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輪刀式飼草切碎機的設計
（塔里木大學機械電氣化工程學院， 阿拉爾 843300）
摘 要：我國具有豐富的作物桔稈資源，它是廣大農(nóng)區(qū)飼養(yǎng)牲畜的主要飼料.發(fā)展節(jié)糧效益型畜牧業(yè)是加快我國畜牧業(yè)發(fā)展的新戰(zhàn)略。近幾年來，隨著桔稈堿化、氨化和化學處理技術(shù)的推廣，為提高干秸稈的利用率提供了廣闊的前景.桔稈切碎是處理秸稈不可缺少的一項工藝。我國農(nóng)作物秸稈的利用率很低,很多秸稈被農(nóng)民燒掉,浪費了生物資源,污染了環(huán)境,因此大力發(fā)展飼料切碎機械勢在必行。為了適應廣大農(nóng)牧區(qū)養(yǎng)殖業(yè)的需要,我們設計了一種結(jié)構(gòu)新穎、工作可靠、性能良好的輪刀式飼草切碎機?？梢源龠M牧草合理、有效的綜合利用，可以緩解飼草料不足現(xiàn)狀，促進畜牧業(yè)發(fā)展。
關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)工程；切碎機；設計；機械
中圖分類號： 文獻標識碼：A 文章編號：
0 引言
我國具有豐富的作物桔稈資源，它是廣大農(nóng)區(qū)飼養(yǎng)牲畜的主要飼料.發(fā)展節(jié)糧效益型畜牧業(yè)是加快我國畜牧業(yè)發(fā)展的新戰(zhàn)略。近幾年來，隨著桔稈堿化、氨化和化學處理技術(shù)的推廣，為提高干秸稈的利用率提供了廣闊的前景.桔稈切碎是處理秸稈不可缺少的一項工藝。目前，我國飼草的機械切碎加工主要是利用鍘草機，鍘草機的切割器可分為輪刀式和滾筒式兩種.常用輪刀切割器動刀片的型式有凹圓弧形、凸圓弧形和直線形，我國農(nóng)作物秸稈的利用率很低,很多秸稈被農(nóng)民燒掉,浪費了生物資源,污染了環(huán)境,因此大力發(fā)展飼料切碎機械勢在必行。為了適應廣大農(nóng)牧區(qū)養(yǎng)殖業(yè)的需要,我們設計了一種結(jié)構(gòu)新穎、工作可靠、性能良好的輪刀式飼草切碎機。該機既可實現(xiàn)家庭和畜牧場飼草切碎加工[1]。
草資源在發(fā)展畜牧業(yè)、配合飼料工業(yè)、生物能源、輕工業(yè)和建筑業(yè)中有重要意義.尤其是在大力發(fā)展畜牧業(yè)的今天其地位日見提升.草資源-草產(chǎn)品-草業(yè)加工-草產(chǎn)業(yè)被稱為草業(yè)發(fā)展的四草,是一個產(chǎn)業(yè)鏈.處于產(chǎn)業(yè)鏈最底層的草資源是發(fā)展草產(chǎn)業(yè)的強大支撐.我國草資源豐富,全國共有4億公頃草原,每年有近6億噸的農(nóng)作物秸稈.內(nèi)蒙古、、青海是我國草資源的大省.但近些年來,人們只是一味的利用，沒有很好地保持和建設，使得草資源日益匱乏.另外,由于人們觀念及技術(shù)水平的限制,雖是利用也只是粗放型的,附加值低,成了草資源的極大浪費.隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展,新鮮飼草產(chǎn)品走入市場已成大勢所趨,草資源在畜牧業(yè)中的基礎作用還在提高，深層次的開發(fā)和利用問題已提到日程上來[2] 。
1 設計原理及機構(gòu)
1.1 設計方案
飼草切碎機主要用來切斷莖稈類飼料，如谷草、稻草、麥秸、干草，各種青飼料和青貯玉米、高梁秸稈等。本設計采用可移動輪刀式切碎，此設計主要用于大部分農(nóng)村和小型企業(yè)，方便移動和拋送切碎的飼草結(jié)構(gòu)。以目前的研究條件，設計的飼草切碎機采用傾斜式喂入飼草裝置和放置式刀輪旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，利用電動機帶動刀輪轉(zhuǎn)，在飼草進入喂料口時，飼草在高速旋轉(zhuǎn)的刀片作用下被切斷，切斷的飼草在刀輪的離心作用下和拋送葉片的旋轉(zhuǎn)被拋出箱體，完成切碎和拋送工作。要得到精確地切碎的第二個先決條件是：刀片的鋒利度要適宜。第三個先決條件是刀片和入料口的之間的間隙盡可能小。飼料的理論切碎長度L取決于喂入飼料的速度和單位時間內(nèi)的切割次數(shù)。
（1.1）
式中：
v----喂入速度（米/秒）
n----切碎機的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）
Z----刀片的數(shù)
由式中1.1可以看出：飼料切碎長度可以通過改變刀片的數(shù)目和刀盤的轉(zhuǎn)速，或改變飼料喂入的速度，或通過改變兩部分其中一個或全部參數(shù)來得到。
電動機是已經(jīng)系列化的產(chǎn)品，在機械設計中，要根據(jù)工作載荷大小及性質(zhì)、轉(zhuǎn)速高低、起動特性、過載情況、工作環(huán)境、安裝要求及空間尺寸限制和經(jīng)濟性等要求從產(chǎn)品目錄中選擇電動機的類型、結(jié)構(gòu)形式、容量和轉(zhuǎn)速，最后確定具體型號。
在本設計中先選定飼草的理論長度L=10～15mm.喂入速度v=0.75m/s.刀片數(shù)Z=3
由上式可得知電動機選擇轉(zhuǎn)速為1500～1400r/min。
經(jīng)過多次的討論和研究，確定輪刀式飼草切碎機的總體結(jié)構(gòu)，包括喂入裝置，切碎裝置，拋送裝置，動力傳輸裝置。
工作過程：機器開始作業(yè)時，由電動機帶動皮帶輪轉(zhuǎn)動，軸和刀輪同時高速旋轉(zhuǎn)，，在飼草進入喂料口時，飼草在高速旋轉(zhuǎn)的刀片作用下被切斷，切
斷的飼草在刀輪的離心作用下和拋送葉片的旋轉(zhuǎn)被拋出箱體，完成切碎和拋送工作。
總裝圖如圖1-1：
1.皮帶輪2.滾動軸承座3.軸4.刀輪5.刀片
6.喂料口7.支架8.拋送葉片
圖1-1總裝圖
2.設計方案的選擇
經(jīng)過多次的討論和研究，確定輪刀式飼草切碎機的總體結(jié)構(gòu)，包括喂入裝置，切碎裝置，拋送裝置，動力傳輸裝置。
2.1飼草切割長度的確定和分析
為了使青飼料有正常的發(fā)酵過程，必須將飼料切成10～20mm長的碎段。按照布蘭瑞克的意見，為了讓青飼料塔順利地卸下飼料，應把飲料切成30-45mm。這樣的長度可以通過采用輪刀式切碎機來獲得，這樣切碎機具有能比較精確的切碎飼料的切割器。為了保證精確切割，喂入的料層應盡可能窄些（即輸送喂入口的寬度要小些）。而且要盡可能緊密。關(guān)于這點，切碎機通常包含兩個部分：輸送裝置和將料層送入旋轉(zhuǎn)切刀的喂入裝置。
要得到精確地切碎的第二個先決條件是：刀片的鋒利度要適宜。第三個先決條件是刀片和入料口的之間的間隙盡可能小。飼料的理論切碎長度L取決于喂入飼料的速度和單位時間內(nèi)的切割次數(shù)。
2.2電動機的選擇
電動機是已經(jīng)系列化的產(chǎn)品，在機械設計中，要根據(jù)工作載荷大小及性質(zhì)、轉(zhuǎn)速高低、起動特性、過載情況、工作環(huán)境、安裝要求及空間尺寸限制和經(jīng)濟性等要求從產(chǎn)品目錄中選擇電動機的類型、結(jié)構(gòu)形式、容量和轉(zhuǎn)速，最后確定具體型號。
在本設計中先選定飼草的理論長度L=10～15mm.喂入速度v=0.75m/s.刀片數(shù)Z=3
由1-1式可以得出：
由上式可得知電動機選擇轉(zhuǎn)速為1500～1400r/min。
2.3選擇電動機的類型和結(jié)構(gòu)型式
由于輪刀式飼草切碎機對起動轉(zhuǎn)距有較高要求，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，應選交流電動機，Y系列電動機為更新?lián)Q代產(chǎn)品，具有高效、節(jié)能、震動小和運行安全可靠的特點，安裝尺寸和功率等級符合IEC國際標準，適合于輪刀式飼草切碎機。
2.4確定電動機的容量
電動機容量的選擇必須根據(jù)工作機容量的需要來確定。如選電動機的容量過大，必然會增加成本，造成浪費；相反，容量過小，則不能保證工作機的正常工作，或使電動機長期過載、發(fā)熱量大而過早損壞，因此所選發(fā)動機的額定功率Ped應等于或稍大于電動機所需要的實際功率Pd。
電動機所需功率
Pd—電動機所需要的實際功率，單位為kw
Pw—工作機所需要的輸入功率，單位為kw
η—電動機工作機之間傳動裝置的總效率
傳動總效率
確定各部分效率為：V帶傳動效率 滾動軸承座傳動效率代入得
由設計要求知n =1440 r/min
所以
由能量守恒得
取質(zhì)量m =10 kg，R =200 mm
而
所以
所需電動機功率為
因載荷平穩(wěn)，電動機額定功率
由表2-1系列電動機技術(shù)數(shù)據(jù)表，選電動機的額定功率為4 kw。
2.5電動機轉(zhuǎn)速的選擇
額定功率相等的同類型電動機，可以有好幾種轉(zhuǎn)速可選擇，電動機的轉(zhuǎn)速高，極對數(shù)少，尺寸和質(zhì)量小，價格也便宜，但會使傳動裝置的傳動比加大，結(jié)構(gòu)尺寸偏長，成本也會變高，若選用低轉(zhuǎn)速的電動機則相反。根據(jù)小型飼料攪拌機的總體設計以及其傳動裝置的設計，應選用同步轉(zhuǎn)速為1500 r/min的電動機，滿載轉(zhuǎn)速為1440 r/min，該電動機型號為
根據(jù)容量和轉(zhuǎn)速，由《機械設計課程設計手冊》P167表2－1查出的電動機型號，因此有以下四種傳動比選擇方案，
表2-1系列電動機技術(shù)數(shù)據(jù)表
電動機型號 額定功率/KW 滿載轉(zhuǎn)速（r/min） 質(zhì)量/KG
Y100L-2 3 1430 38
Y112M-4 4 1440 43
Y132S-4 5．5 1440 68
Y132M-4 7 1440 81
從表2-1中綜合考慮選擇電動機為：Y112M-4
3.傳動裝置的設計
3.1總設計要求
飼草長度：L=10～20mm
輪刀轉(zhuǎn)速：V =1440r/min
電動機與刀輪傳動比為：1：1
配套動力：4KW
連續(xù)工作時間：8 h
拋送距離：1 .5～2m
生產(chǎn)率：350～600kg/h
3.2箱體大小的確定
箱體結(jié)構(gòu)尺寸：長×寬×高606×190×760mm，
箱體密封時采用上下箱體可分離式。
箱體直徑：600mm
箱體底座與連接方式：焊接，螺栓連接。
材料：角鋼，鐵皮。
3.3V帶的選擇
根據(jù)設計要求選擇普通V帶
3．3．1設計功率
根據(jù)工作情況由表13-8[8]得=1.2
3．3．2選定帶型
根據(jù)Pd =5.2kw和n=1440r/min, 由圖13-15知：位于A區(qū)域，選定A型帶。
3．3．3求帶輪的基準直徑
由表13-9,d不應小于90，取d=100mm ；由于傳動比為1：1，d1=d=100mm
3．3．4驗算帶速
m/s
3．3．5初定軸間距
取a=300mm
3．3．6V帶的基準長度
mm
查表13-2[9]對A型帶選用=900mm
3．3．7計算實際中心距
mm
3．3．8求V帶根數(shù)
n=1440r/min d=100mm
查表13-3得=1.32kw. 傳動比為1：1
查表13-5得=1.3 =1
則V帶取3根，Z=3
3．3．9單根V帶的預緊力
由表查得A型帶m=0.1kg/m
3．3．10壓軸力
4.軸的設計
4．1主軸的設計
根據(jù)皮帶輪的大小可以計算出來和帶輪配合的軸的直徑，根據(jù)設計和安裝的要求軸的尺寸如下：軸長：390mm，連接有帶輪的軸端到軸肩的距離為56mm，軸的連接帶輪的軸徑為：30mm;與滾動軸承座配合的軸徑為：35mm,軸長90mm,在軸承座右側(cè)軸上要刀輪實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切割，安裝刀輪的軸端到軸肩的距離為40mm，軸徑40mm;在刀輪后安裝有軸套，軸套到刀輪的距離為60mm，軸套右側(cè)安裝一滾動軸承座，固定軸和刀輪旋轉(zhuǎn)。
主軸的結(jié)構(gòu)如圖4-1所示：
軸的材料：軸的材料主要是碳剛和合金剛。由于碳剛比合金剛價格便宜，對應力集中的敏感性較低，同時也可以用熱處理或化學熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強度，所以本設計采用Q235作為軸的材料，調(diào)制處理。
圖4-1 軸
4．2軸上零件的定位
為了防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向或周向的相對運動，軸上零件除了有游動或空轉(zhuǎn)的要求以外，都必須進行軸向和周向定位，以保證其準確的工作位置。在固定刀輪時，用B型平鍵固定刀輪與軸的相對運動，軸套起固定刀輪的軸向定位作用。
套筒： 大端半徑=48mm，小端半徑d=40mm
套筒結(jié)構(gòu)如圖圖4-2所示
圖4-2 套筒
刀輪： 鍵B 14×9×28， 滾動軸承座的內(nèi)圈和軸采用過盈配合，配合尺寸為，
4．3軸承的選擇
滾動軸承的組成：
滾動軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架四部分組成。內(nèi)圈的作用是與軸相配合并與軸一起旋轉(zhuǎn)；外圈作用是與軸承座相配合，起支撐作用；滾動體是借助于保持架均勻的將滾動體分布在內(nèi)圈和外圈之間，其形狀大小和數(shù)量直接影響著滾動軸承的使用性能和壽命；保持架能使?jié)L動體均勻分布，防止?jié)L動體脫落，引導滾動體旋轉(zhuǎn)起潤滑作用。滾動軸承的作用：
滾動軸承使用維護方便，工作可靠，起動性能好，在中等速度下承載能力較高。與滑動軸承比較，滾動軸承的徑向尺寸較大，減振能力較差，高速時壽命低，聲響較大。
滾動軸承座，它包括軸承座底座、軸承座上蓋、第一螺柱組件、軸承座端蓋、密封裝置、密封壓蓋，軸承座底座與軸承座上蓋的左右兩端分別由第一螺柱組件固定連接，軸承座底座與軸承座上蓋內(nèi)為軸承孔，軸承座端蓋中部為旋轉(zhuǎn)軸孔，軸承座底座、軸承座上蓋的前后兩側(cè)分別由螺栓與軸承座端蓋固定連接，軸承座端蓋外側(cè)設有密封腔，密封裝置位于密封腔內(nèi)，密封裝置外設有密封壓蓋，密封壓蓋由螺栓與軸承座端蓋固定連接；其特征在于：軸承座底座、軸承座上蓋上一共設有三個潤滑孔，三個潤滑孔與軸承孔相通，三個潤滑孔成１２０°布置。本實用新型具有潤滑效果好、安裝方便、可靠性好的特點。
軸的兩端都裝有滾動軸承座，軸徑為35mm,采用基孔制選軸承，先選出滾動軸承座型號為：SN207。由于軸的轉(zhuǎn)速為1440r/min,工作時間在10h內(nèi)。則選擇深溝球軸承。型號為：6007。
滾動軸承座如圖4-4所示
4．4選擇材料，決定最小直徑
圖4-4 滾動軸承座
按扭轉(zhuǎn)強度計算，用于只承受轉(zhuǎn)矩的傳動軸的精確計算，也可用于既受彎矩又受扭矩的軸的計算。
由于軸的選材為Q235，所以查表可知Q235的許用扭切應力為，查《機械設計基礎》表14-2得：τ取，C=160～135,取150。
軸上有兩個鍵糟
查手冊，取標準值，
4．5軸的校核
其強度條件為：
MPa
注：——切應力，MPa;
——軸傳遞的功率，KW；
——軸的轉(zhuǎn)速，r/min;
——軸的計算直徑，mm;
——許用切應力，Mpa
所以，把相關(guān)的數(shù)據(jù)帶入公式中得：
MPa
由于軸的選材為Q235號鋼，所以查表13-2[10]可知Q235的許用扭切應力為，，。經(jīng)校核設計的軸符合要求，可以正常工作。
根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖，如圖4-5所示:
5.其他零部件
5．1刀片起切碎作用，刀片固定在輪上，使飼草從喂入口進入箱體時，軸轉(zhuǎn)帶動刀片旋轉(zhuǎn)，從而切割飼草。
5．2拋送葉片
拋送葉片如下圖圖5-2所示此拋送葉片的設計是固定在刀輪上，在軸旋轉(zhuǎn)切割飼草時，被切碎的飼草在刀輪的離心作用下和拋送葉片的旋轉(zhuǎn)時被拋出箱體，以免切碎的飼草在箱體內(nèi)影響切碎機的工作。
圖4-5 軸的彎矩圖和扭矩圖
圖 5-1 刀片
圖5-2 拋送葉片
5．3刀輪
刀輪是起連接刀片的拋送機構(gòu)的裝置，此刀輪是固定在主軸上的，刀輪上裝有3個刀片和3個拋送葉片。如圖5-3所示、。
圖5-3 刀輪
小 結(jié)
輪刀式飼草切碎機的創(chuàng)新設計，采用了輪刀式直刀刃的切碎方式，具有結(jié)構(gòu)合理，工作性能良好，使用安全方便，工作效率高等特點，適合于大、中型畜牧業(yè)養(yǎng)殖戶對谷草、稻草、麥秸、干草，各種青飼料和青貯玉米、高梁秸稈等切碎青貯的要求。該機的應用節(jié)約了能源并合理利用農(nóng)業(yè)作物秸稈等資源，提高了飼草的青貯質(zhì)量，提高了青貯飼草使用的可靠性和利用率，極大地降低了農(nóng)業(yè)作物秸稈等資源的浪費和畜牧養(yǎng)殖成本。對飼草的推廣應用和促進畜牧業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，實行農(nóng)牧相結(jié)合，形成節(jié)糧型的畜牧業(yè)結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義。
（1）飼草切碎機的廣泛使用，節(jié)約了能源并合理利用草資源，并且降低了草資源浪費。
（2）輪刀式飼草切碎機代替了以往的人工切碎作業(yè)，提高了機械化程度及生產(chǎn)效率，節(jié)省了人力及時間。
（3）本設計采用電機作為動力，1人即可操作，結(jié)構(gòu)合理、緊湊，性能可靠；使用安全、方便，切碎質(zhì)量較好。理論上達到了飼草切割的要求及其它相應工作條件。
（4）適合大、中型養(yǎng)殖戶玉米秸稈青貯、鍘飼草、切碎等。
（5）移動自如，操作維修方便，確保人身安全。
（6）喂入飼草的速度不均勻，切割出的飼草長度不均勻，要改進的是喂入裝置。參考文獻：
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Round knife type forage cutter design
GuoHaiyang,MengWei
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Tarim University，Alar 843300，China）
Abstract: Our country has rich crop straw resource, it is broad farming livestock feed mainly. Development division food benefit stock raising is to accelerate the development of our country stock raising new strategy. In recent years, along with the straw alkaline, ammoniation and chemical processing technology, in order to improve the utilization rate of dry straw provides a broad prospect. Straw shredding is a necessary process of straw processing. Our country crop straw utilization rate is very low, many farmers burn straw, waste biological resources, pollution of the environment, so promoting the development of feed machinery to be imperative. In order to adapt to the need of aquaculture in the agricultural and pastoral areas, we design a novel structure, reliable work, good performance of the wheel knife type forage cutter. Can promote forage reasonable, effective utilization, can alleviate the shortage of fodder, and promote the development of animal husbandry.
Key words: agricultural engineering; Shredding machine; design; mechanics