中國報告大廳網(wǎng)訊，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的眾多環(huán)節(jié)中，秸稈粉碎占據(jù)著關鍵地位。當前，農(nóng)作物秸稈處理多依賴錘片式粉碎機，但這類設備普遍存在錘片數(shù)量多、重量大的問題，進而導致能耗偏高、效率低下，嚴重制約了其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的進一步應用與發(fā)展。為改善這一現(xiàn)狀，針對秸稈粉碎機錘片結構的優(yōu)化設計及試驗研究顯得尤為重要，旨在通過技術革新提升設備性能，推動秸稈處理環(huán)節(jié)的高效化與節(jié)能化。

  一、秸稈粉碎機錘片的結構設計與運動狀態(tài)解析

  《2025-2030年中國秸稈粉碎機行業(yè)市場分析及發(fā)展前景預測報告》指出，稈粉碎機的整體構造包含粉碎機構、上下風送管道、風機系統(tǒng)及機架等部分，其中粉碎機構是核心，由主軸、錘軸、隔板和錘片等組成。隔板與主軸固定連接，并隨主軸一同轉(zhuǎn)動，每塊隔板連接著 4 根等間隔的錘軸，錘軸隨隔板轉(zhuǎn)動，而錘片與錘軸鉸接，在隨錘軸繞主軸轉(zhuǎn)動的同時，還能繞錘軸做單擺運動。

  錘片采用弧面形結構，其粉碎端面的弧面設計，一方面可增加粉碎接觸面，有助于提升粉碎效率，另一方面也為錘片的結構優(yōu)化創(chuàng)造了有利條件。優(yōu)化前，單個弧面形錘片體積約為 65000mm3，尺寸參數(shù)為側(cè)面圓弧直徑 550mm、寬度 90mm、厚度 5mm。

  秸稈粉碎機的運動狀態(tài)分為空載和負載兩種?？蛰d狀態(tài)下，設備處于剛啟動或休息階段，不進行秸稈粉碎，負載小且能耗低;負載狀態(tài)是設備的工作階段，此時錘片隨主軸轉(zhuǎn)動，對秸稈進行反復撞擊和剪切以實現(xiàn)粉碎。由于工作階段最能體現(xiàn)錘片受力變形的極限，因此僅針對負載狀態(tài)進行分析。在負載狀態(tài)下，粉碎機構主要受到原動機輸入的恒定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及自身重力等因素的影響。相關計算公式如下：

  T=9549×P/n，其中 T 為原動機輸入轉(zhuǎn)矩(N?m)，P 為原動機輸入功率(kW，最大粉碎功率一般為 2000kW)，n 為粉碎機轉(zhuǎn)速(r/min，實際工作轉(zhuǎn)速一般為 500r/min 左右)。

  G 總 = G 隔 + G 錘 + G 軸，其中 G 總為簡化機構總重(kg)，G 隔為隔板重量(kg)，G 錘為錘片重量(kg)，G 軸為錘軸重量(kg)。

  二、秸稈粉碎機錘片結構的有限元分析與優(yōu)化

  借助 Creo 軟件建立三維模型，并對錘片及其關聯(lián)結構進行合理簡化，僅保留一個隔板和一個錘片，以反映粉碎機錘片的工作狀態(tài)，隨后將模型導入 ANSYS Workbench 軟件。錘片材料選用 Mn13-2，隔板設置為剛體模型。在接觸設置中，簡化模型的虛擬主軸和錘軸采用 Body-Ground-Revolute 約束，錘片與隔板設置 Body-Body-Revolute 約束。錘片網(wǎng)格尺寸設為 2mm，劃分后模型擁有 51117 個節(jié)點和 9831 個單元，平均網(wǎng)格質(zhì)量達 96.92%。

  秸稈粉碎機行業(yè)共有 88 塊錘片，減輕錘片重量對降低能耗和提升性能意義重大。錘片的最大變形會影響粉碎機的工作效率，且錘片的外形尺寸與最大變形量呈負相關，即體積越小，最大變形量越大。現(xiàn)有錘片要正常工作，其最大變形量需在 30~100μm 之間，結合秸稈硬度較低的特點，選擇 50μm 作為結構優(yōu)化的參考極限目標。

  影響弧面形錘片體積的主要參數(shù)包括側(cè)面圓弧直徑、錘片寬度、錘片厚度、錘軸孔直徑和錘軸孔間距等，其中前三者為主要影響因素。擬定的分析方案為：側(cè)面圓弧直徑從 550mm 開始，每 125mm 遞減;錘片寬度從 90mm 開始，每 10mm 遞減;錘片厚度從 5mm 開始，每 1mm 遞減，逐一修改參數(shù)并導入軟件分析。

  分析發(fā)現(xiàn)，弧面形錘片尺寸減小時，最大變形量逐漸增大，且最大變形始終集中于錘軸與錘片鉸接處，最小變形在遠離鉸接點的錘片邊緣。優(yōu)化后，當側(cè)面圓弧直徑為 300mm、寬度為 70mm、厚度為 2.7mm 時，錘片最大變形量為 49.517μm，接近設定的最大許可變形量，符合優(yōu)化要求。此時，單一錘片體積從 65023mm3 優(yōu)化至 20206.7mm3，體積降低為原先的 31.1%;單一錘片質(zhì)量從 509.13g 降低至 158.22g，按整機 88 塊錘片計算，整機重量減輕 30.88kg。

  三、秸稈粉碎機錘片優(yōu)化后的試驗驗證

  依據(jù)相關試驗標準，以生產(chǎn)率、噸料電耗及粉碎合格率作為秸稈粉碎機性能的評價指標，驗證優(yōu)化后錘片的性能是否符合生產(chǎn)要求。

  生產(chǎn)率計算公式：D=M/T?，其中 D 為生產(chǎn)率(kg/h)，M 為試驗時間作業(yè)量(kg)，T?為試驗時間(h)。

  噸料電耗計算公式：W=W?/(M/1000)，其中 W 為噸料電耗(kW?h/t)，W?為試驗時間內(nèi)耗電量(kW?h)。

  秸稈粉碎合格標準為長度在 50~80mm 之間，合格率計算公式：η=M?/M，其中 η 為粉碎合格率(%)，M?為試驗時間內(nèi)篩選后符合標準的秸稈作業(yè)量(kg)。

  以玉米秸稈為粉碎對象，以錘片圓弧直徑、寬度及厚度為試驗因素，在玉米實驗田開展試驗。試驗物料秸稈單重 80~150g，無夾雜物，長度選取(400±40)mm，粉碎設備刀軸轉(zhuǎn)速設定 2000r/min，單次試驗時長 20min。

  采用三因素正交實驗方法，試驗結果顯示：粉碎機生產(chǎn)率為 1428~1540kg/h，噸料電耗 1.83~2.58kW?h/t，粉碎合格率為 96.5%~98.2%。綜合分析可知，影響生產(chǎn)率的因素依次是錘片厚度、寬度和圓弧直徑，最優(yōu)尺寸分別為 2.7mm、80mm、300mm;影響噸料電耗的因素依次是錘片圓弧直徑、厚度和寬度，最優(yōu)尺寸分別為 300mm、2.7mm、70mm;影響粉碎合格率的因素依次是錘片圓弧直徑、厚度和寬度，最優(yōu)尺寸分別為 300mm、3mm、70mm。綜合評估得出最優(yōu)尺寸為錘片圓弧直徑 300mm、寬度 70mm、厚度 2.7mm，與前期優(yōu)化結果一致，表明錘片輕量化設計不僅未影響功能，還提高了生產(chǎn)率，降低了能耗。

  四、總結

  通過對秸稈粉碎機構建模并合理簡化，提高了有限元分析效率，以滿負載狀態(tài)為分析工況，以弧面形錘片的極限變形為參考依據(jù)，使錘片輕量化設計更準確。此次優(yōu)化以最大變形量 50μm 為參考極限，大幅減輕了單一錘片及整機重量，降低了粉碎機制造成本。農(nóng)田實機試驗表明，優(yōu)化后錘片的秸稈粉碎機行業(yè)綜合性能提升，能源消耗降低。針對秸稈粉碎機錘片的結構優(yōu)化設計，為今后秸稈粉碎機整體優(yōu)化指明了方向，也為其他類型粉碎機的設計提供了參考。

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