張翠英，劉學(xué)峰，儀垂良，張成保，齊自成，張鋒

（1.250100 山東省 濟(jì)南市 山東農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院；2.250214 山東省 濟(jì)南市 章丘區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣中心）

0 引言

隨著鄉(xiāng)村振興步伐的推進(jìn)，作物秸稈及糞便等農(nóng)牧廢棄物的處理亟需解決，目前最經(jīng)濟(jì)環(huán)保的途徑就是就地輕簡(jiǎn)化堆肥利用[1-3]。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上主要是適用于硬化后的標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地的條垛式翻拋機(jī)，不能實(shí)現(xiàn)就地輕簡(jiǎn)化堆肥利用，而且前期場(chǎng)地建設(shè)投入較高[4-7]。山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院針對(duì)小型農(nóng)戶使用需求研發(fā)了適用于現(xiàn)場(chǎng)崎嶇不平場(chǎng)地的ZF802 液壓自平衡翻拋機(jī)，解決了不平場(chǎng)地工作時(shí)，現(xiàn)有翻拋機(jī)易發(fā)生傾斜，造成某一側(cè)的結(jié)構(gòu)距離地面較近，進(jìn)而出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)翻拋裝置觸地、工作部件損壞、側(cè)翻等問題。

1 ZF802 結(jié)構(gòu)與工作原理

ZF802 液壓自平衡翻拋機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括機(jī)架、翻拋裝置、履帶行走裝置、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)及附件、駕駛室和集料裝置。

圖1 ZF802 液壓自平衡翻拋機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of ZF802 hydraulic self-balancing compost turner

工作時(shí)，安裝在機(jī)架上方的發(fā)動(dòng)機(jī)為整機(jī)提供動(dòng)力。翻拋裝置安裝在機(jī)架下方，由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)其繞自身中心軸線旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向與整機(jī)前進(jìn)時(shí)履帶行走裝置驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，對(duì)堆肥物料進(jìn)行切削和拋擲，調(diào)節(jié)物料中的氧氣含量，控制物料的含水率和溫度。機(jī)架左右兩側(cè)裝有履帶行走裝置，通過(guò)液壓控制系統(tǒng)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)每個(gè)履帶行走裝置的高度，以使得機(jī)架體時(shí)刻處于水平狀態(tài)。機(jī)架前方兩側(cè)設(shè)置的集料裝置可以使物料順利進(jìn)入機(jī)架下方，保證所有物料能夠得到翻拋。

ZF802 液壓自平衡翻拋機(jī)主要性能參數(shù)見表1。

表1 ZF802 液壓自平衡翻拋機(jī)主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of ZF802 hydraulic self-balancing compost turner

2 翻拋裝置設(shè)計(jì)

翻拋裝置是粉碎物料的關(guān)鍵部件，也是翻拋機(jī)的主要執(zhí)行部件，由刀輥和破碎刀組成。

2.1 翻拋裝置的結(jié)構(gòu)

根據(jù)翻拋機(jī)的實(shí)際作業(yè)狀況，本機(jī)的翻拋裝置采用整根鋼管制成刀輥，并在其左右兩端各焊接一片螺旋帶鋼，方便聚攏物料，螺旋帶鋼上留有安裝孔，使用螺栓將蝴蝶刀安裝在螺旋帶鋼上。兩個(gè)螺旋帶鋼之間焊接破碎刀刀座，使用螺栓將破碎刀安裝在刀座上。蝴蝶刀和破碎刀都是易損件，可以更換。破碎刀工作面有兩個(gè)鋸齒形槽口，可以增加作用面積，保證大塊物料的打散與切斷，提高物料的松散程度。翻拋裝置具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ZF802 翻拋裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of ZF802 working device

翻拋機(jī)工作要考慮水分、溫度及透氣性的影響，翻拋裝置不僅要充分翻動(dòng)物料，還要粉碎物料，促進(jìn)物料發(fā)酵。破碎刀的排列與結(jié)構(gòu)對(duì)翻拋效果和粉碎效率影響很大，改變刀具角度和切削角可以調(diào)節(jié)翻拋距離[8-9]。為此，翻拋裝置右邊的螺旋帶鋼為螺距500 mm 的右旋螺旋，左邊的螺旋帶鋼為螺距500 mm 左旋螺旋，其上每隔45°在迎來(lái)物料側(cè)安裝一把蝴蝶刀，兩邊各安裝8 把；左右兩邊順著螺旋帶鋼的旋向，每隔36°螺旋布置一個(gè)破碎刀刀座，螺距為500 mm，刀座與刀輥軸線成30°夾角，左右兩邊各安裝10把斜破碎刀；然后左右兩邊順著螺旋帶鋼的旋向，每隔72°布置一個(gè)破碎刀刀座，螺距為230 mm，刀座與刀輥軸線平行，總共安裝9 把正破碎刀。蝴蝶刀和破碎刀的具體布置如圖3 所示。

圖3 ZF802 翻拋裝置刀具布置圖Fig.3 Breaking tools layout of ZF802 working device

翻拋裝置刀輥直徑為450 mm，安裝刀具后，翻拋裝置的最大外徑為800 mm。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)表明，螺旋布置刀具可以有效收攏物料、降低軸向力，還增大了翻拋裝置在工作過(guò)程中的接觸面積和物料的攪動(dòng)次數(shù)，提高了拋送力。蝴蝶刀縱向剪切力較大，正破碎刀橫向剪切力較大，使物料更好地破碎。

2.2 翻拋裝置的驅(qū)動(dòng)力

作物秸稈及糞便等農(nóng)牧廢棄物作為有機(jī)肥原料，其含水率、抗剪強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦系數(shù)、壓縮載荷等物理特性參數(shù)變化較大，則所需的驅(qū)動(dòng)力矩范圍比較大。為了有效解決蔬菜副產(chǎn)物粉碎的難題，針對(duì)其含水率高、黏稠、表面有蠟質(zhì)層、多纖維等特點(diǎn)，本機(jī)的翻拋裝置選用液壓傳動(dòng)，能夠滿足傳動(dòng)效率高、大力矩傳動(dòng)、無(wú)級(jí)調(diào)速等要求。

本機(jī)選用GM2 500 7HGP D40 型液壓馬達(dá)，其性能參數(shù)見表2。

表2 選用液壓馬達(dá)性能參數(shù)Tab.2 Main performance parameters of selected hydraulic motor

在按規(guī)定最大翻拋速度進(jìn)行作業(yè)時(shí)，液壓系統(tǒng)的工作壓力（馬達(dá)壓力差）應(yīng)與所選擇的液壓泵、馬達(dá)以及比例閥組的安全壓力（高壓溢流閥的調(diào)定壓力）相匹配，當(dāng)系統(tǒng)壓力大于安全壓力時(shí)，工作液壓馬達(dá)停止工作。本機(jī)的高壓溢流閥壓差設(shè)定值為170 bar，所以液壓馬達(dá)最大輸出轉(zhuǎn)矩Tmax=170×7.69=1 307.3 N·m。

3 翻拋裝置有限元靜應(yīng)力分析

簡(jiǎn)化后的翻拋裝置如圖4 所示。利用SolidWorks 中的Simulation 模塊對(duì)其進(jìn)行靜應(yīng)力分析。零部件材料全部選普通碳鋼，屈服強(qiáng)度為220 MPa，兩端加載剛性軸承夾具，斷面軸向固定，重力G=460 kg×9.8 m/s2=4.5 kN，方向如紅色箭頭所示，加載液壓馬達(dá)最大輸出轉(zhuǎn)矩Tmax=1 307.3 N·m，方向與刀輥工作時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向相反，將其作為最大載荷。

圖4 翻拋裝置力學(xué)模型Fig.4 Mechanical model of working device

網(wǎng)格化時(shí)選擇根據(jù)零件大小進(jìn)行網(wǎng)格控制，達(dá)到網(wǎng)格相對(duì)精確的同時(shí)，盡量減少計(jì)算時(shí)間。分析結(jié)果如圖5、圖6、圖7 所示。

圖5 翻拋裝置應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram of working device

圖6 翻拋裝置變形（位移）云圖Fig.6 Displacement nephogram of working device

圖7 翻拋裝置應(yīng)變?cè)茍DFig.7 Strain nephogram of working device

如圖5 所示，翻拋裝置整體應(yīng)力分布均勻，最大應(yīng)力位于軸承連接處，最大應(yīng)力為29.4 MPa，在材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求。翻拋裝置對(duì)稱布置，兩個(gè)軸承處所受反作用力都為2.3 kN。翻拋裝置一端使用軸承UCP212（GB/T 7810-1995 ）固定在機(jī)架上，其許用額定動(dòng)載荷為62.8 kN，脂潤(rùn)滑工況下極限轉(zhuǎn)速為5 000 r/min；另一端使用軸承6316-2RZ（GB/T 276-1994）與液壓馬達(dá)連接座連接，其許用額定動(dòng)載荷為94.57 kN，脂潤(rùn)滑工況下極限轉(zhuǎn)速為3 800 r/min。選擇的軸承都滿足工作要求。

如圖6 所示，翻拋裝置最大變形位于正破碎刀頂端，最大變形量為0.03 mm，破碎刀長(zhǎng)度為120 mm，厚度為10 mm，屬于小變形量，在彈性變形范圍內(nèi)，對(duì)翻拋工作影響不大，能夠滿足剛度要求。

如圖7 所示，翻拋裝置最大應(yīng)變位于軸承連接處，最大應(yīng)變?yōu)?.01%，軸承連接處軸徑為60 mm，到與刀輥連接盤固定端長(zhǎng)度為196 mm，軸的材料為45 鋼，其伸長(zhǎng)率為16%，說(shuō)明翻拋裝置設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論

（1）確定了滿足實(shí)際作業(yè)要求的ZF802 液壓自平衡翻拋機(jī)主要性能參數(shù)，完成了翻拋機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（2）基于翻拋機(jī)的性能參數(shù)要求，結(jié)合力學(xué)與物料特性，設(shè)計(jì)了滾筒式翻拋裝置,確定了破碎刀的結(jié)構(gòu)與排列方式。

（3）建立了翻拋裝置的力學(xué)模型，利用Simulation 進(jìn)行了有限元靜應(yīng)力分析，得出了應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D、變形云圖。

（4）分析結(jié)果表明，翻拋裝置整體應(yīng)力分布均勻、變形較小，最大應(yīng)力也在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，能夠滿足使用材料的強(qiáng)度和剛度要求。

（5）為以后的樣機(jī)試驗(yàn)提供了理論基礎(chǔ)與依據(jù)。