刘庆刚，刘玻江，许 智,2，于新奇，李洪涛

（1.河北科技大学 机械工程学院，石家庄 050018；2.河北省特种设备监督检验研究院，石家庄 050001）

0 序言

生物质能开发与利用是缓解目前广泛存在的能源危机的一种有效的手段[1～3]，玉米秸秆是我国分布最为广泛的生物质能源[4～6]，因此针对玉米秸秆回收利用技术和装备的研究一直以来都是生物质能利用领域的研究重点。为了提高玉米秸秆回收利用效率，工程技术人员设计了一系列的玉米秸秆打捆机、玉米秸秆压块机以及玉米秸秆的燃烧及能源利用装置[7～9]。其中，玉米秸秆的收集和储运是其开发利用的首要任务，本文主要针对玉米秸秆回收利用装置打捆机的捡拾机构开展研究，其相关成果对于推动生物质能的利用具有一定的意义。

1 捡拾机构总体设计

秸秆打捆机的捡拾机构需要完成秸秆的收集和破碎两项工作。秸秆收集过程中，要求捡拾干净，遗漏率低；秸秆破碎过程中，要求破碎程度适中，破碎程度过低导致秸秆尺寸较大，在打捆机内部输送困难，容易造成卡塞，破碎程度过高则会造成难以打捆，容易发生散捆，影响秸秆的道路运输效率。另外，捡拾机构还要具备合适的强度和操作弹性，避免捡拾过程中发生阻塞或者发生断裂。根据以上要求，设计了一种具有Y形甩刀的柔性捡拾机构，如图1所示。

如图1所示，捡拾机构由导向板、变速机箱、皮带轮、集料箱、甩刀和甩刀轴组成。工作中，拖拉机牵引玉米秸秆打捆机，并通过变速机箱输入动力。经过变速机箱调整转速后，由皮带轮带动甩刀轴运动，甩刀轴带动Y形甩刀高速运动，完成捡拾和破碎工作。Y形甩刀的结构如图2所示。

图1 玉米秸秆打捆机捡拾机构示意图

图2 Y形甩刀结构图

Y形甩刀通过销轴与甩刀轴相连，既可以在甩刀轴的带动下与甩刀轴同步高速选装，当阻力过大时，又可以绕销轴旋转，避免过载时发生断裂。因此，Y形甩刀捡拾机构属于一种柔性捡拾机构，既能满足捡拾的要求，又能起到过载保护作用。

2 甩刀结构设计

由于Y形甩刀是捡拾机构中起主要作用的部件，因此，Y形甩刀的设计是整个捡拾结构设计的关键。Y形甩刀的几何尺寸如图3所示。

图3 Y形甩刀几何尺寸示意图

如图3所示，Y形甩刀的几何尺寸主要包括甩刀柄长度L，甩刀片高度H，甩刀柄厚度T1，甩刀厚度T2、折弯角a以及甩刀的宽度B。

甩刀柄L和刀片高度H与甩刀旋转时甩刀前端的线速度有关，甩刀前端的线速度与破碎和捡拾效果有关，甩刀轴角速度相同时，L和H越大，甩刀前端的线速度越大，破碎效果越强；刀柄厚度T1，甩刀厚度T2以及甩刀宽度B与甩刀的强度有关，需要根据强度分析确定。折弯角a与秸秆属性有关，对于玉米秸秆，a一般取20度[10]。

工作过程中，假设甩刀绕着甩刀轴转动的角速度为w，牵引拖拉机的运行速度为vm。假设拖拉机前进的方向为x方向，甩刀轴轴线方向为z方向，垂直于x和z所确定平面的方向为y方向。甩刀前端运动的位移方程可以由式(1)表示。

式(1)中，S(x)和S(y)表示甩刀前端的位移函数；R表示甩刀的旋转半径，如果忽略甩刀轴的直径，则R=L+H。

对式(1)求导可得到速度方程(2)。

则甩刀前端的线速度绝对值v按照式(3)计算。

根据研究，甩刀前端速度达到35m/s以上才能实现玉米秸秆的捡拾和破碎，达到48m/s时，才能达到最佳捡拾和破碎效果[11]。因此可以根据这一速度，按照式(3)进行Y形甩刀角速度w和半径R的设计。

3 甩刀在刀轴上的布置设计

甩刀在刀轴上的布置设计包括轴向间距和环向角度两个方面。对于玉米秸秆，一般甩刀轴向间距一般取0.02～0.04片/mm，根据打捆机的工作幅度可以计算出沿轴线方向需要布置甩刀的数量。

甩刀沿着轴向的布置需要考虑动平衡和工作稳定性，按照涂建平等[12]提出了“均力免震假设”设计。

甩刀在工作过程中的受力情况如图4所示。

图4 甩刀受力分析

图4中，各参数关系如式(4)和式(5)所示。

式(4)和式(5)中，Fax和Fay分别表示某一甩刀平面上的力F在A平面x轴和y轴方向上的投影；Fbx和Fby表示某

【】【】甩刀力F在B平面x轴和y轴方向上的投影。甩刀轴设计时，为了避免振动和冲击，一般要求式(4)和式(5)均等于0。

根据“均力免震假设”玉米秸秆捡拾机构的甩刀可以按照如图5的形式进行布置。

图5中，沿着圆周方向均匀布置3把甩刀，相邻两组甩刀之间相位相差60°。这样的布置对于多数工作环境，能够保证甩刀轴受力平稳，不发生明显的冲击。

图5 Y型甩刀布置图

4 结论

针对玉米秸秆打捆机设计了一种柔性捡拾机构，捡拾机构主要工作部件为Y形甩刀和甩刀轴。通过对甩刀的运动轨迹进行分析，得到了甩刀几何尺寸、甩刀轴转动角速度和拖拉机牵引速度之间的关系；对甩刀轴进行了受力分析，给出了适用于多数工作环境的甩刀在甩刀轴上的布置方案。论文的工作对于推进秸秆打捆机的设计具有一定的意义。

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