固定式香蕉秸秆粉碎机的设计

　　引言

　　香蕉属于热带水果，具有生长周期长和产量大的特点。我国是香蕉的重要生产国，产区主要集中在海南、广东、广西、福建、台湾一带。由于香蕉的植株相对高大，在每年产出大量香蕉的同时，几乎等量地产出香蕉秸秆等农业的废弃物。目前，对于香蕉秸秆的利用主要有纤维的提取、粉碎用作牲口饲料以及粉碎还田当作肥料。但是，以上 3 种利用方式占每年的香蕉秸秆产量的比例非常小，大部分的农民对秸秆的处理方式为堆积自然腐烂或者直接焚烧还田。由于香蕉秸秆具有纤维素、半纤维素和木质素含量高且含水量大等特点，导致秸秆的腐烂周期长和焚烧不彻底等问题，使秸秆长期占用大量的空间，影响农业生产作业。香蕉秸秆的粉碎机械在国内已有发展，主要分为牵引式和固定式两大类。牵引式由拖拉机牵引，直接在田中将秸秆就地粉碎; 但由于香蕉秸秆本身的特点，容易产生粉碎不彻底的缺点，影响下一周期的农作物的种植。固定式是由人工将秸秆搬移到指定的地点，用专用机械进行集中的粉碎处理。其粉碎效果与牵引式相比，有了较大的提高。本文香蕉秸秆粉碎机的设计即为固定式。

　　1 粉碎方法及原理
　　
　　1． 1 粉碎方法
　　
　　一般的粉碎机械常采用锤爪型刀片，工作时锤爪由高速旋转的刀轴带动，依靠自身质量较大产生很大的锤击惯性力从而把秸秆砸碎，达到秸秆粉碎的效果。此类粉碎机械对玉米、高粱、棉花等硬质类秸秆有较好的粉碎性能。而香蕉的秸秆是由香蕉叶片的根部层层包裹而成，且纤维较粗、韧性大，锤击式不能起到很好的粉碎效果。但是，根据测试，当用刀片沿秸秆的纤维垂直方向对秸秆进行切割时，却很容易切断。因此，本设计采用交叉锯齿形刀片对秸秆进行粉碎。

　　1． 2 剥衣原理

　　机器开启以后，将香蕉秸秆放置于机器的输送装置，由输送装置对机器进行送料。秸秆首先经过两对具有一定间隙的辊轴，辊轴用来吸料并且将质地相对较密的秸秆进行纵向的压缩，使秸秆的各组成层之间的间隙扩大，有利于刀片对秸秆进行一次粉碎。秸秆通过辊轴进入一级粉碎装置。该粉碎装置由固定在两个旋转轴上的一定数量、一定间距的相互交叉的锯齿形刀片组成。秸秆途经该粉碎装置以后，经过各层的分离而被切割成一定弧度的条状，落入下一级螺旋传送装置; 螺旋传送装置将初次粉碎后的秸秆传送到二级旋转刀片，完成二次粉碎，由出料口排出。另外，输送装置的延长线与锯齿粉碎刀片的旋转轴应当有一定的夹角，有利于初次粉碎; 螺旋传送装置的底板有一定的斜度，有利于送料; 同时底板末端要与旋转切刀相配合，完成对秸秆的二次粉碎，要求有足够的厚度和硬度，并加工成有一定的刃口，从而更好地完成切料动作。

    2 主要结构及部件设计

　　2． 1 基本结构

　　香蕉秸秆粉碎机的结构简图，如图 1 所示。【图1】

　　
　　2． 2 辊轴

　　辊轴的主要作用有 3 个: 一是有吸料的功能。其动力源自于电动机，上面两个辊轴顺时针方向转动，下面两个辊轴顺时针方向转动，其表面粗糙度较大，以增大吸料的摩擦力。二是碾压香蕉秸秆的功能。

　　前一组辊轴的距离略小于秸秆的直径，后一组辊轴的距离再小于前一组辊轴的距离，从而对香蕉秸秆起到碾压的作用。经碾压后的香蕉秸秆各层分离，有利于刀片的切割。三是起到夹持的作用，使香蕉秸秆向刀片方向稳定地进料。经数据统计，成熟的香蕉秸秆的直径在 30 ～ 40cm 之间，故兼顾进料可靠以及碾压效果，取第一级辊轴的距离为 35cm，第二级辊轴的距离为 32cm。经试验，以上两种距离满足机器的要求。其外形及配合方式如图 2 所示。【图2】

　　2． 3 锯齿形交叉粉碎刀片

　　该粉碎装置由两组刀片配合，且刀片相互交叉，结构类似辊轴。刀片的两个旋转轴与香蕉秸秆的进料方向相同，并在输送装置倾斜的作用下与香蕉秸秆成一定的角度，从而使刀面与秸秆的纤维近似相垂直，有助于更好地粉碎秸秆。刀片采用圆盘锯齿刀片，经试验，该种类型的刀片的切割效果远比光刃圆盘形的效果好。为了减小刀片在高速旋转时应力集中的影响，锯齿的底部应以小圆弧过度。此外，由于传送装置与刀片的旋转轴形成一定的角度，且刀片切割秸秆是一个逐渐进料、逐渐切割的过程，旋转的阻力相对较小，因此不考虑切割深度所产生的阻力对刀片强度的影响。根据对香蕉秸秆直径的统计结果，选取刀片的半径为 20cm，刀片的重合距离为 5cm，故两旋转轴间的距离为 35cm。靠近辊轴的位置的刀片的直径可适当的增大，以提高切割的效率。刀片的排布与形状如图 3 所示。【图3】

　　
　　2． 4 螺旋传送装置

　　该装置的主要作用为螺旋送料，将一次粉碎后的秸秆碎片推送到旋转切刀的位置，进行二次粉碎作业，防止因秸秆碎片的过度堆积而出现送料停滞的情况，以提高粉碎的效率。其结构如图 4 所示。【图4】

　　
　　2． 5 旋转切刀

　　旋转切刀是二次粉碎的主要部件，也关系到最后香蕉秸秆的最终粉碎效果。本切刀采用在圆周空间上均匀分布 3 个双刃矩形刀片的旋转机构，其组成分为旋转轴、刀架和矩形刀片。其整体组件的左视图如图 5 所示。【图5】

　　
　　2． 5． 1 旋转刀架

　　旋转刀架通过平键与转轴相连接，带动刀片进行切割动作。刀架上所安装的刀具的个数对秸秆粉碎精度的影响，随着转速的增加而逐渐减小。本着经济的原则，本刀架的设计只选择安装 3 个刀片。一般中小型破碎机转速为750 ～1 500r/min、切刀线速度为25～ 70m / s。大型破碎机转速为 200 ～ 350r / min、切刀圆周速度为 18 ～25m/s。转速越高，线速度越大，秸秆的二次粉碎的效果也就越好。综合考虑本机器的设计，为了减小磨损以及不必要的功率的损耗，选择转速为900r / min。所以，刀具的线速度可由下面的公式计算V = nπd /60。其中，V 为转速，d 为刀刃到转轴中心距离的 2 倍。刀架的三维造型如图 6 所示。【图6略】
　　
　　2． 5． 2 双刃矩形刀片

　　由于香蕉秸秆本身具有纤维韧性大、含水量高的特点，因此对刀片的材料要求较高。普通的碳素钢不能够满足耐磨性和耐腐蚀的特点，本刀片的材料选用T12。采用双面刀刃的优点是当有一面磨损时，可以直接改变刀刃的方向，节省了更换刀具的成本和时间。刀架的刀面上开有 4 个沉头孔，与刀架配合，便于安装。刀片的三维造型如图 7 所示。【图7略】
　　
　　3 传动装置

　　因两组辊轴以及一级粉碎刀片相向转动时需要有相同的线速度，故其之间的传动采用齿轮啮合的方式，其余由动力源到各个机构的传动应采用 V 形带传动的方式。带传动的方式平稳，传动精度的要求较低，且在载荷较大时会发生皮带打滑的现象，具有过载保护的功能，完全符合农业机械的要求; 但皮带工作一段时间容易出现松弛。所以，在两极带传动之间，应装有皮带张紧轮，以提高机械工作的可靠性。

　　4 结束语

　　本设计在已有的香蕉秸秆的粉碎机械基础上，设计出二级粉碎的机械。与以往的机械相比，具有粉碎效果稳定、粉碎颗粒更小的优点，有助于减小粉碎秸秆还田的速率和增大秸秆的回收利用率，有助于解决以前的自然腐烂以及焚烧处理所造成的环境污染的问题，促进农业发展向绿色农业化的迈进。

　　参考文献:

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　　［2］ 朱晓闯，张喜瑞，李粤，等． 我国香蕉秸秆回收利用研究［J］． 价值工程，2011( 34) : 273－274．
　　［3］ 朱德荣，常云朋，梁莉，等． 香蕉茎秆/根茬还田工艺研究和机械结构设计［J］． 农机化研究，2011，33( 9) : 136 －138．
　　［4］ 张景强，李清春，张奇志，等． 香蕉秸秆资源的工业化利用［J］． 广州化工，2013( 11) : 18－21．
　　［5］ M D 弗拉维尔． 碎磨回路的设计和装备［M］． 北京: 冶金工业出版社，1990．