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秸秆粉碎机的设计

本科毕业设计

题 目
秸秆粉碎机的设计
姓 名

学 号

专 业
机械设计制造及其自动化
指导教师

职 称

二〇一五年 六月

分类号 密级

本科毕业论文

秸秆粉碎机的设计

The design of the straw pulverizer

学生姓名：
学生学号：
学生专业： 机械设计制造及其自动化
指导教师：

工学院
二〇一五年 六月

摘要

2014年，我国的农村秸秆产量已达到7.26亿吨，位居世界前列。众所周知，秸秆中蕴藏着巨大的能源，作为农业大国，我们有必要将这些秸秆中的能量进行加工利用。目前普遍采用的技术是秸秆还田，这就对秸秆粉碎机提出了更高要求。
本文通过对现有秸秆粉碎机的优缺点进行阐述总结，针对目前仍存在的问题，在分析研究已有秸秆粉碎机的工作原理及结构特点的基础上，结合实际情况，设计出一种锤片式秸秆粉碎机。
本设计主要由传动机构、粉碎机构和进出料口三部分组成。研究中，对带传动、粉碎室转子、进出料口及机架等所需零部件利用机械设计、机械原理等相关专业知识进行受力分析从而设计计算其各尺寸并进行校核，最后利用Auto-CAD画出各个零部件图及整机装配图。

关键词：锤片粉碎机；传动机构；粉碎机构；Auto-CAD

Abstract

In 2014, the straw yield of countryside in China has reached 7.26 tons, among the highest in the world. As is known to all, straw contains a huge amount of energy, as an agricultural country, it is necessary for us to carry out these straw energy utilization. The current widespread use of the technology of straw is straw returning, the straw pulverizer has put forward higher requirements.
This paper summarizes the advantages and disadvantages of the existing straw crusher, aiming at the current problems, based on the working principle and structure characteristics of researches on the straw pulverizer, combined with the actual situation, design a straw crusher hammer.
This design is mainly composed of a transmission mechanism, a crushing mechanism and a discharging port of three parts. Study on the belt drive, the crushing chamber, rotor, inlet and outlet and the frame components by mechanical design, mechanical principle and other related professional knowledge carries on the stress analysis and design calculation of the size and checking, finally using Auto-CAD to draw the parts diagram and the whole machine assembly.

Keywords：Hammer mill; Transmission mechanism; Crushing mechanism; Auto-CAD

III

目录

摘要......................................................................................................................................I
关键词......................................................................I
ABSTRACT..............................................................................................................................I
KEYWORDS............................................................................................I
1 绪论..................................................................................................................................1
1.1 课题背景..............................................................................................................1
1.2 文献综述..............................................................................................................1
1.2.1 秸秆粉碎机的分类..................................................................................1
1.2.2 锤片式粉碎机的现状分析....................................................2
1.2.3 秸秆粉碎机的应用前景..........................................................................3
2 锤片式秸秆粉碎机的工作原理......................................................................................4
2.1 粉碎机的工作原理分析............................................................4
2.1.1 粉碎机理分析..........................................................................................4
2.1.2 粉碎机工作原理......................................................................................5
2.2 锤片式秸秆粉碎机的研究内容...................................5
3 锤片式秸秆粉碎机的总体结构及设计计算..................................................................6
3.1 秸秆粉碎机的总体结构......................................................................................6
3.2 秸秆粉碎机整机的设计计算..................................................6
3.2.1 电机选型及扭矩计算..............................................................................6
3.2.1.1 电机选型..................................................................................6
3.2.1.2 扭矩计算.............7
3.2.2 带传动的设计计算及选型......................................................................7
3.2.3 粉碎室主轴的设计计算........................................................................10
3.2.4 锤片的设计、选材及排列....................................................................13
3.2.5 锤架板的设计选材................................................................................15
3.2.6 销轴的设计计算....................................................................................16
3.2.7 套筒的设计............................................................................................17

3.2.8 机架、机壳及进、出料口的设计........................................................18
4 主轴的校核、键的校核及轴承寿命验算....................................................................18
4.1 主轴的校核........................................................................................................18
4.2 键的校核............................................................................................................22
4.3 轴承寿命计算.....................................................22
5 锤片式秸秆粉碎机的优缺陷分析及应用前景............................................................23
5.1 锤片式秸秆粉碎机的优缺陷分析....................................................................23
5.2 秸秆粉碎机的应用前景............................................................24
6 总结与收获.....................................................................................................................25
参考文献............................................................................................................................27
致谢..........29

III

1 绪论
1.1 课题背景
中国是一个农业大国，农村地区每年的秸秆量就有6.5亿吨，在2014年，已达7.26亿吨，其所蕴藏的能量相当于300万吨的标准煤（王雅鹏等，2010）。可见，秸秆中含有丰富的能源，近年来，由于现场焚烧或填埋等措施，大多数的秸秆被浪费，导致不能充分利用秸秆中的能源，而在中国，饲料能源对秸秆的利用率还不到10% （薛建华，2003），同时焚烧等措施对环境也造成了极大的损害。因此，秸秆中蕴含的生物质能源仍然值得我们去研究和探索，这就对秸秆的加工利用提出了新的要求。
在磨削加工的早期需要开发和利用相应的生物质原料，只有当生物质颗粒达到一定的尺寸和要求时，才能为生物质的后续研究和利用作充分的准备。所以，想要充分利用秸秆中的能量，首先就要对秸秆进行加工粉碎，使其各方向尺寸减小，易于被生物质分解和利用。从而，秸秆粉碎机的研究和设计也就对生物质能源的开发和利用有着非常重要的意义（Wang X H and Feng Z M,2004）。
目前，我国制造的秸秆粉碎机也是多种多样的，生产技术相对比较成熟，但针对现有的工厂设施和设备，从能源消耗、产量、材料的适应性、粉碎粒度、工作的经济稳定性和模式本身的运行安全及寿命和工作性能等多方面考虑，仍有许多不完善的地方，例如噪音大、振动大、粉碎效果不理想等，不能很好的满足各种生物质的粉碎要求(朱文德,2007)。综上所述，秸秆粉碎机的研究，对促进中国生物质能源的开发利用，促进经济、商业和农业的可持续发展具有十分重要的意义。
本研究主要探讨一种锤片式秸秆粉碎机的工作原理及设计过程。
1.2 文献综述
1.2.1 秸秆粉碎机的分类
中国开发研制的粉碎机已有几十年的历史，但都主要集中在饲料粉碎秸秆切碎和其他方面。粉碎技术根据破碎方式和手段不同分为铡切，锤切，揉切式和组合式破碎技术。在我国，广泛应用于秸秆粉碎机的是锤片式和齿爪式粉碎技术。
锤片式破碎机是利用高速旋转的锤片来击打物料使其破碎的机械。它具有良好的性能，维修方便，生产效率高，而且使用非常广泛。一般来说，大多数的粉碎机
I

型都是采用锤片式粉碎机。其进料方式可以有切向进料和顶部进料两种，就粉碎对象而言，物料的结构特性和物理性能、粉碎室的结构设计、锤片的质量及厚度等因素都会成为影响粉碎机粉碎性能的因素(周晓静和于翠萍,1997)。在中国，经过多年的潜心研究，水平和锤片式粉碎机性能指标基本上能达到国际同类产品的先进水平。秸秆粉碎机生产的产品种类繁多，规格齐全，基本上能满足秸秆在我国的生产发展需要。但锤式粉碎机还存在能耗大，效率低的问题。
揉切式粉碎包括揉搓机和揉碎机。
秸秆揉搓机也是利用高速旋转的锤片和齿板、定刀间的剧烈摩擦来对秸秆进行揉搓，其只能对物料进行破碎或者细碎，无法达到较高要求的粉碎性能，且生产效率低、能耗大，不适用于含有水分和韧性大的物料。
秸秆揉碎机是近几年才研制出来的一种新型粗饲料加工机械，其加工方式介于铡切和粉碎之间。揉碎机加工的秸秆物料为柔软蓬松的细丝状，且同时适用于干性物料和含水分的韧性物料，可在一定程度上满足较高要求的粉碎，但秸秆揉碎机由于在我国出现较晚，目前相对来说技术还不是非常成熟，况且成本较之锤片式粉碎机高，所以，还有待于进一步研究改进，不适合推广应用。
组合式粉碎是把揉搓、铡切和粉碎技术组合在一起的新型粉碎技术，虽然其性能较好，生产率高，但同秸秆揉碎机一样成本高，技术不成熟，还有很大提高完善的空间，因此不适于广泛应用。
1.2.2 锤片式粉碎机的现状分析
国内外对秸秆粉碎机的研究已经有几十年历的史，并制造了各种不同类型的粉碎机，但破粉碎原理都比较相似。国外的研制注重提高大型机的生产效率，主要开发自动化程度高、通用性好的粉碎机，其配套动力大多超过75kw，如丹麦朵农机械厂生产的由拖拉机动力输出轴驱动的朵农 805型秸秆粉碎设备，最高功率可达55kw（宋永健，2008） ；丹麦的President有限公司，生产的动力为73.5--110.25kw的粉碎机，生产率达到4——5t/h（WENZ M and WORN H,2007）；然而，一些西方公司都专注于小型秸秆粉碎设备的开发，如意大利Sike公司研制的小型桶式水稻秸秆粉碎设备，配套功率和机体尺寸都很小，，刀片呈螺旋状排列，振动小，破碎后的粒度均匀(Kanafojski C and Karwowski T,1976)。20世纪80—90年代，为了满足不同的生产需求，中国制造了各种不同类型的粉碎机，粉碎和研磨技术根据不同的粉碎方式和手段，可分为铡切型，锤片式，揉切式和组合式粉碎技术。
随着中国农业的不断发展和资源利用率的提高，对秸秆粉碎机的创新研究就显得尤为重要。因此，需要重视理论研究和秸秆粉碎机实践创新的结合，优化现有的粉碎设备，进一步完善和改进现有的机型，实现主要工作部件模型的标准化，提高秸秆粉碎机的质量，降低能源消耗，提高机组的安全性，发展一体化联合加工设备，提高生产效率，降低劳动强度和加工成本，使经济效益更为显著。同时，根据不同地区的特征和农民的需求，发展功能更全面，更实惠的粉碎设备，从而提高他们的积极性。大力开拓秸秆粉碎机的市场，研发并增加秸秆粉碎机的类型和型号，降低生产成本，进一步促进秸秆粉碎机普遍化(吕小荣等，2000)
1.2.3 秸秆粉碎机的应用前景
秸秆还田机械的研究应在解决秸秆及根茬单项作业的基础上,开发新的复式作业机具,逐步取代单项作业机具；联合收割机秸秆切碎装置，可使农作物收获与秸秆还田有机结合，大大降低运营成本，灵活方便，是一种很有前途的秸秆还田的方式；大型、小型机械相结合，提高在机械还田的适应性，使机械还田不仅适用于平原地区，也适合于丘陵地区；还田机械和农艺设施相配合，将机械还田、科学施肥和施药相组合，简化流程，加快分解，降低秸秆还田和施肥的劳动成本，达到综合防治病虫害的目的（钱春华，2006）。
农艺、生物工程和农业机械相结合使得农业机械化和机械化秸秆还田能够改变秸秆的物理性能，从而促进水稻秸秆的分解。分解剂和微生物会加速秸秆的分解，因此，机械化秸秆还田和生物技术的有机结合，可以有效解决秸秆问题。采用相应的农艺措施进行秸秆还田的同时，开发配套的农业机械（如水稻插秧机、抛秧机）和生物制剂（如快速腐解剂）来简化（如覆盖栽培等）农艺措施的过程，加快秸秆的腐解（于海燕和刘向阳，2003）。此外，农业机械化秸秆还田，支持农业栽培措施的实施（如覆盖、投掷、免耕直播等），用化学剂加速分解，克服了秸秆还田机只能从水稻秸秆的物理性状来破坏其结构，不能从根本上迅速腐解水稻秸秆的弱点。
中国是农业大国，也是全球秸秆资源最丰富的一个国家。秸秆加工机械的发展与畜牧业生产的现代化进程和发展规模息息相关，是畜牧业发展的重要标志。与一些先进国家相比，中国在设计水平、产品质量和技术的使用上还存在一定的差距.针对我国秸秆的特点，推广开发吸收国外先进技术的秸秆加工设备便很有意义。如果我们能充分做好中国秸秆资源的开发利用，草食动物养殖的发展将成为现实，这对于富裕农民无疑将起到极大的推动作用。
2 锤片式秸秆粉碎机的工作原理
2.1 粉碎机的工作原理分析
2.1.1 粉碎碰撞机理分析
固体物料冲击破碎过程实际上是在机械力作用下，固体材料块或颗粒发生变形和破碎。显然，只有破碎力足够大时，在瞬间产生的应力，超过材料的强度极限，材料才可以被打碎。因此，颗粒破碎的能量大小或力的大小，实际上是锤片和粒子之间、器壁与颗粒或颗粒和锤片间相对速度的问题。相对速度大，破碎力大，破碎材料的强度就高，这个理论可以用下面的推导证明。假定物料颗粒相对锤片的速度为v ,物料的重量为G,那么物料的动能E则为（汪莉萍，2010）:
(1)
破碎物料颗粒的动能并不是所有的动能，只有一部分，这部分动能为 ,则:
(2)
式中,X为冲击粉碎后颗粒速度的恢复系数(X< 1)。
假设物料的颗粒是绝对脆弹性颗粒，冲击所需的工可以表示为：
(3)
式中,e为颗粒的强度极限; K 为物料的弹性模量;V为物料的比重; G为颗粒的重量（Zhu Xinhua et al,2001）。
不难看出，使得物料破碎的必要条件为：
将以上（2）、（3）两式带入即可求得锤片物料相对速度v的临界值：
(4)
需要注意的是，(4)式是在假设物料颗粒为绝对脆弹性体的前提下计算的，但仍能定性地表示大多数物料，包括一些非绝对弹性体物料。
锤片与物料之间的碰撞速度也就是物料相对于锤片的速度，显然，这个相对速度越大，可提供的冲量越大，作用在物料上的力也就越大（朱新华，2004）。因此，最有利的碰撞方式是使物料与锤片相向碰撞。由于秸秆本身纤维含量多，韧性大，质量也轻，所以一般较难做到让秸秆与锤片相向碰撞，而主要是依靠锤片与齿板间的撕扯力来粉碎秸秆（徐春塘，1992）。
2.1.2 粉碎机的工作原理
锤片式秸秆粉碎机主要由进出料口、粉碎室及传动机构组成。其主要工作部件为粉碎室，粉碎室的核心部件为转子，转子由主轴和锤架板、锤片、销轴组成。
电机带动带轮转动，由从动轮带动粉碎室的主轴（也就是转子主轴）高速转动，从而锤片也随主轴高速旋转。当物料由进料口喂入，在粉碎室负压下进入粉碎室时，由于转子的高速运转使得物料只能在粉碎室器壁上的齿板、筛片和锤片之间运动。当转子运转起来后，锤片末端距粉碎室器壁的距离仅有10mm左右，这样，就可以使秸秆受到锤片和齿板之间的揉搓撕扯进而被粉碎。达到粉碎要求的秸秆会经粉碎室底部的鱼鳞筛片孔从出料口排出，尺寸粒径较大或未达要求的秸秆会继续留在粉碎室内受锤片与齿板的揉搓被粉碎，直到达到粉碎要求可以从筛孔排出。
2.2 锤片式秸秆粉碎机的研究内容
本研究要求所设计的秸秆粉碎机适用于水稻、小麦、油菜等农作物秸秆切段后的粉碎，并采用料斗式进料，可以自动排料，每小时的秸秆粉碎量不少于500kg。
了解并分析学习现有粉碎机的结构、工作原理和技术特点，设计秸秆粉碎机的各级装置及整体结构，主要包括进料口、粉碎机构、机身动力传动机构，使杆状的秸秆成较短的细丝状并能够被牲畜食用或易于用来进行生物质能的提取。
详细内容：
1.秸秆粉碎机进料斗的设计：结合秸秆特点设计合适的进料斗，并方便进行人工进料。
2.秸秆粉碎机粉碎机构的设计：设计合适的锤片粉碎机构；
3.秸秆粉碎机机身的设计：设计合理的机身机架，保证粉碎机工作时的稳定性和安全可靠性。
4.通过计算确定相应位置的零部件的材料、尺寸、公差等数据和选型以及标准件的选配。
5.对关键的轴类零件进行强度校核。
6.完成机架的设计，并对全部零部件进行总体安装布置。
7.研究所设计秸秆粉碎机的优缺陷及应用情况。
3 锤片式秸秆粉碎机的总体结构及设计计算
3.1 秸秆粉碎机的总体结构
本设计——锤片式秸秆粉碎机的总体机构有电动机（动力输入）、带传动（传动部分）、进料机构、粉碎机构、出料部分及机架六部分。电机作为动力输入，带动主动带轮转动，将扭矩传递至从动带轮，再由从动轮带动粉碎室主轴旋转，由于本设计中所需的主轴转速较高，所以不需在电机后接减速器，但也使得带传动的传动比很小。本设计采用切向进料，转子只能一个方向转动。出料口竖直向下，接法兰盘。机架的支撑采用角钢，型号63×63×5。
粉碎机构是本设计的核心部件，主要由主轴、锤架板、销轴、锤片组成，在粉碎室内，机架内壁装有筛片和齿板，筛片的包角为180º，装在主轴正下方；齿板安装在筛片及进料口间，转子运转时锤片末端与筛片齿板间隙为10mm。
其中，电动机需要进行选型及扭矩计算；带传动需要进行设计选型；粉碎机构主轴需进行设计计算及校核、轴承寿命也需进行验算。
3.2 秸秆粉碎机整机的设计计算
3.2.1 电机选型及扭矩计算
3.2.1.1电机选型
由于本设计是家用小型秸秆粉碎机，根据粉碎机常用电机功率及工作量（每小时进料）要求，所选电机参数如下表1：
表1.电机参数
Tab.1.Parameter of electric machine
型号
model
功率
power（kw）
马力
HP
（hp）
额定电流
rated current（A）
转速
Rpm（r/min）
效率
efficiency（%）
功率因数power factor（cosφ）
Y132S2-2
7.5
10
15
2900
86.2
0.88

3.2.1.2 扭矩计算
电机扭矩计算公式（冯清秀等，2010）：
其中，P：功率（kw） n:转速（r/min） T:扭矩（N·m）
将功率、转速带入上式得：

考虑电机效率86.2%，求得实际扭矩：

3.2.2 带传动的设计计算及选型
锤片式秸秆粉碎机的带传动选择普通V带传动。
（1）计算功率
参考《机械设计》表3.7查得工作情况系数
按每天工作8小时计算，则

（2）选取普通V带型号
根据，，由《机械设计》图3.14确定选用A（
（3）计算从动轴转速n2
经查阅得：粉碎室中锤片末端线速度v80m/s,在此取，锤片长120mm,锤架板直径D=400mm
粉碎室主轴中心到锤片末端距离

代入式中求得
所以，经计算取从动轴转速即转子转速
（4）确定小带轮和大带轮的基准直径
根据《机械设计》表3.8初取，由式3.20得

大带轮转速
误差 ，故允许
因此，大小带轮的基准直径分别为：

（5） 计算带速v
由式（3.19） 计算得
由于 5<18.98<25,故带速合适
（6） 计算带长和中心距
初步确定中心距：
由式 计算得

可初步选取
带长：
由式 计算得

据表3.3选取基准带长
计算实际中心距：
由式 计算得
综上所述：基准带长 实际中心距
（7） 验算包角
由式 计算得
>120º
故验算合格。
（8） 确定V带根数
由式 计算
传动比
由表3.4查得 ，由表3.5查得
由表3.6查得
由表3.3查得
可求得
取z=4根。
（9） 求初压力及压轴力
初压力F0：
由式（3.28）
查表3.2知，q=0.1kg/m
可计算出：
压轴力FQ：
由式（3.29）
可计算出：
综上，带传动设计如下表2（程友联和杨文堤，2011）：
表2.带传动设计参数
Tab. 2.Belt drive design parameter
型号
model
根数
radical
dd1
(mm)
dd2
(mm)
n1
(r/min)
n2
(r/min)
Ld
(mm)

(mm)
A
4
125
150
2800
2500
1400
483.83

（10）带轮结构的设计
带轮结构如图1：

图1.大带轮结构尺寸
Fig.1.Large belt wheel structure size
本设计中，大小带轮结构相同，尺寸不同，上图中所标注尺寸为大带轮尺寸
（11） 带传动的效率
普通V带传动的效率在0.90~0.95之间，本设计中取0.94。
3.2.3 粉碎室主轴的设计计算
选材：
考虑到粉碎室主轴所受载荷不大，故选用45钢，经调质处理
主轴的设计计算：
（1） 设计过程中的注意事项：
按弯扭合成强度来进行设计校核；
计算弯矩时，将带轮作用视为一个集中力，大小根据带的质量来计算；
转子引起的弯矩由转子不平衡量来计算，当时，转子的不平衡量5g，可查得：粉碎机平衡品质等级为G16（焦安勇，2009），
e：转子的许用不平衡度（μm） ω：转子的角速度（rad/s）

取转子的不平衡量M=5g，则转子由于M所产生的离心力可根据式计算
其中， r：转子半径 ω：转子的角速度
代入式中，可求得：；
离心力是法向的，其方向是变化的，但当离心力在铅锤方向时，对主轴影响最大，故按铅垂方向计算。
（2）初步确定轴的最小直径
按式来估算，
其中， A：系数，可查表7.2取
P2 ：主轴功率/kw，P2=Pη（η为带传动效率）P2=7.5×0.94kw=7.05kw
n2：主轴转速（r/min） n2=2500r/min
代入式中，求得：

据实际情况取dmin=30mm

（3） 轴的结构及装配情况确定

（4）轴各段直径及长度的确定
L1-2、d1-2的确定：
根据皮带轮的结构设计来确定，可取L1-2=76mm d1-2=30mm
L2-8、d2-8的确定：
2-8段轴主要用来装轴承挡圈，可取L2-8=34mm d2-8=34mm
L8-3、d8-3的确定：
8-3段轴主要根据轴承及轴承端盖来确定尺寸
选用深沟球轴承6307 ，其各数字代表意义：

可取：L8-3=22mm d8-3=35mm
L3-4、d3-4的确定：
3-4段为轴环，其宽度应≥1.4倍的轴肩高，取L