关键词：秸秆饲料；粉碎机；锤片
O 引言
近年来，我国畜牧业快速发展，牲畜数量不断增加。但由于牧区牧草数量有限，许多牧区由于过度放牧，牧草质量和数量都在减少。目前主要制约畜牧业发展的因素是饲草短缺。而在我国农区，每年会产生大量的农作物秸秆，以前农民没有发现秸秆的利用价值，往往在秋收后把作物秸秆燃烧，这样不仅浪费资源，还污染环境。近几年加大对作物秸秆利用的重视，作物秸秆变废为宝。然而，许多作物秸秆不能很好地被牲畜所吸收消化，秸秆类粗饲草料普遍具有质地粗硬、咀嚼费力、适口性差、粗蛋白含量少、消化率低等特点。因此，必须对其进行切碎加工或相应处理，以提高其利用价值。研究发现通过利用粉碎机把作物秸秆粉碎成尺寸短小的秸秆饲料后，其营养价值会有较大的提高。
粉碎秸秆时，主要是对秸秆施加剪切、拉伸、冲击、揉搓、弯曲、折断等破坏形式。研究表明，由于农作物秸秆具有韧性大、易变性等特点，适宜采用的加工方式一般是切割、揉搓、粉碎与压缩。目前，使用较为广泛的秸秆粉碎机型主要有铡草机、粉碎机、揉碎机等。随着我国向节约型社会的发展，应加快研制能耗较低、生产率较高、粉碎效果好的粉碎机型。
1 粉碎机的结构设计
1.1 设计要求
本文设计的粉碎机主要是中小机型，其结构简单、尺寸较小、工作灵活，可以用于粉碎麦秆、棉秆、青草等饲料。主要设计参数：切碎长度30～50 mm，转速1 440 r．min，切碎装置为锤片，粉碎室内部为斜齿式，喂入方式为人工喂入。
1.2总体结构
秸秆粉碎机主要是由锤片粉碎室、风机出料机构、喂入机构、传动部分，护罩等结构组成，其结构如图1所示。粉碎室主要是由4组以不同排列形式安装在销轴上的锤片组成。出料机构采用风机，效果较好。
1.3工作原理
秸秆粉碎机工作时，通过电机带动主轴转动，同时使得安装在主轴上的锤片粉碎机构和风机叶片转动；秸秆从喂入口进入，通过锤片的冲击以及剪切作用，以及秸秆与齿板的冲击摩擦作用，从而被粉碎；粉碎后的秸秆到达风机叶片处，最后在风机的吹动下通过出料口被送出，抛送到指定位置。
2 粉碎机主要部件设计
2.1 粉碎室的设计
粉碎室主要有转子与齿板组成，结构如图2所示。为了结构便于安装，齿板分为上齿板和下齿板两部分，下齿板固定安装在机架上，上齿板安装在下齿板上方。转子主要是由4列转动锤片组成，锤片分别安装在4组销轴上，锤片可以在销轴上自由摆动，锤片安装位置采用螺旋线排列。
2.2锤片结构设计
作物秸秆在粉碎时主要受到粉碎室的两个作用，一是锤片对秸秆的冲击、摩擦作用；二是齿板对秸秆的摩擦作用，以及秸秆之间的摩擦作用。锤片在工作时，主要是受到秸秆对锤片正面的冲击和对棱角的剪切作用，容易出现磨损，最后导致锤片失效。目前，主要是从采用耐磨材料和优化锤片结构两个方面来提高锤片的工作性能。
为了防止锤片在工作时出现严重磨损，粉碎机的锤片结构设计为如图3所示的结构。这样可以防止锤片在工作一段时间之后，出现棱角处快速磨损现象。由于锤片的材料硬度不一样，其磨损机理也不一样。为了提高锤片的性能，所以采用自磨刃锤片，材料选用Q235，并且表面进行渗碳处理。
2.3风机结构参数设计
风机作为秸秆饲料的输送装置，其工作性能直接影响到粉碎机的粉碎效果。所以风机在工作时，要保证物料输送通道的畅通。粉碎后的秸秆经过风机叶片的抛送，以较高的速度沿风机外壳切线方向进入出料口中，出料口内有一股由风机叶片高速旋转后所产生的上升气流，使碎秸秆继续向上输送，最后落至指定处。碎秸秆的抛送高度H可用下式计算：
因为在秸秆饲料出口处，设置为平滑的水平朝向出口，所以在实际工作时，不需要将饲料抛出太高，通过出口通道的引导，秸秆饲料便会很容易的落在指定的位置。
3锤片空载运动时的分析
锤片式粉碎机有一个显著的特征，就是转子结构是锤片与销轴的铰接形式，每一个锤片均可看作是以相应销轴为悬点的单摆，随着转子的转动，各悬点又具有绕主轴旋转的运动。所以，锤片在工作时存在两种运动，一是锤片整体绕主轴转动，二是锤片绕销轴做单摆运动。
粉碎机从启动到稳定工作这个阶段，锤片由静止状态变为绕主轴作圆周运动，在这个过程中锤片的运动是复杂的，而且不同位置的锤片运动参数也有所不同，所以在这个阶段粉碎机会产生一个短暂的、不稳定的过渡工作状态，从而会影响到粉碎机的工作稳定性。为了研究这个过程，本文对锤片进行受力分析，并且利用ADAMS软件对锤片的运动进行分析。
3.1 锤片空载状态时的受力分析
锤片空载状态时的受力如图4所示，其中，Fc1为锤片绕主轴转动时锤片产生的惯性力，Fc2为锤片绕销轴铰接处转动时锤片产生的惯性力，mg为锤片受到的重力，f为销轴铰接处锤片受到的摩擦力，FN为销轴铰接处锤片受到的正压力，w1为主轴转动的角速度，w2为锤片绕销轴相对转动的角速度，φ为锤片的摆角，α为锤片铰接点绕旋转中心的转角，β为锤片质心绕旋转中心的转角。
假设锤片在工作时处于非平衡状态，所产生的摩擦力f与正压力FN的大小及方向处于时刻变化的状态，此时如果转子转动半径为R，锤片质心到铰接点的距离为r，销轴直径d时，此时会存在3个力矩：惯性力Fc1关于铰接点O的力矩m1，重力mg关于铰接点O的力矩M2，摩擦力f，关于铰接点O的力矩M3。取逆时针方向为正则有：
由此可见，影响锤片平衡的主要因素有w1和w2：，且摩擦力的大小和方向也主要取决于这两个因素，在平衡状态时便可得到摩擦力与正压力的大小和方向。
3.2锤片空载状态运动仿真分析
通过利用Solidworks软件对粉碎室进行建模，然后导人ADAMS软件中，通过添加约束，对主轴施加转速1 440 r．min，设置转速从0到1 440 r．min过渡，时间为1s，然后进行仿真，得到锤片末端的运动轨迹图如图5所示，同时也测得锤片质心角速度的变化规律如图6所示。
可以看出，锤片在整个工作过程中，运动是比较平稳的，在0s到1s这段时间，处于启动的阶段，由于主轴旋转的带动，锤片便会跟着一起转动，但是存在滞后，这时锤片相对于销轴便会产生相对旋转，导致锤片的角速度与主轴角速度不一致，锤片的转动角速度存在较大的波动，所以在这期间，锤片的运动轨迹也不是圆。通过这段时间的过渡，从1s以后，很快锤片与销轴的相对摆动幅度越来越小，使得锤片与主轴的角速度相接近，锤片转速的波动范围也在逐渐减小，最后达到比较平稳的工作状态。
4 结论
锤片式粉碎机的应用比较广泛，但是锤片在粉碎的过程中容易磨损，是影响生产效率、产品质量和生产成本的重要因素。本文设计了一种锤片式粉碎机，可以有效地提高粉碎机的性能，降低加工成本在实际生产中还可以不断改进，以便达到最优效果。
本文利用软件对锤片在空载状态下的运动进行了模拟，得到了锤片的运动轨迹和角速度变化规律，分析了粉碎机从启动到稳定工作这段时间，锤片的运动也是从波动的运动状态逐渐走向平稳。刚启动的阶段，锤片会对销轴产生一定的冲击，这个阶段会对锤片与销轴的铰接处产生磨损，由于锤片运动的不平衡性，还会使整个粉碎机产生振动，从而影响了粉碎机的稳定性。通过理论分析锤片的运动对粉碎机产生的不利因素，在实际生产过程中针对性的进行优化，从而达到理想的效果。
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