閆 鵬，崔紅梅，趙滿全，張 濤，樊 琦

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特 012000)

0 引言

自20世紀末開始，我國畜牧業(yè)得到了很大的發(fā)展，在秸稈大量需求的同時揉碎機的應(yīng)用也非常普遍。揉碎機是介于鍘切與粉碎兩種機械加工工藝之間的一種新型加工方式[1]，秸稈通過揉碎機里高速旋轉(zhuǎn)的錘片打擊、齒板的摩擦、物料和機器表面的揉搓作用而破碎；但要達到一種細而柔軟、膨松、適長度的理想絲狀段秸稈還有著一定的差距，且功耗較大[2]。因此，對揉碎機新型揉碎原理及關(guān)鍵部件優(yōu)化很有必要，本文在現(xiàn)有9R-60型揉碎機機型的基礎(chǔ)上設(shè)計一款試驗臺。

1 揉碎機測試試驗臺設(shè)計

由于直接對9R-60型揉碎機進行功率測試比較困難(見圖1)，因此需搭建9R-60型揉碎機試驗臺。通過SolidWorks設(shè)計秸稈揉碎性能試驗臺，即應(yīng)用聯(lián)軸器、銜接主軸與軸承座，在皮帶輪和轉(zhuǎn)子軸之間接入扭矩轉(zhuǎn)速傳感器；電動機在提供動力傳遞到主軸的過程中，靠扭矩力把試驗臺與原機架運動起來，以便為揉碎機的功率測試提供平臺。設(shè)計好的功率測試試驗臺如圖2所示。

圖1 9R-60型揉碎機原圖Fig.1 Original 9R-60 type chopper

圖2 9R-60型揉碎機改裝三維圖Fig.2 Three-dimensional test bed of 9R-60 type chopper

1.1 傳感器型號選擇

考慮到揉碎機性能測試參數(shù)主要針對主軸轉(zhuǎn)距和功率，因此傳感器選擇扭矩轉(zhuǎn)速傳感器，而且應(yīng)分別滿足試驗臺的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速測試范圍。

通過如下公式計算出揉碎機揉碎器主軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩量，分別為

(1)

其中，n2為主軸轉(zhuǎn)速(r/min)；電動機額定轉(zhuǎn)速n1=1440r/min；d1為電機帶輪尺寸，取d1=260mm；d2刀盤主軸帶輪，取d2=180mm。

(2)

其中，T為電動機轉(zhuǎn)矩(N·m)；PN為電動機功率，已知PN=15kW。

根據(jù)公式(2)，并將額定轉(zhuǎn)速n1代入得

(3)

其中，T2為刀盤主軸轉(zhuǎn)矩(N·m)；T1=T=99.48N·m。

經(jīng)計算得到,刀盤轉(zhuǎn)速n2=2080r/min，刀盤主軸轉(zhuǎn)矩為T2=68.87N·m。根據(jù)這兩個參數(shù)并結(jié)合市場的設(shè)備，選擇出扭矩傳感器為JN338-AN型網(wǎng)絡(luò)化智能數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，其規(guī)格型號為200AN，轉(zhuǎn)矩量程為0～200N·m，轉(zhuǎn)速量程為0～5 000r/min，準確度等級0.2級。計算出的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩都位于該型號傳感器測試范圍之內(nèi)，且動力設(shè)備與負載之間有足夠的距離。同時，動力設(shè)備、負載是一個相對獨立體的旋轉(zhuǎn)動力系統(tǒng)，需用剛性或彈性聯(lián)軸器將傳感器安裝于動力設(shè)備與負載之間，即選擇JN338-AN系列直連式扭矩轉(zhuǎn)速傳感器[3-4]可以滿足要求。

1.2 銜接主軸與聯(lián)軸器的設(shè)計、加工和校核

1.2.1 銜接主軸的設(shè)計校核

為了保證揉碎機正常工作，銜接主軸在設(shè)計時應(yīng)保證在負載情況下能正常工作，且軸不應(yīng)發(fā)生扭曲變形，因此對銜接主軸進行強度校核非常必要[5]。

銜接主軸所受力和扭矩的計算公式為

(4)

計算功率PCA=KαP

(5)

(6)

計算轉(zhuǎn)矩TCA=KαT

(7)

其中，帶數(shù)Z=3；查表工況系數(shù)Kα=1.3；傳動帶單位長度的質(zhì)量q=0.023kg/m；P為電機傳遞額定功率，P=15kW；n2為刀盤轉(zhuǎn)速，n2=2080r/min。

利用有限元分析(見圖3)，得出最大應(yīng)力δ=14.82MPa，小于它的許用應(yīng)力130MPa[6]。

圖3 銜接主軸有限元分析圖Fig.3 Finite-element analysis plot of the coupling shaft

1.2.2 聯(lián)軸器的設(shè)計與校核

聯(lián)軸器是機械傳動設(shè)計系統(tǒng)中很重要的零件，因剛性套筒聯(lián)軸器體積小、質(zhì)量輕、拆裝方便、價格便宜，選用45剛性材料設(shè)計，經(jīng)過強度校核滿足要求[6-7]。

其中，抗扭截面模量為

(8)

其中，d為聯(lián)軸器內(nèi)徑，d=45mm；D為聯(lián)軸器外徑，D=78mm。

工作時，最大扭矩M=TCA，帶入公式中得出最大應(yīng)力τmax為1.2N·mm-2,小于許用切應(yīng)力[τ] =20N·mm-2[7]。

1.3 測試平臺搭建

對試驗機9R-60型揉碎機原機機架結(jié)構(gòu)形式進行分析，得知原機動力傳輸鏈為：電動機帶動皮帶輪將轉(zhuǎn)動傳遞給主軸，主軸和刀盤同軸轉(zhuǎn)動，完成動能傳遞過程?，F(xiàn)預(yù)想在試驗機上增加一套測試裝置,考慮到機架形式、測試的可行性及測試的準確性，降低結(jié)構(gòu)形式不合理而給試驗測試帶來的誤差，設(shè)計框圖如圖4所示，三維結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，實物結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。該平臺在建立模型的基礎(chǔ)上，再次利用CATIA三維軟件對測試平臺各部件進行設(shè)計建模，并模擬裝配，解決實際加工、裝配、焊接中的干涉問題[8]。

圖4 測試平臺平面結(jié)構(gòu)布置框圖Fig.4 The layout diagram of plane structure

1.主軸 2.剛性聯(lián)軸器 3.JN338-AN型傳感器 4.銜接主軸 5.1310軸承座 6.皮帶輪

圖6 測試平臺實物圖Fig.6 The physical map of the test platform

2 9R-60型揉碎機的性能測試

2.1 試驗原理

進行9R-60型揉碎機在不同揉碎速度、不同喂入速度、不同喂入量3種工況下的性能試驗，通過網(wǎng)線把在揉碎機上的扭矩轉(zhuǎn)速傳感器上的性能數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上，以便后期進行數(shù)據(jù)處理。

2.2 試驗儀器設(shè)備與材料

1)性能測試儀器：JN338-AN系列直連式扭矩轉(zhuǎn)速傳感器。

2)原材料：玉米秸稈。

3)其他輔助設(shè)備：變頻器、轉(zhuǎn)速儀、秒表、電子秤、電能表、篩子、筆記本電腦等。

2.3 試驗步驟

1)把大電機和大變頻器的線連接起來，小電機和小變頻器的線連接起來，確立起控制主軸轉(zhuǎn)速和喂入速度的通道。

2)連接傳感器與電腦之間的網(wǎng)線及電腦和數(shù)據(jù)采集前端的網(wǎng)線，調(diào)試設(shè)備并設(shè)置參數(shù)，確保它們之間建立起一個數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠脚_。

3)把電能表接到變頻器和電機之間，打開電源，通過轉(zhuǎn)速儀標定轉(zhuǎn)速和頻率的關(guān)系，如表1所示。

表1 頻率與速度的標定圖Table 1 Calibration chart of frequency and speed

4)按照單因素水平表上要求的稱取每個水平的秸稈15組，每次連續(xù)喂入5組，喂入3次，實際操作如圖7所示。

圖7 試驗操作圖Fig.7 Test operation diagram

5)每次喂入秸稈時分別收集性能測試數(shù)據(jù)、出料口揉碎的玉米秸稈，且記錄下從喂入到揉碎這5組秸稈完成時所需的時間。

6)在每個水平因素下收集的這3次秸稈用密封袋裝好并做標記，以便后期對揉碎質(zhì)量做進一步的分析處理。

2.4 數(shù)據(jù)處理

2.4.1 揉碎質(zhì)量的分析

揉碎質(zhì)量的要求為:破節(jié)率達到90%以上[9]。根據(jù)9R-60型揉碎機設(shè)計說明書和該機的其他研究資料中對揉碎質(zhì)量的測定，以4～12cm絲條長度為適宜長度，加工后秸稈先篩分后手工揀選，即采用篩分出碎屑、手工揀選出粗長絲條、然后稱量計算質(zhì)量分數(shù)的方法來確定揉碎質(zhì)量[10]。

對收集的玉米秸稈用篩子分選出符合要求的絲條，把得到的每個水平的3組數(shù)據(jù)取其平均值進行繪制，如圖8所示。

圖8 不同工況下秸稈絲化率變化示意圖Fig.8 Schematic diagram of changes in straw silage rate under different conditions

由圖8數(shù)據(jù)分析可知：

1)秸稈絲化率隨主軸轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)增大的趨勢，主軸轉(zhuǎn)速越大，秸稈絲化率越大。

2)秸稈絲化率隨喂入量的增大變化趨勢幾乎都在95%左右，喂入量較少時秸稈的絲化率達到較大；但喂入量超過機器本身所能承受的最大喂入量時，秸稈的絲化率開始下降。

3)秸稈絲化率隨喂入速度的增大呈現(xiàn)減小的趨勢，喂入速度較少時秸稈的絲化率達到較大。隨著喂入速度的增大，秸稈的絲化率開始下降。

2.4.2 功耗的分析

通過扭矩轉(zhuǎn)速傳感器收集的數(shù)據(jù)，依據(jù)公式T=9550P/n得到輸出功率，繪制功率隨不同工況下的圖形，如圖9所示。

由圖9數(shù)據(jù)分析可知：

1)揉碎機功耗與主軸轉(zhuǎn)速大致呈現(xiàn)正比的關(guān)系。主軸轉(zhuǎn)速越大，揉碎機功耗越大。

2)揉碎機功耗隨喂入量的增大呈現(xiàn)增大的趨勢。喂入量較少時，揉碎機功耗達到較低；隨著喂入量的增大，揉碎機功耗開始上升。

3)揉碎機功耗隨喂入速度的增大呈現(xiàn)增大的趨勢，喂入速度較小時秸稈的絲化率達到較小。隨著喂入速度的增大，揉碎機功耗大致呈現(xiàn)上升的趨勢。

圖9 不同工況下功耗變化示意圖Fig.9 Power consumption under different conditions diagram

3 結(jié)論

1)在傳動主軸和皮帶輪之間通過聯(lián)軸器、連接主軸和支架等接入JN338-AN系列直連式扭矩轉(zhuǎn)速傳感器，為后續(xù)開展揉碎機空載和負載情況下的功率等目標參數(shù)優(yōu)化設(shè)計試驗提供了平臺。

2)揉碎機揉碎質(zhì)量隨主軸轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)增大的趨勢，隨喂入速度的增大呈現(xiàn)減小的趨勢，隨喂入量的增大變化趨勢幾乎都在95%左右，但不能超過機器本身的最大容量。

3)揉碎機功耗隨主軸轉(zhuǎn)速、喂入量、喂入速度的增加呈現(xiàn)增大的趨勢。

4)性能測試的單因素試驗為后續(xù)開展正交實驗提供參考依據(jù)，進而為提高9R-60型揉碎機的生產(chǎn)率、度電產(chǎn)量及揉碎質(zhì)量提供技術(shù)支持。