盘刀式茎秆切碎机结构设计第1章绪论1.1本研究的目的和意义中国是农业大国，也是秸秆资源最为丰富的国家之一。
历史上，中国有利用秸秆的优良传统，农民用秸秆建房蔽日遮雨，用秸秆烧火做饭取暖，用秸秆养畜积肥还田，合理利用秸秆是中国传统农业的精华之一。
在传统农业阶段，秸秆资源主要是不经任何处理直接用于肥料、燃料和饲料。
随着传统农业向现代化农业的转变以及经济、社会的发展，农村能源、饲料结构等发生了深刻变化，传统的秸秆利用途径发生了历史性的转变。
在经济发达的地区，秸秆低效不清洁的直接燃烧利用方式已不适应农民生活水平提高的需要，富裕起来的农民迫切需要优质、清洁、方便的能源。
农业主产区秸秆资源大量过剩问题日趋突出，农民就地焚烧秸秆，不仅带来污染大气的严重后果，还因烟雾造成了附近机场飞机不能下降，高速公路被迫关闭的严重社会问题，引起了全社会的关注。
我国政府十分重视秸秆禁烧和综合利用问题，1999年4月，国家环境保护总局、农业部、财政部、铁道部、中国民用航空总局联合颁发了《秸秆燃烧和综合利用管理办法》。
《办法》要求:禁止在机场、交通干线、高压输电线路附近和省辖级人民政府划定的区域内焚烧秸秆，到2005年，各省、自治区的秸秆综合利用率将达到85%。
科技部组织力量研究推广秸秆综合利用技术，并把秸秆综合利用技术列入国家“九五”、“十五”科技攻关计划。
农作物秸秆经粉碎或切碎后机械压缩成燃料块，能有效地改变其燃料特性，热值接近中质烟煤，平均为16736kJ。
压缩成型技术为秸秆燃料异地运输使用创造条件，可以作为生物煤供应工业生产和居民使用，同时也是很好的气化原料，对推广气化炉有促进作用。
压制成型的秸秆块也可以进一步炭化处理，得到木炭和活性炭，可广泛用于冶金、化工、环保、生活燃料。
另外，利用压缩成型技术可以将秸秆模压成不同形状和用途的产品，如一次性快餐盒、盘、碟、包装盒、工业托盘、育苗容器、人造纸板、瓦楞纸等。
本研究以棉秆等硬茎秆为研究对象，通过对秸秆原料特性的分析，确定切碎原理和方法，设计出动力消耗低、粒度大小满足压缩成型要求的秸秆切碎机。
推动我国目前综合开发利用农作物秸秆资源的技术创新和实际应用。
1.2农作物秸秆综合利用现状中国农作物秸秆资源量大面广，每年产出量多达6.4亿t，且随着农作物单产的提高，秸秆产量也将随之增加。
现阶段其用途大致可分为4个方面:①秸秆还田;②牲畜饲料;③替代能源;④工业原料，约占12.7%的剩余秸秆就地焚烧或闲置。
各种用途所占比例如图l.1所示(高祥照等，2002)。
图1.1中国农作物秸秆的主要用途(1)秸秆还田秸秆还田是目前秸秆利用的最主要方面，据统计，2000年我国主要粮食作物秸秆粉碎还田的面积占其种植面积的58.6%(韩鲁佳等，2002)。
秸秆还田的方法分为整株还田技术、粉碎还田技术、有根茬切碎还田技术和传统沤肥还田技术。
配套的秸秆还田设备有粉碎还田机、灭茬机、收获还田机和水田埋草机等。
目前，经过对秸秆还田技术和配套操作规程等的研究，秸秆直接还田在我国已有了一定面积的推广应用。
在“八五”期间，秸秆直接还田技术规程研究取得了重要突破，已经制定出了包括华北、西南、长江中游区、江苏水早轮作区和浙江三熟制种植区的麦秸、玉米秸、稻草直接翻压还田的技术规程，包括还田方式、秸秆数量、施氮量、土壤水分、粉碎程度、还田时间以及防治病虫害、杂草等方面的技术要求，实践证明适量的秸秆还田能有效增加土壤的有机质含量，改良土壤，培肥地力(黄忠乾等，1999)。
(2)牲畜饲料秸秆用作饲料，在中国主要是以秸秆养畜、过腹还田的方式进行的。
未经任何处理的秸秆，不仅消化率低，粗蛋白和矿物质含量低，而且适口性差。
为提高饲料的适口性和营养价值，近年来普遍采用氨化、微生物发酵贮存、热喷、揉搓等技术处理，目前全国的年加工处理量约1000万t，已开发出的加工设备有氨化炉、调质机、青贮收获机、揉搓机、压饼机、热喷设备等。
(3)替代能源据全国农村可再生资源统计资料显示(2001)，“九五”期间，秸秆能源用量仍占农村生活用能的30%-50%。
传统的秸秆利用方式是直接燃烧，因其密度小，灰分多，己不再适应农民生活水平的需要，国内现行的秸秆优质能源利用技术，除了本文所要研究的秸秆压缩成型技术以外，还有秸秆气化集中供气技术、秸秆制取沼气技术、秸秆燃料热风烘干技术等。
秸秆热解气化技术把细软、松散的低品位秸秆转换成清洁的高品位气体，热效率可达40%。
气相燃料速度快，热量输出可以控制，在烘干木材、茶叶、饲料和代替燃油发电及农村居民炊事等方面己有成功应用。
部分气化炉和配套装置己经批量生产，进入实用推广阶段。
目前全国己有350余处秸秆气化集中供气示范点，主要集中在山东、河南、江苏、河北、山西、北京、陕西等。
仅山东就有170余处(韩鲁佳等，2002)。
秸秆制取沼气技术，近年来经攻关研究在技术上有了较大突破，解决了秸秆易结壳、出料困难和发酵不充分的难题。
干发酵工艺则有助于节约建池费用，提高池容利用率，目前该技术在北方应用较多。
秸秆燃料热风烘干技术是将成捆或经预处理的秸秆加入由两段燃料室组成的高效燃料炉，燃烧产物经过离心除尘可得到洁净的热烟道气，产生的热风温度可以调节(60-800℃)，含烟尘量小于20mg/m，，尤其适宜于高湿物料，如粮食、木材、饲料、鸡粪、酒糟等的烘干(马学良，1995)。
(4)工业原料秸秆作为工业原料主要用于工业造纸，占秸秆总产出量的2.9%。
其它目前正在兴起的研究与应用有:南京林业大学将秸秆压缩成型制作秸秆板材，建筑墙体材料，包装材料等;西北农大开展模压制品的研究，如一次性快餐盒、托盘、家具构件和建筑构件等;辽宁省农科院研制成功秸秆皮镶分离及其综合利用技术;另外一些科研院所采取生物技术的手段发酵生产乙醇、糠醛、苯酚、单细胞蛋白、燃料油气、工业酶制剂等。
由于秸秆还田数量有限，作饲料其营养价值不高，因此要真正解决秸秆的合理利用问题，关键在于研究秸秆的能源化和工业化利用技术。
1.3 秸秆的特性：1.3.1 秸秆的物理特性秸秆本身的物理特性是影响秸秆切碎和压缩成型的主要因素之一。
秸秆的物理特性受物种、品种、产区、成熟度等多种因素的影响。
国外对麦秸、饲草等软茎秆的拉伸强度、剪切强度、弹性模量、刚度模量等物理特性研究较多(o’Dogherty，1995)。
国内相关报道较少，孙骊(1998)、徐学耘(加00)等对麦秸和棉杆的物理特性作了初步的分析。
1.3.2 秸秆的切碎特性国外对秸秆切碎的研究集中于麦秸、稻秸等软茎杆，主要分析切碎能耗、切碎度和切断效率的各种影响因素，如o’Dogherty(1986)等人分析了切割速度、割刀参数、受切根数等因素对切割过程的影响，指出秸秆切割过程中有一临界速度，在15-30m/s 范围内，低于临界速度，能耗和无效切割快速增加;大于临界速度，能耗基本不变，实际切割长度接近于理论长度。
国内主要是对切碎能耗和切断效率的研究，如张晋国(2000)等人分析了秸秆的含水率和有无定刀对切断效率的影响;吴子岳(2001)和蔺公振(1999)等研究了受切根数和割刀参数对切割功耗的影响。
1.3.3 秸秆的化学成分不管任何植物材料其主要化学组份均为纤维素，半纤维素，木质素三种。
由表1.1可知，棉秆中的纤维素含量为50%左右，木质素含量为20%以上，半纤维素含量为75%以上，均明显高于麦秸类软茎秆，更接近于杉木等低级木材。
表1.1 秸秆的化学成分(徐学耘，1994)第2章切碎机整体方案设计2.1 总体结构设计秸秆切碎机的总体结构见图2.1。
1.变速箱和喂入机构2.喂入槽3.切碎器4.带传动5.电动机图2.1 秸秆切碎机总体结构示意图该机主要由切碎器、变速箱和喂入机构、喂入槽、甩抛装置、带传动、电动机组成。
秸秆由喂入槽2喂入，在喂入机构1作用下将其压实并卷入机构，被动定刀片组成的切碎器3切碎，最后由抛送装置抛出机外。
2.2 样机的性能试验根据前面的理论和试验分析，我们设计了农作物硬茎秆切碎机，见图2.2，其主要的技术参数如下:喂入齿辊有效长度:100mm;喂入齿辊张开间距最大值:59mm，张开间距自动调节;喂入齿辊节径:83mm;总速比:6.47;动刀数:2;动刀转速:550r/min;喂入齿辊转速:85r/min:物料切碎长度:10mm;配备动力:2.2kw图2.2 直刃刀硬茎秆切碎机试验材料选用浙江大学实验农场提供的本年度棉花采收后的成熟棉秆，去除根部和霉烂变质茎秆，原料平均含水率为18.5%(湿基)。
每次试验物料15kg，共进行5次测试，取平均值，对切碎物料进行粒度筛分分析，测试结果见表2.1。
表2.1 秸秆切碎机性能试验结果测试项目测试结果刀轴转速(r/min) 550喂入辊转速(r/min ) 85切碎生产率(kg/h) 500能耗(kJ/kg) 110切碎效率(%) 92.2粒度分布:(%)>0~2.omm 11.5%>2.0~10.omm 59.4%>10.0~20.omm 21.3%，>20.omm 7.8%对切碎物料的粒度分布测定结果表明，经一次切碎，粒度为>20.0mm的残余组分中主要为细枝梗，这表明该喂入机构在夹持粗枝梗的同时对细枝梗还会产生漏切现象。
需进一步加以分析改进。
2.3 本章小结对硬茎秆切碎机进行样机的设计研制和性能试验，确定整体方案，验证设计方法的合理性。
第3章秸秆切碎机结构设计3.1 切碎器设计切碎器是秸秆切碎机的重要工作部件。
它的参数设计是否合理，对切碎质量、功率消耗以及机器运转均匀程度有直接影响。
影响切碎性能的主要因素有:(l)切割时要产生滑切，以减少切割阻力。
(2)切割要稳定，秸秆相对于动定刀片没有滑移。
(3)切割阻力矩变化均匀。
3.1.1 切碎方式选择秸秆切碎方式主要有轮刀式切碎、滚刀式(螺旋刀)切碎和锤片式切碎等。
轮刀式切碎质量好，刀片结构简单，主要缺点是刀盘运转不均匀。
滚刀式切碎滑切作用强，切割阻力小，但切碎体不能自动抛出，刀片刚度差，不适合硬茎秆切碎。
锤片式切碎是利用高速旋转的锤片来击碎秸秆，刀片结构简单，通用性好，但能耗高(蔺公振等，19%;朴香兰，1998)。
表3.1 切碎秸秆的粒度分布锤片切碎螺旋刀切碎直刃刀切碎根据对直刃刀切碎、螺旋刀切碎和锤片切碎3种不同切碎方式的比较试验(盛奎川等，1999)，如图3.l 所示，在相同转速下，直刃刀切碎的单位质量棉杆能耗最低，由表3.1可知，采用直刃刀切碎细小颗粒产量较高，在900~1450r/min 范围内，提高转速对细小颗粒产量增加不明显。
直刀刃切碎螺旋刀切碎锤片切碎主动轴转速（）能耗（）图3.1 切碎机主动轴转速与能耗的关系根据以上分析，我们选择直刃刀切碎作为棉秆等硬茎秆切碎的设计方案，动刀片数为3，均布于动刀架上，其动刀架结构见图3.2。
