秸秆粉碎还田机刀轴的改进设计

秸秆还田机刀轴 (装刀片) 是焊合件, 一般都存在较大的不平衡量, 由于刀轴质量大、转速高, 动平衡值的大小直接关系着整机的可靠性和使用寿命。近几年零部件外赔率高的也就是刀轴部件, 所以对刀轴结构优化就是非常有必要的。

1 工作原理及结构特点

1.1 结构组成及工作原理

秸秆粉碎还田机是由机架、刀轴、变速箱、皮带传动系统、张紧轮、万向节和地辊等部件组成。秸秆还田机在拖拉机的牵引下工作时, 直立或者铺放的秸秆受到高速旋转刀具的砍切, 并在喂入口处负压的作用下将其吸入机壳内, 使秸秆在动刀和定刀的多次砍切、打击、撕裂、揉搓作用下成碎段和纤维状, 被气流抛送出去, 最后均匀的抛洒到田间[1]。

1.2 结构特点

刀片线速度V=2πn R/60 (R为刀轴轴管半径) , 在还田机输入转速和皮带轮参数规格确定的情况下, R越大, V越大[2], 也就是单位时间内刀片切割秸秆的次数增加, 粉碎效果明显提高。国内大多数秸秆机刀轴轴管直径为140 mm或者160 mm, 而我们设计的直径为203 mm。刀片不同的排列方式, 刀轴的动平衡量不一样, 采用“均力免震法”排列方式[3]。这种排列方式, 能有效减少不平衡量值, 在动平衡过程中, 能大大提高平衡效率。

2 刀轴动平衡及制造中的问题

2.1 刀轴动平衡值的规定

JB/T24675.6-2009《秸秆粉碎还田机》规定:“同一刀轴应安装同一质量级的刀片, 刀轴与刀片装配后应按GB/T9239的规定进行动平衡量试验, 平衡精度为G6.3级”。

在GB/T9239《刚性转子平衡品质许用不平衡量的确定》标准中计算的许用不平衡量值, 是靠查图法确定的结果, 不精确。在生产制造中, 利用以下计算公式, 可算出较精确的许用不平衡量。

式中:Uper为许用不平衡量/gmm;G为平衡品质等级;M为刀轴 (含刀片) 的总质量/kg;n为刀轴额定工作转速/ (r/min) ;r为刀轴的校正半径/mm。

在硬支撑平衡机上平衡刀轴许用不平衡量时, 因为采用的是双面校正法, 所以单面的许用不平衡量只有小于等于理论的许用不平衡量的1/2时, 刀轴平衡才算合格。

2.2 刀轴加工注意事项

轴头与轴管配合时, 须有定位工装, 以此来保证两端轴承位置的同轴度。为减少轴管和轴头不同心引起的不平衡量, 在采购轴管时, 严格要求轴管圆度误差小, 精度高的轴管。

焊接刀轴上的刀座时, 需要靠工装来保证。以两端刀轴轴承位置为定位, 所有刀片的安装孔离刀轴轴心的距离必须是一样的, 并且刀片安装孔的轴线须与刀轴轴线平行, 这样才能最大程度地降低由于刀片排列方式引起的不平衡。

同一根刀轴上装配同一级别的刀片 (质量差不大于10 g) , 且保证紧固件装配牢固可靠, 刀片转动灵活, 无卡滞。用户更换刀片时, 需要更换整根刀轴上的刀片。刀座全部焊接完成后, 要采取消除内应力的措施, 且对个别焊歪的刀座进行校正。

2.3 动平衡校正注意事项

在设计方面应尽量设计成对称结构, 在制造加工时尽量减少不平衡量, 但是由于误差的存在, 或多或少都会影响最终许用不平衡量的结果, 用动平衡试验机进行动平衡校正是目前动平衡校正最常用的办法, 在平衡校正时应注意以下几点。

据硬支撑动平衡机的工作原理, 在进行动平衡校正时, 需要在较为安静的环境中, 这样有利于保证平衡机测出数值的准确性。用于连接刀轴和动平衡机的连接盘, 在设计时, 要保证轴线的对称, 材料须调质;在制造时, 要进行静平衡实验。连接盘与刀轴轴头的配合间隙越小越好, 以减少对最后校正结果的影响。平衡机的转速有几个档速, 一般选择平衡转速大概是刀轴实际工作转速的1/3。采取先低速后高速的平衡顺序。根据平衡块的大小, 估算焊缝的质量, 加的配重块的质量加上焊缝质量必须小于动平衡机上测出的质量, 一般采取“宁少误多”的原则, 需要多次平衡才能达到标准要求。配重块焊接后, 由于局部受热, 刀轴会有微小的变形, 不能立刻平衡, 为了提高生产效率, 可以采取增加冷却液的方法对刀轴快速冷却, 然后再平衡, 刀轴要经过反复校正才能达到标准要求。

3 结论

通过对秸秆还田机刀轴结构优化设计, 并对动平衡问题提出解决办法, 在1 a的生产试验中, 1JH-180Q秸秆还田机各项性能指标达到了JB/T24675.6-2009《秸秆粉碎还田机》规定要求。同时, 公司内部对刀轴动平衡量严格要求, 内控要求不平衡量小于理论值, 使得刀轴的品质提高了一个台阶, 整机的性能也大大提高, 深受用户喜爱。但是我国幅员广阔, 南北差异较大, 各地区的种植结构, 耕作制度的农艺要求不同。并且不同作物秸秆的物理性能和机械性能差异也很大, 这就决定了我国机械化秸秆技术及配套机具的多样性[4]。

研发一次完成秸秆和根茎切碎后与土壤混合的复合作业机具, 具有良好的市场前景。少耕、免耕技术的应用推广, 促进研发与播种机配套的具有秸秆粉功能的复合机具, 是未来各个农机具厂家抢先研发的方向之一。随着玉米联合收割机的大量使用, 玉米机收完全成为一种可能, 配套的秸秆粉碎还田机在市场上也受到了青睐。研发粉碎棉花和木薯茎秆等粗茎类的秸秆粉碎还田机, 也是一个研发方向之一。

摘要：介绍了1JH-180Q型刚性秸秆粉碎还田机的工作原理和结构特点, 主要对刀轴优化结构设计, 并对生产制造过程中出现的问题提出解决办法, 与国内现有秸秆还田机相比具有机架刚性强、使用寿命长、粉碎效果好等特点。

关键词：秸秆粉碎还田机,刀轴,加粗动平衡

参考文献

[1] 中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册上册[S].北京:中国农业科学技术出版社, 2007:294-300.

[2] 毛罕平, 陈翠英.秸秆还田机工作机理与参数分析[J].农业工程学报, 1995, 11 (1) :62-66.

[3] 涂建平, 徐雪红, 夏忠义.秸秆还田机刀片及刀片优化排列的研究[J].农机化研究, 2003 (2) :102-104.

[4] 丁艳彭, 卓敏, 夏建林.国内典型秸秆还田技术及机具的比较与分析[J].中国农机化, 2010 (3) :43-46.