0、前言
甘蔗經(jīng)收獲后剔除下的大量蔗葉，目前的處理辦法，一種是粉碎還田，一種是直接焚燒。隨著國家對節(jié)能減排的重視，甘蔗葉的能源化是近年來對甘蔗葉資源開發(fā)利用所開辟的一種新途徑。經(jīng)研究人員測試甘蔗葉纖維素含量為52.30%．與玉米秸稈相比，其碳含量高10個百分點，氮含量相當，是生產(chǎn)沼氣的優(yōu)良原料。中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械研究所對甘蔗葉沼氣發(fā)酵工藝進行了研究表明，提高物料的分解率．需要在發(fā)酵前對莖葉類原料進行粉碎處理，使其達到2~6cm長。目前對甘蔗葉的粉碎是利用鍘切機進行切碎，雖然切碎長度能滿足制作沼氣原料的要求，但不能破壞甘蔗葉表面結(jié)構，不利于被沼氣菌分解轉(zhuǎn)化。
1、原理設計
經(jīng)測試甘蔗葉平均長度為165cm．平均葉寬為5.5cm，表面較光滑。考慮到既要滿足長度要求又要破壞甘蔗葉表面結(jié)構的要求，決定采用動、定刀打擊和切割原理。因單蔗葉的平均最大斷裂力大約為600N，所以采用該工作原理也不會消耗太大的功率。
2、結(jié)構設計
2.1 整機結(jié)構與工作過程
考慮到操作的方便性，該機采用臥式結(jié)構，主要由喂料斗、機架、動刀軸、粉碎室、出料口以及傳動機構、控制裝置和電機組成，外形尺寸（長×寬×高）：2200mmX520mmx1500mm。
該機的工作過程為甘蔗葉原料經(jīng)人工通過喂料斗送到
粉碎機進料口處，被高速旋轉(zhuǎn)的動刀抓取進入粉碎室，在動刀、定刀、粉碎室罩殼及由動刀軸旋轉(zhuǎn)形成的環(huán)流層的共同作用下，在圓周方向運動過程中受到打擊、剪切及搓擦作用而被粉碎成斷口形狀不規(guī)則的細條狀短片，并有效地破壞了葉表面結(jié)構，其中被粉碎的甘蔗葉隨粉碎室中的動刀和氣流送至出料口排出，未經(jīng)粉碎或經(jīng)粉碎仍較長或?qū)挼母收崛~隨動刀轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，在粉碎室中與新進入的原料一起再次被粉碎，增加了被打擊、剪切和搓擦的機會，保證了物料被充分粉碎。
2.2主要部件結(jié)構設計
2.2.1動刀軸及動刀排列方式
動刀安裝于動刀軸上，動刀軸直徑大可有效防止物料纏繞，但又受到機器本身尺寸的限制，所以綜合考慮后動刀軸采用φ140mm的無縫鋼管，既可減少物料纏繞，又可使機器尺寸不會過大。考慮到動刀間距對粉碎后物料長度、功耗及工作效率的影響，即刀片的排列越密，物料粉碎的就越碎，但功耗相對增大，工作效率也較低，同時考慮到機器尺寸的限制，綜合分析后動刀數(shù)量選為16，動刀間隔選為30mm。
關于動刀的排列形式目前粉碎機上常見的有正反雙螺旋線對稱排列、對稱排列、交錯平衡排列3種方式，其基本設計要求是要在滿足粉碎質(zhì)量的前提下盡可能地減少振動。本刀軸刀座排列沒有采用上述三種方式，而是從理論動平衡為0的設計思路出發(fā)，按動刀在刀軸上的位置建立空間力系，依據(jù)其所產(chǎn)生的合外力（式1）與合外力矩(式2)進行動平衡計算，得到其排列方式如圖2所示，計算結(jié)果值均為0，說明動平衡良好。
2.2.2動刀結(jié)構
目前秸桿粉碎還田機等機具上用的動刀是甩刀和鉸接式聯(lián)接方式，是為了防止刀片在作業(yè)時碰到堅硬的物體而損壞。考慮到本機的工作對象為收集后的甘蔗葉，基本無硬質(zhì)雜物，為減少功率消耗，提高打擊和切割效果，本機采用將動刀片將螺栓固定于刀座上。動刀回轉(zhuǎn)半徑R值決定動刀末端線速度v，值的大小，而v值的大小對揉碎性能、效率等影響很大，v值越大可增大切割慣力，有利于切割和揉搓能力的提高．同時對物料的打擊作用也增強。但y值過大時，對零部件強度的要求也越高，同時對轉(zhuǎn)子動平衡要求也越高．因此為了保證機器一定的平穩(wěn)性和粉碎效果，參照國內(nèi)外幾種主要的秸桿粉碎還田機的I／值37-56mts的范圍，本機動刀設計為矩型直刀，單面開刃，如圖3所示，安裝后動刀回轉(zhuǎn)直徑R為480mm．線速度為50.24m/s(對應轉(zhuǎn)速為2000r/min)．能有效地對物料進行打擊、切割及揉搓。
2.2.3定刀
定刀的主要作用是配合動刀對物料進行切割，同時影響物料在粉碎室中的運動狀態(tài)，使工作間隙在定刀處突然減少，加強物料間的摩擦作用，進一步提高粉碎效果。試驗發(fā)現(xiàn)粉碎室中定刀組數(shù)及定刀排列的位置對粉碎效果影響很大，如表l所示，一組定刀時粉碎效果差，兩組和三組定刀能明顯提高粉碎率，且二者粉碎率無明顯差異，但三組定刀時功耗增加比較明顯，綜合考慮粉碎效果和功耗后確定定刀的結(jié)構型式為U型，共兩組．用螺栓固定安裝于粉碎室的下蓋板上，與動刀的間隙為2-4mm，重疊50-60mm，定刀組間角度相差80°。
2.2.4粉碎室
粉碎室整體向出料口方向偏移20mm，使得粉碎室相對動刀軸成一偏心圓形式，即喂入口離動刀的距離較出料口小，便于動刀對物料的抓取和物料的喂入。其具體結(jié)構是由左右兩支撐擋板、上下蓋板、定刀組及動刀轉(zhuǎn)子總成共同組成，并通過螺栓連接到機架上。
2.3配套功率和傳動機構
用電機功率為5.5kW的機械無級調(diào)速電機驅(qū)動，轉(zhuǎn)速調(diào)至2000r/min，對甘蔗葉粉碎機進行實際工作測定，功率測試結(jié)果為3.5-4.0kW，因此選擇電機功率為4kW。傳動機構選擇B型V帶輪，傳動可靠。
3、試驗結(jié)果
試驗用甘蔗葉來自于湛江華海農(nóng)場，使用圓捆撿拾打捆機收集，其含水率為13.5%。試驗時動刀軸轉(zhuǎn)速為2000r/min，人工方式喂料，試驗指標選擇為粉碎率、耗電量和生產(chǎn)率，結(jié)果如下：
1)粉碎率為90%;
2)耗電量為3.8 kWfh
3)生產(chǎn)率為200kg/h
其中粉碎率是以長度小于6cm的蔗葉占蔗葉總重量的百分比來計算。試驗過程中機器振動小，經(jīng)粉碎后的甘蔗葉平均長度小于6cm，寬度小于lOmm的占90%（即粉碎率），物料大小能滿足沼氣生產(chǎn)發(fā)酵的要求；實際功率消耗為3.5kW．且甘蔗葉斷裂的斷口極不規(guī)則，表面破損，有效地破壞了葉表面蠟質(zhì)層，增加了與沼氣菌接觸的有效面積：結(jié)果表明試驗達到了預期的要求。
如圖4和圖5為利用鍘切機和本設計的粉碎機進行兩種不同粉碎原理時的蔗葉粉碎效果對比。
圖4為鍘切機的粉碎試驗，可以看出甘蔗葉在葉寬方向上沒有被破壞，仍保持其原有寬度，其表面結(jié)構不能被破壞，而圖5是利用設計的粉碎機進行粉碎的效果圖，甘蔗葉在葉寬方向上被破碎成細絲條狀，較好地破壞了其表面結(jié)構。與切段式鍘切機相比具有粉碎物料細的優(yōu)點。
4、問題與討論
1)甘蔗葉為長形物料，如進料時以長度方向平行于動刀軸的方式進料，則更有利于粉碎效果的提升。
2)盡管本機轉(zhuǎn)子設計時已應用動平衡計算公式進行過計算，并使得動平衡量為零，但由于實際的制造誤差，仍有少許振動，為進一步減少振動，最好還是做靜平衡或動平衡。
3)經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，進料口開口寬度與角度及定刀的配置角度對粉碎室內(nèi)氣流的運動有較大的影響，以至于影響到物料的喂入，目前觀察到進料口風速較高，負壓情況不理想．還需對粉碎機的空氣動力學性能參數(shù)做進一步研究。
4)由于甘蔗葉物料具有蓬松且雜亂的特點，如在喂料斗上加裝喂料裝置，將更有利于物料的喂入。
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