２０１１年第２期 总第２３４期 中国农机化 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ Ｎｏ．２，２０１１ Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．２３４
一种小型卧式甘蔗叶粉碎机的研制
郑勇，王刚．王金丽
（中国热带农业科学院农业机械研究所，广东湛江，５２４０９１）
摘要：研制了一种小型卧式甘蔗叶粉碎机，适用于甘蔗叶沼气发酵原料的前处理。该机的主要结构组成为喂料斗、动刀
轴、粉碎室、传动机构及机架等。动刀的排列依据动平衡理论计算确定。试验表明整机工作平稳，振动小，粉碎质量和
生产率均能满足要求。
关键词：甘蔗叶；粉碎机；设计
中图分类号：￥２２４．２９ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—７２０５．２０１１．０２．０２６
郑勇，王刚，王金丽．一种小型卧式甘蔗叶粉碎机的研制［Ｊ】．中国农机化，２０１ １，（２）：９８～１００
ＺＨＥＮＧ Ｙｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｇａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｊｉｎ—ｌｉ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｓｍａｌｌ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｇｒｉｎｄｅｒ ｏｆ ｓｕｇａｒｃａｎｅ ｌｅａｖｅｓ［Ｊ】．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌ—
ｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ，２０１ ｌ，（２）：９８－１００
０前言 ２结构设计
甘蔗经收获后剔除下的大量蔗叶，目前的处理办
法，一种是粉碎还田，一种是直接焚烧。随着国家对节
能减排的重视，甘蔗叶的能源化是近年来对甘蔗叶资
源开发利用所开辟的一种新途径。经研究人员测试甘
蔗叶纤维素含量为５２．３０％，与玉米秸秆相比，其碳含
量高１Ｏ个百分点，氮含量相当，是生产沼气的优良原
料…。中国热带农业科学院农业机械研究所对甘蔗叶 沼气发酵工艺进行了研究表明，提高物料的分解率，
需要在发酵前对茎叶类原料进行粉碎处理，使其达
到２～６ｃｍ长［２１。目前对甘蔗叶的粉碎是利用铡切机
进行切碎。虽然切碎长度能满足制作沼气原料的要
求。但不能破坏甘蔗叶表面结构。不利于被沼气菌分
解转化
１ 原理设计
经测试甘蔗叶平均长度为１６５ｃｍ，平均叶宽为
５．５ｃｍ，表面较光滑。考虑到既要满足长度要求又要
破坏甘蔗叶表面结构的要求，决定采用动、定刀打
击和切割原理。因单蔗叶的平均最大断裂力大约
为６００Ｎ，所以采用该工作原理也不会消耗太大的
功率。 ２．１ 整机结构与工作过程
考虑到操作的方便性，该机采用卧式结构。主要由
喂料斗、机架、动刀轴、粉碎室、出料口以及传动机构、
控制装置和电机组成，外形尺寸（长×宽×高）：２２００ｍｍｘ
５２０ｍｍｘ１５００ｍｍ．如图１所示。
该机的工作过程为甘蔗叶原料经人工通过喂料斗
送到粉碎机进料口处，被高速旋转的动刀抓取进入粉碎
室。在动刀、定刀、粉碎室罩壳及由动刀轴旋转形成的环
流层的共同作用下。在圆周方向运动过程中受到打击、
剪切及搓擦作用而被粉碎成断口形状不规则的细条状
短片。并有效地破坏了叶表面结构。其中被粉碎的甘蔗
叶随粉碎室中的动刀和气流送至出料口排出，未经粉碎
或经粉碎仍较长或宽的甘蔗叶随动刀转子的旋转，在粉
碎室中与新进入的原料一起再次被粉碎，增加了被打
击、剪切和搓擦的机会，保证了物料被充分粉碎。
２＿２主要部件结构设计
２．２．１ 动刀轴及动刀排列方式
动刀安装于动刀轴上。动刀轴直径大可有效防止
物料缠绕，但又受到机器本身尺寸的限制。所以综合考
虑后动刀轴采用 １４０ｍｍ的无缝钢管。既可减少物料 缠绕，又可使机器尺寸不会过大。考虑到动刀间距对粉
收稿日期：２００９年１０月９日 修回日期：２０１０年３月２４日 基金项目：国家科技支撑计划子课题（２００６ＢＡＤ０７Ａ０２－－４）；中国热带农业科学院重点学科建设项目 郑勇，男，１９８４年生，湖南祁阳人，中国热带农业科学院农业机械研究所研究实习员；研究方向为农业机械。 王刚，男，１９８６年生，湖北孝感人，中国热带农业科学院农业机械研究所研究实习员；研究方向为农业机械。 王金丽（通讯作者），女，１９５８年生，湖北武汉人，中国热带农业科学院农业机械研究所研究员，硕导，研究方向为农业机械与农业废弃物 能源化利用。
第２期 郑勇等：一种小型卧式甘蔗叶粉碎机的研制
碎后物料长度、功耗及工作效率的影响。即刀片的排列 越密。物料粉碎的就越碎，但功耗相对增大，工作效率
也较低，同时考虑到机器尺寸的限制，综合分析后动刀
数量选为１６，动刀间隔选为３０ｍｍ。
关于动刀的排列形式目前粉碎机上常见的有正反双
螺旋线对称排列、对称排列、交错平衡排列３种方式１３１，其
ＥＦ＝ｘ／（∑ ） ＋（∑ ） ＋（∑ ） 基本设计要求是要在满足粉碎质量的前提下尽可能地
减少振动。本刀轴刀座排列没有采用上述三种方式．而
是从理论动平衡为０的设计思路ｍ发，按动刀在刀轴
上的位置建立空间力系，依据其所产生的合外力ｆ式１１
与合外力矩ｆ式２）Ｉ４）进行动平衡计算，得到其排列方式
如图２所示，计算结果值均为０，说明动平衡良好。
： ＝０
∑Ｍ０（叼＝、／（∑ ） ＋（∑ ） ＋（∑ ）
式中： 每把刀及其附件的离心力；
ｄ——动刀间距：
——动刀总数： ＝、／［耋 。ｓ ｓｉｎ 】 ・
ｍ ——第 把进入工作状态刀具的位置；ｍ为一
组数，ｍｏ＝Ｏ。
图１ 甘蔗叶粉碎机结构原理圈
１．机架 ２．出料口 ３．动刀４．动刀轴 ５．皮带轮
６．轴承座 ７．喂料斗 ８．控制按钮盒 ９．定刀 １Ｏ．电动机
２．２．２ 动刀结构
目前秸杆粉碎还田机等机具上用的动刀是甩刀和 铰接式联接方式，是为了防止刀片在作业时碰到坚硬的
物体而损坏。考虑到本机的工作对象为收集后的甘蔗
叶，基本无硬质杂物，为减少功率消耗，提高打击和切割
效果，本机采用将动刀片将螺栓固定于刀座上。动刀回
转半径Ｒ值决定动刀末端线速度 值的大小，而 值
的大小对揉碎性能、效率等影响很大， 值越大可增大 切割惯力，有利于切割和揉搓能力的提高。同时对物料
的打击作用也增强。但 值过大时，对零部件强度的要
求也越高，同时对转子动平衡要求也越高，因此为了保
证机器一定的平稳性和粉碎效果。参照国内外几种主要
的秸杆粉碎还田机的 值３７－５６ｍ／ｓ的范围围，本机动刀设
计为矩型直刀，单面开刃，如图３所示，安装后动刀回转
直径Ｒ为４８０ｍｍ，线速度为５０．２４ｍ／ｓ ｆ对应转速为
２０００ｄｍｉｎ），能有效地对物料进行打击、切割及揉搓。
圈３动刀结构不意图
２．２－３ 定刀
定刀的主要作用是配合动刀对物料进行切割．同时
影响物料在粉碎室中的运动状态，使工作间隙在定刀处 突然减少，加强物料间的摩擦作用，进一步提高粉碎效
果。试验发现粉碎室中定刀组数及定刀排列的位置对粉
碎效果影响很大，如表１所示．一组定刀时粉碎效果差，
两组和三组定刀能明显提高粉碎率，且二者粉碎率无明
显差异．但三组定刀时功耗增加比较明显。综合考虑粉
碎效果和功耗后确定定刀的结构型式为Ｕ型，共两组，
用螺栓固定安装于粉碎室的下盖板上，与动刀的间隙为
２－４ｒｎｍ，重叠５０～６０ｒａｍ，定刀组间角度相差８００．．
表１ 定刀对粉碎率的影响
定刀组数 定刀位置 粉碎率（％）
２－２＿４粉碎室 粉碎室整体向出料口方向偏移２０ｒａｍ，使得粉碎
室相对动刀轴成一偏心圆形式，即喂人口离动刀的距 中国农机化
离较出料口小，便于动刀对物料的抓取和物料的喂人。
其具体结构是由左右两支撑挡板、上下盖板、定刀组及
动刀转子总成共同组成．并通过螺栓连接到机架上。
２．３配套功率和传动机构
用电机功率为５．５ｋＷ的机械无级调速电机驱动，
转速调至２０００ｒ／ｍｉｎ．对甘蔗叶粉碎机进行实际工作测
定，功率测试结果为３．５～４．ＯｋＷ，因此选择电机功率为
４ｋＷ。传动机构选择Ｂ型Ｖ带轮，传动可靠。
３试验结果
试验用甘蔗叶来自于湛江华海农场．使用圆捆捡
拾打捆机收集，其含水率为１３．５％。试验时动刀轴转速
为２０００ｒ／ｍｉｎ，人工方式喂料，试验指标选择为粉碎率、
耗电量和生产率．结果如下：
１１粉碎率为９０％：
２）耗电量为３．８ ｋＷ／ｈ
３）生产率为２００ｋｇ／ｈ
其中粉碎率是以长度小于６ｃｍ的蔗叶占蔗叶总重
量的百分比来计算。试验过程中机器振动小，经粉碎后
的甘蔗叶平均长度小于６ｃｍ，宽度小于１０ＩＹｌｍ的占９０％
（即粉碎率），物料大小能满足沼气生产发酵的要求；实
际功率消耗为３．５ｋＷ，且甘蔗叶断裂的断口极不规则，
表面破损．有效地破坏了叶表面蜡质层．增加了与沼气
菌接触的有效面积：结果表明试验达到了预期的要求。
一
图４经铡切机铡切后甘蔗叶 图５经粉碎机粉碎后甘蔗叶
如图４和图５为利用铡切机和本设计的粉碎机进
行两种不同粉碎原理时的蔗叶粉碎效果对比。 ２０１１正
图４为铡切机的粉碎试验，可以看出甘蔗叶在叶
宽方向上没有被破坏．仍保持其原有宽度，其表面结构
不能被破坏，而图５是利用设计的粉碎机进行粉碎的
效果图，甘蔗叶在叶宽方向上被破碎成细丝条状，较好
地破坏了其表面结构。与切段式铡切机相比具有粉碎
物料细的优点。
４问题与讨论
１）甘蔗叶为长形物料，如进料时以长度方向平行
于动刀轴的方式进料，则更有利于粉碎效果的提升。
２）尽管本机转子设计时已应用动平衡计算公式
进行过计算，并使得动平衡量为零。但由于实际的制造
误差，仍有少许振动，为进一步减少振动，最好还是做
静平衡或动平衡。
３）经试验发现，进料口开口宽度与角度及定刀的
配置角度对粉碎室内气流的运动有较大的影响，以至 于影响到物料的喂入．目前观察到进料口风速较高，负
压情况不理想。还需对粉碎机的空气动力学性能参数
做进一步研究。
４１由于甘蔗叶物料具有蓬松且杂乱的特点，如在
喂料斗上加装喂料装置，将更有利于物料的喂人。
参 考 文 献
ｆ１】焦静，王金丽，邓怡国，等．热带农业废弃物资源及沼气利用
安徽农业科学，２００８，３６（３０）：１３３５０—１３３５１，１３４０５．
【２］蒋建国，赵振振，杜雪娟等．秸秆高固体消化预处理实验研究叨．
环境科学。２００７（４），８８６～８９０．
［３】张佳喜，王学农，等．秸秆粉碎还田回收机刀辊工作参数的研
究【Ｊ１．农业机械学报，２００７，３８（６），８２－８５．
【４】李庆军，李双福．秸秆切碎还田机刀具布置的研究［ＪＪ．农业机
械学报，２００１，３２（４），１ ２４～１２５．
『５Ｉ黄宏伟，张超凡，等．麦草秸秆粉碎特性的试验研究［Ｊ］．农机
化研究 ２００７ ７：１４３—１４７．
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ Ｓｍａｌｌ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｇｒｉｎｄｅｒ ｏｆ Ｓｕｇａｒｃａｎｅ Ｌｅａｖｅｓ
ＺＨＥＮＧ Ｙｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｇａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｊｉｎ－ｌｉ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｔｒｏｐｉｃａｌ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｚｈａｎｊｉａｎｇ，５２４０９１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｂｉｏｇａｓ，ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｇｒｉｎｄｅｒ ｏｆ ｓｕｇａｒｃａｎｅ ｌｅａｖｅｓ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．
Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｉｎｄｅｒ ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｔｅｎｄｓ ｆｅｅｄ ｇｕｉｄｅ，ｔｏｏｌ ａｘｉｓ ａｎｄ ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ａｔ－
ｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｎｄｅｒ’ｓ ａｘｉｓ ｉｓ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｂａｌａｎｃｅ ｔｈｅｏｒｙ．Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｗｏｒｋｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｔａ－ ｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｌｉｔｔｌｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．
Ｋｅｙｗｏｒ￣：ｓｕｇａｒｃａｎｅ ｌｅａｖｅｓ；
ｎｄｅｒ；ｄｅｓｉｇｎ