屆畢業(yè)設計
小型可移動式樹枝粉碎機設計
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前 言
果園林的樹枝修剪和廢株清理不但對環(huán)境的護衛(wèi)有很大的影響，而且是生產(chǎn)質量和提高生產(chǎn)過程中不可缺少的一步。南疆果園林每一年都會有很多修剪后的廢棄的樹枝而且這些樹枝不容易捆裝，運輸出來不太容易，修剪后的殘枝大量的堆積既影響生活環(huán)境，又容易引起果樹的病蟲害的流傳和誘發(fā)失火等災患。針對大量修剪后的樹枝解決問題的有效措施是對修剪廢棄的樹枝及時進行現(xiàn)場粉碎處理。
因此，本課題設計了一款小型可移動式樹枝粉碎機來粉碎南疆的果園、園林的廢棄樹枝椏，把其粉碎為長度小于30毫米、粒度要小于5毫米的木屑。其工作方式是在單通道喂料輥喂料、轉子總成、齒板以及篩網(wǎng)等的共同工作下完成的非重復式樹枝粉碎。轉子總成包括了錘夾板、主軸、錘片、定位套筒、扇葉、銷軸等零件。本課題設計的小型移動式樹枝粉碎機的動力來源于拖拉機。
關鍵詞：小型；錘片；樹枝；粉碎機
目 錄
1緒論 1
1.1選題的目的及意義 1
1.2選題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.3 研究的內(nèi)容 3
1.4 技術路線 4
2小型可移動式樹枝粉碎機的總體設計 5
2.1 總體設計的目標原則 5
2.2粉碎機總體方案的確定 5
2.3 工作原理的確定 5
2.4 粉碎機構的確定 6
2.5 進、出料方式的確定 6
2.6 動力及傳動方案的確定 7
2.7移動裝置的選擇 7
2.8 粉碎機總體方案如圖所示 8
3關鍵零部件的設計 9
3.1 轉子總成 9
3.2 喂料裝置的設計 13
3.3 粉碎室的設計 14
3.4 機架和移動裝置的選擇 16
4傳動裝置的設計 17
4.1 帶輪的設計 17
4.2 主軸的設計計算 18
總 結 21
致 謝 22
參考文獻 23
工程概況
由于南疆的果園林每一年都會產(chǎn)生大量的廢棄枝椏及修剪后的樹枝不能達到效果的處理和使用，所以就可以在果園林地里粉碎后馬上就輸送出去以方便對粉碎后的物料使用，而果園的實際狀況等因素制約了現(xiàn)在有的某些機械設備進來粉碎。通過對現(xiàn)有樹枝粉碎機進行分析和比較，確定了針對南疆果園殘枝樹枝粉碎機的總體設計方案，設計了一種小型可移動式樹枝粉碎機?？傮w方案為：樹枝從喂料口進入經(jīng)過喂料輥秩序的進入粉碎室經(jīng)錘片錘碎，在粉碎室錘片和齒板相互摩擦再次達到粉碎的目的，使物料在粉碎室內(nèi)在氣流和扇葉的作用下被扇出送至接料斗。
對現(xiàn)有的樹枝粉碎機進行分析，結合本課題研究的樹枝粉碎機將樹枝粉碎成長度為30mm，粒度達5mm以下的木屑，其用途也非常廣泛。
結合總體方案的設計確定，對轉子總成、喂料裝置、粉碎裝置、傳動裝置等關鍵零部件相關參數(shù)及尺寸的確定和計算，并進行了組裝配合，完成了單通道厚錘片的非重復式粉碎機的設計方案。
利用solidworks軟件對粉碎機關鍵部件進行三維建模及配合。
1緒論
1.1選題的目的及意義
1.1.1選題的目的
我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的水果產(chǎn)業(yè)中占有重要地位，水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅要滿足市場需求，而且成為一個重要的手段，農(nóng)民致富，但果園殘枝利用問題一直困擾著農(nóng)民。我國不少的果園林樹木每一年都要修剪樹枝條，大部分果園林都會經(jīng)過稼接等技術措施對種類革新，因此會有很多的殘廢樹枝。除了修剪后的殘枝給農(nóng)民用作做飯的燃料，很多的修剪后的樹枝不能被及時的除掉，大部分的樹枝都不可避免地堆放在路邊，地面等。隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，果園和園林的樹枝修剪和廢株清理不僅對環(huán)境的保護有重大影響，也是保質增產(chǎn)不可缺少的園藝工序。南疆的果園林每一年都要產(chǎn)生大量的廢棄的樹枝和經(jīng)過修剪的樹枝。在果園的樹枝枝椏不易封裝和捆綁，運輸也較困難，大量殘枝的堆積既影響生活環(huán)境，也容易造成果樹病蟲害傳播以及引發(fā)火災等安全事故。
解決好果業(yè)發(fā)展中的殘枝和資源化利用的問題，對果園農(nóng)民的果樹的健康成長以及可以給果農(nóng)帶來額外的收入來源等都有很重要的影響，而且解決好這些問題還可以幫助一些環(huán)境污染的問題。以前殘枝處理的方法是對其進行填埋、焚燒，這樣既容易造成環(huán)境的污染，還不能充分的利用好資源。現(xiàn)在樹枝的處理方法是對修剪的廢棄樹枝進行現(xiàn)場粉碎處理等。廢棄的樹枝經(jīng)過粉碎木屑被廣泛使用，可作為綠色有機肥料，壓縮成型燃料，沼氣發(fā)酵，堆肥原料，生物質原料炭化，也可用于培養(yǎng)食用菌培養(yǎng)基材料。被切碎后的物料，經(jīng)過了發(fā)酵的處理方法還能制成有機肥，可用在果園林或農(nóng)業(yè)施肥等中，將樹枝變得更有價值。
1.1.2 本課題選題的意義
研究了一種適用于南疆的移動的小型粉碎機，可將果樹上修剪的患病的樹枝和植物的清潔和廢棄的樹枝進行粉碎，樹枝粉碎的木屑可以很方便的套袋。裝袋又可以很方便的用現(xiàn)有的果園的運輸機運輸出去，解決了廢棄的樹枝等在果園林的大量堆積和搬運的困難等問題，也減輕了大量人力勞動，還減少了果園林產(chǎn)生嚴重病蟲害的可能性等問題。樹枝進行粉碎后的木屑可以根據(jù)情況使用，可以粉碎后裝袋后運輸出來，經(jīng)過加工等工序制成栽培基質作為各種食用菌的原材料等，用來培養(yǎng)食用菌[1]。也可用于生物質能源的原料，如碎木屑成塊等，作為燃料使用，而且還可以作為用于沼氣發(fā)酵原料，用于生產(chǎn)沼氣等。本課題主要嘗試利用將粉碎后的木屑用作生物質顆粒燃料的原材料。開發(fā)這種適用于南疆果園的樹枝粉碎機是為了很好的促進南疆果園林產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，提高了果園林的機械化生產(chǎn)，降低了生產(chǎn)的成本。這種樹枝粉碎機的研制，可以有效的減少人力的勞動，提高勞動效率。樹枝粉碎機的購買和使用成本低，操作簡單方便，性能可靠，安全，降低農(nóng)民的勞動強度，生產(chǎn)成本也可以降低到農(nóng)民收入又開發(fā)了新途徑，環(huán)境保護效益和經(jīng)濟效益等是很可觀的。
1.2選題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1我國樹枝粉碎機的研究現(xiàn)狀
當前，國內(nèi)的研究者對玉米棒、稻殼、秸稈、麥殼等農(nóng)作物的粉碎進行了很多的深入的研究，而且也研制出了各種相對應粉碎機械設備。但是，針對果園林木業(yè)的釆伐加工的剩余物，原木材和林木生產(chǎn)的過程中除去了分叉等產(chǎn)生的枝杈、腐爛或不能用的原木段木材等，果園林樹木的樹枝修剪粉碎的技能及機械配置的專研還是相對于有點少的[2]。相關設備也不常見。
當前我國最常見和最適用的牽引式樹枝的粉碎機，大都是用來粉碎花園或者街道修剪后的樹枝等。因為修剪作業(yè)的工作的地點比較分散，就需要粉碎機粉碎和修剪等一起作業(yè)，所以就需要相關的拖車設備牽引。這類粉碎機最大可粉碎直徑為200mm以上的樹枝，其動力功率一般大都在30kw以上。該類型的樹枝粉碎機運行起來是穩(wěn)定可靠的，還能粉碎較大直徑的樹枝，但機器噪音和能源消耗都比較高[3]。
北京農(nóng)業(yè)推廣站研發(fā)的SFJ-8.0型的樹枝粉碎機作業(yè)時，樹枝的直徑直徑大于20mm可經(jīng)過刀盤切碎后再進入粉碎室中進行粉碎，樹枝在錘片的作用下被粉碎成為木屑，當木屑的粒徑能通過篩孔時則被拋出。枝條直徑小于20m毫米時，在入口處切成約50毫米，然后進入粉碎室被粉碎。這種機器適用于中小樹枝枝條的粉碎，但是效率不太高，工序較為復雜，成本也比較高[4]。
QS型系列樹枝粉碎機可粉碎樹枝直徑在10-140毫米之間的樹枝。這種類型的機器的轉子和切刀都是在主軸上的，但是這種機器不適合對韌性大的樹枝粉碎。
唐碩專研了一種由拖拉機來牽引和供應動力的粉碎機，這種粉碎機可以移動起來工作，但是這種粉碎機有點大，工作時對地形要求有一定的平整度，不適合南疆果園林間的工作，而且該機粉碎后的木屑粒度在5毫米以上[6]。
付敏，諶春諱等研發(fā)的是先切再粉碎并要求有高細粒度的樹枝粉碎機，這主要是集中在發(fā)展的粉碎材料高細粒度的實施和設計新的類型的錘子。粉碎后的粒度較小，可直接適用于生物質的發(fā)電等。但是機器太復雜，往往使材料粉碎高細顆粒，導致低能耗和其他問題 [7]。
趙俊等研發(fā)的樹枝粉碎機設備可以根據(jù)切碎滾筒的負荷大小，自動的調整喂入量的多少，樹枝切碎直徑最大可達300毫米。該設備包括設備系統(tǒng)，電控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，機型較大，還需要專門牽引機械[8]。
1.2.1.1 我國粉碎機相關機構的研究現(xiàn)狀
1、喂入裝置的研究現(xiàn)狀
送料裝置的功能是將樹枝條往擠壓裝置中推送，并在擠壓過程中支撐，以適應不同直徑的枝條。
我國的送料裝置有：（1）朱思洪研究的“浮動式”，主要是給料輥組件，包括進料輥、軸承、液壓馬達等，這種方式可以適應喂入滾輪組件的上下浮動以適應不同直徑的樹枝的粉碎:（2）張漢月研究的液壓驅動喂料機構，是由液壓馬達直接驅動撥料輪。（3）直接喂入方式，即喂料輥轉動使樹枝均勻喂入操作簡單、安全，且進料速率快等。
2、粉碎裝置的研究現(xiàn)狀
我國當前即有三種粉碎裝置盤式切碎加錘片錘碎和鼓式切碎加錘片錘碎，或直接由粉碎錘粉碎3種結構形式。其中，盤式切碎加錘片錘碎應用比較廣泛。
1.2.2 國外樹枝粉碎機的研究現(xiàn)狀
目前，有關設備在國外的相關研究和應用有：
KF-150A型粉碎機是由日本公司生產(chǎn)的，可以對修剪的樹枝進行粉碎后再利用。其采用的是二級處理方式即利用氣壓油壓的輥式喂料裝置和滾筒切刀的高速破碎，可將樹枝粉碎為2毫米的木屑。粉碎后的木屑可用作田間植被覆蓋物、生物質堆肥、制作食用菌培養(yǎng)基等；日本研制的SR3000-1樹枝切碎機采取切削刀片和破碎刀片組合，該機有效切削樹枝直徑最大可達170毫米。
瑞典布魯克斯公司推出的805CTECo型可移動式樹枝粉碎機的功率可達到331KW，同樣是使用的鼓式切碎機構，可切碎木材的最大直徑為500毫米。
以上所述，國內(nèi)相關科研院所、科研院所等相關科研機構開展了相關研究，并制定了相關的設備，但是，存在的問題，如有限的工作場所，有限的應用范圍，低能耗等問題。而國外的設備價格太貴，系統(tǒng)也復雜，引進使用的成本比較高，同時也存在一定的使用局限性。所以，設計一個在用于果園林的可移動小型樹枝粉碎機將擁有很大的市場前景和社會需求。
1.3 研究的內(nèi)容
依據(jù)現(xiàn)在國內(nèi)外的各種樹枝粉碎機的結構和原理，結合南疆果園林工作地勢的空間狹小和樹枝粗細等特點，設計一個移動方便，操作簡單，破碎效率高，節(jié)能和穩(wěn)定的小錘，可動枝條粉碎機，粉碎的最大直徑為30 mm的樹枝，磨粒徑小于5mm的粉碎目標。設計的內(nèi)容主要有：
（1）根據(jù)南疆果園林樹枝粉碎機的粉碎要求等確定該粉碎機的設計參數(shù)并研究確定整機的設計方案
確定粉碎機設計的總體方案和設計目標及設計原則和相關的工作過程是依據(jù)可粉碎樹枝最大直徑為30mm且粉碎粒度小于5毫米的粉碎目標來確定的。相關零部件組成的設計思想和方案的選擇及相關部件的裝配。
（2）該機主要部件的計算與設計
根據(jù)總體方案的設計，對各關鍵零部件進行設計和計算，如對喂料裝置、轉子總成以及粉碎室等的相關零部件的具體設計和研究計算，并且對有關的設計數(shù)據(jù)進行分析，進一步對整機的整體設計進行完善。
（3）對關鍵粉碎部件進行三維建模
本課題主要是結合了國內(nèi)外樹枝粉碎機的原理和特點，研究了一種錘片式小型樹枝粉碎機，分析并設計了轉子總成，喂料裝置，傳動裝置等關鍵零部件。本機工作時，操作工人將樹枝喂入到進料斗中經(jīng)喂料輥裝置將樹枝連續(xù)均勻地送到粉碎室中進行粉碎處理；物料經(jīng)過錘片的打擊剪切作用后進入粉碎室，經(jīng)過錘片和破碎襯板使物料進一步被粉碎，錘片的末端與破碎襯板頂端間隙不超過5毫米，這樣確保了粉碎后的木屑粒徑符合要求；樹枝經(jīng)過一次打斷和一次粉碎后在扇葉的氣流作用下通過篩網(wǎng)經(jīng)出料口排出。
1.4 技術路線
本課題研究的技術路線如圖所示。
查閱相關資料文獻
選定粉碎機類型
總體方案設計
關鍵部件的設計
傳動裝置
轉子總成
粉碎室
喂料裝置
整體裝配設計
圖 1-1 技術路線圖
2小型可移動式樹枝粉碎機的總體設計
2.1 總體設計的目標原則
本課題研究設計的可移動式小型樹枝粉碎機主要是用于南疆的果園林修剪后的樹枝的粉碎。本機在果園林工作時可以移動著將修剪下來的樹枝進行粉碎，而且粉碎的結果可達到要求。
果園林修剪的樹枝通過針對直徑最大為30毫米的樹枝并且實現(xiàn)只有單通道進料，只進行一次粉碎的粉碎目標，這樣可以使生產(chǎn)率提高，達到能耗降低的目的。該粉碎機的具體設計目標原則如下：
（1）可粉碎最大直徑為30毫米的樹枝
（2）粉碎粒度可達5mm以下
本課題研究設計的機器是將樹枝粉碎后的物料用于成型燃料壓縮、生物質碳化和沼氣發(fā)酵等，其要求的粒徑不是很細小，所以將粉碎木屑粒徑大小定在5毫米以下，長度小于30毫米即可滿足設計要求。
（3）該粉碎機有較好的適應性
（4）適用于大型果林、園林
（5）操作簡單，安全可靠
（6）生產(chǎn)效率高，使用成本低。
2.2粉碎機總體方案的確定
為了解決南疆在果園對修剪的殘枝樹枝粉碎的問題，在查閱大量文獻和相關設計經(jīng)驗的基礎上，針對以上問題設計了一個在果園和園林使用的小型可移動式粉碎機，粉碎機的能量來源于小型拖拉機，查閱資料采用輸出軸轉速為540r/min的拖拉機，為整體方案的設計供應參考和依據(jù)。
2.2.1 主要參數(shù)的選擇
粉碎機的主要參數(shù)的確定是依據(jù)生產(chǎn)率的要求和原料的情況。參考現(xiàn)有粉碎機的粉碎轉速大都在1400-2000r/min左右，選取粉碎機主軸轉速為1600r/min，生產(chǎn)能力可達到700kg/h。
2.3 工作原理的確定
我國當前即有三種粉碎裝置盤式切碎加錘片錘碎和鼓式切碎加錘片錘碎，或直接由粉碎錘粉碎3種結構形式。本課題研究的樹枝粉碎機主要由傳動系統(tǒng)、進料裝置、粉碎裝置、出料裝置以及帶行走輪的機架等零部件組成，其工作原理是拖拉機作為動力，拖拉機的輸出軸和變速箱的主軸用萬向聯(lián)軸器相連接，變速箱的另一端輸出軸和轉子一端的輸入軸通過帶輪相連接，轉子總成的另一端輸出軸與喂料輥也用帶輪相連。樹枝從喂料口進入經(jīng)過喂料輥秩序的進入粉碎室經(jīng)錘片錘碎，在粉碎室錘片和齒板相互摩擦再次達到粉碎的目的，使物料在粉碎室內(nèi)在氣流和扇葉的作用下被扇出送至接料斗。
2.4 粉碎機構的確定
樹枝粉碎設備的粉碎機構主要包括錘片式粉碎機中的錘片、破碎襯板，篩網(wǎng)以及輥式粉碎機的壓輥等。這些有關的零部件是對物料直接作用的，當對物料施加的作用力大于其內(nèi)部凝聚力時，可以使物料的內(nèi)部結構被破壞從而進行粉碎。粉碎機粉碎部件施加的作用力粉碎的方式主要有壓碎、磨碎、鋸切碎和擊碎等[9]。
（1）壓碎
利用兩輥軸采用相同的轉速相對運動來對物料擠壓和摩擦從而達到破碎的目的的這種粉碎方式即為壓碎。這種粉碎方式的不足之處是不能對物料進行充分粉碎。
（2）磨碎
使用兩個盤式的帶有齒槽的部件，通過相對移動對物料產(chǎn)生切削和摩擦力的作用使其被破壞的粉碎方式稱為磨碎。這種方法大多適用于含水率較低的非油性材料，可具體視現(xiàn)實需要來加工成粒度不同的產(chǎn)品，多用于制粉。
（3）鋸切碎
采用雙齒面與齒形零件以不同轉速相對旋轉或相對運動的材料產(chǎn)生鋸切作用，在剪切力作用下使材料被破壞的方式稱為鋸切。對于谷物飼料的粉碎該方式使用較多。
（4）擊碎
當高速運行的相關工作部件沖擊材料時，材料被一瞬間沖擊力大，這是用于對脆性材料的破碎，而且破碎的范圍是非常大的。但是這種方式的不足之處是要求工作部件的速度快，會帶來一定振動和噪音。
根據(jù)本課題設計粉碎機的目標原則，本課題研究的粉碎機不宜釆用過大機型的設計且粉碎后粒度要求適中。所以，綜合考慮錘片式粉碎方式可以很好的到達設計目標的標準，而且錘片式粉碎機還具有結構簡單、制作方便、適用性較廣、生產(chǎn)效率高；容易控制物料的粒度、沒有空轉等特點。
本課題鉆研設計的粉碎機的工作原理和動刀與定刀的工作原理類似，本機設計的是有關粉碎零部件對樹枝直接進行粉碎處理，樹枝的粉碎需粉碎部件的剪切后在進行粉碎，而錘片的工作原理正好具有剪切和粉碎的作用。所以，經(jīng)過多方面的考慮后最后選擇并確定了錘片式粉碎結構作為本課題研究的粉碎機粉碎構件的設計方案。
2.5 進、出料方式的確定
2.5.1 進料方式的確定
進料口位置主要有軸向進給、切向進給、徑向進給等[10]。然而本課題設計的粉碎機主要采用的的是錘片對樹枝的打擊剪切作用從而達到粉碎德牧的的，所以本課題進料口的方式采取的進料方式為切向進料的方式。
由于該課題研究設計的粉碎機的粉碎對象是樹枝，所以，為了減小機型體積，簡化結構，節(jié)能，本課題研究設計的粉碎機將不會使用傳統(tǒng)的切割盤將枝條切割成木屑后再喂入粉碎室粉碎的方式，而采取的是將樹枝直接送入研磨室，并在錘片的作用下將樹枝直接壓碎。所以，本課題研究選擇的進料方式為進料斗加喂料輥喂料的送料方式，這種方式進料操作安全可靠，而且進料的速度快。
2.5.2 出料方式的確定
粉碎機使用較多的出料裝置有三種主要方式即自重出料、氣力輸送出料及機械輸送出料[11]。
氣力輸送方式是因為其氣流的特點對物料水分的揮發(fā)有幫助，而且可對粉碎設備和物料進行冷卻，并且氣流的作用還能使篩網(wǎng)的出料能力提高，使生產(chǎn)率的提高。但成本較高，能耗較大。
由于其成本低、結構簡單，在中、小型機器上大多使用了自重出料的方式。但其不足之處有除塵、輸送不便、消風等。
機械輸送方式大多采用螺旋輸送機配合加負壓吸風和料斗出料裝置。但是其機型設備過大，價格昂貴，功耗較高，多適用于大型多功能粉碎機中。
綜合上述的特點分析，本課題研究的粉碎機是小機型，并且粉碎后的木屑粒度不是太大，設計時釆用的是非重復式一次性粉碎的粉碎方式。所以，本粉碎機的出料方式釆用的是轉子總成上的扇葉扇料的方式即粉碎后的木屑在粉碎室的扇葉氣流作用下，經(jīng)過篩網(wǎng)扇至出料口出料。
2.6 動力及傳動方案的確定
由于該課題設計的是能夠移動的樹枝粉碎機，而且多用于南疆果園林間的修剪后的樹枝的粉碎，所以為了能夠在果園林等缺乏電力資源的情況下并且需要在不同的地方移動著工作，本粉碎機的動力采用拖拉機。粉碎機主軸所需轉速在1400r/min到2000r/min之間的轉速較為常見，所以采用變速箱和拖拉機相連接，改變輸出轉速，達到所需粉碎的轉速。因此，考慮到V帶傳動具有傳動平穩(wěn)、結構緊湊、緩沖吸振、價格低廉等特點，本機設計的驅動裝置采用的都是V帶輪。
2.7移動裝置的選擇
本課題研究的粉碎機的移動裝置是通過小型帶后板的拖拉機來拖動的，不需要進行太復雜的移動裝置，只需在機架上安裝移動行走輪和連接拖拉機牽引裝置即可。機架上安裝了可折疊式的支撐架，當需要卸載機械時可把支撐架放下支撐機架，防止機械到處移動。
2.8 粉碎機總體方案如圖所示
(a)
(b)
1.進料口 2. 喂料輥 3. 上箱體 4.錘片 5.扇葉 6. 錘架板7.篩網(wǎng) 8.出料口 9.接料斗
10. 行走輪 11.齒板 12.下箱體
圖 2-1 粉碎機總體結構圖
3關鍵零部件的設計
3.1 轉子總成
轉子組件是設計粉碎機的重點，它是粉碎樹枝最主要的部件，并且是直接和樹枝相作用的。轉子組件的有關零件的設計直接確定了粉碎機的功能。當機器作業(yè)時，高速旋轉的轉子組件對樹枝粉碎，有關零件和部件設計的優(yōu)點和缺點，確定了樹枝被破碎的質量，整個機器的平衡以及產(chǎn)生的振動和噪音，機器的耗能和生產(chǎn)率等。如圖3-1所示為樹枝粉碎機轉子總成的總體設計圖。
圖 3-1 轉子總成
該課題設計鉆研的機器的轉子組件的重要零件包括錘片、主軸、銷軸、扇葉、錘架板、定位套筒、等，其結構示意圖如圖3-1所示。錘架板的結構采用的是支撐板銷孔的設計，主軸用軸套套入與架板與之間緊固連接；錘片與間隔套筒分別在4根銷軸上間隔排列，套筒與銷軸采用徑向通孔螺栓緊固連接。每根銷軸上布置3塊錘片，共12塊。主軸軸套上帶有扇葉，可在轉子運轉時及時把物料輸送出去。
3.1.1 錘片的設計
粉碎機用來打擊剪切樹枝的重要零件是錘片，也是主要的易損件。錘片的形狀、尺寸、數(shù)目和排列方法對粉碎機的度電產(chǎn)量，成品粗細度均有一定的影響。
1)錘片的形狀、材料、尺寸和數(shù)目
（a）普通矩形錘片 （b）（c）（d）工作棱角堆焊耐磨合金材料矩形錘片 （e）（f）（g）端口形狀特殊設計矩形錘片 （h）鋸齒圓形錘片 （i）（j）組合錘片 （k）錘頭刀具 （l）雙棱形錘片
圖 3-2 不同錘片形狀
在本課題中，機器的粉碎過程主要是依賴于錘片的擊打和沖撞作用來對樹枝的粉碎作用，完成樹枝的粉碎的目的。因此在選擇錘片時應考慮到不同形狀錘片的優(yōu)缺點，要考慮到其粉碎效果要求，錘片使用壽命及設計成本等問題，本課題設計的錘片將選用雙銷孔式普通矩形錘片，如圖3-2所示。其具有結構形狀簡單、容易制造、適用性好以及節(jié)約材料等特點，通過換銷孔和換邊的裝配，可以輪換著使用四個角來工作。
本課題錘片的設計結合現(xiàn)有錘片厚度的優(yōu)缺點以及設計的樹枝粉碎機要求粉碎后的木屑粒度不算很小，而且設計的思路為非重復式一次性粉碎的方式，完成粉碎主要是依賴于錘片的錘打和打擊剪切枝條來實現(xiàn)粉碎的具體情況和考慮需要延長錘片使用壽命等的要求以及轉子布列要求等，從較寬較厚的方向對進行錘片設計。參考現(xiàn)有常規(guī)的矩形錘片的尺寸及本課題設計的粉碎機粉碎室的相關尺寸，為實現(xiàn)對樹枝有效剪切粉碎達到所需要的粒度要求，錘片末端到齒板的距離為5毫米。所以本課題設計的錘片長度為160毫米，厚度設計為12毫米，寬度為50mm的錘片。
(a)
(b)
圖 3-3 錘片
粉碎機的生產(chǎn)能力和功能損耗是受錘片的數(shù)量的影響。錘片太多，工作時產(chǎn)生的環(huán)形氣流大，使粉碎的物料大部分都集中在環(huán)流上，這樣不僅使物料減少了被打擊機會，空載功率也會增大，導致粉碎能力下降，生產(chǎn)率降低。國產(chǎn)系列粉碎機選用的錘片數(shù)目為片。根據(jù)試驗，片生產(chǎn)率高，鋼材消耗不多，而且錘片磨損后易于平衡。
錘片數(shù)目，式中：為錘片厚度，為錘片配制系數(shù)，，想得到較大粒度需取小值。
最后結果圓整Z=12，錘片所采用材料為45Mn鋼，兩頭采用熱處理，硬度為。
2) 錘片的排列
錘片的布列形式，對轉子的均衡、物料在粉碎室內(nèi)的散布以及錘片的使用壽命等有關系，錘片的排列應滿足以下要求：
(1)錘片應沿整個工作寬度均勻排列;
(2)錘片在工作中不應該將飼料推向粉碎室的一端或中間；
(3)錘片的排列不應破壞轉子的平衡。
錘片的基本排列方式有對稱排列、螺旋線排列、交錯排列三種。
（一）對稱排列形式：這種排列方式平衡性能好，飼料在粉碎室內(nèi)分布較均勻。缺點是兩個錘片走在一條直線，重復打擊次數(shù)增多。如果要升高機器工作效能，就需要加多錘片數(shù)量，但是這樣究增多了容易被磨損零件的數(shù)目和原材料的損耗。9F-60型及浙農(nóng)-400型粉碎機即采用這種排列形式。
（二）螺旋排列形式：它分為單螺旋和雙螺旋結構排列，簡單形式的排列，但工作會引起材料的螺旋運動，使該方向上的錘片加劇磨損從而引起轉子沿軸向載荷不均勻的問題。而且主軸在高速旋轉時容易對設備造成振動從而損壞設備，所以這種排列方式較少使用。
（三）交錯排列：在銷軸相對位置的離心力可以平衡彼此，有一個統(tǒng)一的和非重復的錘片的運動蹤跡跟蹤，有良好的平衡性能，機器工作時振動小。缺點是物料存在一定側向推移，兩側錘片磨損較快。但由于優(yōu)點顯著，應用比較廣泛，國產(chǎn)系列粉碎機的大多數(shù)機型、廣西系列粉碎機、秦嶺系列粉碎機等均采用這種排列方式。
本課題設計的粉碎機轉子總成采取的是四銷軸孔的計劃，上述幾種形式都是最常用的的布列形式，所以本設計的粉碎機錘片的排列形式結合以上各種排列形式的優(yōu)缺點和粉碎機現(xiàn)實工作需要，采用的排列方式如圖3-4所示的交錯排列形式。
3.1.2 主軸的設計
在機械傳動中，軸起重要作用，設計時需采用恰當?shù)慕Y構使得其具有一定的強度和穩(wěn)定性，此外還應滿足結構工藝性等。
一般制作軸的材料主要是碳鋼和合金鋼，在市面上合金鋼比之余碳鋼貴，應力集中較敏感，實際應用也相對較少，查《機械設計》第九版358頁表15-1可知道軸的材料和熱處理方法的選擇，并確定了軸的材料的許用應力。沒有特殊要求，用作高速，較大功率，可選用45鋼，用調質處理，使得具備良好的機械性能和力學性能。調質處理的布氏硬度的范圍為217~255Mpa， δB=640MPa， δs=355MPa， δ-1=275MPa，許用彎曲應力δ-1=60MPa，剪切疲勞強度τ-1=155MPa。
3.1.3 錘架板的設計
本課題研究設計的粉碎機轉子總成的錘架板是由四塊塊支撐板和一個套筒焊接組合的整體。采用四支撐板結構可以更好的確保銷軸的使用壽命，防止銷軸中間受力過大而彎曲使銷軸受力均勻。具體結構如圖3-4所示：
(a)
(b)
圖 3-4 錘架板
3.1.4 套筒和銷軸的設計
套筒和銷軸的作用主要是用來定位錘片的。錘片在銷軸上繞著銷軸旋轉，而套筒則決定了錘片在銷軸上的位置。
如圖3-5所示，本課題設計的銷軸長度設定為240mm，直徑為20mm，相應套筒內(nèi)徑為20mm，外徑為24mm，套筒的設計結合錘片排列安裝的間距要求，長度設計為20mm和35mm兩組。如圖3-6，（a）為長套筒，（b）為短套筒。定位套筒和銷軸之間也采用銷來固定，保證定位的準確性。
圖 3-5 銷
（a）長套筒
（a） 短套筒
圖3-6 套筒
3.2 喂料裝置的設計
本課題設計進料裝置主要包括進料口、進料口擋板、喂料輥等，如圖3-7所示。粉碎機工作時，工作人員需要根據(jù)樹枝的分叉情況和直徑大小經(jīng)過進料斗喂入樹枝，樹枝在喇叭形的進料斗的收縮作用下集中到喂料輥的下方，然后在喂料輥排齒咬合的作用下進入粉碎室，待粉碎的樹枝被輸送到粉碎室進行粉碎。
圖 3-7 喂料裝置
3.2.1 喂料斗的設計
本課題研究設計的喂料斗是用鋼板加工而成，進料斗厚為3mm，其從開口到入口處的截面面積是逐步變小的即采用的是喇叭形設計。這樣的設計是為了讓枝條在進料時可以使不勻稱和帶分叉的枝條能夠進入到進料口并且其工作過程中具有一個收縮的作用。其設計需要想到到要使工作人員在喂料時操作方便，所以設計的進料斗的尺寸為：開口喇叭處為600mm的正方形，深為800mm，相對于水平面向上傾斜角度為30°。
3.2.2 喂料輥的設計
本課題設計研究的喂料輥采用的是在軸上的8塊排齒板一周均勻分布的結構設計，齒板間的夾角為45°。每塊齒板由厚5mm鋼板加工而來，高度為20mm，排齒的齒高5mm，長度為260mm，齒距10mm，喂料棍齒頂圓直徑為80mm。如圖3-8所示。
圖 3-8 喂料輥
3.3 粉碎室的設計
粉碎機的粉碎室主要由破碎襯板篩網(wǎng)等封圍而成。物料在粉碎室中由粉碎室內(nèi)部的相關部件的相互作用完成對物料的粉碎和對粉碎后的物料出料的。
3.3.1 粉碎室的形狀
為了使粉碎室內(nèi)的環(huán)流層被破壞，提高粉碎機的粉碎效率，國內(nèi)外的許多研究人員致力于改進粉碎室結構的研究。常見的粉碎室形狀設計如圖3-9所示[12]。
（a）環(huán)形偏心狀；（b）圓形徑向進料；（c）圓形切向進料；（d）全水滴狀；（e）3/4水滴狀；（f）全篩桃形
圖 3-9 常見粉碎室的形狀
本課題設計的小型樹枝粉碎機可以借鑒傳統(tǒng)飼料粉碎機粉碎室的設計[13]。綜上考慮確定該粉碎機的粉碎室的外形采用的是偏離圓心與齒板組合的方式，如圖3-9所示。本課題的粉碎機設計思路為采用非重復式一次性粉碎的粉碎方式，即樹枝經(jīng)過打擊剪切作用后被打斷，只需要進行一次粉碎便從出料口出料，因此本課題設計的粉碎室的粉碎過程主要是只在進料口與出料口的這段圓弧上進行。為了防止物料隨轉子運轉而形成環(huán)流導致物料不能及時有效的進行粉碎和排出，所以本課題設計的粉碎室采用偏心設計。
3.3.2 破碎襯板
破碎襯板的功用是增強粉碎能力，尤其是對于濕度高、韌性大、纖維質多的樹枝，功用較為明顯。破碎襯板是一表面由許多凸起齒的弧形板，齒的工作面最好與錘片旋轉的切線方向垂直，以便物料垂直的與破碎襯板工作面相碰撞，從而增強粉碎的效果。為了破碎襯板耐磨，其加工的材料一般采用鑄鐵，表面激冷成白口。要求齒面平直光滑，不得有翹曲變形和裂紋。破碎襯板的厚度為5mm,結構如圖3-10所示：
圖 3-10 破碎襯板
3.3.3 篩網(wǎng)
篩板一般由鋼板沖孔而成，通常釆用圓孔，大部分呈三角排列。篩片一般用20號或B3鋼板沖壓而成，并經(jīng)熱處理，表面應平整、光滑，不允許有裂紋、剝層、毛刺和斑疤，篩孔分布均勻，不得有連沖、漏沖或沖不透等缺陷。篩網(wǎng)也是該機器的主要工作部件和容易磨損的部件，篩網(wǎng)的設計對機器的粉碎功能和粉碎后物料的質量影響較大。
以前選用的篩網(wǎng)的篩孔的形狀有圓錐形，圓柱形和魚鱗形等，由于圓形孔篩具有結構簡單、制造方便等優(yōu)點，適用范圍較廣。在傳統(tǒng)的錘片粉碎機中，篩網(wǎng)是安裝在粉碎室周圍的整個圓周。篩網(wǎng)的主要作用是控制物料粉碎粒度，同時也是在粉碎時對物料進行剪切、摩擦、撞擊等作用[14]。
本課題研究設計的樹枝粉碎機與傳統(tǒng)的不大相同，該粉碎機的篩網(wǎng)只在粉碎室出口處安裝有一塊篩網(wǎng)。該網(wǎng)的篩孔是橢圓形，短徑為20毫米，長徑為30毫米。篩板厚5mm，寬280毫米，長徑530毫米，如圖3-11所示。該篩板的作用主要是對物料出料時減速，防止其高速飛出不便收集以及對操作人員造成傷害，而且該篩網(wǎng)還能阻止較長較大的物料由于各種原因粉碎不完全而直接高速飛出。
圖 3-11 篩網(wǎng)
3.4 機架和移動裝置的選擇
本課題研究的粉碎機的移動是通過小型帶后板的拖拉機來拖動的，不需要進行太復雜的移動裝置，只需在機架上安裝移動行走輪和連接拖拉機牽引裝置即可。機架上安裝了可折疊式的支撐架，當需要卸載機械時可把支撐架放下支撐機架，防止機械到處移動。
粉碎機的機架是整機的底座，變速箱、接料斗和粉碎機主體要固定安裝在底座上，在滿足設計原則的要求，底座的設計和選取應盡可能的簡單和輕便，盡量減少機身的體積和重量，因此選擇用角鋼焊接制成，通過螺栓連接固定機體和變速箱等相關零部件。如圖3-12所示為機架和下箱體的組合。
圖 3-12 機架和移動裝置及下箱體
這種可移動式樹枝粉碎機由牽引臂、變速箱、傳動裝置、喂料裝置、粉碎裝置、機架和行走輪輪等組成，粉碎室箱體內(nèi)由破碎襯板、齒板、篩網(wǎng)、轉子總成、排料口等相關結構組成。喂料裝置主要由進料口、進料口擋板和喂料輥等組成。牽引臂、變速箱、粉碎室箱體等固定安裝在機架上。
4傳動裝置的設計
由于該課題設計的是能夠移動的樹枝粉碎機，而且多用于南疆果園林間的修剪后的樹枝的粉碎，所以為了能夠在果園林等缺乏電力資源和電力傳輸不方便的情況下并且需要在不同的地方移動著工作，本粉碎機的動力采用拖拉機，輸出轉速為540r/min。粉碎機主軸所需轉速在1400r/min到2000r/min之間的轉速較為常見，查《機械設計手冊》第二版37-165，采用第一派生型P0型變速箱和拖拉機相連接，改變輸出轉速，達到所需粉碎的轉速。因此，考慮到V帶傳動具有傳動平穩(wěn)、緩沖吸振、結構緊湊、價格低廉等特點，本粉碎機設計的傳動系統(tǒng)均采用V帶輪來傳動。
4.1 帶輪的設計
1）確定計算功率
查《機械設計》第九版第156頁表8-8得工況kA=1.2。由i=2000/1400=1.43。
計算功率Pca：Pca=P?kA=1.2×9.48=11.38KW。
2）選擇V帶型號
根據(jù)Pca=11.38KW，n=2000r/min，查《機械設計》第九版第157頁圖8-11可選取普通型A帶
3）帶輪的基準直徑dd與帶速驗算
由《機械設計》第九版第157頁圖8-11知,小帶輪基準直徑推薦為112~140mm，
由表8-7和8-9，取小帶輪dd1=125m，且由dd2=i×dd1=1.43×125=179mm，
根據(jù)表8-9，取大帶輪標準直徑dd2=180mm，帶速v=3.14×125×140060×1000=9.16m/s，v值在5m/s
120° 適合。
6）確定帶的根數(shù)
（1）計算單根V帶的額定功率
由dd1=125和n=2000r/min，查《機械設計》第九版第151頁表8-4得P0=2.44KW，
依據(jù)n=2000r/min，i=1.43，A式皮帶，查《機械設計》第一百五十三頁表8-5得ΔP0=0.19KW，
查表8-6得kα=1，表8-2得kL=0.98
由式 Pr=P0+?P0?Kα?KL (4-5)
得Pr=2.6KW。
（2)計算V帶的根數(shù)z
z=PcaPr=11.382.6=4.37 取4根。
7） 計算單根V帶的初拉力F0
根據(jù)149頁表8-3可知A型帶的單位長度質量q=0.105kg/m，因此
F0=500×(2.5-Kα)PcaKαzv+qv2 (4-6)
F0=500×2.5-1×11.381×4×6.54+0.105×6.542=382.93N。
8） 計算軸力
Fp=2zF0sina12 (4-7)
Fp=2×4×382.93×sin173°2=1685N
9） 帶輪結構設計
V帶輪的結構形式根據(jù)輪輻結構的不同可分為實心式、腹板式、孔板式、橢圓輪輻式。V帶輪的結構形式與基準直徑有關，本課題所選用的是實心式。查《機械設計》表8-11得A槽型，如圖4-1：
（a）小帶輪 (b) 大帶輪
圖 4-1 帶輪結設計
4.2 主軸的設計計算
4.2.1計算主軸上的功率P1、轉速n1、轉矩T1
Pd=Fv1000η0 (4-8)
Pd=383×6.541000×0.96×0.982=3KW ，P1=3×0.96=2.88KW，
這里的η0為傳動效率。
電動機主軸：Td=9550×Pdnd=9550×2.881000≈27.5N?m (4-9)
粉碎機主軸：T1=Td?i?η0=27.5×2×0.96≈52.8N?m (4-10)
4.2.2 初步確定軸的最小直徑
查表15-3得A0=107~126取115。
由式 d≥A03Pn (4-11)
d=19mm考慮到軸上有兩個鍵槽，故dmin=d(1+13%)=22mm
取dmin=30mm
4.2.3軸的校核
查《機械設計》第九版三百五十八頁表15-1可知道軸的材料和熱處理方法的選擇，并確定軸的材料的許用應力。沒有特殊要求，用作高速，較大功率，可選用45鋼，用調質處理，使得具備良好的機械性能和力學性能。調質處理HBS=217-255MPa。σB=640， σs=355MPa，彎曲疲勞強度σ-1=275MPa，許用彎曲應力σ-1=60MPa，剪切疲勞強度τ-1=155MPa。
1)軸的強度校核
在對軸的強度進行校核時，應該按軸的實際工作情況，選取適當?shù)男：斯剑ㄈ缦拢﹣硇：?，假如軸同時還承受不大的彎矩，用降低τ的手段來分析。
τ=TWT≈955000Pn0.2d3≤τ (4-12)
代入前面計算的數(shù)據(jù)，計算得τ=TWT≈955000Pn0.2d3=18.5MPa≤25MPa，故滿足強度條件。
2) 軸的剛度校核
在粉碎機主軸所受載荷作用下，主軸將或多或少發(fā)生變形。因此，如果有剛度要求的話，需進行剛度校核。
對于階梯軸，φ=5.73×1041LGi=1zTiliIpi （4-13）
對于一般傳動軸，可取φ=0.5~1°/m；對于要求較高的傳動軸，可取φ=0.25~0.5（°）/m，如果是要求不高的傳動軸軸，φ可大于1(°)/m。
經(jīng)計算，φ=5.73×1041LGi=1zTiliIpi=0.3，故滿足剛度條件。
4.2.4 鍵的選擇與校核
第一處即安裝小帶輪的地方的軸徑為：d=30mm，查《機械設計》第九版106頁表6-1（GB/t1096-2003）選取的鍵的截面尺寸為：b×h=8×7，由輪轂寬度并參考鍵的長度系列，取鍵長L=63mm（小于輪轂寬度）。軸為45號鋼，且屬靜連接，查《機械設計》表6-2可得:，取平均值，鍵的工作長度為l=L-b=63-8=55mm，k=0.5h=0.5×8=4mm。查《機械設計》106頁得
σP=2T×103kld=2×55.07×1034×55×30 (4-14)
σp=16.69MPa≤σP
經(jīng)計算，該處鍵滿足要求，可安全工作。
總 結
本設計主要做了以下工作：
由于南疆的果園林每一年都會產(chǎn)生大量的廢棄枝椏及修剪后的樹枝不能達到效果的處理和使用，所以就可以在果園林地里粉碎后馬上就輸送出去以方便對粉碎后的物料使用，而果園的實際狀況等因素制約了現(xiàn)在有的某些機械設備進來粉碎。通過對現(xiàn)有樹枝粉碎機進行分析和比較，確定了針對南疆果園殘枝樹枝粉碎機的總體設計方案，設計了一種小型可移動式樹枝粉碎機?？傮w方案為：樹枝從喂料口進入經(jīng)過喂料輥秩序的進入粉碎室經(jīng)錘片錘碎，在粉碎室錘片和齒板相互摩擦再次達到粉碎的目的，使物料在粉碎室內(nèi)在氣流和扇葉的作用下被扇出送至接料斗。
對現(xiàn)有的樹枝粉碎機進行分析，結合本課題研究的樹枝粉碎機將樹枝粉碎成長度為30mm，粒度達5mm以下的木屑，其用途也非常廣泛。
結合總體方案的設計確定，對轉子總成、喂料裝置、粉碎裝置、傳動裝置等關鍵零部件相關參數(shù)及尺寸的確定和計算，并進行了組裝配合，完成了單通道厚錘片的非重復式粉碎機的設計方案。
使用solidworks軟件對粉碎機關鍵部件三維建模和虛擬配合。
致 謝
首先要感謝的是我的指導老師老師，沒有她的及時督促和悉心指導，設計不可能順利完成。在設計上經(jīng)常遇到的問題就和老師溝通，我學到了很多。我常常與她交流設計中遇所到的問題，并且得到她的言傳身教，使我受益頗多。老師寬厚待人的品格和嚴謹求實的治學態(tài)度讓我學到了如何學習。
另外，也要感謝我的舍友和其他同學，他們在尋找資料，解答疑惑等方面，都給了我很大的幫助和借鑒。在相互監(jiān)督、相互討論的過程中，指出了彼此的不足，并從中受益！此外，他們追求完美，追求卓越的學習態(tài)度是值得學習的！
最后，謝謝所有給予我關心和支持的老師和同學們，使我能順利如期的完成這次畢業(yè)設計，并祝各位老師和同學身體健康，在工作上和學習上順心順意！
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