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第一章 緒論
1.1 課題研究背景、目的及意義
我國(guó)每年有數(shù)百億斤飼料糧食和數(shù)千億斤農(nóng)作物秸稈被粉碎加工成飼料。飼料工業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中不可缺少的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。飼料加工的核心設(shè)備是飼料粉碎機(jī)，常用粉碎機(jī)的類型主要有錘片式粉碎機(jī)、齒爪式粉碎機(jī)及勁錘式粉碎機(jī)，其中錘片式粉碎機(jī)是目前使用最多的機(jī)型。
國(guó)內(nèi)外對(duì)粉碎機(jī)展開的研究，主要集中在粉碎理論、物料環(huán)流層、粉碎機(jī)設(shè)計(jì)理論和粉碎機(jī)性能影響因素幾個(gè)方面。
1.在粉碎理論方面：
傳統(tǒng)上學(xué)者一直認(rèn)為物料進(jìn)入粉碎室后受到錘片的正面沖擊，受沖擊的物料撞向齒板或篩片，然后反彈到錘片上，多次重復(fù)此過(guò)程。同時(shí)物料被旋轉(zhuǎn)的錘片和固定的篩片摩擦粉碎。前西德的Friedrich教授利用高速攝影首次證實(shí)了物料進(jìn)入粉碎室后受到的是偏心沖擊而不是傳統(tǒng)上認(rèn)為的正面沖擊。
中國(guó)農(nóng)機(jī)院通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了粉碎機(jī)比功率及粉碎物料的幾何平均值之間的關(guān)系；此外還得出粉碎機(jī)度電產(chǎn)量與篩孔直徑的關(guān)系。
2. 物料環(huán)流層：
為了破壞環(huán)流層，近年來(lái)出現(xiàn)了水滴形粉碎機(jī)。水滴型粉碎機(jī)是將普通錘片粉碎機(jī)的粉碎室從圓形變?yōu)榱怂涡?，這樣既增大了粉碎室篩板的有效篩理面積，又能破壞物料在粉碎室形成環(huán)流，有利于粉碎后物料排出粉碎室，粉碎效率有所提高。另外水滴型粉碎機(jī)有主粉碎室和再粉碎室，物料在粉碎室內(nèi)可形成二次打擊，同一臺(tái)粉碎機(jī)就能實(shí)現(xiàn)粗、細(xì)、微細(xì)3種粉碎形式。但這種粉碎機(jī)體積較大、制造復(fù)雜、成本較高，適合于綜合性飼料廠使用。
粉碎室有圓形和水滴形之分，粉碎室為圓形時(shí)，容易形成環(huán)流層，不利于出料，而粉碎室為水滴形時(shí)較易破壞環(huán)流層。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的劉文廣、劉偉峰研究使用異型篩（非圓形）破壞環(huán)流層、提高效率，原理與使用水滴形或橢圓形粉碎室一樣，但仍存在篩片磨損的問(wèn)題。
3.粉碎機(jī)設(shè)計(jì)理論
孫紅彬等研究了立式粉碎機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)，對(duì)立式粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了闡述，包括喂料裝置、下料叉管等。張乾能、宗力利用UG NX的三維建模功能，建立粉碎機(jī)的三維模型。同時(shí)，用UGNX的模型分析和運(yùn)動(dòng)仿真模塊，對(duì)粉碎機(jī)進(jìn)行分析，提高了設(shè)計(jì)的可靠性，并對(duì)錘片進(jìn)行了有限元分析，找出了錘片的危險(xiǎn)截面。黃石市飼料公司的徐新武對(duì)飼料粉碎機(jī)的吸風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明產(chǎn)量比原來(lái)提高73%，粉碎機(jī)無(wú)灰塵外溢現(xiàn)象，排料口吸風(fēng)罩運(yùn)轉(zhuǎn)正常，粉碎機(jī)溫度低，電機(jī)負(fù)荷小。
4.粉碎機(jī)性能影響因素
天津理工學(xué)院的董堅(jiān)挺等建立了錘片式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子組振動(dòng)的力學(xué)模型及數(shù)學(xué)模型，分析了其固有頻率及在額定轉(zhuǎn)速下的振幅與其它參數(shù)的關(guān)系，為錘片式粉碎機(jī)在設(shè)計(jì)、制造、安裝3個(gè)環(huán)節(jié)減少設(shè)備振動(dòng)提供理論依據(jù)。
因此，秸稈粉碎削片機(jī)，對(duì)提高秸稈等燃燒農(nóng)作物處理效率、擴(kuò)大秸稈的用途、提高秸稈等農(nóng)作物廢料的利用率、節(jié)約資源、美化環(huán)境具有重要意義。
1.2 粉碎機(jī)的分類
當(dāng)前，對(duì)物料進(jìn)行粉碎主要有打擊、揉搓、和鋸切等方式，為此應(yīng)針對(duì)不同的物料則采用不同的粉碎方式，以提高粉碎效率及質(zhì)量。
1. 錘片式粉碎機(jī)
秸稈類粗纖維青飼料一般徑向尺寸比較大，在被粗切成小段后，如用錘片式粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，由于尺寸較大，物料與錘片的接觸面積較大，同時(shí)錘片棱角與物料的接觸幾率小，加之現(xiàn)今的市場(chǎng)上的錘片式粉碎機(jī)多為有篩粉碎機(jī)，含有水分較多的青秸稈物料極易造成篩孔阻塞，導(dǎo)致粉碎效果很差，因此不宜采用錘片式粉碎機(jī)。
2. 切碎機(jī)
切碎機(jī)的加工對(duì)象為瓜果等含纖維質(zhì)較少的物料，對(duì)瓜果粉碎能取得較好的效果，但是對(duì)秸稈類粗纖維物料進(jìn)行加工則粉碎效果很差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到粉碎要求。加工過(guò)程中只是將粗纖維飼料進(jìn)行一次性切碎，不能達(dá)到飼喂要求或者化學(xué)處理等后續(xù)加工的要求。粗纖維飼料粉碎機(jī)的研究還處于初級(jí)研究階段，雖然在美國(guó)曾研制出一款秸稈粉碎桶，但還不夠完善，只是對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)報(bào)道，技術(shù)資料也不可獲得，加工對(duì)象也是干物料。
3. 揉搓滾壓
揉搓滾壓方式多用于顆粒物料及干粗纖維物料的加工。由于粗纖維飼料含水量比一般干物料(含水量≤20％)高很多，很多微量元素也溶于水中，采用揉搓滾壓加工方式會(huì)丟失很多水分，大量微量元素也將隨之丟失，且容易加工成泥狀，不能滿足喂飼要求。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)粗纖維飼料的粉碎，同時(shí)不喪失飼料的營(yíng)養(yǎng)性，多次鋸切是較好的加工方式，既能滿足粉碎粒度要求，又極大地減少了營(yíng)養(yǎng)成分的丟失。
根據(jù)秸稈類物料的尺寸特點(diǎn)及現(xiàn)代粉碎理論，確定本機(jī)械主體為臥式結(jié)構(gòu)，整體由進(jìn)料口、切割器、粉碎室、排料口、機(jī)身及動(dòng)力傳動(dòng)部分等機(jī)構(gòu)組成。
盤式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖：
1.軸承座 2.主軸 3.刀盤 4.壓刀塊 5.飛刀 6.側(cè)刀 7.底刀
圖 1.1 盤式粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
要把秸稈等廢料加工成碎片，首先需要人工將廢料放進(jìn)料斗，廢料在人力或進(jìn)料機(jī)構(gòu)的壓力作用下進(jìn)入削片機(jī)，當(dāng)農(nóng)作廢料的端面碰到飛刀刀盤端面時(shí)，進(jìn)給停止，飛刀轉(zhuǎn)到切削位置開始切削，由于飛刀有一定角度，當(dāng)切入廢料一定深度時(shí)，廢料受到飛刀切削面的分力、刀盤和料斗(或底刀)的阻礙作用，局部沿木材纖維方向崩裂成碎片，從前刀面飛出。切削過(guò)程中，廢料在壓力和飛刀切削分力的作用下，向刀盤方向進(jìn)給，使切削加工得以連續(xù)進(jìn)行，完成整根廢料的切碎。
盤式粉碎機(jī)由于飛刀運(yùn)動(dòng)時(shí)的切削平面固定不變，飛刀和底刀可以很好的形成剪切作用，適宜加工原木、劈木、木芯、較厚的板皮和成捆的枝椏材，因其進(jìn)料槽為方形或圓形，可充分發(fā)揮其生產(chǎn)能力，主要用于生產(chǎn)規(guī)模較大的人造板企業(yè)和造紙企業(yè)。盤式粉碎機(jī)大多數(shù)采用自由進(jìn)料，水平進(jìn)料的適宜加工較長(zhǎng)的原料，而加工較短的原料通常采用傾斜進(jìn)料?？傊?，粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)形式主要取決于原料的特征和對(duì)削片質(zhì)量及生產(chǎn)率的要求。
對(duì)于中小型粉碎機(jī)而言，由于其削制的原料大多數(shù)是枝椏、板皮，秸稈等剩余物，材徑較小，采用平面盤式機(jī)削片時(shí)，對(duì)平面盤式的削片長(zhǎng)度的均勻性影響不大，而其制造成本低廉，易于推廣。因此，中小型粉碎機(jī)采用平面刀盤結(jié)構(gòu)是一個(gè)發(fā)展方向。
水平進(jìn)料可防止原料撞擊刀盤軸，操作方便，安全可靠；而傾斜進(jìn)料便于投料，可保證合理的切削參數(shù)。
1.3 本課題研究?jī)?nèi)容
本課題是對(duì)玉米秸稈碎機(jī)三維切割的研究設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)分析以及對(duì)對(duì)原始數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，分析玉米秸稈的尺寸需求，確定秸稈粉碎機(jī)的總體設(shè)計(jì)，電動(dòng)機(jī)的選擇和傳動(dòng)方案的分析、比較與選擇，合理設(shè)計(jì)進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及切割刀具，并進(jìn)行校驗(yàn)。
1.4 預(yù)期結(jié)果
本秸稈粉碎機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊合理，零件加工方便，操作簡(jiǎn)便，生產(chǎn)能力大，碎片合格率高，廢料質(zhì)量還可以適當(dāng)調(diào)節(jié)，單位廢料產(chǎn)量能耗低，用一般的牽引機(jī)車即可拖動(dòng)和運(yùn)輸，適用于農(nóng)村農(nóng)業(yè)廢料的處理等，是國(guó)內(nèi)將農(nóng)作物廢料轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥，紙業(yè)原材料，處理小型枝椏材的理想設(shè)備。
第二章 秸稈粉碎機(jī)的總體設(shè)計(jì)
青玉米秸稈是粉碎機(jī)的加工對(duì)象，而青玉米秸稈的成分主要是纖維素，水，以及糖和一些無(wú)機(jī)鹽。此外，由于玉米秸稈通常較長(zhǎng)，在粉碎之前需要先切成一小截一小截。
粉碎的基本理論是使物體碎成粉末。粉碎機(jī)械是破碎機(jī)械和粉磨機(jī)械的總稱，是應(yīng)用機(jī)械力對(duì)固體物料進(jìn)行粉碎作業(yè)，使之變成小塊、細(xì)粉或者粉末的機(jī)械?？己朔鬯榈男ЧǔＪ褂梅鬯榱６取Ｄ壳?，人們常根據(jù)原料粉碎后粒徑不同，將粉碎定義為普通粉碎、微粉碎和超微粉碎。普通粉碎后產(chǎn)品粒度較大，一幫能通過(guò)6-60目篩孔；微粉碎后的產(chǎn)品粒度較細(xì)，一般能通過(guò)80-170目的篩孔；經(jīng)過(guò)超微粉碎后的產(chǎn)品粒度很細(xì)通常通過(guò)200-325目的篩孔，其粒度甚至可以達(dá)到10-1um。除粒度外，還經(jīng)常會(huì)用到粉碎比，即粉碎前后物料的直徑之比，常用i表示，由于粉碎前后物料的粒度大小不均，故常用物料的最大直徑或平均直徑的比來(lái)表示，即
：粉碎前物料的最大粒徑或平均粒徑
：粉碎后物料的最大粒徑或平均直徑
2.1粉碎機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)
根據(jù)秸稈粉碎機(jī)的用途及其使用要求，并結(jié)合任務(wù)書所給初始參數(shù)，設(shè)計(jì)本機(jī)設(shè)計(jì)任務(wù)如下：
切削機(jī)構(gòu)形狀：三維切割
進(jìn)料方式：水平進(jìn)料
出料方式：下出料
刀片直徑：227mm
秸稈被加工成的飼料尺寸：10×10×10mm
2.2粉碎機(jī)主要結(jié)構(gòu)及工作原理
該粉碎機(jī)主要結(jié)構(gòu)由輸送裝置、喂入輥、切碎裝置（主要包括對(duì)輥式棘齒刀片、輥刀刀片）、電機(jī)及排料口等組成，（見(jiàn)圖2-1）。
1.電機(jī) 2.輸送裝置 3.上喂入輥 4.下喂入輥 5.沿z方向排布的棘齒刀片
6. 沿y方向排布的棘齒刀片 7.定刀片 8.輪刀刀片 9.排料口 10.電機(jī)
圖2-1 玉米秸稈粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)圖
為保證將玉米秸稈切割成水分及營(yíng)養(yǎng)成分流失較少、尺寸較小的便于禽類等食用的飼料顆粒，對(duì)秸稈進(jìn)行了三維切割。首先使秸稈通過(guò)沿z方向排布的8個(gè)對(duì)輥式棘齒刀片（刀片直徑為227mm，厚度為6mm），以保證秸稈在z方向得到有效切割；然后將秸稈通過(guò)沿y方向排布的8個(gè)對(duì)輥式棘齒刀片（厚度為6mm），保證秸稈在y方向得到切割；再將秸稈通過(guò)與x方向垂直布置的帶有凸圓弧刀片的輪刀進(jìn)行切割，從而實(shí)現(xiàn)秸稈的三維切割。在本設(shè)計(jì)中，玉米秸稈被加工成的飼料顆粒尺寸約為10×10×10mm。鑒于棘齒刀片在切割時(shí)由于自磨刃的原因刃口比較鋒利，切割速度較快，可有效減少秸稈水分流失，故本設(shè)計(jì)中，第一組、第二組切割刀具均采用棘齒刀片。
2.3粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
1.喂入性能好：為使切碎機(jī)工作負(fù)荷穩(wěn)定，須要求入料量穩(wěn)定、連續(xù)。故本設(shè)計(jì)采用了上、下兩個(gè)鉤齒式喂入輥，且上喂入輥采用可上下浮動(dòng)的彈簧壓緊機(jī)構(gòu)，保證秸稈的均勻喂入。此外，棘齒刀片在切割秸稈的同時(shí)還能起到拉伸、抓取秸稈的作用。
2．刀片耐磨性能好，刃口鋒利：根據(jù)GB/T699-1999《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》，切碎裝置中的刀片均由65Mn鋼制造，刃口部位經(jīng)淬火和回火處理，淬火帶寬度約為25mm，硬度為HRC60。刀片的耐磨性能好，刃口鋒利，故能減少青秸稈汁液的流失。
3.采用三維切割方式：該機(jī)器突破傳統(tǒng)切碎機(jī)的切割方式，實(shí)現(xiàn)了三維切割。三維切割方式既可保證秸稈飼料的細(xì)碎程度，又能最大限度的減少青玉米秸稈中水分、營(yíng)養(yǎng)成分的流失。此外，用戶可根據(jù)具體情況，在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)切碎機(jī)的相關(guān)參數(shù)（如棘齒刀片間隙、輪刀轉(zhuǎn)速或輪刀刀片數(shù)量）來(lái)改變飼料顆粒的三維尺寸，以滿足不同家畜、家禽飼料種類的需要。
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第三章 主要技術(shù)參數(shù)的確定和計(jì)算
3.1飼料顆粒尺寸
切碎長(zhǎng)度是切碎機(jī)主要性能指標(biāo)之一，機(jī)器工作時(shí)，秸稈被喂入輥卷入切碎裝置的速度為，切碎裝置中輪刀每秒鐘切碎次數(shù)為，故理論切碎長(zhǎng)度(不考慮打滑因素)為，
其中：d—喂入輥直徑(mm)，
—喂入輥轉(zhuǎn)速；
—輪刀轉(zhuǎn)速，
—輪刀刀片數(shù)，
i—輪刀主軸轉(zhuǎn)速與喂入輥轉(zhuǎn)速的傳動(dòng)比。
本設(shè)算中，參數(shù)設(shè)計(jì)如下：d＝80mm，，。此外，飼料顆粒的寬度和高度也是切碎機(jī)的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，在該切碎機(jī)中，使用者可通過(guò)調(diào)調(diào)節(jié)棘齒刀片間隙相應(yīng)的改變飼料顆粒的寬度和高度。在本設(shè)計(jì)中，飼料的寬度和高度均設(shè)定為10mm。
3.2切碎機(jī)生產(chǎn)率
切碎機(jī)的生產(chǎn)率主要取決于喂入口面積、切碎器刀片數(shù)量和轉(zhuǎn)速、秸稈種類及切碎長(zhǎng)度等。理論生產(chǎn)率可利用下式計(jì)算：
式中：—輪刀刀片數(shù)，；
—喂入口寬度，；
—喂入口高度，喂入口高度應(yīng)取最大高度的50%~70%，取；
—飼料顆粒的理論切碎長(zhǎng)度，；
—喂入輥轉(zhuǎn)速，；
—經(jīng)喂入輥壓縮后玉米秸稈的體積質(zhì)量，取；
故本機(jī)理論切碎生產(chǎn)：
3.3電機(jī)選擇
功率消耗：輸送喂入功率；切碎功率；總功率消耗
。
考慮到設(shè)計(jì)的生物質(zhì)秸稈切碎機(jī)適用對(duì)象為小型養(yǎng)殖場(chǎng)、專業(yè)戶和個(gè)體農(nóng)戶，故電動(dòng)機(jī)電壓應(yīng)選用220V。再考慮到所受的載荷不大，所需動(dòng)力不是很大，選用小功率的電動(dòng)機(jī)。綜合各方面因素，選用Y系列電動(dòng)機(jī)。
Y系列電動(dòng)機(jī)是新型高效節(jié)能產(chǎn)品，具有體積小、容量大，起動(dòng)及運(yùn)轉(zhuǎn)性能優(yōu)越等特點(diǎn)，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC的有關(guān)規(guī)定，并實(shí)現(xiàn)同一機(jī)座號(hào)單、三相異步電動(dòng)機(jī)等級(jí)相同，提高了單、三相電動(dòng)機(jī)的互換性和通用性，被廣泛應(yīng)用于冷凍機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)、小型機(jī)床以及農(nóng)副業(yè)和家用電器等方面。選定電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為：Y90L，功率為2.2Kw，轉(zhuǎn)速為1420r/min的三相異步電動(dòng)機(jī)。
3.4其余參數(shù)的確定
（1） 滾刀軸參數(shù)：由于對(duì)秸稈進(jìn)行切割時(shí)，要求轉(zhuǎn)速越快越好，可提高生產(chǎn)率，故將滾刀軸轉(zhuǎn)速定為與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的一半，即n＝710r/min，直徑D＝40mm，寬度L＝260mm。
（2） 喂入輥參數(shù)：n＝169r/min，直徑D＝80mm，寬度L＝200mm。
（3） 輸送輥參數(shù)：n＝355r/min，直徑D＝80mm，寬度L＝200mm。
第四章 主要部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算
4.1喂入裝置的構(gòu)成
喂入裝置是由輸送鏈板、上下喂入輥、壓緊裝置等組成。喂入裝置作用是將秸稈壓緊并以一定的速度向切碎器喂入，在切碎時(shí)夾持住秸稈以免秸稈產(chǎn)出彎曲變形，為了保證切碎整齊，要求喂入時(shí)秸稈無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，并在秸稈層厚度變化時(shí)也能加緊秸稈。上下喂入輥的配置要求：
（1）喂入輥卷入能力要強(qiáng)，并且卷入速度應(yīng)大于輸送速度，以免秸稈堆積或堵塞；
（2）下喂入輥?zhàn)钌隙说乃矫媾c定刀處于同一水平面上，或略高一點(diǎn)；
（3）喂入輥在配置上應(yīng)盡量靠近刀片切割平面，避免秸稈產(chǎn)生彎曲變形，保證切碎質(zhì)量；
喂入輥：是喂入裝置最基本工作部件，一般用HT18～36灰鑄鐵鑄成。
為了保證在喂入時(shí)秸稈無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，并在秸稈層變化時(shí)仍能夾緊，喂入輥采用星齒型，其截面形狀如圖4-1：
圖4-1 喂入輥截面形狀
4.2喂入輥工作分析
喂入輥工作分析的目的是研究其喂入性能與其本身結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。
喂入輥工作時(shí)的受力分析圖如圖4-2：
圖4-2 喂入輥受力分析
假設(shè)秸稈喂入前的厚度為A，經(jīng)喂入輪壓縮后其厚度等于輪軸間系a，沒(méi)有彈性變形；秸稈不受輸送鏈的推力?，F(xiàn)在分析兩喂入輪已經(jīng)攫取了秸稈并向切碎器輸送秸稈的情況。
設(shè)喂入輥半徑為r，與秸稈間的摩擦系數(shù)及摩擦角分別為f和Φ。當(dāng)工作時(shí)，喂入輥對(duì)秸稈作用力有二：一是壓力R，視為作用在與秸稈層接觸弧中點(diǎn)，并與鉛垂線夾角為α，此角稱為挾持角；二是摩擦力f·R，方向與R力垂直。兩喂入輥壓力R的合力2Rsinα，匯交于A點(diǎn)，方向水平向外，有阻止秸稈卷入作用；摩擦力f·R合力為2fRcosα，匯交于B點(diǎn)，方向水平向內(nèi)，起卷秸稈作用。因此，保證秸稈卷入的條件：
2fRcosα≥2Rsinα
所以
因?yàn)?
所以
表明秸稈被喂入輥壓緊和卷入條件是其挾持角α必須小于摩擦角Φ，否則將不能正常工作。一般秸稈Φ＝17～27°。喂入輥卷入性能除與摩擦系數(shù)外，還與其直徑的大小有關(guān)。當(dāng)秸稈喂入層增大時(shí)，挾持角α必然增大，使秸稈不能卷入，出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。為了滿足條件要求，就必須加大喂入輥直徑。有：
將卷入極限條件：代入此式，得
式中：—喂入輥的最小半徑。
為了使喂入輪很好的工作，可增加秸稈與喂入輪的摩擦角或減小角。欲減小角，就要采取下列三種措施：
（1）在不變的情況下減小喂入層的厚度；
（2）在輪軸的中心距不變的情況下增大；
（3）在喂入層厚度A及輪軸間隙都不變的情況下加大輪軸的中心距。
（1）和（2）兩種措施都要導(dǎo)致生產(chǎn)率下降，（2）和（3）兩種措施將使機(jī)器龐大，所以這些參數(shù)都不能隨意變動(dòng)，一般秸稈切碎機(jī)上常取40～80mm。喂入輥半徑過(guò)小，則喂入性能差；過(guò)大則喂入輥?zhàn)饔糜诮斩拝^(qū)遠(yuǎn)離切割平面，會(huì)影響切割質(zhì)量，故取r為80mm。
4.3上喂入輥壓緊裝置
為了使得喂入秸稈過(guò)多時(shí)在喂入輥處不產(chǎn)生不堵塞，過(guò)少時(shí)不產(chǎn)生碎段過(guò)長(zhǎng)，上喂入輥應(yīng)制成能浮動(dòng)的，并設(shè)有壓緊機(jī)構(gòu)以保持上喂入輥對(duì)秸稈始終有一定的壓力。對(duì)壓緊機(jī)構(gòu)采用雙彈簧式，上喂入輥兩側(cè)軸承座可以在垂直的滑道內(nèi)移動(dòng)，彈簧一端與軸承座相連接，另一端連接在彈簧座上，視具體情況可以通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘?shù)母叨葋?lái)調(diào)節(jié)彈簧的剛度。當(dāng)秸稈層變厚時(shí)上喂入輥克服彈簧的壓力向上浮動(dòng)，最大浮動(dòng)量為80mm。壓緊結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-3：
1—螺釘 2—彈簧 3—軸承座
圖4-3 上喂入輥壓緊裝置
4.4切碎器及其技術(shù)要求
切碎器是秸稈切碎機(jī)重要工作部件。它的參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)破碎質(zhì)量，功率消耗，以及機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)均勻程度有直接影響。破碎性能好的切碎器，應(yīng)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，刀片制造、安裝、刃磨方便、切割省力，負(fù)荷均勻，切割質(zhì)量好，秸稈相對(duì)動(dòng)定刀片不產(chǎn)生滑移。
切碎器的技術(shù)要求如下：
（1）產(chǎn)生滑切
滑切可減小阻力?；薪呛突邢禂?shù)都是用來(lái)表示滑切作用大小的指標(biāo)。在一定滑切角范圍內(nèi)，滑切程度越大，切割越省力。通常刀片滑切角為20～60°。
（2）切割要穩(wěn)定
秸稈相對(duì)刀片沒(méi)有滑動(dòng)的切割叫切割穩(wěn)定，它是保證切割質(zhì)量的主要因素。要求切割穩(wěn)定，不產(chǎn)生滑動(dòng)切割，應(yīng)滿足如下切割條件：
式中：，—秸稈與動(dòng)定刀片之間摩擦角，一般＝12°，＝38°。
—推擠角，動(dòng)刀刃線和定刀刃線間夾角。
切割穩(wěn)定條件是指刀片最大推擠角小于動(dòng)定刀片摩擦角之和，即≤50°，常取＝40～50°。
（3）切割阻力矩要均勻
（4）切割速度
大量的實(shí)驗(yàn)表面，切割速度對(duì)切割阻力也有很大影響，隨著切割速度的加大，切割阻力幾乎成直線下降。前蘇聯(lián)的H·E·P推薦最佳切割速度范圍是35～40m/s，常用的是18～37m/s。
4.5動(dòng)刀
動(dòng)刀的一種方案，刀片采用螺旋型，刀片數(shù)為4，安裝時(shí)，根據(jù)碎段長(zhǎng)度要求安裝2片或是4片。螺旋型刀片的刀體和刃線部都是螺旋式，并且按螺旋排列，傾斜地安裝在滾筒表面上。螺旋型刀片在滾刀式切碎器中和其它類型刀片比較，滑切作用強(qiáng)，切割阻力小，切割性能好，但刀片制造、安裝、調(diào)整及刃磨都不方便。而且切碎體不能自動(dòng)拋出，需人工清理，或者用風(fēng)送裝置吹出，增加了機(jī)器復(fù)雜性。這種刀片加工困難，成本高，對(duì)于生物質(zhì)秸稈來(lái)說(shuō)，不需要太高要求，直條型即可滿足要求。
圖3-5動(dòng)刀
滾筒式切碎器刀片的刀刃為外磨角，刀片的底平面或刃磨面與其切割面所成的角度叫隙角γ，其作用是避免在切碎過(guò)程中刀片與從喂入口不斷進(jìn)來(lái)的秸稈相摩擦，以便減少動(dòng)刀消耗。刀片的刃角β對(duì)刀片的使用壽命，功率消耗有很大影響。據(jù)參考文獻(xiàn)知：隨著β角的加大，切割所需的功和比功都要上升，若β角大于30°更顯著增加，但β角太小又不耐磨，常用的β角可在15～30°間的選擇。
在切碎器的滾筒上固定兩個(gè)圓盤，動(dòng)刀片安裝在圓盤上，構(gòu)成切碎滾刀滾筒。
4.6定刀
采用方形刃口的定刀，其能耗小，使用時(shí)不易磨損，厚度為3～6mm，以承受動(dòng)刀對(duì)物料巨大的沖擊力。
刀片材料可用5碳素工具鋼或優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼65Mn或70Mn。刀片可工作寬度對(duì)滾筒式切刀為20mm，在該區(qū)域刃部淬火硬度為HRC47～56，而非淬火區(qū)為28HRC。動(dòng)刀刃工作表面與刃口垂直線之間有3～5°傾斜角。動(dòng)、定刀片刃口的間隙為0.5～1.0mm。動(dòng)刀的厚度為2～3mm，刃口的厚度δ＝80～100μm，若磨損到一定厚度時(shí)，必須磨刀，使之變薄，構(gòu)成銳利刃口。
4.7機(jī)架及箱體材料選擇
機(jī)架和箱體的工作特點(diǎn)要求其應(yīng)有足夠的剛度，其次是強(qiáng)度和抗振性，鑒于設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形狀簡(jiǎn)單，工作條件也沒(méi)有特殊的要求，可采用普通低碳素鋼來(lái)制造，如Q235等。
第五章 傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)與計(jì)算
5.1傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)
傳動(dòng)系統(tǒng)的位置要根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及部件的相對(duì)位置來(lái)確定，傳動(dòng)路線及零部件的選擇要保證總傳動(dòng)比和傳動(dòng)的可靠性，同時(shí)不影響本身零部件的正常運(yùn)行。本次設(shè)計(jì)的傳動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，過(guò)程如下：
1. 首先電機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)帶動(dòng)輸送輥，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料動(dòng)作。
2. 另一方面，電機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳給z軸方向排布的棘齒刀片，再由一對(duì)圓
柱直齒輪嚙合將動(dòng)力傳遞給喂入輥。
3. 另一電機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給輪刀刀片，再由一對(duì)圓錐齒輪嚙合將動(dòng)力傳
遞給y軸方向排布的棘齒刀片。
其傳動(dòng)路線示意圖如圖5-1：
圖5-1 傳動(dòng)路線
5.2 滾刀軸V帶設(shè)計(jì)計(jì)算
需傳動(dòng)的功率，電機(jī)轉(zhuǎn)速，切碎器滾刀軸轉(zhuǎn)速
，則傳動(dòng)比為。
（1）確定計(jì)算功率
計(jì)算功率是根據(jù)傳動(dòng)功率，并考慮到載荷性質(zhì)和每天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)短等因素的影響而確定的。即
選，則
（2）選擇帶型
根據(jù)計(jì)算功率和小帶輪轉(zhuǎn)速＝1430r/min由表8－8選擇Z型普通V帶
（3）確定帶輪的基準(zhǔn)直徑和。
1）初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑
選取。為了提高v帶的壽命，宜選取較大的直徑。
選。
2）驗(yàn)算帶的速度v
計(jì)算帶的速度
符合帶速在5～25m/s之間的要求。
3）計(jì)算從動(dòng)輪的基準(zhǔn)直徑
（4）確定中心距a和帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度
初步定中心距，取 0.7×＜＜2×
即 0.7×（80+160）＜＜2×（160+80）
所以 168＜＜480
取
取定后，根據(jù)帶傳動(dòng)的幾何關(guān)系，按下式計(jì)算所需帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度：
根據(jù)選取和相近的v帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度。再根據(jù)來(lái)計(jì)算實(shí)際中心距
。
考慮安裝調(diào)整和補(bǔ)償預(yù)緊力（如帶伸長(zhǎng)而松弛后的張緊）的需要，中心距的變動(dòng)范圍為：
（5）計(jì)算主動(dòng)輪上的包角
﹥
（6）確定帶的根數(shù)z
其中＝0.97，由＝0.96，由＝0.81，由＝0.15則
根
取3根帶。
（7）確定帶的預(yù)緊力，由
由于新帶容易松弛，所以對(duì)非自動(dòng)張緊的帶傳動(dòng)，安裝新帶時(shí)的預(yù)緊力應(yīng)為上述預(yù)緊力的1.5倍即156N。
（8）計(jì)算帶傳動(dòng)作用在軸上的力（簡(jiǎn)稱壓軸力）
5.3 輸送輥軸V帶設(shè)計(jì)計(jì)算
需傳動(dòng)的功率，電機(jī)轉(zhuǎn)速，輸送輥軸轉(zhuǎn)速
，則傳動(dòng)比為。
（1）確定計(jì)算功率
計(jì)算功率是根據(jù)傳動(dòng)功率，并考慮到載荷性質(zhì)和每天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)短等因素的影響而確定的。即
選，則
（2）選擇帶型
根據(jù)計(jì)算功率和小帶輪轉(zhuǎn)速＝1430r/min由表8－8選擇A型普通V帶
（3）確定帶輪的基準(zhǔn)直徑和。
1）初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑
選取。為了提高v帶的壽命，宜選取較大的直徑。
選。
2）驗(yàn)算帶的速度v
計(jì)算帶的速度
符合帶速在5～25m/s之間的要求。
3）計(jì)算從動(dòng)輪的基準(zhǔn)直徑
（4）確定中心距a和帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度
初步定中心距，取 0.7×＜＜2×
即 0.7×（80+320）＜＜2×（320+80）
所以 280＜＜800
取
取定后，根據(jù)帶傳動(dòng)的幾何關(guān)系，按下式計(jì)算所需帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度：
根據(jù)選取和相近的v帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度。再根據(jù)來(lái)計(jì)算實(shí)際中心距
。
考慮安裝調(diào)整和補(bǔ)償預(yù)緊力（如帶伸長(zhǎng)而松弛后的張緊）的需要，中心距的變動(dòng)范圍為：
（5）計(jì)算主動(dòng)輪上的包角
﹥
（6）確定帶的根數(shù)z
其中＝0.97，由＝0.96，由＝0.81，由＝0.15則
根
取3根帶
（7）確定帶的預(yù)緊力，由
由于新帶容易松弛，所以對(duì)非自動(dòng)張緊的帶傳動(dòng)，安裝新帶時(shí)的預(yù)緊力應(yīng)為上述預(yù)緊力的1.5倍即156N。
（8）計(jì)算帶傳動(dòng)作用在軸上的力（簡(jiǎn)稱壓軸力）
5.4 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算
1.由于工作環(huán)境惡劣，齒輪要求不高，使用開式圓柱齒輪，根據(jù)設(shè)計(jì)條件，輸入功率，小齒輪轉(zhuǎn)速，喂入輥轉(zhuǎn)速，則傳動(dòng)比。使用期限為15年（每年工作300天），一班制。連續(xù)單向運(yùn)轉(zhuǎn)。選用8級(jí)精度，選小齒輪材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度為280HBS,大齒輪材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)，取。
2.按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，
即
確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
1）試選載荷系數(shù)。
2）計(jì)算小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩。
3）選取齒寬系數(shù)。
4）查表得材料的彈性影響系數(shù)。
5）按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的基礎(chǔ)疲勞強(qiáng)度極限。
6）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。
7）取接觸疲勞壽命系數(shù)。
8）計(jì)算接觸疲勞需用應(yīng)力。
取失效概率為1%，安全系數(shù)s=1
計(jì)算
1）試算小齒輪分度圓直徑，代入中比較小的值。
60.073mm
2）計(jì)算圓周速度
。
3）計(jì)算齒寬b。
4）計(jì)算齒寬與齒高之比b/h。
模數(shù)
齒高：
5）計(jì)算載荷系數(shù)。
根據(jù)v=2.36m/s，8級(jí)精度，查得動(dòng)載系數(shù)；
直齒輪；查得使用系數(shù)；用插值法查得8級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承懸臂布置時(shí)，。由b/h=14.24，查 表得，故載荷系數(shù)
6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，
7）計(jì)算模數(shù)m。
3.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為
（1）確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
1）查表得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限。
2）由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)；
3）計(jì)算彎曲疲勞需用應(yīng)力。
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式（10-12）得
4）計(jì)算載荷系數(shù)K。
5）查取齒形系數(shù)。
由表10-5查得 。
6）查取應(yīng)力校正系數(shù)。
由表10-5查得 。
7）計(jì)算大小齒輪的并加以比較。
，
大齒輪的數(shù)值大。
設(shè)計(jì)計(jì)算
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度所算得的模數(shù)1.305并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=2mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑，算出小齒輪的齒數(shù)；，大齒輪齒數(shù)；這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊促，避免浪費(fèi)。
幾何尺寸計(jì)算
計(jì)算分度圓直徑
；
計(jì)算中心距
計(jì)算齒輪寬度
，取。
5.5 喂入輥主動(dòng)軸的設(shè)計(jì)
喂入鏈主動(dòng)輪軸傳遞的功率，轉(zhuǎn)速n＝169r/min，半徑r＝40mm，
先求齒輪作用在軸上的力
由
有效圓周力
按水平布置取壓軸系數(shù)，故
（1）軸上零件的安裝方案，如圖5—2圖a）所示：
圖5-2a
圖5-2b
圖5-2c
圖5-2d
圖5-2e
圖5-2f
圖5-2g
圖5-2 下喂入輥軸的載荷分析圖
（2）選擇軸的材料
該軸傳遞小功率且轉(zhuǎn)速較低，故選用45鋼并調(diào)質(zhì)處理，其力學(xué)性質(zhì)如下：
（3）初步計(jì)算軸的直徑
選取A0＝126～103，取A0＝115
考慮鏈輪和鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的削弱，軸徑增加10%左右，然后將軸徑圓整取d＝16mm（此值作為承受扭矩作用的軸段的最小軸徑）
（4）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
初選角接觸球軸承，為了便于裝配，取裝軸承處的直徑，初選角接觸球軸承的結(jié)構(gòu)代號(hào)為7206AC，其外形尺寸為d×D×B＝30×62×16；
根據(jù)軸向定位的要求，確定軸的各段直徑、長(zhǎng)度，如圖5—2圖a）所示：
，此段為軸承，長(zhǎng)度取L1＝47mm；
，此處為滾筒軸，同時(shí)考慮軸承座的安裝，長(zhǎng)度取L2＝346mm；
，此段為軸承，長(zhǎng)度取L3＝57mm；
，此處為齒輪，根據(jù)其寬度，長(zhǎng)度可取L4＝88mm；
即此軸的總長(zhǎng)度為；L＝L1+L2+L3+L4＝47+346+57+88＝538mm
（5）軸的校核
轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩T＝95.5×105P/n＝95.5×105×0.15/1169＝8953N·mm（其中P為喂入輥的輸送功率為0.15Kw），則，。
軸受力情況如圖b)所示，其中CA＝220mm，CB＝180mm，DB＝100mm
1）求軸上的載荷
軸上受力如圖，分別在水平面內(nèi)圖c）和垂直面內(nèi)圖e）進(jìn)行計(jì)算。
由（水平面見(jiàn)圖c）得，方向按左順右逆原則
，則
由力平衡方程
，則
由（垂直面見(jiàn)圖e）得，方向按左順右逆原則
，則
由力平衡方程
，則
合成支反力
2）計(jì)算水平面的彎矩，畫彎矩圖，方向按左順右逆原則,如圖d）所示
3）計(jì)算垂直面的彎矩，畫彎矩圖，方向按左順右逆原則，如圖f）所示
4）合成彎矩，并畫總彎矩圖
公式為
其中表示水平面方向的彎矩，表示垂直面方向的彎矩，對(duì)應(yīng)點(diǎn)合成，如圖g）所示
N·mm
N·mm
N·mm
5）由圖g）可知危險(xiǎn)截面為C、B，強(qiáng)度條件為
為了考慮兩者循環(huán)特性不同的影響，引入折合系數(shù)α，當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，取α≈0.3；當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，取α≈0.6；
當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，取α≈1；此處取0.6，則αT＝0.6×8953=5372N·mm
查得W＝0.1d3
C截面 取M最大值即22677N·mm，W＝0.1d3＝0.1×303＝2700
則
故C截面安全
B截面 取M＝21360，W＝0.1d3＝0.1×303＝2700
則
故B截面安全
根據(jù)上述的計(jì)算來(lái)看，系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)性能要求，同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。盡管對(duì)軸的設(shè)計(jì)校核工作沒(méi)有全部進(jìn)行，但根據(jù)對(duì)重要軸系的校核結(jié)果來(lái)看，其它軸系的設(shè)計(jì)應(yīng)能滿足該系統(tǒng)剛度和強(qiáng)度的要求，因此，系統(tǒng)工作過(guò)程中能夠滿足其安全性要求。
第六章 總結(jié)
（1）設(shè)計(jì)的秸稈切碎機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，從而給制造、安裝、使用和維修帶來(lái)了極大的方便。
（2）設(shè)計(jì)的秸稈切碎機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)，主要是適合于粗壯秸稈，甚至是較細(xì)的樹枝切斷；切碎比較連續(xù)，振動(dòng)較小，切碎性能和切碎質(zhì)量高。
（3）喂入、切碎和拋送功率都比較低，因而要求相匹配的動(dòng)力也較小，同時(shí)整個(gè)設(shè)備大量采用普通鋼材，大大的降低了制造成本，提高了其經(jīng)濟(jì)性，滿足了廣大農(nóng)村單家獨(dú)戶作業(yè)的要求。
（4）壓緊裝置中的彈簧設(shè)計(jì)成可根據(jù)具體情況來(lái)調(diào)節(jié)其剛度，增強(qiáng)了切碎機(jī)的加工性能，同時(shí)也是本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處。
（5）將上喂入輥軸設(shè)計(jì)成浮動(dòng)軸，提高了切碎機(jī)的切碎能力范圍。
（6）破碎機(jī)的喂入和拋送功能實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，節(jié)省了人力。
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致謝
恍惚中，在美麗的中工校園中，度過(guò)了人生中最為寶貴的年華。從開題報(bào)告到畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本結(jié)束，我的四年大學(xué)生活也即將結(jié)束。在這里我向鼓勵(lì)和幫助過(guò)我的所有同學(xué)和老師表示衷心的感謝。
在這里我首先要感謝我的導(dǎo)師樊老師。從畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的選取樊老師一直在悉心幫助我，到最后的定稿及畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書的審查都是嚴(yán)格認(rèn)真，對(duì)我們的要求非嚴(yán)格。我除了敬佩樊老師的專業(yè)技術(shù)水平外，她的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)也對(duì)我今后的學(xué)習(xí)和生活具有積極的影響。
其次，我要感謝我的同學(xué)，大家除了在學(xué)習(xí)上互相鼓勵(lì)幫助，在我找資料遇到困難的時(shí)候也伸出援助之手，主動(dòng)幫我搜集資料，在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的全過(guò)程中都給予了我全面的指導(dǎo)。
最后感謝我的家人，想到你們總會(huì)讓我感到安全和溫暖，你們的撫育之恩永生難忘。
學(xué)無(wú)止境，無(wú)論每天往返于工廠和住所，還是忙碌于實(shí)驗(yàn)室，作為一個(gè)當(dāng)代青年，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在接受新的知識(shí)、觀點(diǎn)、理念。即便是創(chuàng)造社會(huì)價(jià)值，也需要不斷補(bǔ)給養(yǎng)分。最后真誠(chéng)期望每一個(gè)人都始終擁有美好幸福的生活狀態(tài)、以及一顆熱忱探索未來(lái)和真理的心，同時(shí)也是對(duì)自己未來(lái)生活的期冀。