南方丘陵山地采伐剩余物粉碎机设计与研究

发布时间：2020-07-04 11:57

【摘要】：中国是人口众多、资源相对不足的发展中国家。为了缓解能源紧张,不但要开发和利用核能、太阳能等新型能源,还要重视对风能、水能常规能源,特别是生物质能源的有效利用。目前我国森林资源逐年减少,但是森林剩余物资源却十分丰富。合理利用林业剩余物,通过物理、化学、生物等转化方式进行能源化,将可再生木质能源转化成可直接使用的能源产品,是解决能源短缺的出路之一。树枝粉碎机可将剩余物进行切割、粉碎并经过进一步加工处理即可变废为宝,进行生物质能的高效利用,将极大的提高森林资源的利用率,也解决了部分的能源问题,同时降低的污染。目前已研制的相关设备存在着适用范围、作业地点、造价成本、能耗等方面的优缺点,但是能适用于南方丘陵山地林区的相关设备研究还相对较少。本文在综合分析国内外已有的树枝粉碎机的基础上,结合南方丘陵山地林区特点和采伐剩余物的树种、直径和力学性能等特点,设计一款机身移动方便、粉碎效率高、操作简单,具有切片与粉碎功能的中型可移动式树枝粉碎机。该款粉碎机最大粉碎直径80mm,粉碎粒度直径5mm以下,能满足南方丘陵山地林区现场粉碎作业,并能生产出生物质成型加工设备要求的木屑。本文主要研究内容如结论如下:1)综合分析国内外林业剩余物利用现状及国内外树枝粉碎设备的发展状况,对已有的树枝粉碎机特点进行分析。国内外对粉碎机的研究仍然在不断创新与开发,目前已研制的相关设备存在着适用范围、作业地点、造价成本、能耗等方面的优缺点,但是能适用于南方丘陵山地林区的相关设备研究还相对较少。2)阐述树枝粉碎机工作机理和结构特点,分析单位切削力影响因素、切削功率影响因素等,确定了树枝粉碎机初步设计方案及参数。树枝粉碎机按其工作原理三种,分别是高速旋转的甩刀直接进行粉碎、盘式切片加甩刀粉碎和鼓式切片粉碎。盘式切片加甩刀粉碎这种形式因机器结构简单、操作维修简便、生产效率高、粉碎效果好等优点使用广泛。该型树枝粉碎机在盘式飞刀切碎、甩刀粉碎的基础上增加了搓板搓擦粉碎,粉碎效果更好,适用性更广。车架底盘设计有钢板弹簧悬挂机构,高度可调节牵引杆,选用汽车轮胎,方便在山地林区行走。单位切削力影响因素主要有树种、动力相遇角和刀伸出量等三个。树种的材质越硬单位切削力越大,动力相遇角越大单位切削力越大,刀伸出量越大单位切削力越大。3)树枝粉碎机关键部件的设计和计算。根据整体设计方案,对各个关键部件进行设计和计算,如切片装置及相关零部件、粉碎装置及相关零部件、风叶及相关零部件、移动底盘及相关零部件等,确定了具体设计数据和设计方案。该机确定选用动力为11kW,刀盘转带为2000rpm,中飞刀长度为100mm,因此盘直径为400mm,刀盘厚度取为20mm。该型移动式树枝粉碎机在设计时综合考虑进料的方便性和进料口的布置和单位的切削力,最终取动力遇角α取45o。该机器切片粉碎所得的木屑要求5mm以上,所以飞刀伸出量δ2取3~5mm。4)对关键粉碎部件进行三维建模,并对相关部件进行仿真分析。用SOLIDWORKS软件对树枝粉碎机的所有零部件进行三维建模和虚拟样机装配,并重点分析刀盘组件、移动底盘、树枝粉碎机整机进行了虚拟样机装配干涉分析,完成了粉碎部件的结构设计的进行改进与优化。用SOLIDWORKS SIMULATION插件对主轴进行了有限元仿真分析,结果显示主轴的设计完全满足工作条件的强度要求。5)根据设计方案需求,试制样机并进行树枝粉碎试验。通过样机试制与树枝粉碎试验证所设计的树枝粉碎机结构、各项参数的合理性,以及粉碎效果、粉碎效率等。样机试制过程中对一些设计进行了改进,使用之结构更加优化合理,既便于加工与装配生产,又便于零配件采购及批量化生产后销售过程中的包装运输。通过树枝粉碎试验验证了该款粉碎机最大粉碎直径80mm,粉碎粒度直径5mm以下,能满足南方丘陵山地林区现场粉碎作业,并能生产出生物质成型加工设备要求的木屑。本款树枝粉碎机可以直接拖到堆头,在采伐的同时将剩余物进行粉碎,粉碎所得木屑可用于生产生物质燃烧颗粒、有机肥料、菌类等,实现了变废为宝,进行生物质能的高效利用,将极大的提高森林资源的利用率,也解决了部分的能源问题与部分林农的就业增收的问题,具有良好的社会效益与生态效益。该机型已经小批量生产并投入市场,主要用于林业采伐剩余物的粉碎和园林修剪下的树枝粉碎。该机型作业稳定,故障率低,受到使用单位的一致好评,取得了较好的经济效益。
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S776

【参考文献】