移动式高效生物质双向切碎机的设计与研究*

马岩,李虎,孙奇,任长清,杨春梅

(东北林业大学 林业与木工机械工程技术中心,黑龙江哈尔滨150040)

摘要：为了高效利用生物质能源，本研究通过借鉴国外小型移动式双进料切碎机,采用反求工程设计法设计了移动式生物质双向切碎机，并对进料槽、刀辊的设计过程及主要参数进行分析和确定。切碎机自身配有行走机构，同时有鼓式切削、盘式切削两种切削方式的复合刀辊，能够在林间行走，并可根据用户需要选择切削方式，可快速、高效地加工采伐剩余物。

关键词：小型移动式双进料切碎机；采伐剩余物；切碎机

目前世界上生产规模最大的生物质能源材料主要为生物质燃料乙醇，中国以玉米(Zeamayz)为主要原料的燃料乙醇产业自2007年迅猛增长，这虽然在一定程度上缓解了能源紧缺的问题，但同时也带来了粮食方面短缺的隐患。因此，非粮燃料乙醇的生产将是未来乙醇行业发展的新方向。目前，中国非粮生物质原料有两类：一类是现即可用的甜高粱、薯类、木本油料、甘蔗、畜禽粪便及农产品加工生产的废蜜糖、有机废水废渣；另一类是林业剩余物、作物秸秆和能源植物的纤维原料。因此，一些生物质发电企业开始将目光转移到林业剩余物上。但是，由于中国现有设备的限制，林业剩余物的加工和运输问题已成为限制中国生物质发电产业化发展的重要问题。在这种情况下，研发一款大型自装卸移动式林业剩余物削片机已成为解决中国生物质发电产业化发展的关键。

1双向切碎机设计方案的制定

通过对国外小型移动式双进料切碎机进行分析，确定了移动式高效生物质双向切碎机的设计方案，方案为，(1)切碎机有2个进料口，能够实现双向切削，且能适应多种截面形状的原木料，分别为鼓式削片和盘式削片两种，一个进料口对应一种切削方式，用户可根据需要选择切削方式；(2)出料口只有1个；(3)在机架上设置车轮，用来实现此木材切碎机的移动；(4)主要设计参数：鼓式盘式刀辊直径D=300 mm，主轴转速n=2 500 r/min；鼓式盘式飞刀数目Z=2，刀鼓、刀盘的总宽度≤130 mm；鼓式削片进料槽的最大进料直径≤70 mm，进料方式为自由进料；盘式削片进料槽的最大进料直径≤50 mm，进料方式为自由进料。

移动式高效生物质双向切碎机整体结构见图1。

图1　移动式高效生物质双向切碎机整体结构图

2移动式高效生物质双向切碎机重要部件设计

2.1进料槽的结构设计

2.1.1鼓式进料槽的设计

鼓式切削的木料断面形状多为圆形，且大小不一，因此为了更好地适应木料的形状，鼓式进料槽的断面形状设计为方形，根据初定的设计方案要求，鼓式削片的最大进料直径不得超过70 mm，因此鼓式进料槽的边长尺寸选为100 mm，同时为了工作时投送木材方便，鼓式进料槽的形状如图1移动式高效生物质双向切碎机主视图中的3鼓式进料槽所示，进料槽顶端的断面尺寸为322 mm，方形。鼓式进料槽的设计[1～2]见图2。

图2　鼓式木材削片粉碎机切削原理示意图

木材纤维的方向是沿着木材轴线方向的，切削力的方向与木材纤维的方向夹角越小，所需切削力越小，反之则越大。因此当切削力方向垂直于木材轴线方向时，所需切削力最大，容易出现切不动的现象；当切削力方向与木材轴线方向平行时，所需切削力最小，但容易切不到木料。鼓式木材削片切碎机的切削原理如图2所示。正常情况下，木材的上部所受力为压力，木材的下部所受力为拉力；如果把进料槽的倾斜角设计得过大，就会出现切不到木材的现象；如果把进料槽的倾斜角设计得太小，就会出现切不动木材的现象；因此，为了保证鼓式切削的顺利进行，需要保证木材的最上端处于受拉区，且进料槽的倾斜角度较大些。因此设计刀鼓轴线到进料槽底面的垂直距离B=144 mm；木材最上端到进料槽底面的垂直距离Hm=70 mm；飞刀的切削圆半径R=157 mm。则依据式①计算得知木材刚被切削时的遇角=62°；经式②分析得，当+ε<90°时，木材受拉，则ε<28°，因此推断出本台切碎机鼓式进料口的倾斜角可以为65°，此时的鼓式进料槽使得本次设计的切碎机在进行鼓式切削时，避免出现切不动或者切削不到木材的现象。

Fu=Fcos(+ε)②,式中,为遇角，一般遇角=90°-α1，α1为进料槽倾角。

2.1.2盘式进料槽的设计

大多数盘式削片机的进料为自由进料方式，进料槽的断面形状共有6种，如图3所示。这6种进料槽分别适合不同的原料形状，其中应用最为广泛的是方形进料槽。进料槽安装在机架上会有一定的偏角，即倾斜角α1、偏角α2。倾斜角α1是指水平面与进料槽的中心线间的夹角，一般取45°～52°；偏角α2是指刀盘轴线与进料槽中心线在水平面上的投影的夹角，一般取20°～30°；对于那些采取水平进料方式的盘式木材切碎机，一般只是倾斜角α1=0°，而偏角α2不为零，这主要是为了使木材能够在切削力的作用下向着刀盘方向进给，免去再为此进料口另设强制进料机构[3～5]。

本研究设计主要用于切碎采伐、间伐剩余物，园林修剪剩余物等木材，这些木料的断面形状多为圆形，且大小不一，为了更好地适应木料的形状，本研究盘式切削进料槽的断面形状选为方形。根据初定的设计方案，盘式削片进料口的最大进料直径不得超过50 mm，则设定进料槽口边长尺寸为72 mm，同时，为了便于向盘式进料槽内投放木材，将进料槽设计为锥形，顶端的进料槽边长尺寸为222 mm，如图1移动式高效生物质双向切碎机主视图中的3盘式进料槽所示；盘式进料槽的倾斜角取值为α1=50°，偏角α2=0°，此外，在盘式进料槽入口处加设橡胶挡板，以防止木材在切削的过程中向外弹出。

图3　进料槽断面形状

2.2刀辊的结构设计

根据预定设计方案的要求，将切碎机设计成为既可以进行鼓式切削又可以进行盘式切削的机器。按照目前鼓式削片机和盘式削片机刀具布置的位置，鼓式削片机是将飞刀布置在刀鼓轴侧面上；再与相应的底刀组合构成剪切机构，削下木片，而盘式切削是将飞刀布置在刀盘的端面上，然后与底刀配合形成一个剪切机构，切下木片。因此，为了使两种切削方式的木片的排放互不影响[6～8]，此复合型刀辊的结构设计如下。

(1)复合型刀辊的结构在这里，称刀鼓和刀盘组合成的复合体为刀辊。刀鼓与刀盘同穿在一根主轴上，两者通过焊接而组合成为一个有机整体。刀鼓是在轴向布置刀具来配合相应的底刀，从而实现鼓式削片；刀盘不同于刀鼓，刀盘是在端向布置刀具，与对应的底刀配合，从而完成盘式削片。

(2)刀具排布由于复合型刀辊中的刀鼓与刀盘是紧紧靠在一起的，因此，若要保证刀辊在进行削片工作时，木片的输出互相不受到干扰，需要使刀鼓、刀盘上放置的飞刀的数量相同，同时，还要保证刀鼓的排屑槽与刀盘的排屑槽在同一条直线上。

(3)刀辊直径D=300 mm，刀辊总宽度B不得超过130 mm。

(5)鼓式切削汽油机马力由木材切碎机的率经验公式N=CKEQ，通过计算得本双向粉碎机鼓式切削时所需的切削功率N=9.3 kW，约为12.65马力。

(7)盘式切削汽油机马力由木材切碎机的主电机功率经验公式N=CKEQ得N=8.4 kW，约为11.256马力。

根据以上结构要求，将设计的复合型刀辊结构利用Pro-E进行三维建模，建立完成的刀辊结构见图4。

图4　刀辊结构三维图

3主动力参数的确定

根据预定的设计方案，本研究设计的移动式高效生物质双向切碎机需要在室外作业，使用电动机提供动力并不方便，因此，本研究选用汽油机提供动力。

切削力的计算式[10]为，Fx=p·a·b·9.81④,式中，p为单位切削力；a为切削深度(mm)；b为切削宽度(mm)。

主要参数鼓式切削中a=0.75 mm，b=70 mm，V=35.55 m/s，δ=0.802 rad；盘式切削中a=0.75 mm，b=50 mm，V=26.95 m/s，δ=0.698 rad。木材有软木和硬木之分，为了使机器适应性更为广泛，切削力的计算按照材质较硬的木材计算，则鼓式切削在切削木材时，单位切削力为P2=0.521 N，切削力Fx2=268.328 N。盘式切削，在切削木材时，单位切削力为P2=0.409 4 N，切削力Fx1=150.608 N；

切削功率即为切削力与切削速度的乘积，则本移动式高效生物质双向切碎机的切削功率的计算式[10]为,Pc=Fx·V⑤,式中,Fx为切削力(N)；V为切削速度(m/s)。

鼓式切削中，切削功率Pc2=9.452 kW，约为12.86马力；盘式切削中，切削功率Pc1=4.058 kW，约为5.521马力。

另外，鼓式切削所需功率N2=9.3 kW，盘式切削所需功率N1=8.4 kW，因为本台机器设计为鼓式盘式复合式，所以选取汽油机的动力要都能满足所需功率，因此所需功率为9.3 kW。根据千瓦与马力之间的换算关系，计算得知9.3 kW约为12.65马力。

因此，最终选取的动力源为13马力的汽油机；又因为主轴的转速要达到2 500 r/min，根据汽油机转速的型号选取汽油机转速为3 600 r/min。因此本研究选取的汽油机的主要技术参数为：功率为13马力，转速为3 600 r/min。

4结论

本研究设计的移动式高效生物质双向切碎机具有行走机构及有两种切削方式的复合刀辊，在确定了以上设计要求后，结合盘式木材削片切碎机、鼓式木材削片切碎机的切削原理，利用反求工程设计法，对移动式高效生物质双向切碎机的重要零部件进行结构设计，得到了主要的设计参数：刀辊直径均为D=300 mm，飞刀数目均为Z=2，刀鼓、刀盘的总宽度≤130 mm；主轴转速n=2 500 r/min；鼓式削片的进料槽的最大进料直径≤70 mm，进料槽的边长尺寸选为100 mm，进料方式为自由进料；盘式削片的进料槽的最大进料直径≤50 mm，进料槽口边长尺寸为72 mm，进料方式为自由进料。

参考文献：

[1]付敏,王树洋.TRIZ进化理论在粉碎机创新安全设计中的应用[J].中国安全科学学报,2010,20(4):64-68.

[2]付敏,王树洋.TRIZ在林木生物质粉碎机创新设计中的应用[J].机械设计，2009,26(10):61-63.

[3]蔡邦智,杨永发,朱德滨，等.小型枝桠削片机的结构分析[J].林业机械与木工设备,2007,35(2):28-30.

[4]安珍.沙生灌木削片机进料机构的设计[J].林产工业,2004,31(6):36-39.

[5]Velázquez-Mart,E.Fernndez-Gonzlez.Analysis of the process of biomass harvesting with collecting-chippers fed by pick up headers in plantations of olive trees [J].Biosystems Engineering,2009,2(104):184-190.

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Design of Movable Biomass Bidirectional Chopper with High Efficiency

MA Yan,LI Hu,SUN Qi,REN Chang-qing,YANG Chun-mei

(Forestry and Woodworking Machinery Engineering Technology Center of Northeast Forestry University,Harbin Heilongjiang 150040,P.R.China)

Abstract:In order to efficiently utilize logging residues,a mobile biomass bidirectional chopper was designed by referencing small mobile dual feed chopper from foreign countries, and the design process and main parameters of its feed chute and knife roll were determined and analyzed.This machine,which equipped with a walking mechanism and its composite knife roll with two kinds of cutting modes of disc cutting and drum cutting,could walk in the forest,and it could also choose the cutting method according to users’ needs.Because of above-mentioned advantages,this machine is able to efficiently process logging residues.

Key words:small mobile dual-feed chopper; logging residues; cutting machine

中图分类号：TS 64

文献标识码：A

文章编号：1672-8246(2015)06-0001-05

通讯作者简介：杨春梅(1978-)，女，教授，博士，主要从事林业与木工机械设计研究。E-mail：823961935@qq.com

作者简介：第一马岩(1955-)，男，教授，博士，主要从事林业与木工机械设计研究。E-mail：myan@vip.163.com

基金项目：国家能源应用技术研究及工程示范项目(NY2013040102)资助。

收稿日期：*2015-05-19

doi10.16473/j.cnki.xblykx1972.2015.06.001