简述一种玉米秸秆破碎机的设计

承德石油高等专科学校 电气与电子系 河北 承德 067000

我国耕地面积较大，秸秆资源十分丰富，开发价值极大。作为一种可再生资源，农作物秸秆是非常好的饲料原料。提高农业作物的秸秆综合的利用效率，是目前发展高产量、优质、高效农业生产的重要途径。合理地开发利用秸秆，已经发展成为了农业生产回收资源利用的新课题[1]。本课题设计了一款小型玉米秸秆破碎机，该破碎机是将玉米秸秆粉碎，以利用其作为牲畜饲料。它是一种在玉米联合收割机以外使用的机械，作业的对象是收获完玉米之后的秸秆，能够很好地弥补手工粉碎的麻烦，功率也比较低，节约电能，适用于中小型的养殖户，有很好的使用前景。

1 总体设计

1.1 总体结构

该玉米秸秆破碎机主要由动力传动机构、箱体、工作部件等组成。本设计的结构形式为立式结构，刀轴水平配置，粉碎刀安装在转轴上。动力源为电动机，电动机通过减速器与大带轮相连接。然后将动力传送给工作部件。

1.2 工作原理

在该机工作时，电动机输出轴传递的动力经万向节传递给变速齿轮箱，齿轮箱传递动力到带轮。在进行秸秆破碎工作的过程中，电机轴通过联轴器、大小带轮两级的传动后，带动刀轴上的甩刀高速旋转。当秸秆进到粉碎腔体内后，同时受到刀具的剪切、搓擦和撕拉的作用，从而得到粉碎。

2 动力传动设计

2.1 电动机的选型与参数计算

一般大中型的玉米秸秆破碎机动力装置为柴油机，但是整个结构比较笨重不方便搬运，能量损耗较大。本设计为小型破碎机，动力装置选用电动机，提高了该机器的便捷性。电动机应有适当的容量来满足要求，如果所选的电动机功率太大，必然会因容量不能充分利用而增加成本，造成功率的浪费；相反，如果容量太小，就无法保证破碎机的正常工作质量，或使电动机长期处于过载工作状态，导致电动机的寿命减少。考虑到功率储备以及传递过程中的功率损失，选择的电动机的功率必须大于破碎机的使用功率。

设计选择三相异步电动机，其结构简单，工作可靠，价格低廉，维护方便，适用于不易燃，不易爆，无腐蚀性气体和无特殊要求的机械。

经多次试验测定，电动机工作所需要的有效功率Pw约为13kW，带轮传动效率，滚动轴承传动效率[2]，即：

由电动机至运输带的传动总效率为：

电机所需的工作功率：

因载荷平稳，电动机额定功率只需略大于P0即可，根据三相异步电动机的典型技术数据，选电动机的额定功率为15kW。本设计拟采用Y160M-4型电动机。

2.2 各轴功率、转矩的分配与计算

3 箱体结构设计

3.1 入口、出口设计

考虑填装的效率和安全性能，破碎机的入口的设计如下：采用5o的斜坡，利用重力的作用使填装的秸秆能够顺利地进入粉碎腔内而不会发生倒滑（往粉碎仓相反的方向滑动）。由于玉米秸秆的长度较大，入口底盘相对较长，尽量使秸秆能够较完整的在底盘上滑动。

从安全的角度讲，入口的侧板能够防止秸秆在切割与撕扯的过程中与粉碎腔的壁面发生挤压，造成秸秆对人体的敲打。有了侧板会使秸秆相对比较顺滑。另外较长的底板设计也是考虑到防止工作者将手深入到粉碎腔而造成的人体伤害。

粉碎机的出口主要考虑的原因同样是以下几个：秸秆的及时排出、安全性能、流畅性。把玉米秸秆看成流体，根据流体力学的性质，急弯能够增加湍流的发生[3]，在设计入口和出口与腔体的连接部位采用的是相切位置关系，这样不会由于急弯、直角等部位使秸秆发生阻塞。秸秆顺利的排出依靠的主要是重力，以及甩刀产生的离心力。

3.2 腔体设计

粉碎腔是玉米秸秆破碎机最主要的工作部位，粉碎的过程就发生在该部位。该部位主要考虑的因素是粉碎过程中的安全性和流畅性。由于壳体的保护以及出入口的设计使安全问题得到了很大的保证，所以该部位的设计中将工作的流畅性作为设计重点。把玉米秸秆看成流体，根据流体力学的性质，急弯能够增加湍流的发生[3]，与出入口设计类似，在腔体内部设计时尽量避免急弯和直角，这样不会发生阻塞。

4 主要工作部件设计

4.1 粉碎刀的工作原理

粉碎刀是该机的核心工作部件。粉碎刀辊的转速，甩刀的配制方式及数量是直接影响秸秆粉碎性能的主要参数。甩刀数量越多，甩刀的线速度越大，对秸秆的粉碎效果越好。考虑动力的匹配以及作业的安全性，选用了卧式结构，将锤爪式甩刀按螺旋线均匀分布在刀轴上。

甩刀的排列方式会对刀辊转动时的平衡，物料在粉碎室内的分布状态等产生极大的影响。因此，甩刀在刀辊上的排列方式，应能够保证物料在粉碎室内均匀分布，不向任何一侧推移，并且能够让转轴保持动平衡。常见的排列方式有螺旋线的排列、对称式排列、交错平衡式排列等三种方式[4]。本机选用对称式排列方式。

4.2 粉碎刀的选择与安装

甩刀的刀型选择的是Y型刀，它的优点是缓解了甩刀拐角处的集中应力；刀片的功率消耗小，Y型刀能够斜切粉碎秸秆，能够达到省力的效果。进料口在破碎机顶部，出料口在破碎机底部。刀片为对称排列，需粉碎的物料通过与本机相配的喂料器由顶部进料口喂入，经进料导向板从左边或右边进入粉碎室，在高速旋转的锤片打击和作用下物料逐渐被粉碎，并在离心力和重力作用下穿过筛孔，从底座出料口排出。粉碎工作部件的旋转方向与机具前进方向相反。

甩刀的工作环境较为潮湿恶劣，常常和秸秆、泥土等接触，需要有很强的耐磨性和抗冲击韧性。考虑以上因素，参考相关资料，本机选用20CrMnTi型甩刀。甩刀设计的切割直径是226mm，甩刀的与腔体最小的最小间隙是7mm。这样既能保证甩刀在工作过程中的流畅性，又不至于使破碎的秸秆从缝隙中漏掉。

5 破碎机主要参数

结合以上分析，破碎机主要参数如下：

外形尺寸：85×75×120。粉碎轴转速(转/分)：4500r/min。粉碎刀数(片) Y型刀：8。切碎长度：≤10cm。配套功率：1500W。切碎合格率：≥90%。

6 结束语

本文提出了一种小型的玉米秸秆破碎机的设计方案，主要对破碎机的电气部分、传动部分、结构部分等进行了设计，对主要零部件进行了理论分析和计算，确定了基本参数。设计了独特的粉碎结构，在使用低功率电动机的基础上，使玉米秸秆能够被充分粉碎，节约了能源，降低了成本。