刃角对油茶树枝粉碎机工作性能的影响

聂也之 ，吴志立 ，2，3*，刘扶贫 ，2，3，杨扬 ，刘亚夫

（1.湖南农业大学 工学院，湖南 长沙 410128；2.南方粮油作物协同创新中心，湖南 长沙 410128；3.湖南现代农业装备工程技术研究中心，湖南 长沙 410128）

1 前 言

油茶抚育环节中需每年修剪两次树枝，大量树枝的堆积易造成病虫害和火灾风险，而直接焚烧导致环境污染和资源浪费[1]。同时油茶种植林地地形较为复杂，修剪枝条较为分散，需集中收集人工拖拽、捆绑[2]，因此，粉碎后直接堆肥成为广大合作社广泛采用的处理方式，经过处理后制作成为肥料，还可作为食用菌培养基质的原材料[3-4]。现有的木质类粉碎机种类繁多，因粉碎对象、粉碎要求的不同而呈现出差异性，目前国内现有树枝粉碎机趋于大型化，能耗较高，移动不便，且多适宜粉碎直径较大的树枝[5]，在分析国内外现有粉碎机特点的同时，结合油茶树枝韧性较大、种植地形复杂等特点，针对油茶树枝粉碎时易出现的刀口堵塞、刀具寿命低等问题，设计一款可移动、可切削、操作简单、生产率高的油茶树枝粉碎机，粉碎油茶树枝直径达到30mm，粉碎粒度达到8mm以下。

2 试验装置与方法

2.1 试验装置

树枝粉碎机按照工作原理划分有三种类型：锤片式粉碎机、盘式切削加锤片式粉碎机、鼓切式加锤片式粉碎机[6]，文中所设计油茶树枝粉碎机粉碎方式采用盘式切削加锤片式粉碎，其具有结构简单、操作方便、生产率高、粉碎效果优秀等优点，使用最为广泛[7-9]。其结构如图1、图2所示，该粉碎机主要结构由机架、切削机构、粉碎机构、动力传动装置和整机外壳等组成。机架包括移动轮、万向轮和支架等；切削机构主要包括进料口、刀盘、刀具等；粉碎机构包括转子、锤片、销轴、套筒、筛网等；动力传动装置主要有主轴、电机、V带及带轮等。

图1 油茶树枝粉碎机结构示意图

粉碎机通过电机输出动力，通过V带带动刀盘高速转动，刀盘上布置有四个刀口，安装在刀口的四把刀具依次将进入的树枝切成一定规格的木片[10]，木片在粉碎腔室中由不同排列顺序的三组12片锤片进行粉碎，最后在转子风叶、锤片的共同作用下，将通过筛网网孔的粉碎物料抛出腔室，从出料口排出，不能通过筛网网孔的物料则继续参与粉碎，直至能够排出为止。可通过控制筛网的孔径大小来控制最终粉碎物料的粒径大小[11]；进料是通过树枝自身的质量与刀具切削树枝时所产生的轴向分力来实现[12]；粉碎机安装有移动轮与万向轮，能够通过人工或者牵引装置移动到实际工作位置。

2.2 试验方法

2.2.1 粉碎试验

试验目的：为解决粉碎油茶树枝时出现的堵塞刀口、刀刃易损坏等问题，探究在不同材质、不同刃角、不同主轴转速条件下粉碎机对油茶树枝粉碎性能的影响，并对油茶树枝粉碎机的实际粉碎效果进行评价。

粉碎试验方法：分别使用SKD11、W6两种材质，30°、35°、40°三组刃角，在三个主轴转速 1750r/min、2050r/min、2350r/min 条件下进行粉碎试验，每次粉碎时间t=60s；采用单根树枝连续喂入方式，收集记录每次试验粉碎木屑体积及功率变化，用于计算单位能耗，单位，共进行18次试验；同时每次试验测量10次对应粉碎木屑合格率，求取平均合格率；整理数据，获取粉碎粒度占比、合格率、单位能耗等参数，绘制图标，分析结果。

2.2.2 磨损试验

试验目的：进一步探讨刀具刃角对刀具表面磨损的影响程度。

试验方法：通过粉碎试验情况，选择粉碎时具有较大差异的两组刃角，分别为30°与40°，同时选择SKD11、W6两种材质，将四把刀具安装于同一刀盘处于同一切削环境，粉碎时长30min，主轴转速2050r/min，采用单根连续喂料方式，使刀具处于较长的工作状态，试验完成后观察刀具刃口状态。

3 试验结果及分析

粉碎试验获取数据如表1所示：

表1 粉碎试验数据

3.1 单位能耗

图2 刃角-单位能耗曲线图

如图2所示，两图分别为SKD11与W6材质刀具在三组不同刃角条件下的单位能耗变化情况，两图中均在刃角为40°时单位能耗达到最小值；在30°～40°刃角区间内，曲线图均呈现下降趋势，单位能耗数值随着刃角的增加而减小；对比发现，两图中W6材质单位能耗数值要小于SKD11材质，且W6材质曲线波动较为平缓，相对较为稳定。

3.2 合格率

图3 刃角-合格率曲线图

如图3所示，粉碎合格率随刃角的增大而增加，曲线呈上升趋势；刃角增大，切削效果变好，转速增加，锤片速度越快，锤片捶打物料时所附加的动能也就越大，打击力越大，越容易将树枝内纤维打断。对比两图发现，主轴转速为1750 r/min时，曲线波动最大，当转速为2050 r/min时，曲线波动最小，转速达到2350rpm时，曲线波动较小，说明当主轴转速从1750rpm增加至2050rpm时，合格率急剧增加，而当转速从2050 r/min增加至2350 r/min时，合格率增加较为缓慢，故转速为2050 r/min左右时为临界转速。

3.3 粉碎粒度分布

图4 不同转速下油茶树枝粉碎后形貌图

表1 粉碎试验数据

在材质为SKD11、刃角为40°条件下时，粉碎粒度分布占比变化最明显，从表2可以得出，在1750r/min、2050r/min、2350r/min 三个转速下，8mm 以上粒径占比分别为 14.21%、12.82%、10.97%；8mm～5mm粒径占比46.64%、39.14%、27.64%；5mm以下粒径占比39.15%、48.04%、61.39%；随着转速的增加，粒径变化明显，对比转速2350r/min与1750r/min，5mm以下粒径木屑占比接近1750r/min的两倍，8mm以上粒径木屑占比下降。

从图4可以看出，随着转速的增加，油茶树枝粉碎粒度降低，在转速为1750r/min时粉碎粒度较为粗大，多呈现为长条状的木屑；在2350r/min时，粉碎粒度较小，木屑形态多为粉末与细小木屑，这是由于转速增加，锤片末端线速度增加，对粉碎腔室内物料的锤击、磨损、搓碎效果增强，提高了粉碎效果，降低了粉碎粒度。

3.4 表面磨损

对磨损状态进行分析，获取了试验后刀刃在金相显微镜下放大100倍后的图像。

图5 刀具刃口状态图

如图5所示，30°刃角刀刃相较40°刃角刀刃损坏程度更大，这是由于刃角减小，刀刃的厚度变薄，物理强度减弱，刀刃更易损坏，这说明在30°～40°刃角区间内，刃角增加有利于改善切削环境。

4 结论分析

（1）通过实际试验发现，在 30°～40°刃角区间内，随着选择刃角的增大，进行喂料时切效果越好，轴向分力增大，进料效果越好；

（2）通过对比粉碎机单位能耗、合格率等参数，发现 40°刃角相较于 30°、35°刃角，合格率高，单位能耗小，刀刃损坏程度小，能有效的提高粉碎效率，刀具使用寿命更长；

（3）从粉碎粒径分布可以看出，随着转速的增加，粉碎粒度明显减小，综合考虑，建议粉碎油茶树枝选择参数为40°刃角、2050rpm转速；

（4）粉碎的油茶树枝直径约在20mm～30mm区间内，试验结果有一定偏差，但两材质的变化趋势基本一致，数据具有一定的参考性。