第1章緒論1.1研究背景與意義秸稈通常是指農(nóng)作物在收獲主要產(chǎn)物后剩下的莖稈部分，如稻稈、麥稈、玉米稈等。作為一種重要的生物質(zhì)資源，秸稈具有豐富的營養(yǎng)價值和經(jīng)濟價值，可用于飼料、生物質(zhì)燃料、紙張和人造板材等多個領(lǐng)域。在中國這樣一個農(nóng)業(yè)大國，秸稈的利用尤為關(guān)鍵，不僅關(guān)系到農(nóng)業(yè)廢棄物的處理問題，更涉及到資源循環(huán)利用、環(huán)境保護和農(nóng)民增收等多個方面。下圖1.1是粉碎后的可利用的秸稈。圖1.1粉碎后的秸稈因此，高效利用秸稈資源對于推動我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境、提升農(nóng)民經(jīng)濟收益具有重要意義。秸稈粉碎機源于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對于秸稈高效利用的需求。傳統(tǒng)的秸稈處理方式效率低下，且易造成環(huán)境污染。而秸稈粉碎機則能夠?qū)⒔斩捒焖俜鬯?，為后續(xù)的利用提供便利。這一技術(shù)不僅可以提高秸稈的利用率，減少資源浪費，還能有效降低秸稈處理過程中的人力成本，從而促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益雙提升。綜上分析，研究秸稈粉碎機的意義在于它有助于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用，推動循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。隨著科技的進步和環(huán)保意識的提高，秸稈粉碎機的技術(shù)不斷創(chuàng)新，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大。從最初的飼料加工到現(xiàn)在的生物質(zhì)能源生產(chǎn)，秸稈粉碎機在農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用中扮演著越來越重要的角色。此外，秸稈粉碎機的普及和應(yīng)用還有助于減輕農(nóng)村的環(huán)境壓力，改善農(nóng)民的生產(chǎn)生活環(huán)境，為實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略提供有力支持。1.2秸稈粉碎機的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀秸稈粉碎機是一種專門用于對秸稈等生物質(zhì)進行粉碎加工的機器設(shè)備。該設(shè)備能夠?qū)⒔斩挼仍牧细咝页杀镜土剡M行打碎、粉碎，進而實現(xiàn)生物質(zhì)資源的綜合利用[3]。下面對秸稈粉碎機國內(nèi)外研究水平和現(xiàn)狀進行總結(jié)和分析。1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀目前中國在秸稈粉碎機的設(shè)計、制造和應(yīng)用方面取得了可觀的進展。大量科學實驗表明，秸稈粉碎機的研究和發(fā)展對于推動中國生物能源、可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展是至關(guān)重要的。國內(nèi)的科研院所和企業(yè)以及大學之間的合作不斷加強，不斷推出更具競爭力的秸稈粉碎機產(chǎn)品[4]。秸稈粉碎機經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，已經(jīng)形成了多種類型、多種規(guī)格的產(chǎn)品，并且在各自領(lǐng)域內(nèi)有很好的應(yīng)用。國內(nèi)秸稈粉碎機的應(yīng)用范圍主要集中在農(nóng)業(yè)、牧業(yè)以及環(huán)保等領(lǐng)域。隨著人們對環(huán)保問題的重視和政策的加強，秸稈粉碎機市場需求逐漸擴大，各大生物質(zhì)公司也相繼加強對秸稈粉碎機研究的投入，秸稈粉碎機的前景十分廣闊。在秸稈粉碎機的研究方面，國內(nèi)的研究機構(gòu)和科研人員做出了很多貢獻。以下是部分研究成果的總結(jié)和分析。山西農(nóng)業(yè)大學的趙云鳳通過對秸稈粉碎機器的設(shè)計、制造、組裝和實驗測試，評估該粉碎機器的綜合性能。結(jié)果表明，其粉碎效果良好、性能穩(wěn)定、安全可靠，具有實用性和推廣價值[5]。河南農(nóng)業(yè)大學的張杰借鑒現(xiàn)有的機械設(shè)計，開發(fā)了一款新型的秸稈粉碎機切割系統(tǒng)。實驗研究表明，這種切割系統(tǒng)具有較高的切割效果、粉碎效率和破碎率等優(yōu)點，能夠滿足粉碎制粒工藝的需求[6]。圖1.2河南農(nóng)業(yè)研發(fā)的樣機江蘇大學的孫洋，王遠博，李君（針對秸稈存儲過程中產(chǎn)生的擠壓變形和剛性破壞等問題，開發(fā)了一種“雙刀片”秸稈粉碎機的切割系統(tǒng)，提高了粉碎粒度和產(chǎn)量，加速了秸稈粉碎的進程[7]。圖1.3江蘇大學研發(fā)的樣機綜合而言，研究者們通過對新型秸稈粉碎機設(shè)計、制造和升級，提高了其破碎效率、纖維度、可操作性、實用性等方面，其成果都在秸稈粉碎機的應(yīng)用領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。1.2.2國外研究現(xiàn)狀國外在秸稈粉碎機的研究和發(fā)展方面具有很高的水平，相關(guān)的研究領(lǐng)域主要涵蓋機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化、能效提高、環(huán)境適應(yīng)性等方面的探索。其研究成果通過優(yōu)化粉碎機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高了機器的粉碎效率和處理能力。比如，歐洲某公司開發(fā)的秸稈粉碎機，其可以將秸稈、花生殼等多種進料物料高效粉碎成5-8mm的細碎顆粒，處理產(chǎn)能較大且破碎效果較好[8]。國外秸稈粉碎機的現(xiàn)狀主要呈現(xiàn)出以下幾個趨勢[9]：首先，市場現(xiàn)階段以歐美、日韓等國為主導(dǎo)，相比于國內(nèi)，國外的技術(shù)成熟度更高，產(chǎn)品更為多元化；其次，在研發(fā)、應(yīng)用方面，多數(shù)型號的秸稈粉碎機都有著極大的靈活性，可根據(jù)用戶的需求和場地環(huán)境做定制，提供定制化服務(wù)；此外，一些新型的秸稈粉碎機具備可持續(xù)性開發(fā)和高效利用的優(yōu)點，極大的推動了在生物質(zhì)能源方面的發(fā)展。在秸稈粉碎機的研究方面，國外也有很多的研究者做出了突出的貢獻。以下是部分研究成果以及總結(jié)分析。荷蘭瓦赫寧根大學的JulianGutteling設(shè)計了一款秸稈粉碎機器，通過將秸稈表面粉碎并壓實達到壟作的目的。同時，該機器還可以通過與一個深松機的結(jié)合，可以實現(xiàn)將秸稈倒地并粉碎的多種方式，對于秸稈的后處理具有很好的實用性[10]。圖1.4荷蘭研發(fā)的樣機澳大利亞莫納什大學的AbhayMankar，EhsanVaraei設(shè)計了一款適用于手動收割玉米殘余物的機器，可以進行自動剪斷和分離過程，從而提高秸稈的利用價值。該機器可以加工不同類型的秸稈，實現(xiàn)多種環(huán)境適應(yīng)性，具有實用性、靈活性等優(yōu)點[11]。西班牙國立研究院的JoseAntoniodeSaja設(shè)計了一款收割玉米秸稈的機器，通過直接收集玉米秸稈，從而實現(xiàn)農(nóng)作物生物質(zhì)的集成利用。該機器可以減少農(nóng)業(yè)廢棄物的污染和浪費，并為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供可再生的能源[12]。綜上所述，國外在秸稈粉碎機領(lǐng)域的研究成果具有一定的先進性和實際性，雖然與國內(nèi)之間存在一些差別，但是也可以為中國的秸稈粉碎機的研究和發(fā)展提供一定的啟示。未來的研究領(lǐng)域和方向是綜合性的，需要全面考慮機器性能優(yōu)化、運營成本控制和環(huán)保等問題，才能更好地推動秸稈粉碎機的進一步發(fā)展。第2章秸稈的粉碎工藝以及物料特性分析2.1秸稈加工工藝秸稈飼料加工中，最常用的有擠壓、磨碎、壓碎、剪切、切碎等幾種工藝方式，基本上所有的秸稈加工原理也局限于以上幾種方式中[13]。其原理示意圖如下圖2.1所示。圖2.1秸稈加工基本工藝a.擠壓b.磨碎c.壓碎d.剪切e.切碎表2.1秸稈加工的基本原理和方式工藝方式描述優(yōu)點缺點擠壓通過擠壓機械將秸稈壓縮成塊狀或顆粒狀提高了秸稈的密度和可貯性；便于運輸和貯存能源消耗較大；設(shè)備成本和維護成本較高磨碎使用磨碎機將秸稈粉碎成細小顆粒提高了秸稈的表面積，便于微生物發(fā)酵；適用于制作青貯飼料粉碎過程中可能會產(chǎn)生粉塵；細小顆粒易飛揚，造成浪費壓碎通過壓碎機械將秸稈壓成碎片狀秸稈碎片易于混合其他飼料；提高了飼料的適口性壓碎效果受秸稈種類和濕度影響；設(shè)備易磨損剪切使用剪切機械將秸稈切成短段秸稈長度均勻，便于動物采食；適用于制作干草和青貯飼料剪切過程中可能會破壞秸稈的纖維結(jié)構(gòu)；設(shè)備成本和維護成本較高切碎通過切碎機械將秸稈切成碎末狀提高了秸稈的表面積，便于微生物發(fā)酵；適用于制作青貯飼料和發(fā)酵飼料切碎過程中可能會產(chǎn)生粉塵；碎末易飛揚，造成浪費這些工藝方式各有優(yōu)缺點，適用于不同的飼料加工需求和條件。在選擇合適的工藝方式時，需要考慮秸稈的種類、濕度、加工成本以及飼料的質(zhì)量要求等因素。2.2秸稈的綜合特性2.2.1秸稈的物理特性秸稈的物理特性主要包括密度、機械耐久性、孔隙率、比表面積以及顆粒尺寸及其分布等。這些特性對于秸稈的加工、儲存和運輸?shù)冗^程具有重要影響。首先，密度是衡量秸稈物理特性的重要指標之一，包括真密度、視密度和堆積密度。真密度是指秸稈顆粒本身的質(zhì)量與其體積的比值，視密度則是考慮顆粒之間空隙的密度，而堆積密度則是指自然堆積狀態(tài)下單位體積生物質(zhì)的質(zhì)量。不同種類的秸稈其密度存在差異，例如稻草的真密度約為1.3-1.5g/cm3，麥稈的真密度則稍低，約為1.1-1.3g/cm3。這些數(shù)據(jù)有助于了解秸稈的質(zhì)量和能量含量，并為后續(xù)加工提供參考。其次，機械耐久性反映了秸稈在受到外力作用時保持原有形態(tài)的能力，即抗破碎性。機械耐久性高的秸稈在運輸和加工過程中不易破碎，有利于保持飼料的營養(yǎng)價值。不同秸稈的機械耐久性也有所不同，如玉米秸稈的機械耐久性較高，而稻草則相對較低。此外，孔隙率表示秸稈中空隙部分所占的比例，比表面積則是指單位質(zhì)量的秸稈顆粒所具有的表面積?？紫堵屎捅缺砻娣e的大小直接影響秸稈的吸附性能和微生物發(fā)酵效果。一般來說，孔隙率大、比表面積大的秸稈更適合作為飼料或生物質(zhì)燃料。最后，顆粒尺寸及其分布描述了秸稈顆粒的大小和分布情況。顆粒尺寸的大小直接影響秸稈的加工性能和適口性。例如，對于制作青貯飼料來說，較小的顆粒尺寸有利于壓實和排除空氣，從而提高青貯飼料的品質(zhì)。不同種類的秸稈其顆粒尺寸及其分布也存在差異，因此在加工過程中需要根據(jù)實際需求進行調(diào)整。2.2.2秸稈的化學特性秸稈的化學特性主要體現(xiàn)在其化學成分上，主要包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素以及少量的蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和蠟質(zhì)等。其中，纖維素是構(gòu)成秸稈細胞壁的主要成分，具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)，不易被動物消化；半纖維素則與纖維素緊密交織，增加了細胞壁的堅固性；木質(zhì)素則是一種復(fù)雜的酚類聚合物，填充于纖維素構(gòu)架中，增強了秸稈的機械強度。這些化學成分決定了秸稈具有一定的營養(yǎng)價值和可利用性，但同時也使得秸稈在動物體內(nèi)的消化率較低。因此，在秸稈的加工利用過程中，需要采取適當?shù)奶幚矸椒▉砥茐钠淅w維結(jié)構(gòu)，提高秸稈的消化率和營養(yǎng)價值。此外，秸稈中的化學成分還受到品種、生長環(huán)境、成熟度等因素的影響，不同種類的秸稈其化學成分含量和比例也存在差異。因此，在秸稈的加工和利用過程中，需要根據(jù)其化學特性選擇合適的加工方法和利用途徑，以充分發(fā)揮其潛在的經(jīng)濟價值和生態(tài)效益。下圖2.2即為該物料的組成示意圖。圖2.2秸稈化學特性2.2.3秸稈的力學特性及加工工藝秸稈的力學特性主要表現(xiàn)在其抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度以及抗彎曲強度等方面。這些特性對于秸稈的加工和利用過程具有重要的影響。由于秸稈具有一定的韌性和彈性，可以承受一定的外力作用而不易破碎。在秸稈的加工工藝中，通常會采用切割、破碎、壓縮等方式進行處理。針對秸稈的力學特性，切割工藝需要考慮刀片的鋒利度和切割速度，以確保切割順暢且不損傷秸稈的纖維結(jié)構(gòu)；破碎工藝則需選擇適當?shù)钠扑榉绞胶驮O(shè)備，以最大程度地破壞秸稈的纖維結(jié)構(gòu)，提高其后續(xù)的利用率；而壓縮工藝則需要根據(jù)秸稈的抗壓強度來確定壓縮力度，以保證秸稈壓縮塊的質(zhì)量和密度。通過合理的加工工藝和設(shè)備選擇，可以充分發(fā)揮秸稈的力學特性，提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，為秸稈的高效利用奠定基礎(chǔ)。第3章立式秸稈粉碎機的總體結(jié)構(gòu)方案分析與設(shè)計3.1秸稈粉碎機的功能需求立式秸稈粉碎機是一種將秸稈、麥秸等廢棄農(nóng)作物進行粉碎的設(shè)備。其主要功能需求如下：（1）高效粉碎：立式秸稈粉碎機可以將秸稈等廢棄農(nóng)作物粉碎成一定大小的顆粒，提高秸稈的利用效率，使其能夠作為有價值的生物質(zhì)燃料和飼料。因此，高效粉碎功能是立式秸稈粉碎機最基本的需求[18]。（2）大處理量：立式秸稈粉碎機需要具備較大的處理能力，可以適應(yīng)不同的生產(chǎn)場景和生產(chǎn)需求。處理量大的立式秸稈粉碎機可以更好地滿足農(nóng)作物廢棄物加工的需求。（3）精度可控：在粉碎廢棄農(nóng)作物的過程中，需要根據(jù)不同的應(yīng)用場景和需要，將它們進行精確的粉碎，可調(diào)控制的能力才能滿足這種需求。因此，立式秸稈粉碎機必須具備可調(diào)節(jié)的精度能力。（4）安全穩(wěn)定：立式秸稈粉碎機需要具備安全的操作環(huán)境和穩(wěn)定的性能，以減少生產(chǎn)過程中的安全風險和故障率，提高設(shè)備使用壽命。（5）低噪音：立式秸稈粉碎機需要具有較低的噪音水平，這能減少對工人的身體和精神健康產(chǎn)生不利影響，同時能緩解廠房噪音的污染。（6）能源效率高：立式秸稈粉碎機需要具有高的能源利用效率，減少資源浪費和生產(chǎn)成本。綜上所述，高效粉碎、大處理量、精度可控、安全穩(wěn)定、低噪音和能源效率高是立式秸稈粉碎機的主要功能需求。這些功能需求可以幫助生產(chǎn)者制定更加合理、高效的生產(chǎn)策略，提高生產(chǎn)效益和降低成本。3.2設(shè)計思路分析本次設(shè)計的粉碎機總體結(jié)構(gòu)方案為立式結(jié)構(gòu)，核心思路是整合和集成市場中各種先進粉碎方法。主要結(jié)構(gòu)設(shè)計包括剪切破碎和錘片粉碎兩個工作區(qū)域，采用同軸反向的方式提高物料相對碰撞概率，從而提高破碎效率。喂料方式便捷，利用物料自身重力節(jié)約能耗，喂入效率大大增加。整體結(jié)構(gòu)緊湊，傳動結(jié)構(gòu)簡化，成本降低，適用于秸稈等物料的粉碎加工。具體來說，該粉碎機通過剪切和破碎將秸稈物料初步處理，然后利用高速旋轉(zhuǎn)的錘片對物料進行進一步粉碎。立式結(jié)構(gòu)使得喂料更加便捷，物料在自身重力的作用下進入粉碎室，有效節(jié)約了能耗。同時，同軸反向的設(shè)計使得物料在破碎和粉碎過程中能夠更充分地碰撞和摩擦，提高了破碎效率。此外，該粉碎機還注重了結(jié)構(gòu)的簡化和成本的降低。同軸設(shè)計減少了傳動結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，降低了制造成本和維護難度。整個粉碎機結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，便于安裝和移動，適用于不同規(guī)模的秸稈加工場所。綜上所述，本次設(shè)計的立式結(jié)構(gòu)粉碎機具有結(jié)構(gòu)合理、高效節(jié)能、破碎效果好等優(yōu)點，能夠滿足秸稈等物料的粉碎加工需求，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有力支持。3.3總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計該設(shè)備為立式結(jié)構(gòu)的粉碎機，采用電機驅(qū)動方式。動力通過帶傳動傳遞至實心主軸和空心軸，分別驅(qū)動切碎機構(gòu)和粉碎機構(gòu)。切碎機構(gòu)由實心主軸帶動，負責將物料剪切成小段，而粉碎機構(gòu)則由空心軸帶動，以低速反向旋轉(zhuǎn)的方式對物料進行進一步粉碎。雙電機驅(qū)動的設(shè)計便于控制兩個執(zhí)行機構(gòu)的運轉(zhuǎn)。傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖如下圖3.1所示。圖3.1秸稈粉碎機傳動示意圖物料從料筒上方頂部喂入，受重力和氣流作用，首先經(jīng)過切碎刀架的剪切，使物料達到較短的小段。隨后，物料在反向錘片的作用下進行粉碎，直至達到所需粒度后，才進入出料筒進行收集。整個過程中，切碎和粉碎兩個工作區(qū)域相互獨立又協(xié)同工作，確保了物料的高效處理和優(yōu)質(zhì)出料。這種立式結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅節(jié)約了空間，還提高了喂料效率和粉碎效果，為秸稈等物料的加工提供了有效解決方案。第4章立式秸稈粉碎機機械部分的設(shè)計與計算4.1喂入室設(shè)計為了保證秸稈粉碎機具有較好的喂入能力，所以采用立式擴大式的喂入室內(nèi)設(shè)計。整體布局如下圖4.1所示。圖4.1秸稈粉碎機喂入室設(shè)計本次設(shè)計的秸稈加工設(shè)備的生產(chǎn)能力約為2t/h[20]，參考文獻中的1t/h中臥式秸稈粉碎機的喂入室截面S1約為725.7cm2。所以本次截面積S2應(yīng)為：S2取D=60cm；d=28cm，則工作室截面積S為：S=π30為了避免進料口堵塞，所以在轉(zhuǎn)子上增加粉料帽子，從而增加進料的均勻性。4.2運動參數(shù)計算本次設(shè)計的立式秸稈粉碎機的主軸是非常重要的零件，其轉(zhuǎn)速也是該軸最為重要的參數(shù)之一。同樣參考文獻中1t/h的秸稈粉碎機，該設(shè)備配備的動力為7.5~10.0kW，主軸轉(zhuǎn)速為2500r/min。經(jīng)過實際調(diào)研，該設(shè)備在實際使用中，轉(zhuǎn)速約在1600~1800r/min左右時可以達到較好的效果，此時錘片的線速度約為35.6m/s[21]。所以本次設(shè)計為了避免過度選型，設(shè)計錘頭的線速度為35.6m/s即可。錘片的直徑初步選定為0.6m。主軸轉(zhuǎn)速計算如下：n=60v/πd=(60×35.6)/(π×0.6)=1133.2r/min為了取整選擇該主軸的轉(zhuǎn)速為1200r/min，而為了達到上文所需要的轉(zhuǎn)速范圍，設(shè)計空心軸的轉(zhuǎn)速為600r/min。由于兩軸為正向和反向，所以相對轉(zhuǎn)速可以達到約1800r/min左右。4.3切碎機構(gòu)的分析與設(shè)計首先確定切碎機構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)。為了增加切割面的廣度，采用一組動刀以及一組定刀的相互配合，動刀安裝在主軸上，定刀安裝在殼體上，兩者相互剪切。定刀以及動刀的相互配合如下圖4.2所示。圖4.2定刀與動刀的相互配合圖本次設(shè)計的切碎方式采用直刃刀，共4片刀片，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為1200r/min。切割過程優(yōu)先選擇滑切方式，滑切角取20°~60°以減小功耗。刀盤直徑與錘片最大外徑保持一致為0.6m。定刀與動刀間隙通過調(diào)整墊片調(diào)整，初步間隙為2mm。動刀末端線速度控制在36~78m/s范圍內(nèi)以提高切割效率，同時考慮制造和安裝難度。本次線速度校核：v=nπD/(60×1000)=(故刀片末端線速度滿足要求。ψ1、ψ2分別為動刀和定刀與秸稈物料之間的摩擦角，參考文獻，取ψ1=12°，ψ2功率方面，切割功率是相對復(fù)雜的工作過程，所以通過理論計算的方式必定是不現(xiàn)實的。參考市場中1t/h相關(guān)設(shè)備的功率選型為2.5kW[23]，所以本次工況中選擇切碎功率為P14.4粉碎裝置的分析與設(shè)計粉碎機構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)示意圖如下圖4.3所示。圖4.3粉碎機構(gòu)示意圖1.主軸粉碎刀架2.空心軸粉碎刀架3.錘片物料粉碎的合格率主要受到粉碎室內(nèi)粉碎的次數(shù)、粉碎的力度的影響。而影響該以上粉碎次數(shù)的主要因素是錘片數(shù)量、錘片速度、錘片間隙、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)等。參考工作室的空間為0.6m，所以取錘片工作直徑為D2=580mm[24]。則空心軸粉碎刀架錘片始端線速度：v_2=(n_2πd)/60=(600×π×0.58)/60=18.22m/s實心軸粉碎刀架錘片末端線速度：v_1=(n_1πd)/60=(1200×π×0.58)/60=36.44m/s相對線速度：v=v_1+v_2=54.66m/s粉碎機構(gòu)的功率計算按照以下式進行估計：P_2=(6.4~10.5)Q式中：P2—粉碎配套功率，kW；Q—粉碎機生產(chǎn)率，t/h；取Q=2t/h。(6.4~10.5)—粉碎系數(shù)，根據(jù)粉碎效果進行選擇。本機粉碎效果達到粗粉碎即可，所以取P2=15kW。錘片在粉碎機中起著至關(guān)重要的作用。它們是粉碎機的主要工作部件，負責直接對物料進行打擊和粉碎。通過高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的沖擊力，錘片能夠有效地將物料破碎成更小的顆粒。同時，錘片的設(shè)計也影響著粉碎效果和機器性能。合理的錘片數(shù)量、排列方式以及線速度等參數(shù)設(shè)置，能夠確保物料在粉碎室內(nèi)得到充分而均勻的破碎，提高粉碎效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在粉碎機的設(shè)計和使用過程中，錘片的選擇和配置都是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。下圖4.4為錘片的基本類型[25]。圖4.4錘片的基本類型a、矩形錘片b、c、d、堆焊錘片e、階梯形錘片；f、多角形錘片g、尖角形錘片h、環(huán)形錘片i、復(fù)合鋼矩形錘片本次錘片選擇矩形錘片。該類錘片通用性較強，且制造和安裝簡易。下表4.1即為該類錘片的基本規(guī)格。表4.1標準矩形錘片規(guī)格型號L（長度）hB（寬度）dδ（厚度）A12090±0.34016.52B8A180140±0.35020.55B8A140100±0.36030.55B8一般來說Ⅱ型錘片是用于中型機械，所以本次設(shè)計選用Ⅱ型中的B類錘片，厚度為8mm。錘片數(shù)量參考下式進行計算：z=(k_1B)/e式中：B—粉碎室寬度，580mm；e—錘片厚度，8mm；k1—錘片配置密度系數(shù)，k將各參數(shù)代入后計算得z=32.48~48.72。所以選擇錘片數(shù)量為36。根據(jù)上文設(shè)計，選擇實心軸和空心軸反向工作，傳動方式為帶傳動。本章對該傳動機構(gòu)進行設(shè)計。4.5電機的分析和選型上文已經(jīng)對粉碎機構(gòu)和粉碎及機構(gòu)的功率進行了計算分別是5kW和15kW，根據(jù)上文設(shè)計確定了雙電機驅(qū)動雙軸的方式。為此選擇電機1的功率為15kW，電機2的功率為7.5kW，轉(zhuǎn)速分別為1200r/min和600r/min。為此在市場中選擇電機型號分別為Y160L-4和Y160L-8兩個型號的電機。兩電機的主要性能參數(shù)如下表4.2所示。表4.2電機型號以及其性能參數(shù)型號額定功率/kW滿載轉(zhuǎn)速/(r/min)起動轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩Y160L-41514602.22.2Y160L-87.57202.02.0計算電機轉(zhuǎn)矩：T_d1=9550×P/n=9550×(15×〖10〗^3)/1460=98.1N·mT_d2=9550×P/n=9550×(7.5×〖10〗^3)/720=99.54.6各軸的運動和動力參數(shù)的計算和分配為了便于后續(xù)的傳動設(shè)計與計算，本節(jié)需要對各軸的運動和動力參數(shù)進行計算，如轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。已知：n電機1n主軸n電機2n空心軸電機1軸與主軸傳動比i1：電機2軸空心軸傳動比i2：（1）各軸轉(zhuǎn)速I軸：nⅠII軸：n_III軸：nⅢIV軸：n_（2）各軸輸入功率I軸：PⅠII軸：PⅡIII軸：PⅢIV軸：PⅣ（3）各軸輸入轉(zhuǎn)矩I軸：TⅠII軸：TⅡIII軸：TⅢIV軸：TⅣ下表4.3即為對以上計算結(jié)論的匯總。表4.3傳動系統(tǒng)各軸運動和動力參數(shù)匯總功率(kW)轉(zhuǎn)矩(N·m)轉(zhuǎn)速(r/min)Ⅰ軸（電機1軸）1598.11460II軸（主軸）14.11112.321200III軸（電機2軸）7.599.5720V軸（空心軸）7.06112.336004.7帶傳動設(shè)計本節(jié)設(shè)計主要以實心軸和電機之間的傳動計算為例。初步選擇V帶傳動作為基本的帶傳動方式。首先進行設(shè)計功率計算。根據(jù)Y160L-4型電動機，其額定功率為15kW，該電機轉(zhuǎn)速為n1=1460r/min，傳動比i=1.217。查表得工況參數(shù)為KAP_d=K_AP=1.3×15=19.5kW根據(jù)設(shè)計功率以及小帶輪轉(zhuǎn)速選擇帶型為B型V帶。根據(jù)B型V帶查表確定帶輪的基準直徑：取小帶輪直徑dd1=160mm，由此計算大帶輪的直徑d在標準系列中選擇大帶輪直徑為200mm，其傳動比誤差計算如下：?i/i=(200?160?1.217)/1.217=2.7%故帶輪直徑選擇符合要求?，F(xiàn)進行帶速的驗算：v=(n_1πd_d1)/(60×1000)=(1460×π×160)/(60×1000)故帶速符合要求范圍內(nèi)。初步計算V帶長度以及中心距計算，根據(jù)0.7dd1+dd2L_d^'=2a_0+π/2(d_d1+d_d2)+(d_d2?d_d1)^2/(4a_0)=選擇V帶標準系列長度為1800mm。由此計算實際的中心距如下：a=a_0+(L_d?L_d^')/2=6驗算小帶輪的包角如下：α_1=180°?(d_d2?d_d1)/a×57.3°=180°?(200?160)/616.92×57.3°故小帶輪的包角滿足設(shè)計要求。計算V帶的根數(shù)。取單根V帶傳遞功率為P0=3.62kW，取V帶的彎曲影響系數(shù)為Kb=1.9875×10?3，傳動比系數(shù)查表得包角修正系數(shù)為0.98，帶長修正系數(shù)為1.00，由此計算帶的根數(shù)如下：z=P_d/((P_0+?P_0)K_αK_L)=19.5/((3.62+0.196)×0.98×1.00)=5.21取z=5根。為了便于后續(xù)軸的計算，需要進行初拉力以及壓軸力的計算。查表得m=0.17kg/m，已知v=12.23m/s，計算初拉力：F_0=500P_d/zv((2.5?K_α)/K_α)+mv^2=50019.5/(5×12.23)((2.5?0.98)/0.98)+0.17×〖12.23〗^2壓軸力計算：F_Q=2zF_0cos?〖β/2〗=2zF_0cos?〖α/2〗=2×5×272.73×sin?〖(176.28°)/2〗綜上設(shè)計計算，現(xiàn)匯總該帶傳動方案如下。表4.4實心軸V帶傳動方案帶型根數(shù)帶長（mm）直徑dd1(mm)直徑dd2(mm)中心距(mm)小帶輪包角(°)帶速（m/s）初拉力(N)軸上壓力(N)B52000160200616.92176.2812.23272.732725.864.8軸的參數(shù)計算與設(shè)計主軸實心軸以及空心軸是設(shè)備的核心傳動零件，本節(jié)對軸進行設(shè)計。首先確定實心軸的材料為40Cr，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，硬度達到241~266HBW。首先計算最小軸頸值，已知參數(shù)：P=14.11kW；C=101；n=1200r/min現(xiàn)計算最小直徑如下：d_min=C?(p/n)=101×?(14.11/1200)=22.91mm考慮到該軸的重要性以及其細長的形狀，所以取最小直徑為50mm。具體結(jié)構(gòu)方面參見零件圖、空心軸方面是決定粉碎機構(gòu)的工作的關(guān)鍵零件。首先需要初步確定實心軸和空心軸之間需要保持一定間隙，取該間隙值為8mm，而空心軸內(nèi)主軸直徑為60mm，所以空心軸內(nèi)徑為：D=d最小軸頸計算首先查得空心軸抗扭剖面模量W_T=(πd^3(1?r^4))/16其中r=dτ=T/W_T≈(9.55×〖10〗^6P/n)/(0.2d^3(1?r^4))≤[τ]軸頸按下式進行估算為：d≥?((9.55×〖10〗^6P/n)/0.2(1?r^4)[τ])式中，d—軸的直徑，mm；τ—軸剖面中最大扭轉(zhuǎn)切力應(yīng)力，MPa；P—軸傳遞的功率，P=7.06kW；n—軸的轉(zhuǎn)速，n=600r/min；r—空心軸內(nèi)徑和外徑的比值，r=d1dτ—許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，取τWT由于d1第5章基于Solidworks的三維建模與驗證立式秸稈粉碎機是由多個零部件組成的復(fù)雜設(shè)備，零件的三維建模與驗證是設(shè)計和制造過程中的重要一步。基于Solidworks進行立式秸稈粉碎機零件的三維建模和驗證，需要對每個零部件進行詳細分析和數(shù)值仿真，在確定設(shè)計合理性的基礎(chǔ)上，進行實際的制造和加工，以確保零件尺寸、精度等各方面達到設(shè)計要求，從而可以開展后續(xù)工序并完成整機的裝配。部分零件的建模成果如下：下圖是安裝板的零件圖，主要是用于電機的安裝，該模型的建立主要是應(yīng)用了拉伸等命令。采用了精確的草圖繪制與拉伸操作來構(gòu)建基礎(chǔ)形狀。通過細致地調(diào)整尺寸和位置，確保安裝板的穩(wěn)定性和功能性。在建模過程中，特別關(guān)注了安裝孔的精準定位，以便在實際裝配時能夠與其他部件完美契合。圖5.1安裝板的三維模型圖5.2筒體的三維模型該模型是筒體的外殼模型，主要是粉碎室的外殼筒體零件，用于保護粉碎的環(huán)境。作為粉碎室的外殼，起到了保護內(nèi)部粉碎環(huán)境的作用。在建模時，本設(shè)計注重了筒體的結(jié)構(gòu)強度和密封性，通過合理的壁厚設(shè)計和精確的圓弧過渡，確保了筒體在使用過程中的耐用性和安全性。圖5.3電機的三維模型該模型是電機的模型，主要是用于提供動力。在建模過程中，本設(shè)計詳細模擬了電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括定子、轉(zhuǎn)子和軸承等關(guān)鍵部件。同時，為了確保電機的散熱性能和穩(wěn)定運行，本設(shè)計在設(shè)計中充分考慮了通風和散熱結(jié)構(gòu)，使電機在實際使用中能夠高效、穩(wěn)定地提供動力。圖5.4粉碎裝置的三維模型該模型是粉碎裝置的模型，是總體的一個子裝配體。在建模時，本設(shè)計著重考慮了刀具的排列方式、角度和速度等因素，以實現(xiàn)高效的秸稈粉碎效果。通過精確的建模和仿真分析，本設(shè)計優(yōu)化了刀具的形狀和材質(zhì)，確保了粉碎裝置的耐用性和粉碎效率。同時，為了便于維護和更換刀具，本設(shè)計還設(shè)計了便捷的拆卸結(jié)構(gòu)，提高了設(shè)備的使用便捷性。立式秸稈粉碎機的總裝配體的三維建模的基礎(chǔ)是所有零部件的三維建模。關(guān)鍵零部件的三維建模是最重要的，因為它們的形狀，位置和尺寸直接影響整個裝配體。這些關(guān)鍵零部件包括刀片、進料口、出料口等。Solidworks等三維建模軟件可以提供最好的三維建模設(shè)計環(huán)境。在進行總裝配體的三維建模時，需要將所有零部件進行約束并確定它們之間的相對位置。通過設(shè)置約束和限制，可以確保零件在裝配時位置穩(wěn)定，并能夠進行正確的工作。例如，可以使用Solidworks的自由度約束來限制某個零件在三個方向上的移動，以確保其位置的穩(wěn)定性。裝配體以及總體結(jié)構(gòu)組成如下：圖5.5立式秸稈粉碎機的總體裝配模型經(jīng)過詳細的干涉檢查，秸稈粉碎機總裝配體的各個部件均未發(fā)現(xiàn)干涉現(xiàn)象。安裝板、筒體、電機以及粉碎裝置等關(guān)鍵零件在裝配過程中均能夠順利配合，無碰撞或阻礙情況出現(xiàn)。這證明了設(shè)計方案的合理性和各部件之間配合的精確性。因此，我們可以確認該秸稈粉碎機總裝配體通過了干涉檢查，為后續(xù)的生產(chǎn)和使用提供了堅實的保障。第6章結(jié)論本文緒論部分首先介紹了目前中國秸稈回收利用的現(xiàn)狀，并對中國幾種典型的秸稈加工設(shè)備進行了分析，并總結(jié)出了未來關(guān)于秸稈加工設(shè)備的發(fā)展趨勢。其次，在詳細分析了秸稈粉碎工藝及其物料特性的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有設(shè)備存在的問題和不足，提出了具體的改進方案和設(shè)計思路。在設(shè)計和計算過程中，對立式秸稈粉碎機的喂入室、切碎機構(gòu)、粉碎裝置、電機選型、軸系設(shè)計等關(guān)鍵部分進行了全面的優(yōu)化和創(chuàng)新，旨在提高設(shè)備的粉碎效率、降低能耗、減少故障率，以適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。通過Solidworks三維建模與驗證，進一步確保了設(shè)計的合理性和可行性，為后續(xù)的樣機試制和實驗提供了可靠的理論依據(jù)和技術(shù)支持。通過本次畢業(yè)設(shè)計的研究與實踐，成功設(shè)計出一款高效、節(jié)能、穩(wěn)定的立式秸稈粉碎機。該設(shè)備在結(jié)構(gòu)上更加緊湊、合理，性能上有了顯著的提升，同時降低了制造成本和使用成本，具有一定的市場推廣價值和應(yīng)用前景。然而，盡管研究范圍廣泛，但仍存在一些不足之處。例如，在秸稈的物料特性分析方面，可能缺乏對不同種類秸稈特性的深入研究和對比，這會影響到粉碎機設(shè)計的通用性和適應(yīng)性。在總體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計上，可能未充分考慮實際生產(chǎn)中的操作便捷性、安全性以及維護成本等因素。在具體機械部分的設(shè)計與計算方面，可能存在對某些關(guān)鍵部件如切碎機構(gòu)、粉碎裝置等的優(yōu)化設(shè)計不足，以及對電機、軸、帶傳動等部件的選型和計算缺乏精細化考慮。此外，雖然提到了基于Solidworks的三維建模與驗證，但未明確說明建模的詳細過程以及驗證的具體方法和結(jié)果，這也可能是研究的一個不足之處。綜上，此次設(shè)計不僅提高了個人的專業(yè)技能和綜合素質(zhì)，也為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)升級做出了積極的貢獻。展望未來，隨著科技的不斷進步和市場需求的不斷變化，立式秸稈粉碎機仍有很大的創(chuàng)新空間和發(fā)展?jié)摿Α?6參考文獻高波,翟之平,蘭月政,等.錘片式秸稈加工機械噪聲研究[J/OL].飼料工業(yè),1-6[2024-01-19]/kcms/detail/21.1169.S.20240103.1650.006.html劉三軍.秸稈綜合利用存在的問題及發(fā)展對策[J].當代農(nóng)機,2023,(10):57-58.姜亞東.玉米秸稈的回收與再處理機械主要類型及合理化選擇[J].當代農(nóng)機,202