毕业设计（论文）-小型青饲料切割机设计

摘要随着畜牧业和农业现代化的快速发展，对青饲料切割设备的需求越来越迫切。然而，现有的切割机械在自动化程度、切割效率以及适应性等方面还存在一定的问题。因此，本文对小型青饲料切割机进行了详细的设计，以满足畜牧业和农业对高效、自动化青饲料切割设备的需求。该小型青饲料切割机具有结构紧凑、操作简单、自动化程度高等特点，能够实现对青饲料的快速、均匀切割，提高青饲料的利用率和加工效率。在设计过程中，主要完成了切割机的总体结构设计、进料输送装置设计、切割装置设计以及传动系统设计等关键部分。通过对不同切割方案的比较和分析，选择了最适合青饲料切割的切割方式，并优化了切割装置的结构和参数。在进料输送装置设计中，考虑到了青饲料的特性和喂入方式，设计了合理的喂入口、喂入辊子和压紧机构，以确保青饲料的顺畅输送和稳定切割。在切割装置设计中，选择了适当的刀片类型和大小，并进行了物料切割分析和切碎长度的确定，以实现最佳的切割效果。同时，对传动系统进行了详细的计算和选型，确保了切割机的高效、稳定运行。关键词：青饲料；切割装置；刀片AbstractWiththerapiddevelopmentofanimalhusbandryandagriculturalmodernization,thedemandforgreenfeedcuttingequipmentismoreandmoreurgent.However,therearestillsomeproblemsintheautomationdegree,cuttingefficiencyandadaptabilityoftheexistingcuttingmachinery.Therefore,thesmallgreenfoddercuttingmachineisdesignedindetailinordertomeettheneedsofanimalhusbandryandagricultureforefficientandautomaticgreenfoddercuttingequipment.Thesmallgreenfoddercuttingmachinehasthecharacteristicsofcompactstructure,simpleoperationandhighdegreeofautomation,whichcanrealizefastanduniformcuttingofgreenfodderandimprovetheutilizationrateandprocessingefficiencyofgreenfodder.Inthedesignprocess,mainlycompletedtheoverallstructureofthecuttingmachinedesign,feedconveyingdevicedesign,cuttingdevicedesignandtransmissionsystemdesignandotherkeyparts.Throughthecomparisonandanalysisofdifferentcuttingschemes,themostsuitablecuttingmodeforgreenfodderwasselected,andthestructureandparametersofthecuttingdevicewereoptimized.Inthedesignoffeedconveyingdevice,consideringthecharacteristicsandfeedingmodeofgreenfeed,areasonablefeedinginlet,feedingrollerandpressingmechanismaredesignedtoensurethesmoothdeliveryandstablecuttingofgreenfeed.Inthedesignofthecuttingdevice,theappropriatebladetypeandsizeareselected,andthematerialcuttinganalysisandthecuttinglengtharedeterminedtoachievethebestcuttingeffect.Atthesametime,thetransmissionsystemiscalculatedandselectedindetailtoensuretheefficientandstableoperationofthecuttingmachine.Keywords:greenfodder;Cuttingdevice;blade目录摘要 第1章绪论1.1研究背景、目的及意义1.1.1研究背景作为农业生产的重要国家，我国对粮食的依赖程度相对较高。我国不仅是一个拥有庞大人口的国家，而且由于近几年商业土地征用和退耕还林政策的实施，原先每人所拥有的土地数量已经大幅减少。因此，依赖天气来维持生计在农村已经不再可行，人们开始逐步认识到畜牧业的重要性，并开始大规模地养殖牛、羊等家畜。然而，在推动畜牧业生产的过程中，我国仍然面临诸多挑战，包括人口众多但可耕地面积有限，农户众多而农场相对较少，草地面积庞大但草产量有限，以及草地资源质量不佳和饲草利用效率相对较低。在早期养殖家畜的过程中，人们仅仅是简单地制作干草，这样做会导致饲草中35%~40%的营养成分流失，从而极大地减少了饲草的使用效率。为了让有限的土地资源能够发挥出更大的潜能，并用于大规模的畜牧业发展，我们必须从简单地调配干草转向储存青饲料。储存青饲料后，其营养价值能够维持在一个较高的水平。通常，经过青贮处理的饲料，其营养价值能够维持在80%至90%的范围内；此外，它还具有长时间的保存能力，如果存储条件良好，通常可以保存1~2年的时间；再者，使用青贮饲料可以促进饲料的高效生产，从而在有限的土地上获得更多的饲料；与干草相比，青贮饲料具有更浓郁的芳香，口感更佳，有助于提升其消化和吸收的效率；它有助于刺激奶牛的食欲和稳定其产奶量，特别是在寒冷的冬天，青贮饲料对于牲畜的营养补给显得尤为关键。青贮饲料具有“过腹增值”的特性，这不仅延长了整个产业链，还实现了种植业与养殖业的有机融合，充分发挥了种植业的潜能，从而提升了养殖业的整体效率。伴随着我国经济的飞速增长和人民生活品质的持续提升，人们对于健康和营养的饮食方式有了更为深刻的了解，同时，对于牛和羊的奶制品以及肉蛋类的需求也呈现出逐年增长的态势。因此，为了加速我国牲畜养殖和饲料作物的生产进程，青贮饲料的加工和收获机械成为这一发展阶段的关键环节，这就需要大规模生产系列化和高效化的青饲料切割机。1.1.2研究目的青饲料切割机是一种重要的农业机械设备，具有多种类型和广泛的适用范围。随着我国经济的迅速增长和人民生活水平的提高，对畜牧产品的需求不断增加，而青贮饲料作为提高牲畜饲养效率和质量的关键因素，其加工效率和质量直接影响着畜牧业的发展。因此，设计青饲料切割机旨在提高青贮饲料的加工效率和质量，促进畜牧业的健康发展，满足人民对优质畜产品的需求。1.1.3研究意义设计青饲料切割机的意义体现在以下几个方面：（1）促进畜牧业的发展：青贮饲料作为畜牧业生产的重要组成部分，其加工质量直接影响着畜牧产品的品质和产量。设计高效、精准的青饲料切割机能够提高青贮饲料的加工效率和质量，从而促进畜牧业的发展，满足市场需求。（2）提高土地利用效率：我国耕地资源有限，而青贮饲料的生产需要大量的草地资源。设计青饲料切割机可以提高青贮饲料的利用率，降低草地资源的浪费，从而提高土地利用效率，实现农业可持续发展。（3）推动农业机械化进程：设计青饲料切割机需要结合先进的机械制造技术，推动农业机械化水平的提升。通过研究和开发青饲料切割机，可以促进农业机械化的发展，提高农业生产效率，降低劳动强度。因此，设计青饲料切割机具有重要的实践意义和推动作用，对促进畜牧业的发展、提高土地利用效率以及推动农业机械化进程都具有积极的意义。1.2国内外研究现状1.2.1切割机械研究现状在20世纪20年代初期，欧洲和美国的一些先进国家已经研发出了玉米青饲切割机。到了60年代，玉米的联合收割已经成为可能，因此，在欧美的一些国家，研究主要集中在通用型联合收获机上。由美国SperryNewHolland公司生产的718型青饲料收获机主要由一个装有12把切刀的切碎滚筒组成，通过调整切刀数量，可以实现不同长度的切碎；这款改进后的890型青饲料收获机配备了电子金属探测装置，能够在金属碎片误入的情况下迅速发现并进行清理，以避免对牲畜造成不良影响或损坏切割装置和其他相关零部件。SperryNewHolland公司生产的36型甩刀式收获机是由转轴上铰接的多个弯曲甩刀和风送装置组成的。刀片具有两面的开刃设计，可以根据切割长度选择在刀盘上安装3把或6把割刀，这极大地提升了机器的工作效率。由美国Hesston公司开发的2000系列青饲料切碎机是一种大型的青饲料收获机械，其主要动力来源是121kW的拖拉机。在安装割刀时，机器与滚筒之间会形成特定的角度，并在割刀的中部和两端使用沉头螺栓进行固定。这种设计有效地消除了割刀因离心力导致的凸鼓问题，确保了刀之间的间隙为零，并赋予了机器强大的切碎能力。伴随着设备技术的日益成熟和完善，目前市场上的青饲料收割机已经基本达到了一体化的操作模式。美国的约翰迪尔（JOHNDEERE）公司成功研发了约翰迪尔8000系列的自走式青贮收获机（如图1.1所示）。这一系列包括4种型号（8500/8400/8300/8200）。经过一系列的优化，最新的8200型收获机配备了先进的智能对刀系统、48把刀的刀盘、冠军割台，以及可挂400系列的大转盘割台、300+系列的小转盘割台和600系列的捡拾器。此外，它还配备了一个无极可调的切割长度控制系统，确保切割秸秆时不会堵塞。切割的长度范围在61~210mm之间，而调整的步长则为10mm；德国克拉斯（CLAAS）公司开发的JAGUAR800系列青贮收获机（如图1.2所示）搭载了高性能的梅塞德斯奔驰发动机和DYNAMICPOWER动态动力系统，这使得燃料的消耗降低了高达10.6%，其配套的动力输出为220kW。美国纽荷兰（NEWHOLLAND）公司开发的FR系列青贮收获机（如图1.3所示）是纽荷兰目前最具动力的农业机械之一。这款机器运用了多项业界先进的技术，其强大的动力性能显著提升了传动扭矩，使得即便在崎岖不平的土地上也能轻松完成作业任务。FR600式青贮收获机使用了Cursor13涡轮增压复合式发动机，该发动机通过废气为发动机曲轴提供动力，从而使油耗降低了高达8%；PowerCruiseTMll系统具备根据实际操作负荷来自动调整发动机转速和收割机行进速度的能力，这有助于节省高达15%的燃油消耗。图1.18000系列图1.2JAGUAR800系列图1.3FR系列秸秆切碎机在我国是最早研发并广泛应用的饲草加工设备之一，其主要功能是切割如麦秸、稻草、谷草和玉米秸秆等的茎秆。在20世纪80年代初期，我国独立开发了众多机型，并根据其规格将其分类为大型、中型和小型；根据切割技术的不同，可以将其分类为盘刀式和滚筒式。小型的切碎机通常使用滚筒式，而大中型的铡草机则是为了更方便地抛送秸秆而选择盘刀式；根据不同的作业模式，可以将其分类为牵引式和固定式两种。大型的破碎机经常被用于需求巨大的养殖场所，它们的主要功能是切割青贮饲料的秸秆。中型和小型的破碎机主要是为小规模的个体经营者设计的，它们的主要功能是切碎干燥的秸秆，同时也可以用于切割青贮饲料的秸秆。在国内，李可和他的团队成功研发了9ZS20-40型的秸秆铡碎机，这款牵引式作业铡草机的配套动力范围是7.5~8.8kW，其生产效率达到了青秸秆1650kg/h和干秸秆850kg/h；由内蒙古赤峰市百强通用机械（农机）制造有限责任公司研发的9SQ-10型双行青饲料收获机（图1.4）配备了36~60kW的拖拉机，能够在田间同时完成作物的收割、切碎和抛送等多项任务；新疆机械研究院股份有限公司开发的93ZP-2500型圆盘式铡草机具有多种动力选项，包括11kW的电动机和13.2~14.7kW的拖拉机。这些机器都配备了可调节的2~6片动刀，其生产效率在2000~8000kg/h之间。国内自主研发的固定式作业铡草机包括：由北京顺诚明星农牧机械厂研制的9QS-1300型切碎机（图1.5），该机器使用输送链条进行进料，相比传统的输送带进料方式具有更好的防滑性能。所有的转动部件都采用了双排粒轴承，刀臂则使用钢板进行焊接。与老式铸铁刀臂相比，它更为安全。刀片是由65锰钢制成的，配套动力范围在11~15kW之间，生产效率为2000kg/h。内蒙古乌兰浩特兴安岭拖拉机有限公司开发的93ZT-1.0型滚筒式铡草机具有2.2~3kW的电机功率和800~1000kg/h的生产效率。凤城市华信增压器有限公司开发的9ZP-1.2型风送式铡草机（如图1.6所示）采用了盘刀式的4片直刃动刀设计，其配套的动力输出为2.7kW，而其生产效率介于1000~1200kg/h之间。西安市畜牧乳品机械厂开发的九棱9ZC-15型铡草机，其生产效率达到了青秸秆1500kg/h和干秸秆3500kg/h。图1.49SQ-10型图1.59QS－1300型图1.69ZP-1.2型1.2.2结构优化研究现状虽然最近几年关于切割装置的切割性能试验的研究相对较少，但过去的理论探索仍然为我们提供了宝贵的学习和参考。M.Jamshidpouya和他的团队设计并制作了一种饲料切碎机的滚筒式刀盘。为了评估其性能，他们以进料辊的转速、切割滚筒的转速和刀片的螺旋角作为试验变量，并以切割功率作为性能评价的标准进行了深入研究。研究发现，在进料辊转速达到150r/min、切割滚筒转速为677r/min以及刀片螺旋角为9.22°的条件下，切割功率达到最低水平；SunilK.Mathanker及其团队为了更好地设计切割刀片，深入探讨了切割速度和刀片的倾斜角度如何影响切割的能量。经过研究发现，当切割速度达到7.9m/s且刀片的倾斜角度为60°时，切割的能量可以降低五倍；MartinBueermann和GerdBernhardt等人通过调整喂入辊输入轴的转速，成功地改变了秸秆的进给速度，进而达到了调整秸秆铡切长度的目的。此外，机壳上安装了一个感应金属的超声波装置，以防止金属物质进入饲料中。如果检测到金属进入机壳，切割装置会立即切断喂入的动力，然后停止铡刀的转动，待取出后再重新启动。国内的研究人员主要集中在结构优化和性能测试等多个方面进行深入研究。从结构优化的角度出发，陈玉华等人对青贮秸秆铡揉机的喂入装置、切割装置和抛送装置进行了深入的优化设计研究；汪晓洲和他的团队对9ZC-460型滚筒式铡草机采用了纵向歪切、斜切和喂入口双定刀的技术进行了优化，从而显著提升了其切割效果；曹玉及其团队对9ZC-460型滚筒式铡草机在操作过程中割刀与秸秆之间的互动进行了详细的动态分析，识别出了影响切割阻力的关键因素。通过采用双定刀对秸秆层进行切割装置的改良实验，研究结果显示，与单定刀相比，双定刀在切割过程中的功率更低；李亚明和他的团队对小型滚筒式铡草机进行了深入研究，通过增强转动惯量和优化其结构参数，成功地提高了机器的操作稳定性；刘伟峰及其团队的研究表明，割刀在切割秸秆时的位置会对切割的阻力和能耗产生一定的影响。通过调整铡草机的原始喂料口方向，可以将动刀从横向正切秸秆转变为斜切或纵向歪切，这不仅降低了切割阻力，还提高了铡草机的切割性能。从切割性能试验的角度出发，方梅等人主要以玉米秸秆的含水率、主轴的转速和动定刀的间隙作为主要的影响变量，并以比功耗作为性能的关键指标，对9Z-6A型铡草机的切割性能进行了深入的实验研究。研究发现，在玉米秸秆含水率为27%、主轴转速达到650r/min、动定刀间隙为2mm的条件下，铡草机在切割过程中的比功耗值达到了最高值；郭颖杰和程昱等人使用万能试验机，以玉米秸节部位、行刀速度和刀具角度作为主要的试验变量，并以剪切力作为性能评估指标，对玉米秸秆秸节部位进行了纵向剪切实验。研究结果显示，当剪切秸节部位为第七节、刀具角度为40°、行刀速度为100mm/min时，剪切力达到最小值；王政和他的团队对9Z-480型青贮铡草机的切割流程进行了深入研究，并得出了动刀等滑切角刀刃曲线方程与切碎器切割功耗最小的数学模型。1.3研究内容、方法与技术路线1.3.1研究内容（1）分析青饲料的物理特性，各类青饲料切割机的优缺点，小型农场个体农户对切割机机的需求，确定青饲料切割机的功能及总体结构，并且在分析现有青饲料切碎机的结构以及运动形式的基础上，找出其存在安全隐患的环节，从提高安全性的角度对农用青饲料切碎机进行改进设计；（2）传动系统设计，确定其设计方案，并对主要零、部件进行设计计算；（3）输送系统设计，在进料槽处设计一种代替人用手喂料的装置以及碎饲料推出装置，就可以避免安全隐患；切碎机工作中故障的发生，多是由在输送过程中麻纤维缠绕滚筒所引起，确定防纤维缠绕设计方案，并对主要零、部件进行设计计算；（4）切割器结构设计与参数确定，切割装置是切割器的关键零部件，其主要由定刀、切割滚筒及动刀片等组成，装配定制的锰钢刀片，可提高切刀片的使用寿命。（5）通过使用CAD等绘图软件，绘制出各结构主要零件图图纸。1.3.2研究方法调查法；调查小型牧场个体农户对青饲料切割机的需求，确定青饲料切割机的功能。归纳分析法：分析青饲料切割机的优缺点，确定总体结构及各系统的方案。查阅文献法：查找与课题相关的设计手册、期刊等文献资料，进行主要零件的设计计算。1.3.3技术路线图1.7技术路线图第2章小型青饲料切割机总体设计2.1设计要求（1）该青饲料切割机可切碎各种青草类、青谷秸、青玉米秸、青麦秸等各种青饲草；（2）该青饲料切割机具有结构紧凑，体积小，性能优、效率高、切草轻快、工作可靠、铡切质量好、重量轻、体积小、操作安全等优点；（3）切割长度：20~40mm；（4）功率：0.55KW。2.2切割方案分析小型青饲料切割机的切割装置是一种专门用于将物料从其原始的大尺寸切割成所需尺寸或形态的加工设备。该技术也在畜牧机械加工等多个行业中得到了广泛的应用。根据切割物料的各种形态，切割设备可以被分类为：茎秆类型的切割设备和块状物料的切割设备。这个设计主要针对杆状物料，包括三种不同类型的杆状物料切割装置，分别是盘刀式、滚刀式和锤片式。2.2.1滚刀式切割装置如图2.1所示，滚刀式切割装置主要由输送装置、喂入装置、切碎器和抛送装置等核心部件构成。切碎器的核心部分在于滚筒，其上安装了多把分布均匀的刀片。滚筒通过链轮或齿轮的传动实现旋转，进而驱动刀片对物料进行切割。当滚刀式切割装置运行时，上、下喂料辊以相反方向旋转。上喂料辊负责夹紧秸秆并送入切碎区域。随着滚筒的转动，由定刀和动刀组成的切碎副开始工作，对秸秆进行切碎。切碎后的物料通过动刀与滚筒之间的空隙进入滚筒内部，随后碎段落入排槽内，并由抛投器抛出，最终实现滚筒内成品的排出。滚刀式切割机械具有紧凑的结构设计，滚筒上能安装更多的切削刀片，从而提升了切削质量。此外，其安装简便，刀片磨刃也较为容易。然而，这种切割装置也存在一些不足之处，例如物料切碎后需依赖抛投器进行抛出，自动化程度相对较低；同时，刀刃的刚性相对较差，可能影响切割效果。图2.1滚刀式切碎器2.2.2盘刀式切割装置盘刀式切割装置的结构如图2.2所示，盘刀式切割装置主要由切碎机构、喂入机构、抛送机构、出料装置、机架以及电动机等关键组件构成。物料通过喂入机构顺畅地进入切碎机构。在此过程中，动刀片刃口线的运动轨迹呈现为一个垂直于其回转轴的圆形平面。这种特殊的运动轨迹结合定刀的作用，有效地对物料进行切碎，随后通过抛送机构将切碎后的物料抛送至装置外部。盘刀式切割装置因其出色的切割质量和高效的生产效率，在畜牧、食品及饲料加工等领域得到了广泛应用。其设计特点使得拆装刀片变得方便快捷，同时自动化程度也较高，极大地提升了工作效率和用户体验。图2.2盘刀式切碎机2.2.3锤片式切割装置锤片式切割装置的结构如图2.3所示，锤片式切割装置由电机、传动部分、供料装置、机体、转子、齿板、筛片以及集料筒等核心组件构成。物料被放入粉碎室后，受到高速旋转的锤片强烈打击，初步破碎。随后，物料被分散至齿盘及筛网处，进一步在齿盘与筛网的相互作用下被撞击为细碎粒状。此外，物料在锤片、筛网等部位的摩擦作用下，得以进一步细化。锤片式切割装置以其高破碎比、强生产能力、产品规范化、低浪费、低能耗、结构简单、质量轻、易维护等优点，成为了一种新型且高效的生产工艺。然而，当处理硬物质材料时，其磨耗速度会相对较快；而在处理粘湿物料时，由于易导致筛网堵塞，故建议物料含水量不应超过10%。图2.3锤片式切碎机2.2.4切割方案选择在设计过程中，通过对不同切碎方案的比较，并根据相关颗粒及能耗分析，由图2.4能耗分析表[12]可知。图2.4不同转速能耗图从相关的能耗消耗图2.4中可以观察到，在电动机转速相同的情况下，使用盘刀式切碎方法所需的能量是最低的。这是因为在这三种切碎方式中，平均颗粒大小最小的是且盘刀式切碎方法。因此，本设计选择了盘刀式的切割工具。2.3总体结构与工作原理本次设计的小型青饲料切割机主要由切割装置、输送进料装置、出料口、机架、动力系统等组成，其外形尺寸为468mm×324mm×477mm（长×宽×高），如图2.5所示。其中，切割装置主要由切割刀片、刀盘、切割室等组成。在青饲料切割机运行过程中，其切割装置是由主电机驱动主轴进行旋转的。主轴上的刀盘和刀片在高速旋转的条件下对玉米秸秆进行切割。与此同时，进料输送装置的压紧轴也在小电动机的驱动下进行旋转，以确保秸秆能够顺利进入机器内部，进而实现秸秆的有效切断。将切碎的秸秆粒子从出料口排放到切割室之外，然后由工作人员进行收集。1.刀盘2.刀片3.切割室4.进料输送装置5.出料口6.机架7.电机8.带传动9.刀盘轴图2.5小型青饲料切割机总体结构图第3章小型青饲料切割机进料输送装置设计3.1进料输送装置设计小型青饲料切割机的进料输送装置的主要任务是以稳定的速率将秸秆推送到切碎器，同时确保在切割过程中秸杆能够保持稳定。为了确保切割过程的准确性和整洁性，在喂料阶段必须确保各料层间不存在相对的滑动现象，并在秸秆厚度发生改变的情况下，依然能够稳定地固定物料。这个进料输送装置是由喂入口、上下的喂入辊子，以及喂入辊的压紧调节机构等多个部分构成的。在设计过程中，我们将辊子的上下喂入部分设计为沟槽结构，以提高其对物料的抓取能力。除此之外，我们还新增了一个压紧调节装置，这使得上喂入辊子能够进行上下移动，从而确保在均匀且快速的喂入过程中，物料始终能够被稳固地夹持。随着喂入层的厚度变化，喂入口的间隙高度能够自动调节，从而确保物料始终保持被切碎的状态。浮动机构主要是由弹簧、滑块等部件组成的。随着物料层的厚度增加，它有能力克服弹簧施加的压力，从而使上方的喂入辊子能够向上浮动。为确保机械结构的高效性能，我们对喂入辊子的旋转速度、直径和沟槽的深度等关键参数进行了细致的筛选。3.1.1喂入口喂入口的结构直接影响本机的喂入均匀性、连续性以及加工质量和生产率，主要涉及喂入口的安装位置、角度和尺寸大小。喂入口尺寸由高度和宽度决定。根据文献[10]可知，产量为10t的切割机宽度，高度。由于本机产量预设不是很高，将生产效率初定为5t/h左右，则类比结果取，。喂入口宽度即为喂入辊子长度。处理秸秆的机械设备通常采用轴向或切向的布局方式。这台设备是通过轴向方式进行安装的。我们还对其安装角度α进行了实验，使其与水平面的角度在5°~20°之间。实验结果显示，当α处于15°~20°的范围时，将秸秆放入喂食口后，它会稍微接触高速旋转的转子，然后被转子完全送入揉碎室，无需人工强行填充。这不仅确保了工作的连续性和可靠性，同时也增强了工作的安全性。如果角度继续扩大，虽然可以进一步优化喂入效果，但这可能会导致进料斗的倾斜过大，从而增加操作者的疲劳风险，因此是不推荐的。3.1.2喂入辊子（1）工作状态分析。喂入辊的工作状态如图3.1所示：喂入辊工作时，对物料产生作用力R，受力分析如图3.2所示。设R力与两喂入辊轴心连线夹角为。两喂入暂喂入物料时，还有摩擦力，方向与R垂直。是起卷入物料作用的力，R力在水平方向的分力是阻止物料卷入的力，故喂入辊工作的必要条件为故，即式中，——物料对喂入辊表面的摩擦角，玉米秸秆为17°~27°，青饲草18°~30°。图3.1辊子工作状态示意图从以上分析，若要保证输送物料，必须，故加大喂入辊与物料间的摩擦系数，可以提高喂入辊的喂入性能。图3.2喂入辊工作分析（2）喂入辊的直径。喂入辊的直径是决定物料卷入程度的关键因素。当喂入辊的直径减小时，喂入传动比也相应减小，进而使得整个机器结构更为紧凑。然而，直径过小可能会导致喂入辊在运行时出现打滑、物料缠绕等问题，严重时甚至无法正常输送物料。因此，在设定喂入辊的最小半径时，必须确保它能有效地输送物料，以此为前提来确定最佳的直径值。根据图3.2喂入辊工作过程分析，若喂入层的厚度为A，经过喂入辊压紧后变为a，喂入辊的半径为r，得：即式中符号意义同前。因为，所以，；得出喂入辊半径为：式中，——被压缩后物料层厚度，20mm；——物料层通过喂入辊时的压缩系数，0.3~0.7，本机取0.35；——物料层与怅的摩擦角，16°~32°，本机取30°；——喂入带上物料层厚度，。则喂入辊子的直径。（3）喂入辊的形状。为使喂入辊正常工作，不应使喂入层过厚，并应尽可能增大物料层与辊子的摩擦角，以提高喂入辊的抓取能力。为此，辊子的表面最后采用具有各种沟槽的喂入辊(如图3.3)。（a）光面辊（b）刀齿形（c）沟齿形图3.3喂入辊形状在图中（a）所示的光面辊子，其摩擦力相对较小，因此在进料效果上不如（b）和（c）所示的辊子。特别地，（b）中带有圆周向沟槽的喂入辊虽然具有一定的优势，但极易出现缠草的问题。为了解决这些问题，一些辊子会加装梳齿板，并对辊面进行机械加工，然而，这样做既增加了装配的难度，也提高了制造成本。因此，在某些秸杆粉碎机的设计中，上喂入辊采用光面设计，而下喂入辊则采用沟齿形设计。考虑到沟槽辊在卷入能力上的相对优势，本文在设计中选择了上下进料辊均采用沟槽式辊子的方案。（4）喂入辊的表面沟槽参数设计。沟槽齿尖的设计方向与旋转方向相反，从而避免了挂草的问题。同时，齿形在轴向长方向上保持完整，不设环状沟槽，如图3.4所示。图3.4辊子表面设计示意图取齿数，则每齿占有36°圆心角，齿顶弧长取1mm(即1.53°)所以，齿槽圆心角本文中选用直径约40mm的玉米秸秆作为设计，则喂入辊的沟槽开口为40mm，假设喂入辊原始间隙为3mm，故单辊开口占。所以，辊齿开始工作角，又沟槽工作面CD进入工作状态时应出于所以，在中，故，，沟槽径向高度为。由于沟槽的工作面CD在开始工作时，开口40mm，又处于，这样就保证粗壮玉米秸秆能及时地被棘齿抓住并顺利地输送给切刀。由此，可看出辊面表面合理的沟槽设计可大大提高喂入能力。最终设计的喂入辊子结构如图3.5所示。图3.5喂入辊子结构示意图3.1.3压紧机构设计在本设计中，引入了压紧调节机构，旨在确保无论喂入层的厚度如何变化，都能对物料层施加足够的压力，从而保证切碎器能够整齐地切割物料。近年来，国外的自动进料机构设计逐渐趋于复杂化和高效化，它们不仅要能够卷入、输送和压紧物料，而且还要在输送过程中施加足够的压力将物料压扁，特别是对于像玉米秸杆这样具有硬茎节的物料，需要将其压碎。因此，喂入辊的压紧机构在整体设计中扮演着至关重要的角色。常见的压紧机构主要包括双弹簧式、弹簧式和重锤式三种形式。然而，由于喂入辊的重量限制，仅仅依靠其自身重量对物料层施加的压力是有限的。因此，实际应用中广泛采用弹簧加压机构来增强对物料层的压力。本机设计选用了张力弹簧式加压机构，如图3.6所示。这种设计使得上喂入辊对物料施加一定的压力，并且这种压力会随着物料厚度的增加而相应增加。当物料厚度超过预设的阈值时，上喂入辊的张力弹簧会被顶起，从而确保喂入辊轴的平行度。图3.6压紧机构示意图本文选取GB/T4142-2001圆柱螺旋拉伸弹簧A型（圆钩环型），材料直径d=2mm，中经D=10mm，初拉力F0=37N。小型青饲料切割机工作时，上喂入辊随着喂入物料的直径变化，靠轴座上的滑块，上下喂入辊中心距在75～144mm之间，以便适用于不同物料喂入并夹紧，如图3.7所示。1.喂入辊子支架2.下喂入辊3.上喂入辊4.滑块5.横杆6.拉杆7.弹簧图3.7进料输送装置结构示意图3.2进料输送装置功率计算本次设计的小型青饲料切割机在切割过程中，秸秆先经过进料辊子，然后经过切割装置的切碎，最后从切割室排出，每一步的速度都将互相影响。根据文献将切割主轴与进料辊子之间的传动比为2，取切割主轴转速为800r/min[11]。故可计算辊子转速为：由此可知，进料速度：。根据市场上现有的类似进料机构，所需的动力一般在0.55~3kw左右。本机为保证系统的持续进料，选择较大的电机作为动力来源，取电机功率为0.75kw。进料辊子由齿轮系统的两根轴带动，故而齿轮箱轴的转速等于进料辊子转速，即400m/s。根据以上参数，选择YCT160/4B型交流调速电机，参数如下表3.1所示。表3.1电机参数型号标称功率/kw额定转矩Nm调速范围/r/minYCT160/4B0.754.9125~1230第4章小型青饲料切割机切割装置设计4.1切割装置设计切割机构主要是由刀盘和刀片构成的，当机器启动时，刀盘轴会驱动刀盘快速旋转，与刀片产生剪力，从而实现物料的切碎。本设计中，切割机构被视为关键部件之一，它为后续的加工提供了必要的基础。切割机构的性能不仅直接决定了后续青饲料加工的效果，而且还会对整个机器的性能产生影响。在设计切割机构时，需要注意以下几点：1.机器在切割过程中产生的滑切效应，这种滑切有助于降低切割时的阻力；2在切割过程中必须保持稳定，确保切割材料和刀片之间不会有任何相对移动：3切割机构的转轴需要承受均匀的载荷，以确保机器的工作平稳性，使切割阻力的变化更为均匀，通常会选择质量较低的刀盘。4.1.1刀片类型选择在我国，秸秆切割机主要分为两大类：轮刀式和滚筒式。轮刀式切割机在市场上有着广泛的应用，而滚简式切割机则主要被用于切割青饲料。刀片主要分为直线型、凹面线型和凸曲线型三种类型。依据相关文献中的实验数据，当秸杆物料转速相同时，使用凸曲刃刀进行切碎的单位质量秸秆具有最低的能量消耗和相对较高的产量。因此，本设计采用了凸曲刃刀进行切割，刀片数量为4，并且都被均匀地放置在刀盘上。刀片三维模型如图4.1所示。图4.1刀片4.1.2物料切割分析依据刀刃线的移动模式，刀片的切割可以被划分为滑切和砍切两种，正如图4.2展示的那样。在物料经历滑切的情况下，刀片上的刀刃线与切割动作的方向并不是完全垂直的；在物料被砍切的情况下，刀片上的刀刃线与切割动作的方向是垂直的。在实际的切割操作中，与砍切相比，滑切更为节省力气。在特定的滑切角范围内，滑切的深度越大，所需的切割力量就越少。AB代表刀片的刀刃线。当切割物料的刀片出现滑切时，会形成滑切角。刀片按照速度V进行切割，并在物料接触的切割点M处分解为两个速度V1和V2，即滑切速度和砍切速度，其中速度V1与V2的夹角是滑切角τ。图4.2刀片滑切示意图如图4.2所示，在数值上，滑切角τ等于刀刃线与切割半径的夹角。刀刃线AB到回转中线O具有一定的偏心距e，进而保证了滑切过程的产生，如图可知：进一步的分析表明，在切割过程从开始到结束的整个过程中，随着切割点逐渐向外移动，切割的半径r逐步扩大，而滑切角τ的角度则逐步减小。因此，刀片的切割阻力与其切割半径是正相关的，而与滑切角则是负相关。根据现有的研究资料，当τ设为30°~50°时，能量消耗是最低的，通常选择20°~60°。这个设计的角度是30°。4.1.3刀盘的大小根据市面上主要销售的产品调查研究，将喂入口到回转中心O的水平距离(侧距)c定为55mm，喂入口的尺寸为，。则刀盘的直径为。所设计的动刀刀盘如图4.3所示。图4.3刀盘4.1.4切碎长度切碎长度的小型青饲料切割机的主要切碎性能指标之一，机器工作时，秸秆被喂入辊卷入切碎机构的速度，切碎机构每秒的切碎次数为，由此可得出理论的切碎长度为：式中，为切碎轴的转速；n为喂入辊的转速；k为刀片数；i为切碎机构的轴与喂入机构的传动比；D为喂入辊的直径，75mm；考虑到喂入辊的有打滑的可能，则实际的切碎长度为：式中，为打滑系数，一般取。已知，，，，，则理论长度，在20~40mm范围内，满足要求。4.1.5切碎的理论生产率理论生产率Q的计算公式为：式中，k为刀片数；k=4L为切碎长度；L=0.028ma为喂入口高度；a=0.075mb为喂入口宽度；b=0.2m为喂入辊压缩后的茎秆容重，取玉米秸秆密度为140kg/m3；为喂入辊的转速，400r/min；所以。4.2切割装置传动设计4.2.1电机选型电动机是系列化的标准产品，其中三相异步电动机应用最广泛。Y系列电动机是一般用途的全封闭自扇冷鼠笼式三相异步电动机，适用于不易燃、不易暴、无腐蚀和无特殊要求的机械设备尚。Y系列电动机效率高，耗电少，性能好，噪声低，振动小，体积小，重量轻，运行可靠，维修方便。为B级绝缘，结构为全封闭、自扇冷式，能防止灰尘、铁屑、杂物侵入电动机内部。因此，切割部分选用Y系列电机作为驱动电机。由前文可知，切割刀轴转速为800r/min，切割功率为0.55Kw，为了保证切割装置在切割不同性质的青秸秆时，仍能稳定运行，故所选电机的功率应大于0.55kw，取0.75kw。传动方式为V带传动，V带传动比范围为1~10，则切割电机转速范围为800~8000r/min，Y系列电机中符合这一要求的电机型号分别为：Y80M1-2，转速为2830r/min；Y80M1-4，转速为1390r/min；Y90S-6，转速为910r/min。其中，由于Y80M1-2具有更高的相对额定速度，这会导致转子总传动比的损耗增加；另外，Y90S-6型电机因其转速频率偏低、磁阻极损耗过多、重量消耗较大和成本较高，也不太适合。经过一系列的对比分析，最终决定选择Y80M1-4电机。（1）传动装置总体传动比总传动比选用为（2）确定各轴转速、转矩转速计算小带轮轴转速：大带轮转速：（3）转矩计算对电动机轴：对各转动轴：功率：转矩：4.2.2带的设计及计算（1）皮带及带轮材料的选择首先，选用的皮带材料是胶帆布制成的，这主要是因为带轮所处的工作环境相对干燥，从而减少了工作量。对于带有轮子的滚筒，我们选择了常规的设计，因为它需要承受的载荷相对较小，所以这种滚筒的构造是轮辐型的。（2）皮带及带轮的机构示意图图4.4皮带及带轮的示意图（3）皮带及带轮的一些基本尺寸及计算根据小带轮转速为1390r/min，功率为0.72kw，查表选得皮带小带轮的直径取315mm，则大带轮的直径为548.1mm，圆整取550mm。d2=（取）（4.1）所以大带轮轴的转速为n2=798.8r/min4）带长=2a+（d1+d2）+（4.2）考虑到胶帆布皮带是通过硫化接头连接的，当数字代入为=2298mm时，根据表格显示，选择的带的基准长度L是2300mm。5）如果带传动的中心距太小，那么带的长度也会相应减小。在速度固定的情况下，带的循环次数会增加，这对带的使用寿命是不利的，并且包角也会减小。因此，带传动的中心距不应该太小，也不应该太大，否则会导致带的跳动。初步确定中心的距离：（4.3）取a=930mm计算实际中心距：=939.6（4.4）6）在带的最大有效拉力的分析中可知，小带轮包角取得过小，将影响带传动能力，一般小皮带轮的包角应不小于150°，如果设计时包角太小，应增大中心距或张紧轮。（4.5）7）带层：初选速度为5m/s，小带轮直径为315mm，查表得Z=68）计算带的张紧力和压轴力带的截面积A=查表得=1.1，=0.97，=1.0，=1.2得A=2.37（4.6）——工作情况系数——小带轮的包角系数——传动布置系数——皮带单位截面积所能传递的额定功率带的正常张紧应力，短距离普通传动取=1.6，作用在轴上的压轴力：=7.93N（4.7）4.2.3带轮轴的设计与校核（1）小带轮轴的设计与校核选择轴的材料并确定许用应力：选用45号钢正火处理，查表《轴的常用材料及其主要力学性能和应用》得强度极限=600MPa，其许用弯曲[]=55MPa。确定轴的直径：按扭转强度估算，取C=110，则d=C=110=22.66mm（4.8）考虑到轴上存在键槽，我们可以将轴的直径扩大5%d=22.66×(1+5%)=23.79mm这一段轴的直径和长度应当与联轴器保持一致。联轴器TL5型弹性圈柱销联轴器的起轴孔直径为25mm，与轴的配合部分长度为62mm，因此这一段轴的直径应为25mm。下面是轴的简图以及受力分析的图示:轴的基本数据如下=25mm，=80mm此段轴上装有键槽，其尺寸为b×h=8×7，L=40mmd4=30mm，L4=19mm此段轴主要是用于安装轴承，主要按轴承内径尺寸系列确定，初选轴承类型为深沟球轴承，型号为6306，内径为30mm，外径为72mm，宽度为19mm。d3=50mm，L3=400mm此段轴主要考虑轴上的键槽，取其数值为b×h=14×9d2=30mm，L2=30mm此段只要也是安装轴承，选取轴承类型为深沟球轴承，型号为6306。画水平受力图，计算支点反力，画水平弯矩图，见图4.5，考虑到C、D处为可能的危险截面，计算出C、D处的弯矩。图4.5轴的分析图由于轴主要是承受转矩，T=83400==3336N支点反力NC点弯矩：D点弯矩：画出垂直面受力图，计算支点反力和C、D两处的弯矩，画出垂直面弯矩图如图4.5所示。支点反力C点弯矩：D点弯矩：求合成弯矩，画出合成弯矩图如图4.5所示。C点合成弯矩：D点合成弯矩：画出转矩T图，如图所示。计算C、D点的当量弯矩，画出当量弯矩图，如图4.5所示。C点当量弯矩：D点当量弯矩：校核轴的强度根据弯矩的大小及轴的直径选定C、D两截面进行强度校核。C截面当量弯曲应力（因C截面有键槽，考虑对轴强度的削弱影响，故乘以0.95）。C、D两截面均安全。（2）大带轮轴的设计与校核选择轴的材料并确定许用应力：选用45号钢正火处理，查得强度极限=600MPa，查得其许用弯曲[]=55MPa。确定轴的直径：按扭转强度估算，取C=110，则d=C=110=24.9mm（4.10）考虑到轴上有键槽，将轴的直径增大5%，则d=24.9×（1+5%）=25.4mm这里d取30mm。轴的示意图如下：图4.6轴的示意图轴的基本数据如下：d1=d3=30mm，L1=L3=30mm此两段轴主要是用于安装轴承，主要按轴承内径尺寸系列确定，初选轴承类型为深沟球轴承，型号为6306，内径为30mm，外径为72mm，宽度为19mm。d2=50mm，L2=400mm此段轴主要考虑轴上的键槽，查表取其数值为b×h=14×9L=180mm由于轴主要是承受转矩，受力情况与小轮轴相同，可参照图4.5所示。T=101600==4064N水平支点反力和C、D两处弯矩的计算：支点反力NC点弯矩：D点弯矩：垂直支点反力和C、D两处弯矩的计算：支点反力C点弯矩：D点弯矩：求合成弯矩：C点合成弯矩：D点合成弯矩：计算C、D点的当量弯矩：C点当量弯矩：D点当量弯矩：校核轴的强度根据弯矩的大小及轴的直径选定C、D两截面进行强度校核。C截面当量弯曲应力（因C截面有键槽，考虑对轴强度的削弱影响，故乘以0.95）。C、D两截面均安全。4.2.4联轴器的选用为了降低电机传动部件间的横向相对振动，并增强机械传动速度的稳定性，我们需要合理地补偿大电机轴端末端和小电机传动轴可能出现的径向相对位移。考虑到实际传动设备的功率与扭矩之间的差异，我们选择使用弹性套柱销联轴器。在教科书中，关于连轴器的扭矩计算公式是：查机械设计手册，取则有：根据,查手册(GB/T4323.2002)知，三相交流电机的最大扭矩输出大齿轮轴的直径大约是28毫米。然而，最能与其完美匹配的接头通常是一种弹性的套柱销耦合器，其最小的公称孔径约为LT4。在这种情况下，可以选择LT4型弹性的套柱销耦合器。这种耦合器的名义扭矩输出范围大约是，当与额定输出扭矩较低的齿轮作为耦合器的轮毂是半耦合孔径时，半联轴器的I—II直径等于L=52毫米，而用于轴的轮毂则具有L1=38毫米的孔长度。图4.7联轴器示意图4.2.5轴承的选择和校核a.作为机座轴支撑件的一种刚度支撑和结构，必须既要能连续地独立，又要能承受各种不同的竖向和轴向负荷。本文选择了型号为51209的深沟止推球轴承。表4.1轴承51209的主要技术参数轴承代号基本额定极限转速r/min动载荷Ca/KN静载荷Coa/KN脂润滑油润滑5120947.810522003400b.齿轮轴上轴承的选取鉴于主齿轮轴支座上仅有两个齿轮支座的齿轮端部安装精度存在问题，因此，两个轴承的额定直径也应稍大一些，这两个轴承的公称直径也应稍大一些。我们选择了30206和30207这两种圆锥滚子轴承作为基础参数类型。表4.2齿轮轴上轴承的主要技术参数轴承代号基本额定极限转速r/min动载荷Cr/KN静载荷Cor/KN脂润滑油润滑3020643.250.5600075003020754.263.553006700c传动轴上轴承的选取：在传动轴的底座上，还安装了一根额外的径向止推滚珠轴承，以确保它们能够同时承受两种轴向负载，并且在它们的中部还有一对径向推力轴承，以便确保整个驱动机构的轴向旋转。选用30210型单排止推球面滚动轴承。表4.3传动轴上轴承的主要技术参数轴承代号基本额定极限转速r/min动载荷Cr/KN静载荷Cor/KN脂润滑油润滑3021073.292.043005300C.轴承的校核实验数据显示，锥滚子轴承的基础应力状态是导致其永久性损坏的主导因素。由于接触表面的应力和变形过大，这导致了永久性的破坏和永久应力变形，形成了一个巨大的凹槽（即材料不允许的永久变形）。因此，根据这类轴承材料的最大静态载荷承载能力，选择合适的材料的公式如下:《机械设计》13.17其中为最大当量静载荷，是根据轴承的通用工作性能状况而定的最大静扭强度安全系数。基本参数按照《机械设计》表格3.8号顺序转动，一般静态负荷为1-2，这里取1.5。上轴承受纯径向载荷所以因此轴承合适。下轴承受径向和轴向载荷，R为径向载荷A为轴向载荷X和Y均作为径向或轴向负载的系数，它们的数值可以根据《机械设计》和图13.5获得。因为所以所以因此轴承合适齿轮箱的上端滚子轴承径向受力半径也非常狭窄，因此无需进行校核。轴承摩擦力矩的计算：如果(C为基本额定动载荷，P为所受当量动载荷)，可按《机械设计手册》第二版(16.1-13)公式：估算其中：为滚动时轴承最大摩擦传递因数，F中为最大轴承载荷，d内为最小轴承内径。查表《机械设计手册》第二版表16.1-29可得所以也可以用此公式估算所以4.2.6键的设计和计算（1）选择键连接的类型和尺寸一般要求齿轮精度为8级或更高的齿轮，需要对中心齿轮的精度有一定的要求，使用平键.根据d=55d=65查表取：键宽b=16h=10=36b=20h=12=50（2）校和键连接的强度查表得[]=110MP工作长度36-16=2050-20=30③键与轮毂键槽的接触高度由式得：＜[]＜[]两者都合适取键标记为：键2：16×36AGB/T1096-1979键3：20×50AGB/T1096-19794.3整机装配完成小型青饲料切割机关键机构的设计之后，利用UG软件对其进行三维建模与装配，关键零部件建模如图4.8所示，整机装配如图4.9所示。（a）进料口（b）机架（c）电机（d）带传动图4.8关键部件建模图4.9小型青饲料切割机第5章结论针对青饲料切割效率低下、自动化程度不高的问题，本文主要完成了小型青饲料切割机的设计，其具备高效、自动化的切割功能，对于提高青饲料的处理效率和降低劳动力成本具有显著作用。本文首先综述了国内外切割机械和结构优化的研究现状，分析了不同切割方式的特点和适用范围，为小型青饲料切割机的设计提供了理论基础。然后，基于设计要求，对比了滚刀式、盘刀式和锤片式切割装置的优缺点，最终选择了适合青饲料切割的切割方案，并完成了切割机总体结构与工作原理的设计。在设计中，详细规划了进料输送装置和切割装置的结构和参数，包括喂入口、喂入辊子、压紧机构、刀片类型、物料切割分析、刀盘大小、切碎长度、切碎的理论生产率等。同时，对切割装置的传动系统进行了设计，包括电机选型、带的设计及计算、带轮轴的设计与校核、联轴器的选用、轴承的选择和校核以及键的设计和计算。最终，完成了整机的装配。当然，由于相关资料的缺乏和自身能力的不足，该设计还存在许多不足的地方需要进一步完善。例如，在实际应用中，可能需要进一步优化切割装置的结构和参数，以提高切割效率和降低能耗。此外，对于不同种类和含水量的青饲料，可能需要设