树枝粉碎机的 研制

南京农业大学学报󰀁2004,27(3):111~113JournalofNanjingAgriculturalUniversity

树枝粉碎机的研制

朱思洪1,付东荔2,缪小红1,丁启朔1,鲜洁宇1

(1󰀁南京农业大学工学院,江苏南京210031;2󰀁江苏省机械研究设计院,江苏南京210012)

摘要:介绍了自行研制的适应中国城市废弃树枝处理的树枝粉碎机的结构与工作原理,探讨了主要工作部件喂入装置和粉碎装置的设计理论和设计准则。对样机主要性能指标的实验测试结果表明,该机能够粉碎直径200mm的树枝,工作平稳可靠,树枝粉碎质量好,生产率达到2󰀁8m3󰀁h-1木屑。关键词:树枝粉碎机;结构;设计

中图分类号:X72󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:10002030(2004)03011103

Researchanddevelopmentofbranchgrinder

ZHUSi󰀁hong1,FUDong󰀁li2,MIAOXiao󰀁hong1,DINGQi󰀁shuo1,XIANJie󰀁yu1(1󰀁CollegeofEngineering,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210031,China;

2󰀁JiangsuAcademyofMechanicalEngineering,Nanjing210012,China)

Abstract:AbranchgrindersuitableforcitiesinChinawasdevelopedanditsstructureandworkingprincipleareintroducted.Thedesigntheoryandmethodofthekeyparts,feedingsystemandgrindingsystemarediscussed.Theperformancetestshowsthattheperformanceindexesoftheprototypeareacceptable.Themachinecangrindbrancheswithdiameterupto200mm,itworkssmoothly,reliablyandwithhighquality.Theproductivityofthemachineisabout2󰀁8m3󰀁h-1.Keywords:branchgrinder;structure;design

随着人们环境意识的日益增强,对环境的要求越来越高,城市废弃树枝的随意堆放及焚烧被逐渐禁止,废弃树枝的处理及综合利用成了城市园林及环卫部门亟待解决的问题。目前采用的主要技术方案是将树枝粉碎后堆肥,用作城市植被、盆栽花卉及树苗移栽的底肥。国内有些厂家及科研机构对树枝粉碎设备进行了研究和开发[1~3],但总体来看,国产树枝粉碎设备还比较缺乏,特别是能粉碎粗树枝的设备很多都是从国外引进的,不仅价格昂贵,而且机器的维修与零件的更换很不方便,影响了该技术的推广应用。我们在对树枝粉碎关键技术进行充分分析研究的基础上,研制完全基于国产技术的树枝粉碎机,旨在为废弃树枝的处理及资源化利用提供相应的技术支撑,促进城市的环境保护工作。

1󰀁结构与工作原理

图1为树枝粉碎机实物图,图2为其结构示意图。该机主要由机架、喂入装置、粉碎装置和动力驱动系统组成。其中喂入装置、粉碎装置和动力驱动系统为本机的关键部件。

喂入装置的功能是将树枝匀速推进到粉碎装置中,并在粉碎过程中扶持树枝。为了适应喂入不同直径的树枝,喂入装置采用󰀁浮式󰀁工作原理:喂入滚轮组件(包括喂入滚轮、喂入轮轴、轴承、支撑滑块及驱动液压马达)可以在垂直滑道内上下浮动,喂入滚轮由液压马达驱动,液压马达的进油管和回油管采用软管,以适应喂入滚轮组件的上下浮动。树枝从左侧喇叭形喂入口喂入,被喂入滚轮圆周上的齿条咬住,向粉碎装置方向拖动;同时,喂入滚轮沿着滑道向上滑动,树枝被拖入喂入滚轮和喂入装置底板之间,并沿喂入滚轮外圆周下端点切线方向向粉碎装置推进。此后,喂入滚轮组件靠重力作

󰀁󰀁收稿日期:2003

0920

󰀁󰀁基金项目:江苏省科技厅资助项目(苏科技(2000)273)

󰀁󰀁作者简介:朱思洪(1962),教授,博士生导师,主要从事机械动力学方面的研究。E󰀁mail:ZSH@njau󰀁edu󰀁cn

󰀁112󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁南󰀁京󰀁农󰀁业󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第27卷

用始终压在树枝上,以适应树枝直径的变化。树枝前端进入粉碎装置开始粉碎后,喂入滚轮继续压在树枝上,在切削过程中起扶持和送料作用。

粉碎装置主要由2把切削刀、刀盘和2片刮板组成。2把切削刀径向安装在刀盘的左端面,间隔180󰀁,刀刃与刀盘端面的间隙为10mm,用于控制树枝的粉碎程度。刮板径向安装在刀盘的右端面上,随刀盘一起高速旋转,产生高速气流将切下的木屑通过排料管排出。除了作为切削刀的刀架外,刀盘还起飞轮储存能量的作用,保证切削刀切削较粗的树枝时产生足够大的切削力。

树枝粉碎机的动力选用30kW的柴油机,通过三角皮带传动直接驱动粉碎装置。喂入装置通过液压系统驱动,液压系统的液压油泵也是通过三角皮带传动,调速阀和换向阀分别控制液压马达的转速和正反转,以控制树枝的喂入速度及树枝的喂入和退出。控制阀与液压马达之间通过软管连接,以适应喂入装置的上下浮动。

2󰀁设计计算

2󰀁1󰀁喂入装置

喂入装置设计的关键参数有:喂入滚轮的最小直径和轴向长度,液压马达的转速和驱动力矩以及喂入滚轮组件的重量。

喂入滚轮的最小直径主要由树枝的最大直径确定。为了保证喂入滚轮的齿条能够将树枝󰀁咬󰀁住,喂入的树枝应位于喂入滚轮轴心线以下。设树枝的最大直径为dmax,滚轮的最小直径为dmin,则有dmin>2dmax。喂入滚轮的直径也不宜过大,以避免滚轮中心线到切刀的距离过大,使喂入滚轮无法输送和扶持树枝,造成树枝󰀁尾料󰀁过长。综合考虑上述两方面的要求,样机的喂入滚轮直径取460mm。喂入滚轮的轴向长度应大于所适应树枝的最大直径,取210mm。

液压马达的转速根据树枝粉碎机的生产率,粉碎装置的转速,喂入滚轮半径以及树枝粉碎的粒度确定。设喂入滚轮转速为nw(r󰀁min

-1

),半径为rw(mm),刀盘转速为nr(r󰀁min

-1

),刀盘上安装N

把刀,前后两把刀切削树枝时树枝前进的距离为s,则s等于喂入滚轮外圆周单位时间滚过的线位移除以粉碎装置单位时间内切削的次数:

s=

求得喂入滚轮转速,即液压马达的转速为:

nw=

Nnrs2󰀁rw(2)

2󰀁rwnwNnr

(1)

第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁朱思洪等:树枝粉碎机的研制󰀁113󰀁

本样机中,N=2,nr=1400r󰀁min-1,s=10mm,rw=230mm,代入上式得到nw=19r󰀁min-1。

液压马达驱动力矩的选取应保证喂入滚轮产生足够大的推进力将树枝稳定地推进到粉碎装置中。喂入滚轮的推进力由喂入滚轮与树枝之间的摩擦力产生,设为Ft,为了将树枝稳定地推进到粉碎装置,推进力Ft应大于树枝与支撑底板、侧板之间的摩擦力Fm,即,Ft>Fm。液压马达的驱动力矩M应满足M>Fmrw。

喂入滚轮组件质量直接影响树枝的推进。事实上,喂入装置的推进力Ft由喂入滚轮齿条压入树枝产生,为了能有足够大的推进力Ft,一方面喂入滚轮齿条的齿形应有利于压入树枝一定的深度,另一方面喂入滚轮组件应有足够大的质量。而随着喂入滚轮组件质量的增加,树枝与支撑底板之间的摩擦力Fm也相应地增大,所以在确定喂入滚轮组件的质量时,要综合考虑两方面的影响。在本样机中,喂入滚轮组件的质量定为300kg左右,液压马达的额定驱动力矩M为1572N󰀁m。实验结果表明,这些参数的选择是合适的。

2󰀁2󰀁粉碎装置

粉碎装置设计的关键是切削刀的形状与安装方式,刀盘的直径与厚度,刮板的形状与安装方式及粉碎装置的旋转角速度。考虑到尽量简化结构,采用了矩形刀,刀的长度为250mm,保证能切削直径粗达200mm的树枝。刀的前角取5󰀁,刀尖角35󰀁。刀的材料选用25锰合金钢,经调质处理。刀盘直径的确定主要依据刀的长度,取820mm。刀盘厚度的取值应保证作为飞轮的刀盘有足够大的转动惯量,以产生足够大的切削力切削粗口径的树枝,刀盘厚度取100mm。刮板用45󰀁45的角钢制造,长度应保证刮板高出刀盘的外圆周。角钢的一面通过螺栓与刀盘的侧面联接,另一面起风机叶轮的作用,随刀盘高速旋转产生气流将粉碎的木屑连刮带吹输送出料箱。粉碎装置的转速是树枝粉碎机的另一个重要参数,合适的转速应保证能产生足够大的切削力,同时尽量减小能耗。作者分析了国内外多种粉碎机粉碎装置的转速,一般取1200~2000r󰀁min-1。参考同类机型的有关参数,本样机中粉碎装置的转速取1400r󰀁min-1。

3󰀁试验结果分析

在实际工况下对所研制样机的性能进行了实验测试。实验所用的树枝为城市常见的梧桐树枝。考察的性能指标主要有树枝粉碎机的运行状况、树枝的粉碎程度、生产率、油耗、振动及噪声。在实验过程中,树枝粉碎机工作可靠,运行比较平稳,没有剧烈的振感。在对湿度为48%~52%,直径不大于200mm的梧桐树枝进行粉碎测试时,树枝粉碎机的生产率达到2󰀁8m3󰀁h-1木屑;树枝的粉碎质量较好,木屑绝大部分(79%)小于12mm。但机器的噪声较大,特别是在树枝粉碎的过程中,室内环境噪声最高达到101dB。此外,该机的油耗较高,平均达2󰀁6L󰀁m

-3

。

4󰀁结󰀁论

在对市场进行充分调查的基础上,研制了适应城市废弃树枝处理的树枝粉碎机。树枝的喂入装置由液压系统驱动,采用󰀁浮式󰀁工作原理,可以适应喂入不同直径的树枝。树枝的粉碎功能由径向布置在刀盘上的直刀切削完成。粉碎的木屑由安装在刀盘上高速旋转的刮板产生高速气流从排料管排出。实测结果表明,该机工作平稳、可靠;能粉碎最大直径达200mm的树枝;生产率较高,产生木屑达2󰀁8m3󰀁h。存在的问题是粉碎时噪声较大,油耗较高。在后续的研究中需加强树枝粉碎过程中切削力的基础理论和实验研究,进一步优化粉碎装置,降低噪声,减小油耗。

参考文献:

[1]󰀁宋宝昌,程立杰.FS型粉碎机的研制[J].木材加工机械,1997(4):12~14.

[2]󰀁徐新煌,王秋珍.SFG50树枝粉碎机及其应用探索[J].城建车辆与设备,1991(4):12~14.[3]󰀁张汉月,黄激文.园林树枝切碎机的设计[J].广东农机,2002(3):8~9.

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责任编辑:沈󰀁波