其種類多種多樣，市場常見錘片結構如圖2所示，有矩形錘片、銳角形錘片、階梯型錘片和環形錘片等，各錘片有各自的優勢和適用場景，如秸稈粉碎機常用錘片結構是矩形錘片，其結構簡單、制造方便且變形量小。據徐偉等[8]論文參考，錘片的變形量大小影響錘片的工作效率，且錘片的長度、寬度和厚度越小，其變形量越大，而錘片變形量一般不超過50 μm都無明顯影響，所以在對錘片的輕量化設計時，可以預設最大變形量，并采用有限元分析軟件逐步優化錘片尺寸，實現錘片輕量化，具體優化方案如下：

（1）錘片的運動分析。錘片有兩個運動，一個是隨著主軸、隔板和錘軸的轉動而轉動，另一個是自身繞著錘軸的轉動，前者需要考慮輸入的轉矩、轉速，后者需要考慮自轉的穩定周期。

（2）錘片與秸稈的碰撞分析。錘片在高速旋轉時與秸稈是瞬時碰撞，需要假設一定場景，如在5個接觸點同時碰撞等。

（3）有限元優化分析。采用有限元分析軟件，結合上述力學分析施加對應負載，設定錘片材料屬性，模擬實際工作時錘片的變形和應力變化情況，逐級改變錘片關鍵尺寸參數，直至結構滿足要求，實現錘片輕量化設計。

（4）實驗驗證。制造優化后的錘片，并與優化前的錘片進行對比實驗，在兩臺同型號粉碎機上粉碎秸稈，記錄粉碎效率、錘片變形和錘片壽命等參數，驗證分析結果的合理性。

2.1.2 隔板

隔板作為主軸和錘片的中間件，除了傳遞動力外，也保證整個粉碎機構的穩定。圖3為隔板的三種形式。市場常見隔板結構如圖3a所示，圓盤形狀在轉動過程中比較穩定，但體積大造成笨重，并且大大增大了能量損耗，圖3b、圖3c所示的隔板是優化后的結構，但在減少材料的同時能否保證性能的穩定，需要進一步研究。對隔板的輕量化建議從材料和結構兩方面共同考慮，具體輕量化方案如下：

圖3 隔板結構模型

（1）隔板的運動分析。隔板伴隨主軸轉動，傳遞主軸帶給錘片軸及錘片的轉矩。

（2）隔板的材料分析。由于隔板不碰撞、不切割秸稈，所以不需要選取高屈服強度材料，所以在滿足正常工作的前提下，選擇低密度材料。

（3）結構分析。根據力學原理和專業軟件，合理設計輕量化隔板結構。

（4）有限元優化分析。結合結構分析、運動分析和材料分析，通過運動分析結果施加負載，從結構和材料兩個方面組合優化隔板結構，最終得到輕量化隔板。

2.2 支撐機構的輕量化

支撐機構即底座，對粉碎機構和導向機構起到支撐和穩定作用，其結構可由槽鋼、鋼板等型材組成，在結構搭建時，需考慮負載變形和應力集中等問題，保證正常工作的前提下，減少材料和空間占用，具體方案如下：

（1）支撐機構的受力分析與結構設計。粉碎機構和導向機構都需要底座支撐，搭建底座結構時，需要考慮底座的負載面、重心和地腳面等設計細節，負載面方面要考慮其大小和位置，重心方面要考慮底座與整機重心的一致，地腳面方面要注意整機穩定性。

（2）支撐機構的材料分析。支撐機構非工作部件，所以可同時作結構輕量化和材料輕量化，材料方面盡量選擇輕質、低價且有一定強度和韌性的材料。

（3）有限元優化分析。結合結構設計和材料分析，通過模態分析和靜力學分析，模擬整機負載和空載兩種工況，得到整機的應力、應變變化趨勢及振動情況，最終實現支撐機構的輕量化。

2.3 導向機構的輕量化

導向機構主要包括進料口和出料口等，其結構也影響粉碎機構的工作效率，如曹麗英等[9]研究回料管直徑對粉碎效率的影響，采用EDEM-Fluent相耦合方法對回料管直徑、喂料速率和喂料量三個因素進行研究，采用最佳參數得到大幅提升的篩分效率。結合這種研究思路，在保證導向機構正常工作的前提下，進行導向機構輕量化的設計方案如下：

（1）粉碎顆粒的流體分析。粉碎機內部因轉子的轉動而形成氣流，并影響粉碎顆粒的運動，所以需分析不同大小的顆粒在受到自身重力、錘片碰撞和運動氣流等影響下的運動軌跡。

（2）有限元優化分析。結合流體分析結果，采用流體分析，模擬秸稈在進料口和出料口的運動情況，采用靜力學分析，模擬實際工況下，導向機構的應力、應變變化趨勢，最終優化導向機構。

3 總結

（1）結合秸稈粉碎機的市場背景和結構原理，擬定整機的輕量化設計思路，并細化為粉碎機構、支撐機構和導向機構的輕量化方案。

（2）秸稈粉碎機各機構的輕量化方案，即分別采用力學分析、結構分析和材料分析等研究方法，運用有限元分析軟件，逐步對各機構實現結構和材料優化，最終實現整個設備輕量化。

（3）秸稈粉碎機的輕量化設計方案，為該設備的輕量化實際應用提供思路，也為今后其他粉碎機的輕量化設計提供參考。