毕业设计（论文）-秸秆收集粉碎压块一体机的设计

秆作为燃料的广泛应用可以有效缓解资源过度开发和环境恶化等问题，推动区域农业经济发展、促进生态文明建设、提高人们生活质量。农作物残余秸秆收集粉碎可以提高其使用性能，发挥出它的最大利用价值，依据需求将秸秆进行不同粒度的粉碎处理，并对粉末压块提高运输便捷性，可以拓宽其使用范围，同时也是解决秸秆综合利用瓶颈问题的关键。秸秆粉碎是解决当前农业生产中主要废弃物的处理和综合利用过程中的核心工艺，粉碎后不同粒度的秸秆颗粒可通过微生物处理快速转化为有机肥，可直接作为牲畜饲料，亦可作为工业原料，压缩运离田地。因此，根据要求和用途的不同，将不同性质的秸秆粉碎成不同粒度的颗粒是解决秸秆产业化综合利用的关键。研究设计秸秆收集粉碎压块一体机具有多方面价值：社会价值、环境价值、经济价值，推动秸秆材料处理设备及技术的发展，满足不同产业需求。首先社会价值，经过粉碎处理的秸秆可以用于多种用途，填补产业发展空缺，优化产业结构。生态价值：使用秸秆材料代替化石能源，能够减少污染物排放，降低矿物开采，有效改善生态环境。经济价值：秸秆粉碎后可作为某些高端产品的制作原料，经济价值指数性增长，增加农民的经济性收入，创造出更大的社会财富。因此，秸秆收集粉碎压块一体机的设计研究具有及其重大的社会、环境和经济意义。1.3秸秆处理设备研究现状1.3.1国内秸秆处理设备研究现状国内秸秆粉碎设备的研究起步较晚，目前有多所大学和多个研究机构的学者在进行探索研究，贵州大学学者制造出用于粉碎青杆秸秆的设备，使用卧式机架，总功率为5千瓦。设备粉碎过程为：将秸秆经入料口送到粉碎腔，转轴上设置的快速转动的刀具和定刀具联合将秸秆剪断成初始长度，然后物料下落进入锯齿板构成的磨碎腔，物料受到转轴上螺旋刀具的剪切力，在剪碎的过程中随刀具的螺旋输送作用移动，最终完成粉碎的秸秆材料由出料口排出进行收集。该形式粉碎设备刀具构造使得物料粉碎次数增多，效果良好，适用性与实用性强，同时设备操纵安全简便，能耗低，物料的粉碎粒度大小可调。位于南京市隶属于国家农业部的农机研究院制造出一款多用途秸秆粉碎设备，输出功率为30千瓦，是一台中大型设备，主要组成机构有机架主体、粉碎工作腔、锤击粉碎腔、动力传动机构等。进行粉碎工作时，秸秆材料受重力下落进入锤击粉碎腔，进入后持续被快速回转的动刀具剪切、锤击、揉切、摩擦等作用碾压为线状，然后进入到粉碎腔粉碎为更细小的粒度，完成后经筛网过滤送出。该设备特点为输出功率大，生产稳定性强，耗电量少，适宜进行大量不间断粉碎工作。陕西农业大学学者制造出锯切粉碎机，工作过程为：使用电动机作为动力源驱动主轴转动，主轴上布置切割锯片随主轴快速转动，秸秆在入料口位置被装置夹紧，主轴锯片对秸秆进行持续切割与击打使其粉碎为线状，在高速回转锯片产生的风力作用下线状秸秆碎屑进入设备底部，在扇叶作用下由排料口排出。该设备粉碎生产过程效率高，耗电量小，操作安全简便。河南农业大学研究人员制造出具备二次粉碎功能的粉碎设备，用于对粗材料纤维、高韧性的秸秆的粉碎工作。设备在两根平行的回转轴上装备了具有交叉结构的锯齿动刀具对秸秆进行粉碎，具备两级粉碎装置，第一级使用上述交叉结构回转刀具，第二级粉碎使用具有双刃的长方形刀具粉碎。该设备适用于粗纤维、大韧性秸秆材料加工，稳定性强、制造成本低、生产效果好。河北农业大学研究员制造出可置于收割机后端的秸秆粉碎设备，可安装于收割机上，由其提供动力。工作时收割机在土地上切断收集秸秆送入粉碎机，材料第一次粉碎由旋转圆盘刀具完成，材料进入粉碎设备内部后，粉碎腔内的动刀具和静刀具联合完成二次粉碎。该设备针对小麦和玉米等处于田地中的秸秆材料，可以和收割机进行配合工作，具有功耗低，快速便捷的优点。吉林农机研究院制造出同时具备铡切、粉碎、揉切的组合粉碎方式的设备，适用于包括粗纤维、高韧性、水分高的多种作业材料，针对饲料用秸秆加工最为适用，粉碎粒度细致，耗电量小、生产效率高。又有一些学者将现有设备功能集于一身，制造出复合式粉碎设备，又具备自动化送料机构，节省劳动强度，提高粉碎生产率。1.3.2国外秸秆处理设备研究现状国外研究机构和设备生产厂商专业针对秸秆粉碎的设备较少，主要产品和研究方向为通用型专业化粉碎设备。美国农机制造厂设计的多功能粉碎设备，适用于不同材质、不同水分、不同尺寸的多种材料的粉碎加工，同时设备状态可根据加工材料进行调整。设备可以使用电力驱动或者柴油机驱动，粉碎机构为旋转刀刃。该设备产量可以达到每小时160吨。设备的动刀具刃型是圆锥形，同时设备动力性强，能够快速稳定粉碎多种材料，配合保护机构可以有效聚拢收集碎屑，工作过程中设备声响也非常低。意大利某家设备企业制造出一种立式粉碎机，此设备工作时材料和锤型刀具的接触面积大，刀具同时击打的材料数量多，同时较粗物料对于筛面的摩擦降低，材料温度不会增长较大。粉碎腔内设置筒形筛网，增加筛网有效面积，通过的材料增多在某种意义上可提高产量。为提高设备使用寿命，粉碎腔内壁安装耐磨元件，同时能够减少运行噪音。设备配备自动化上料机构，自动调整生产速度，还安装杂物筛查设备，防止杂物损坏设备粉碎刀具。美国某农业机械制造企业设计出一种用于粉碎树木枝条的设备，机器可以使用卡车牵引运输，加工枝条直径范围跨度大，适应能力较强，而且加工效率可观。加工过程中设备震动和噪音较小，设备稳定性强，输出动力强劲。日本某制造企业生产出一种粉碎树木枝叶的机器设备，具有二级粉碎功能，利用液压和气压共同伺服驱动。工作时送料机构将树木枝叶送达，快速转动的筒式刀具把物料剪切为小片，进入粉碎腔后材料加工成直径2毫米左右的木质颗粒，粉碎完成后的颗粒可以生产肥料、用于耕地表层的覆盖物或者作为培养食用菌的基底。该设备材料输送速度、材料压紧力均可做调整，每小时可以生产3立方米碎屑。德国一家设备公司制造出一台卧式布置的精细粉碎机，创新之处在于粉碎部分和鼓风部分使用同一根轴，在粉碎腔中高速同步回转。设备设置2级粉碎机构，加工完成的材料能够从粉碎腔筛孔分离，未完成的材料直至加工完成才会被分离，机器具有除杂除渣机构，从而保证产品的纯净度和粒度水平。粉碎机本能耗低、效率高、操作安全便捷、加工颗粒大小方便调整。在科学水平提高的基础上，电动机变频驱动技术逐渐成熟，多样的变频机构层出不穷，并且逐渐运用到粉碎设备上，可以有效提高设备的加工效率、改善工艺质量、进一步降低能耗。1.4研究内容查阅资料和文献，研究农作物秸秆的使用价值、认识秸秆粉碎设备的研究意义，了解秸秆粉碎方式的具体分类，认识目前国内外对于秸秆粉碎设备的研究现状。对秸秆收集粉碎压块一体机的总体结构、各部分机构进行结构设计和参数计算；（3）使用SolidWorks软件对设备进行三维建模，使用AutoCAD软件绘制设备总装配图、各机构装配图、主要零件的零件图。2秸秆收集粉碎压块一体机总体设计2.1秸秆收集粉碎压块一体机工作原理平板小车可以由车辆牵引载着整体机构行驶，是一种移动式工作设备，适用于大部分地形和区域的粉碎作业，较为便捷。对仍生长在田地间的秸秆进行粉碎工作时，位于平板车后方的秸秆收集机构把位于田地上的秸秆从根部剪断，进行秸秆收集聚拢以及送料的工作，秸秆被送到粉碎机构入料口处，被粉碎刀具进行粉碎。粉碎完成碎料下落至输送带，输送至压块机构进行压块作业，压块后的秸秆可调整长度被切断刀断开，便于秸秆碎料的储存运输。粉碎设备总长度为5.2m，总高度为2.4m，总宽度为2.8米。2.2秸秆收集粉碎压块一体机结构组成对秸秆收集粉碎压块一体机进行主体结构设计，设备主要由秸秆收集机构、牵引式车体、秸秆粉碎机构、秸秆压块机构、操纵控制装置等组成。图2.1为秸秆收集粉碎压块一体机三维模型，所有机构都布置在一台平板车的底板上，平台车有车轮可方便牵引运输，秸秆收集机构安装在平板车的后部使用铰链铰接，粉碎机构布置在平板车底板中部，其后方设置安装压块装置，平板车的前端为操纵控制机构。图2.1秸秆收集粉碎压块一体机三维模型2.3秸秆收集粉碎压块一体机传动方案本文中设计的秸秆收集粉碎压块一体机自身不具备驱动机构，进行秸秆处理工作时可使用拖拉机进行牵引。秸秆收集粉碎压块一体机上配备的压碎机构、粉碎机构等都是电力驱动的，电力来源为一体机上配备的发电机。秸秆粉碎机构由电动机驱动，两级粉碎辊使用V型皮带进行传动，皮带输送机构使用V型皮带进行传动；秸秆压块机构使用电机驱动，电机和压块辊采用联轴器直接传动。3.秸秆收集装置设计3.1秸秆收集装置结构组成秸秆收集装置底部设置有剪断刀具，在牵引移动过程中可以将秸秆由根部剪断，内部还安装一具有倾斜角度的输送板，可将裁剪下的秸秆输送进粉碎机构，实现连贯生产。秸秆收集装置可以实现秸秆切断、收集、辅助送料功能，在与车身连接处使用铰链机构，距地面高度可进行调整，收集装置尺寸参数为：总长度1.6m，总宽度2m，总高度0.95m。3.2秸秆收集装置三维建模使用SolidWorks三维绘图软件为秸秆收集粉碎压块一体机的收集装置建立三维模型，依次绘制秸秆收集装置壳体、输送导板、切断机构等，然后将各个零件按照装配关系配合起来，秸秆收集装置的三维模型如图3.1所示。图3.1秸秆收集装置三维模型4秸秆粉碎装置设计4.1秸秆粉碎装置工作原理为了使处理的秸秆粉碎粒度更加细致，本设计秸秆收集粉碎压块一体机中的秸秆粉碎装置使用了两级粉碎处理机构，秸秆可以在装置中完成两次粉碎。机构上方的第一级粉碎刀具是两个上下布置对装的切断粉碎辊，机构下方的第二级粉碎刀具是两个左右布置的精细粉碎辊，采用二级粉碎模式，上方粉碎刀具将入料口处秸秆初步剪断粉碎，下方粉碎刀具更加致密，使秸秆粉碎粒度进一步降低，最终粉碎完成的材料落到输送皮带上排出。4.2秸秆粉碎装置结构组成图4.1为秸秆粉碎装置的三维模型，动力由一台电动机提供，通过传动皮带的动力传递，一级粉碎辊、二级粉碎辊、输送皮带辊均可高速运转。秸秆粉碎装置结构组成有：粉碎装置壳体机架、电动机、传动皮带、一级粉碎辊、二级粉碎辊、输送带等。图4.1秸秆粉碎装置三维模型秸秆粉碎机构采用二级粉碎模式，上方粉碎刀具将入料口处秸秆初步剪断粉碎，下方粉碎刀具更加致密，使秸秆粉碎粒度进一步降低，最终粉碎完成的材料落到输送皮带上排出。图4.1为秸秆粉碎装置的三维模型，动力由一台电动机提供，通过传动皮带的动力传递，一级粉碎辊、二级粉碎辊、输送皮带辊均可高速运转。秸秆粉碎装置结构组成有：粉碎装置壳体机架、电动机、传动皮带、一级粉碎辊、二级粉碎辊、输送带等。图4.2是秸秆二级粉碎辊的装配关系图，从右端至左端的装配零件依次是：二级辊传动皮带轮、辊体、右侧透盖、螺栓、密封圈、调整垫片、机架、深沟球轴承、轴套、深沟球轴承、调整垫片、密封圈、螺栓、左侧端盖。图4.3为秸秆输送带装配关系图，从右端至左端的装配顺序依次是：右侧端盖、螺栓、调整垫片、深沟球轴承、机架、输送带辊体、机架、深沟球轴承、调整垫片、螺栓、左侧端盖。图4.2秸秆粉碎辊装配关系图图4.3秸秆输送带装配关系图4.3带传动参数计算校核秸秆粉碎装置是该设备的核心部件，工作时电动机需要带动一级粉碎辊、二级粉碎辊、输送带辊的运动，所以工作强度较大，功率要求比较高，选择的电动机首先功率需要满足工作要求，适应长时间的粉碎工作，粉碎装置的电动机选择为三相异步电动机，型号为Y132S2-2：电动机具体参数见表4.1。表4.1电动机具体参数序号参数名称参数1型号Y132M-42额定功率P7.5kW3额定电流15A4转动速度n2900r/min5效率η86.2%6功率因数0.88首先计算电机扭矩，使用式4-1进行计算，计算得到实际扭矩T为21.3N·m（4-1）粉碎装置的粉碎辊之间的平行轴间的动力传递使用V型皮带完成。传动功率Pd计算查阅资料，如果设备每次工作时长为八小时，工况系数Ka选取为1.3，传动功率Pd使用式4-2进行计算：（4-2）初级转速为2900r/min，功率为9.75kw，选择A型皮带。从动端转速n2计算刀具头部线速度v选取为60m/s，刀具顶部到回转中心距离l为250mm，从动端转速n2使用式4-3计算：(4-3)取从动端转速n2为2300r/min。计算带轮直径查阅资料，初次选取小带轮直径d1为125mm，d2使用式4-4计算：(4-4)计算带速vd使用式4-5计算(4-5)带长、中心距中心距a0选取使用式4-6计算：(4-6)先取a0为500mm。皮带长度L0使用式4-7计算：1448.4mm(4-7)选取皮带长度Ld为1500mm。中心距a使用式4-8计算：（4-8）皮带包角验证使用4-9进行计算：(4-9)包角大于120°所以合格。初压力、压轴力计算分别使用式4-10和式4-11计算：(4-10)（4-11）5秸秆压块装置设计5.1秸秆压块装置工作原理秸秆压块装置使用双螺旋挤压辊进行压块工作，经过粉碎的秸秆材料通过粉碎装置的材料输送带传递出来，落到压块机构上方的漏斗中，压块机构使用电动机直连驱动双螺旋挤压辊对碎屑施加挤压输送作用至另一端，过程中完成压块作业，物料最终由排料口排出，经过切断后形成长方体物料块，方便后续使用运输。5.2秸秆压块装置结构组成图4.1为秸秆压块装置的三维模型，机构主要组成零件为：入料漏斗、机身壳体、电动机、双螺旋挤压辊、出料口等，图4.2是双螺旋挤压辊的零件模型图，辊上焊接双螺旋式刀具叶片，挤压输送效果较高。图4.3是秸秆压块装置中双螺旋挤压辊的装配关系图，从左端至右端的零部件装配关系为：电动机、弹性联轴器、双螺旋挤压辊、左侧透盖、螺栓、调整垫片、机身壳体、深沟球轴承、深沟球轴承、机身壳体、调整垫片、螺栓、右侧端盖。每个零件保证装配精度，紧密连接，配合工作，使得秸秆粉碎机构能够稳定进行压块工作。1-电动机；2-双螺旋挤压辊；3-机身壳体；4-入料口；5-出料口图4.1秸秆压块装置三维模型图4.2双螺旋挤压辊辊零件模型图4.3双螺旋挤压装置装配关系图5.3压块装置功率计算及校核相比于秸秆粉碎机构，秸秆压块机构的工作强度较小，输出功率要求较小，进行电动机选型时主要考虑连续工作性能与散热性能，使用较大功率的三相异步电动机，电动机型号为Y200L1-6，详细参数如表5.1所示。表5.1粉碎装置三相异步电动机参数序号参数名称参数1型号Y200L1-62额定功率18.5kW3额定电流37.7A4转动速度970r/min5额定转矩2.0N·m压块功率计算：通过查阅资料得到秸秆粉末在进行压块时，对压块螺旋压块辊的阻力约为0.8KN，双螺旋压块辊的转动角速度为100r/min，螺旋压块辊的直径为390mm，由式5-1计算压块装置总功率：（5-1）经过计算得到压块机构工作时的功率为15.6kw，所选用的三相异步电动机的额定功率为18.5kw，电动机额定功率大于压块装置压块工作时功率，所选用的电动机满足使用需求。6秸秆收集粉碎压块一体机功率计算及校核6.1秸秆收集粉碎压块一体机功率计算（1）粉碎功率计算通过查阅秸秆处理设备设计计算相关资料，秸秆在进行粉碎加工时，切断阻力FS约为3.3KN，受动载荷影响，秸秆粉碎时周向切断阻力Fx可使用式6-1计算:(6-1)其中，Kd为动载荷影响系数，取1.2计算得到秸秆粉碎时周向切断阻力Fx为3.96KN，使用式6-2计算单位长度切割力F：(6-2)其中，g为重力加速度；b为刀具切割长度，取260mm。计算得到单位长度切割力F为1.55kg/mm，切割功率Pq计算使用式6-3：（6-3）其中，L为入料口长度，取1750mm；H为入料口高度，取200mm；n为切段刀具辊转动速度，取2300r/min；k为刀具数量，取12。计算得到，切割功率Pq为2.45kw，粉碎功率Pf使用式6-4进行计算：(6-4)其中，D为刀具辊直径，取300mm；B为粉碎腔宽度，取1700mm；v为切割速度，取60m/sK0为修正系数，取0.65。计算得到粉碎功率Pf为47.1kw。（2）秸秆收集粉碎压块一体机总功率设备总功率为65.15kw。6.2重点零件校核对粉碎辊主轴校核，粉碎辊主轴受三个力分别是：深沟球轴承反作用力、粉碎刀具离心力、皮带传动压轴力。图6.1为主轴简化模型。图6.1粉碎辊主轴简化模型上文计算得到压轴力FQ为1065.3N，刀具离心力FL为67.5N，列力学平衡方程计算轴承反作用力，图6.2为粉碎辊主轴垂直方向受力图。图6.2粉碎辊主轴垂直方向受力带入数据计算，轴承反作用力RBV为1958.88N，RPV为197.31N。（1）计算弯矩：（2）计算扭矩轴上功率：主轴扭矩：当量弯矩计算合成弯矩：当量弯矩：使用式6-5计算，(6-5)其中，α为脉动系数，取0.6。（4）弯扭合成强度校核截面使用式6-6进行计算，（6-6）主轴B处弯矩最大，截面积也为最小，仅需校核B处就可以，主轴使用45号钢，经过调质处理以后的许用弯曲应力,所以粉碎辊主轴的强度满足使用要求。结论与展望通过查阅相关资料与文献，了解了农作物秸秆作为生物质材料具有极高的社会价值、环境价值、经济价值；认识到秸秆粉碎设备的研究具有非常重要的意义，认识到目前正在使用的四种秸秆粉碎方式以及各自的粉碎原理、设备构造，了解了目前国内机构和厂商所研究制造的秸秆粉碎设备的研究现状，以上均对秸秆收集粉碎压块一体机的设计提供借鉴。对秸秆收集粉碎压块一体机的总体结构、收集装置、粉碎装置、压块装置等各部分机构进行结构设计和参数计算；使用SolidWorks软件对设备进行三维建模，使用AutoCAD软件绘制设备总装配图、各机构装配图、主要零件的零件图。完成了秸秆收集粉碎压块一体机的所有设计工作以及说明书的撰写，研究结果对于后续相关秸秆粉碎处理设备的设计工作具有一定的指导意义。下一步工作中，需要提高自身文献整理查阅能力、外文文献翻译阅读能力，以期实现更广阔的信息搜集工作。对于秸秆收集粉碎压块一体机设计方面，需要持续进行创新设计，引入新思路和新方法，设计创新结构组成。学习使用有限元分析软件更深一步分析设备的结构强度，仿真工作状态发现设计缺陷并指导改进，设计之路没有最好，创新之路没有尽头。致谢参考文献[1]郭超凡,李粤,姚德宇,魏思林,吴紫晗,李媛.仿生香蕉秸秆粉碎装置关键部件作业参数优化与试验[J].中国农机化学报,2022,43(01):93-100.[2]冯莉,窦谈,杨春梅,任长清.稻草秸秆粉碎收集装备的设计与试验研究[J].农机化研究,2022,44(08):76-81.[3]王将,王晓燕,李洪文,何进,卢彩云,刘迪.水稻秸秆激荡滑切与撕裂两级切割粉碎装置设计与试验[J].农业机械学报,2021,52(10):28-40.[4]刘鹏,何进,娄尚易,王英博,张振国,林涵.异速圆盘动态支撑式玉米秸秆粉碎装置设计与试验[J].农业机械学报,2021,52(10):41-50.[5]贺宁波,李粤,郭超凡,张喜瑞,梁栋.香蕉秸秆粉碎还田机刀片优化设计与试验[J].农机化研究,2021,43(12):85-91.[7]王毅超,蒋永新,张佳喜,刘阿朋,董秋鹏,叶尔波拉提·铁木尔,刘雄.二次抛送式棉秸秆粉碎还田机的设计与试验研究[J].农机化研究,2021,43(11):78-82.[8]刘鹏,何进,李艳洁,李洪文,王庆杰,卢彩云,张振国,李绍华.异速对辊式玉米秸秆粉碎还田装置设计与试验[J].农业工程学报,2020,36(14):69-79.[9]王立军,张志恒,刘天华,王奕娇,贾飞,姜佳旭.玉米收获机割台砍劈式茎秆粉碎装置设计与试验[J].农业机械学报,2020,51(07):109-117.[10]李志强,李粤,贺宁波,陈实,张喜瑞,梁栋.纵向双辊式香蕉秸秆粉碎还田机的设计与试验[J].中国农机化学报,2020,41(03):180-184.[11]王彬,于云峰,张喜瑞.异向双辊式香蕉秸秆粉碎还田机设计与试验[J].中国农机化学报,2020,41(02):6-12.[12]张超凡,张群威,耿令新,汤志军.玉米秸秆田间粉碎性能试验研究[J].农机化研究,2020,42(09):156-159+165.[13]孙妮娜,王晓燕,李洪文,何进,王庆杰,王将,刘正道,王英博.差速锯切式水稻秸秆粉碎还田机设计与试验[J].农业工程学报,2019,35(22):267-276.[14]牛国梁.机采棉立式秸秆粉碎还田机关键部件优化设计与试验[D].石河子大学,2021.[15]张志恒.玉米联合收获机割台砍劈式秸秆粉碎装置设计与试验[D].东北农业大学,2021.[16]王毅超.二次抛送式棉秸秆粉碎还田机设计与试验[D].新疆农业大学,2020.[17]梁彦超.组合式秸秆粉碎灭茬混土还田机设计与试验[D].山东理工大学,2020.[18]刘维岗.秸秆粉碎特性分析及其粉碎设备结构优化[D].贵州大学,2019.[19]常科锋.小型玉米秸秆粉碎器传动系统设计及优化