园林残肢破碎机的设计VIP

0 1 选题的意义和目的 题的意义 建设节约型社会，首先要满足人民生活水平不断提高的需要，当然应该奉行节约和可持续利用原则，要在发展的基础上用好。“十一五”期间，林业将在科学发展观的指导下，紧紧围绕建设社会主义新农村，全面实施以生态建设为主的林业发展战略，形成以生态建设为主线，重点工程为载体，发展与保护相协调的林业发展态势 ,全面推动资源节约型、环境友好型的和谐社会的建设 1 。若能成功研制出残枝破碎机就可充分利用了我国大量的废弃树枝资源，变废为宝，物尽其用 ，提高果园的综合经济效益 ;为食用菌产业提供了廉价且优质的生产原料，从而促进食用菌产业的发展，结合，相互促进发展，有效地增加农民收入，将资源优势转变为经济、社会和生态效益，促进我国生态型农业的可持续发展。 内外 研究现状及分析 内树枝粉碎机的研究现状 随着社会经济的发展，人们的环保意识和美化环境的要求不断加强，园林和街道的绿 化面积不断扩大，维护园林和街道绿化而产生的废残树枝的数量也成倍增加。传统处理废 残树枝的方法是焚烧、填埋，这样既造成了环境污染，又浪费了资源，因此，废弃树枝的 处理及 综合利用成了城市园林及环卫部门鱼待解决的问题。 近十几年来，随着食用菌产业的快速发展，食用菌培养基原料 (木屑 )的需求量越来 越大，随之对树枝粉碎机的需求也日趋迫切，许多厂家和研究机构开始研制不同类型的木 屑粉碎机，用来处理城市园林和街道绿化带修剪下来的废弃树枝，使其回归自然或用作生 产食用菌培养基原料。 目前，我国己研制的树枝粉碎机主要有以下几种形式 1、牵引式树枝粉碎机 该类型的树枝粉碎机主要由机架，水平强制喂料装置，粉碎装置和动力驱动系统组成。 主要对园林或城市街道修剪下来的树枝进行粉碎。由于树枝修剪工 作的作业面广，树枝粉 碎机需跟随修剪一起作业，因此需要拖车牵引行走流动作业。修剪下来的树枝直径相差较 大，最粗的可达 200上。所以粉碎机的动力一般都在 30上。该类型的树枝粉碎机工作可靠，运行平稳，在粉碎直径较大的树枝时生产效率较高，但机器的噪音较大， 适用于较粗树枝的削片粉碎。 2、 由北京农业机械试验鉴定推广站研制开发的 枝粉碎机，主要由驱动装置，粉碎刀盘，双喂料桶等组成。工作时，直径 20经过削片后进入粉碎室，被高速旋转的锤片连续打击成木屑，经过筛片清选，碎木屑从出料口被高速抛出。直径 20。以下的树枝条可通过细枝料筒喂入粉碎室，树枝被切成 50右的料段，然后进入粉碎室锤击粉碎成木屑，最后经筛 片清选，碎木屑从出料口高速抛出。该粉碎机适用于中小枝条的粉碎 2 。 3、 该机是伊春林科院为粉碎林区藤条灌木研制的一种小型粉碎机，通过对藤条灌木的粉 1 碎为生产食用菌培养基提供原料。其特点是功率小，结构简单，移动方便。加 工时，将藤 条灌木投入到进料口，旋转刀盘上的叶片转动形成气流，使直接推动木片作圆周运动形成 气流，木片就沿着机壳切线方向被抛到下一工序进行粉碎 3 。 4、 该粉碎机适用于直径 10机采用刀盘与锤片同轴结构， 采用非强制进料，依靠本身切削力来实现自动进料，该粉碎机主要用于食用菌培养基原料 的粉碎。该机除了不适合粉碎直径小于 10一些具有较强韧性树 皮的树枝粉碎效果很差经常会出现故障 4 。 外研究现状及分析 国外在树枝粉碎机方面的研究起步较早，技术比较成熟，但主要是针对园林，街道或 房前屋后的树木修剪下来的树枝的粉碎。 日本松本产业公司研制的 合对剪下的树枝进行粉碎处 理，以便再生利用。其特点是利用了滚筒式切刀及独特的高速破碎方式，喂料安全高效， 操作维护方便，处理能力为 3 美国 司生产的一种牵引式树枝粉碎机与国产的牵引式树枝粉碎机的工作原理相同，但粉碎树枝的粗细范围更大，生产效率 更高，该机振动小，工作性能稳定，驱动功率 45 务要求及实现目标的可行性分析 成功设计出残枝破碎机应有以下几个任务要求： 1、树枝的最大直径为 150此刀盘需要有足够的转动惯量和转速。 2、实现残枝的输入和输出，通过设计拨料板的形状 , 及其合理的结构布置 , 保证拨料轮能顺利地进料、退料而不产生打滑现象 , 提高喂料的准确性和效率。 3、剪切机构质量不能太大，要有自走式机构 ,便于移动作业。动力配置灵活 , 既可是电动机 ,可是柴油机。 4、并配有车辆悬挂机构 , 可由车辆拖动进行路面。 作业。 点研究的关键问题及解决思路 本课题重点研究残枝的剪切，采用动力源为柴油机，利用切刀进行破碎，切刀结构要实现剪切，喂料结构要能顺利实现喂料等功能，保证拨料轮能顺利地进料、退料而不产生打滑现象 , 提高喂料的准确性和效率。为方便操作，采用了软轴结构，要重点解决拖拉机动力的接入，软轴的连接，切刀的设计等问题。解决的思路如下： 1、 的破碎作业要求和自动化程度选择合适的动力源。 2、 传动机构和执行机构。 3、 受力要求计算出机构中各个零件的尺寸大小，型号等。 4、 装配图。 5、 力部件的危险截面进行校核计算。 2 成本课题所必须的工作条件及解决的办法 根据现有木材削片机与树枝粉碎机的工作原理，结合果园残枝的特点，确定了果园残枝破碎机的结构与传动方案，根据材质的特性，对木材树枝粉碎机工作时的切削力进行了分析推导，得出了削片时切削力的计算公式，为计算削片时所需的功率提供了理论依据，也为结构有限元分析提供了力学模型。 建立园林残枝破碎机的结构草图，运用以参数化特征思想为基础的 用相似原理完成了扇叶片的设计，并求解出扇叶片（树枝导入）消耗的功率，从而求出整个削片粉碎 机消耗的功率，根据计算功率选择电机。 2 园林残枝破碎机设计方案 林残枝的基本状况 园林残枝是专门修剪下来的是为了促使古树生长的，每年夏冬各砍伐一次，其中以夏季砍伐 量最大，约为冬季的四五倍，而且枝条相对比较粗大。通过测量统计 枝条的直径分布一般在 3间，根部直径主要分布在 10间，树枝条长度一般在 分 枝条的中部会有分叉枝梗其直径约为 3修剪下的树枝条含水率在 40%左右，粉碎的时间在收获桑枝条一个月以后，经过晾晒风干，此时含水率在 20%左右，密 度约为353m ，经粉碎以后还需对桑枝屑晾晒，等含水率达 12%这 个平衡值时，可以存储起来，随时用于食用菌培养基的生产 5 。部分果树 枝条的皮韧性很强，采用目前的树枝粉碎机无法将其很好的粉碎，而且机器运作时间稍一长，就容易出现堵塞，缠绕主轴等不良状况，从而会引发生产安全问题。 林残枝破碎机设计方案的确定 片部分的结构形式 树枝破碎机必须先将枝条削片切断然后进行粉碎筛选达到规定的颗粒要求 。根据木材 削片机的原理，削片切断有以下两种形式 : 盘式削片的结构形式，如图 3 盘式削片机的飞刀刀刃作平面运动，切削力的方向基本保持不变，因此在削片过程中能很好的形成剪切作用，切削功率相对较小，不易产生碎料，生产出来的木片规格相对整 齐。 料方式 在木材削片机和现有的树枝粉碎机中，采用的进料方式有两种 :强制性进料和非强制性进料。 1、强制性进料 :在进料时通过喂料装置将木材或树枝匀速推进到削片装置中，并在削片过程中起到夹持木材或树枝的作用。为了适应喂入不同直径的树枝，喂料装置采用 浮动压紧，随着喂入木材或树枝的粗细不同而在垂直方向上下浮动。 2、非强制性进料 :主要通过削片时飞刀对木材的作用力来实现自动进料，而不需要其它喂料装置。 料通道的布置形式 1、水平进料适宜加工较长和较粗的树枝，且大多采用强制进料方式。 2、倾斜进料适应加工较短和较细的树枝，非强制进料方式较为合适。 枝条直径较小，最粗的根部直径也不超过 30条中、上部还存在多层细小的分枝娅，而枝条的长度大部分在 间，粉碎加工时，为了保证生产率要求，喂料时需要多根一起进料。根据以上的分析比较，结合 食用菌培养基对木屑规格相对整齐的要求，选择盘式削片结 构比较理想。由于桑枝条每根粗细都不一样，喂料时多根一起进入，且 枝条的中、上 部还有许多细小的枝娅 6 ，如果采用水平强制性进料方式就很难保证多根残 枝条一起同步进入削片，所以在进料方式上选择非强制性倾斜进料方式比较合适。这样不但可以使机械结构简单，而且还可减少动力消耗。 枝破碎 碎机动力配置与传动方案 由于果林 是成片种植，修剪下来的桑枝条 相对集中，粉碎机不需要流动作业，所以残枝 4 破 碎机设计成固定式的。 为了节 约动力成本与维修方便粉碎机的动力源选用电动机较合适。 考虑到 园林残枝破 碎机工作时有一定的冲击、振动，采用传动平稳，能缓冲吸振的带传动，来带动 粉碎机工作，这样不仅使结构简单，造价低廉，还能对电机起到过载保护 作用。 枝破 碎机转速的确定 根据食用菌培养基自动化生产线生产率 (2000kg/h)的要求，残枝破碎机的生产 率必须达到 600kg/h(600kg/000kg/h)才能与整条生产线匹配， 600kg/h 枝屑折合成木屑实积约为 m /h。 参照削片机的生产效率计算公式，结合残枝 粉碎多根进料的特点 拟定生产率计算公式 : 6 1 2 1 26 1 0Q n z z k (实积 3m /h) (2可得 : 6 1 2 1 26 1 0Qn z z k (2式中 : n r/ 1根 ); 2z 一飞刀的数量 (把 ); l 一木片顺纹平均长度 ( 2; 1k 一机器利用系数，取 2k 一 工作时间利用系数，取 虑生产效率及圆盘的动平衡取飞刀数几 =4把，平均一次进料桑枝1z=10根 , l =31 . 0 , 1 . 7 /f c m Q m h取 120 , 0 计算得 3 3 0 0 / m 枝破碎机的传动与结构示意 根据以上拟定的方案设计出来的传动系统与结构示意图如图 5 电动机出料口轴承飞刀进料口底刀螺旋输送带轮图 2林残枝破碎机的机构 工作原理 :刀盘与带状螺旋采用同轴结构，由电动机通过 刀随着刀盘作平 面运动，底刀固定不动。当枝条放入进料口后，刀盘转动使飞刀与底刀形成剪切，将 枝条削成片状，由刀盘顶部的倾斜刮板将木片带入输送室。有螺旋输送叶片将碎枝通过出料口输送输出。 2 4 树枝的力学特性介绍 在分析树枝破碎碎机的切削力之前，必须了解桑树枝的力学特性 . 树枝枝跟木材一样也为各向异性材料，它的受压方向不同，抗压强度也有变化，通常分 为顺纹抗压强度及横纹抗压强度。 残枝切削的过程，实质上 ，使被切下的木材层在刀具的作用下，发生剪切、挤压弯折 等变形过程。根据刀刃相对木材纤维方向的不同，以及刀刃运动方向相对纤维方向的变化， 木材直角自由切削可以分为纵向、横向和端向切削。 1、纵向切削 刀刃垂直于纤维，刀具在纤维平面内平行于纤维长度方向运动的切削为纵向切削。 2、横向切削 刀刃平行于纤维方向，刀具在纤维平面内垂直于纤维方向运动的切削为横向切削。 3、端向切削 刀刃垂直于纤维方向，刀具在垂直于纤维的平面中运动的切削称为端向切削。 在切削过程中，切削的变形受到残枝本身性质 (树枝纤维、年轮方向，早晚材 ，含水 率，温度 )刀具特性 (角度，锋利程度 )切削用量 (切削厚度、宽度、切削速度等 )等因素的影响。 枝切削力的分析 1、前刀面对残枝的作用力 在切削过程中，刀具对桑残枝的作用发生在前刀面，后刀面和刀刃三部分。刀刃处虽应 力较大，但表面积小，刀刃作用在总作用中所占比例较小，忽略不计。为了简化问题， 6 设刀刃为直线，切削速度垂直于刀刃方向，残枝纤维方向亦垂直于刀刃方向。削片时，前 刀面对残枝的作用如图 示。前刀面总作用力 正压力 摩擦力 成。 分解为平行于纤维方向的分力 F 及垂直于纤维方向的分力 F 。 可分解为平 行于飞刀切削速度方向分力 垂直于速度方向的分力 关系式为 . c o s ( ) . c o s ( 9 0 )or r r F （ 2 . s i n ( ) . s i n ( 9 0 )or r r F （ 2 . c o s . s i n ( )r x r r F （ 2 . s i n . c o s ( )r y r r F （ 2 飞刀安装后角 ; 飞刀楔角 ; 进料口斜角 ; 一前刀面法向与纤维方向夹角 ; 切削速度方向夹角 ; r 一前刀面与残枝摩擦角。 图 刀面对残枝的作用力 开始切削时， 随着切入深度的增加，枝木片即被切下。残枝木片切 7 下前，达到最大值片切下后 ，然后开始新的残枝木片的切削。根据木片切下前的受力平衡如图 示，可得下列关系式： 图 片受力平衡 / / m a x m a x m a x;c r c f c F F F / / m a x. . ; .c r w c f c c NF l b F f F 式中： / 残枝木片切下前刀面作用力的分力（ N） ； 残枝木片顺纤维方向总剪力（ N）； 由法向力 起的附加阻力（ N）； 残枝木片切下前，剪断面上的正压力（ N）； l 残枝木片纤维长度（ m）； b 切削宽度（ m）； /w 残枝顺纤维剪切强度（ 附加阻力系数。 综合以上关系式，得： / / m a x . ( 9 0 )w f t g （ 2 /m a x . . . ( 9 0 )1 . ( 9 0 )b t t g （ 2 /m a x .c o s ( 9 0 ) . s i n ( 9 0 )wr c f （ 2 8 /m a x . . s i n ( )c o s ( 9 0 ) . s i n ( 9 0 )c f （ 2 /m a x . . c o s ( )c o s ( 9 0 ) . s i n ( 9 0 )c f （ 2 同时，残枝木片切下前，前刀面对桑枝法向挤压力达最大值 有关系式 ： m a x. s i n ( ) b t （ 2 m a xm a x .c o s c o s s i n ( )r N b （ 2 其中： w 残枝沿 方向压缩强度（ 残枝所受的其它力 后刀面与残枝作用力 F 由法向压力 及摩擦力 组成，可分解为 及 ， 图 枝受到的力 则有 9 f u （ 2 式中 a 是后刀面对残 枝的摩擦系数及摩擦角。 底刀对残 枝的作用力 及摩擦力 成如图 分解为 则有 : sf u （ 2 式中 s 是底刀对残 枝的摩擦系数及摩擦角。 残 枝所受的以上这些 力都在同一个平面内，根据平面力系平衡条件及力的相互关系， 把各力投影到 轴上，可得如下方程 : 0 则有 0a e rx F （ 2 0 则有 0ry sy a F （ 2 . ( )a x a y . ( )s x s y （ 2 建立（ 2（ 2（ 2（ 2个方程得： )() .( ) ( )r x r ys x t gF t gt g t g （ 2 将（ 2（ 2入上式得： / / / /m a x . . . s i n ( ) . . c o s ( ) ( ) ( ).c o s ( 9 0 ) s i n ( 9 0 ( ) ( )w r w r c r sl b l b t g t gF f t g t g 根据牛顿第三定律与力的平衡条件，就可以得到底刀对残枝的作用力等于残枝对飞刀的作用力即飞刀在切削时受到的切削阻力。 3 电动机的选择 择方案 根据园林残枝破碎机工作的要求， 选用三相笼型异步电动机，电压 380V，频率 50方案 电动机型号 额定功 同 步 转 速 满 载 转 速 电动机质 量最大转矩 堵定转矩 10 率 额定转矩 额定转矩 1 1 3000 2930 117 3动机 算传动装置的传动比 动比 2930 2 . 0 41435ma ni n 算传动装置的运动和动力参数 轴转速 电动机轴转速 n=2930 r/主轴转速 2930 1 4 3 5 / m i 0 4 轴输入、输出功率 电动机轴 P=11主轴输入功率 1 1 1 0 . 9 6 1 0 . 5 6P P k w 入 其输出功率分别为输入功率乘轴承效率 轴输出功率 0 . 9 6 1 0 . 5 6 0 . 9 6 1 0 . 1 3 8 k 入出 主轴输出功率： 119 5 5 9 9 5 5 9 3 5 . 8 9 主轴输入转矩 1 3 5 . 8 9 2 . 0 4 0 . 9 6 7 0 . 2 9 i N m 运动和动力参数结果整理于下表 轴名 效率 P （ 转矩 T （ 转速 n r/动比 i 效率 11 输入 输出 输入 输出 电动机轴 15 2930 轴 435 表 3 轴的计算和校核 的设计 由于电动机通过带传动将动力传递给主轴，故应估算主轴的直径 6333 9 . 5 5 1 00 . 2 轴估算如下：初选材料为 45 号钢，调质，由于轴既传递转矩又承受弯矩，故 6333 9 . 5 5 1 00 . 2r 查表 14 2得 C=118 107，且 P=P =11 n= 2930 r/ C=107， 则 d 118 取 d=42 的校核 经过分析，主轴的受力最大，而且轴的周向受力是主要的，因此，对该轴进行扭矩校核。轴的结构见图 4 4轴 的扭矩计算 电动机输出转矩： 119 5 5 0 9 5 5 0 3 5 . 8 9 （ 2 6） 主轴输入转矩： 1 2 3 2 5 . 4 6 2 . 0 4 0 . 9 6 5 0 i N M （ 2 7） 根据要求，轴要满足下列条 件 12 的强度条件： 0 0 3 0 33 （ 2 8） 式中： 为轴的切应力， 为转矩， 抗扭截面系数， 3 为许用扭切应力， 表 4用材料的 值和 轴的材料 0 35 45 4035 12000 160351807轴的材料为 45 号钢，则满足强度条件，轴是安全的。 传递的转矩 31 （ 2 9） 2 （ 2 10） 系零件的定位 向定位 为了防止轴上零件发生沿轴向的移动，必须对其进行定位，来保证齿轮的正确啮合，根据轴上零件的的安装要求和对轴的结要求，要选择不同的定位方式，常用的定位方式主要有轴肩定位、套筒定位、轴端挡圈和弹性挡圈，轴间定位方式在本设计中有用到，具体的结构和参数见零件图和明细表。 向定位 键主要 是为了实现轴上零件的周向定位来传递转距，键的形式用多种，因此要根据不同的要求来选择不同型号的键，根据传动的要求，本设计全部采用圆头普通平键（ A 型），它的两个侧面是工作面，上表面与轮毂槽底之间留有间隙，其主要特点是定心性好、拆装方便。 13 5 园林残枝破碎机的结构设计 构设计 带轮； 2一 轴； 3一 带状螺旋叶片； 4一出 料口 ; 5一 进料口 ; 6一 侧 刀 ; 7一 飞刀 ; 8 一刀盘 ; 9一 轴承端盖； 10 一 机架 图 林残枝破碎机的装配图 园林残枝破 碎机主要分为两个部分 :一个是削片部分，一个是输送部分 。 削片部分主要功能 :把残枝条切削成片状，以便输送 。 破粉 碎部分的主要功能 :把片状的木片进行粉 碎，便于园林残枝的堆积或进行食用菌的发酵 。 园林残枝破 碎机主要由机架部分、进料口部分，外壳与出料口部分、削 片部分 和 输送部分 等组成。 部分的结构设计 料口的设计 考虑到国枝是小直径枝条，选用倾斜料槽可以使 枝条在切削时沿着进料口底部滑向刀盘，这样既可以减小切削阻力矩，也可以减少能耗，同时利用切削力 产生的轴向分力， 将 枝条自动带进，实现连续切削。倾斜料槽的倾角 (进料口的中心线与水平面水平线的夹角 )一般取 1645 52，这里取 45o ，考虑到食用菌需要的木屑规格相对较小的原因，偏角 (进料口的中心线在水平面上的投影与刀盘中心轴线的夹角 )取 0o，考虑到残 枝有分出的枝娅，而且是多根进料，进料口设计得相对较大，取 14140 刀与侧刀的设计 根据进料口 参数尺寸，设计出底刀与侧刀。为了防止在切削时因产生较大冲击力而损坏底刀与侧刀刃口，所以取底刀与侧刀刃磨角 90o 。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 14 3210105底刀97654510侧刀图 5刀和侧刀 刀的设计 飞刀是削片粉碎机的主要部件之一，飞刀的性能对园林残枝破 碎机的工作起很重要的作用。根据式 (2一 13)，其中 己知，为进料口的倾斜料槽的倾角为 45o ，r为常数。如果要使主切削力最小就要使 045 ，考虑到刀具的强度，取飞刀楔角 38 ，那么 7o ，在考虑到刀盘回转时的平衡，四把刀位置两两 对称，考虑到两把刀刀刃长度必须大于进料口，才能使切削没有死区 进料口在 14把刀刃长度定为 75 301038刀 带轮的设计 带根数的计算 （ 1）求计算功率 P 查表 13 选 2n =1500 r/ . 2 1 1 1 3 . 2 P k w 15 (2)选 用普通 带，根据 1n =2930图 13型计算 （ 3）求大，小带轮基准直径2d、131d 应不小于 125，现取 1d =140式（ 13 12122930(1 ) 1 4 0 (1 0 . 0 2 ) 2 6 71500nd d m m m 由表13d =2801122(1 ) 2 9 3 0 1 4 0 (1 0 . 0 2 ) 1 4 3 5 / m i （ 4）验算带速 V 11 1 4 0 2 9 3 0 2 1 . 5 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0m s 带速在 5 25 /范围内，合适。 （ 5）求 中心距 a 初步选取中心距 a 0 1 21 . 5 1 . 5 ( 1 4 0 2 8 0 ) 6 3 0a d d m m 取 0a =700 符合 1 2 0 1 20 . 7 2d d a d d 由式（ 13带长 210 0 1 20()2 24a d d a 查表 13对 2240由式（ 13算实际中心距 00 2 2 4 0 2 0 6 6( 7 0 0 ) 7 8 722a m m m m （ 6）验算小带轮包角 1 ，由式（ 13 00211 2 8 0 1 4 01 8 0 5 7 . 3 1 8 0 5 7 . 3 1 7 0 1 2 0787o o a （ 7） 求 由（ 13 00() P K K 今1n =2930 r/ 1d =140221(1 ) 16 查表 13 0 由式（ 13传动比 21280 2 . 0(1 ) 1 4 0 (1 0 . 0 2 )di d 查表 13 由 1 =170o 查表 13查表 13 ，由此可得 1 3 . 2 3 . 0 8( 3 . 4 8 0 . 8 9 ) 0 . 9 8 1Z 因此， Z 取 4根 （ 8） 作用在带轮抽上的压力 查表 13 q=m, 故由式（ 13单根 20 500 2 . 5( 1 )q v