方捆秸秆专用高效粉碎机搅切刀的设计

张 杰，于秀针，田 翔，孔令卓，李 浩，郭 磊，冯 斌

（新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆乌鲁木齐830091）

0 引言

秸秆粉碎机上粉碎刀的结构和形状对秸杆粉碎质量、刀片使用寿命和机器能耗有重要的影响[1]。粉碎刀种类较多，常见的粉碎刀有锤爪式粉碎刀、弯刀（Y型和L型）和直刀[2]。在刀片结构参数方面，Lundin[3]的研究表明粉碎刀刃口是否有锯齿对秸秆粉碎长度具有显著影响。Ghahraei等[4]通过对比试验得出切割洋麻的最优刀片刃角为25°，剪切角为40°，倾斜角为40°，前角为40°。Chancellor[5]发现刀片倾斜角每增大1°，最大切割力将增大1%。Persson的[6]的研究得出锯齿形刀片的倾斜角几乎是普通刀片倾斜角的两倍。Alikhashkin等[7]得出当最小刀片前角为25°时，刀片刃口的磨损速度将会降低。Chancellors[8]研究结果表明坡口角度大于30°的刀片在以较低的速度切割茎秆时，刀片坡口角度对最大切割力有显著的影响。

本文针对方捆秸秆物料特性，在现有粉碎刀的基础上创新设计出一种空间多方向、不同长度的切刀组合—搅切刀。并通过搅切刀的多种组合方式优化出粉碎方捆秸秆效果最好的粉碎部件。

1 搅切刀的设计

搅切刀是连接喂入和锤片粉碎机构的中间部件，与装置主轴通过螺栓连接在一起，其作用是搅动由喂料机构喂入的草梱进行初步的破捆及初粉碎（将秸秆切成一定长度的小段），初粉碎后的秸秆受到由转子高速旋转产生的气流的作用，通过搅切刀与装置壳体之间的缝隙被吸入二次粉碎室，此时秸秆受到锤片的击打作用达到一定粒度后通过筛网被抛送出装置，由此完成粉碎工作。

搅切刀作为装置粉碎工作的第一道工序，对草捆的最终粉碎效果起到重要作用，本文提出的喇叭口型搅切刀如图1，主要由斜置刀、水平切刀、加强筋、切刀管轴和连接法兰组成，呈半锥形，工作时，斜置刀对草捆进行搅动及滑切，平置刀对由斜置刀搅动后离散的秸秆进行铡切，搅切刀的主要结构参数包括刀型、刀轴内径、宽度、刀片尺寸等。

图1 粉碎装置结构

1.1 刀型的设计

搅切刀（图1）由两把斜置刀和两把平置刀组成，当刀与草捆接触时，草捆受力分解破碎，若全部由平置刀组成，在工作过程中对草捆进行横切，会导致所需功率增大，且对草捆搅动效果较弱；若全部由斜置刀组成，虽然能够有效降低所需功率，但会导致草捆在轴向受力较多，造成能耗损失，且若全部向X方向斜置则会导致草捆在X方向轴向移动较快，还未达到一次破碎要求就会输送至二次粉碎室，不能达到一次粉碎的目的；若全部向-X方向斜置，则导致草捆在喂入口方向受力较多，降低破捆后的秸秆进入二次粉碎室效率，综合考虑草捆受力及转动平衡，本设计采用平置刀与斜置刀交错排列的布局，共四把，其夹角为90°，斜置刀的倾斜角度为145°，便于切割，并设计加强筋，增强其受力能力。

1.2 搅切刀轴内径

整个粉碎部件与电机轴直连，因此搅切刀轴内径由电机轴确定。内径过小不方便拆卸更换部件，内径太大会导致搅切刀整体质量增大，刀片切割长度减小，单位功耗增大。

1.3 搅切刀宽度

搅切刀的宽度决定了其工作范围，宽度过小会导致工作范围过小，工作效率低；宽度过大则会导致搅切刀与粉碎室壳体之间的间隙过小，初粉碎后的秸秆不易进入二次粉碎室，根据经验确定搅切刀宽度为50 mm。

1.4 刀片的设计

搅切刀刀片为直刃口切刀，两边开刃，制造方便，工作可靠，刃口宽度为90 mm，刃口部分进行堆钨处理。

2 搅切刀的运动分析

刀片末端的速度大小直接关系到搅切刀的工作性能，刀片末端速度过低，刀片对秸秆的切割力度不足，会使生产效率下降；若刀片末端速度过高，增大了粉碎机的空载功率，且易导致秸秆搅切后径向受力较大，锤片转子需要更大的吸力才能将初粉碎后的秸秆吸入揉搓室，生产效率反而下降。刀片末端速度的大小决定于转子转速的大小，因此转子转速也是本文的试验因素之一。搅切刀工作时固定在转子轴上，随锤片一起做回转运动，以平置刀所处平面轴管中心为原点，轴管方向为Z方向，建立空间坐标系OXYZ如图1，则刀片末端刀尖处上任意一点a的轨迹方程为：

其中：α=ωt

式中R—搅切刀回转半径，mm；α—刀轴回转角，（°）；ω—刀轴的回转角速度，rad/s；t—工作部件转过α所需的时间，s；Φ—刀具的倾斜角度。

将式（1）对时间求导，可得搅切刀末端任意一点的速度为：

则刀尖a点的绝对速度为：

式中va—刀片末端刀尖上任意一点a的绝对速度，m/s。

刀尖处的速度大小直接影响搅切刀在工作过程中的动能大小，关系到秸秆加工的质量。

3 试验验证

3.1 搅切刀、锤片、筛片在方捆秸秆粉碎中的论证试验

试验方案：电机转速3 000 r/min，粉碎结构分为三种情况：只用搅切刀、搅切刀+锤片、搅切刀+锤片+Φ30 mm筛片。电机转速一定时，进行不同粉碎装置的粉碎质量、生产率的试验。

试验结果：（1）搅切刀和搅切刀+锤片组合粉碎的秸秆长度基本都为5～6 cm，长度没有明显区别；搅切刀+锤片+Φ30 mm筛片组合粉碎的秸秆长度≤3cm，尺寸由筛网控制；（2）搅切刀生产率2～2.5 t/h、搅切刀+锤片的生产率3～3.2 t/h、搅切刀+锤片+Φ30 mm筛片生产率1.3～1.5 t/h，搅切刀配上锤片生产率提高，生产率取决于人工取放方捆秸秆速度。

3.2 不同粉碎装置的对比试验

为了进一步验证搅切刀在粉碎过程中的作用，重新设计了两组不同的粉碎装置：搅切刀+切刀；双搅切刀。

图2 搅切刀+切刀组合

图3 双搅切刀组合

试验方案：将喂料速度、主轴转速及不同粉碎装置（搅切刀+锤片、搅切刀+切刀、双搅切刀）作为影响因素，以标准草长率、纯工作小时生产率、吨产品能耗作为试验指标，研究各个因素对指标的影响规律。

试验结果：粉碎装置对标准草长率及吨产品能耗影响显著，搅切刀+锤片组合的标准草长率最优，吨产品能耗最低，生产率较优。