4QG-2型青貯收獲機(jī)切碎揉搓裝置的設(shè)計(jì)

梁榮慶，張翠英，李青江，張德學(xué)，鐘 波，任冬梅，喬 磊

(1.山東農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院, 濟(jì)南 250100；2.山東雙佳農(nóng)裝科技有限公司，濟(jì)南 250100)

0 引言

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，現(xiàn)有牧草資源已難以支撐快速增長(zhǎng)的畜牧業(yè)，因此發(fā)展以秸稈飼料為主要飼料的節(jié)糧型畜牧業(yè)已成為農(nóng)區(qū)、半農(nóng)區(qū)發(fā)展畜牧業(yè)的重要途徑之一[1]。為滿足我國(guó)現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展需求及“糧改飼”政策的實(shí)施，近年來(lái)我國(guó)青貯玉米種植面積不斷擴(kuò)大，2016年全國(guó)青貯玉米種植面積為92.7萬(wàn)hm2,同比增幅40.97%；2017年青貯玉米種植面積將繼續(xù)保持高速發(fā)展，預(yù)計(jì)全國(guó)種植面積將突破133.3萬(wàn)hm2 [2]，可在一定程度上有效緩解畜牧業(yè)迅速發(fā)展與飼料短缺的矛盾[3]，從而進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)畜牧業(yè)的健康發(fā)展及農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。

青貯玉米的機(jī)械化收獲及收獲水平的提高，是推動(dòng)青貯玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要環(huán)節(jié)[4-7]，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)青貯玉米收獲機(jī)的研究較早，技術(shù)較為成熟，收獲設(shè)備較為先進(jìn)，自動(dòng)化程度及收獲效率較高;而國(guó)內(nèi)對(duì)青貯玉米收獲技術(shù)的研究起步較晚，各地區(qū)發(fā)展水平不一，并存在配套動(dòng)力不足、自動(dòng)化控制程度及作業(yè)效率低、青貯飼料切段長(zhǎng)度不一等問題;且國(guó)內(nèi)大部分青貯玉米收獲機(jī)并未安裝秸稈揉搓及籽粒破碎裝置，切碎后的青飼料品質(zhì)較低，適口性較差，營(yíng)養(yǎng)成分不易完全被牛羊消化吸收[8-9]，飼料利用率低，難以滿足廣大用戶對(duì)高品質(zhì)飼料的需求，市場(chǎng)亟需帶莖稈揉搓青貯飼料收獲機(jī)[10]。因此，為改善青飼料品質(zhì)，提高牲畜對(duì)秸稈的采食率和消化率，進(jìn)一步增加秸稈的飼用價(jià)值和利用率[11]，本文在前期研究基礎(chǔ)上，結(jié)合市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)了一種切碎長(zhǎng)度可調(diào)及具有揉搓性能的青飼料切碎揉搓裝置，并對(duì)其進(jìn)行了田間性能試驗(yàn)，可為秸稈飼草的深度利用及青飼料收獲機(jī)后期深入研究提供一定的技術(shù)支撐[12]。

1 切碎揉搓裝置的組成及工作過程

1.1 揉搓效果對(duì)青貯飼料品質(zhì)的影響

青貯飼料是利用鮮嫩整株物料(玉米、高粱、小麥及苜蓿等)進(jìn)行切碎、貯藏及發(fā)酵而成的，具有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量較高、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)、適口性好及調(diào)制方便等特點(diǎn)。青貯玉米或青貯高粱秸稈較為粗壯，莖稈關(guān)節(jié)較多[13]，傳統(tǒng)的切碎方式不易對(duì)其進(jìn)行完全破壞，不利于貯藏發(fā)酵，且適口性差，飼料利用率較低，嚴(yán)重影響消化吸收。而切碎后經(jīng)揉搓的青貯玉米可有效提高莖稈及關(guān)節(jié)的破損率，可與發(fā)酵催化物充分接觸，有利于提高其發(fā)酵的可能性，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)更易接近微生物群，促進(jìn)有益菌的成長(zhǎng)與分解，加快乳酸的產(chǎn)生進(jìn)程，減少有害菌的生長(zhǎng)與繁殖，在較短的時(shí)間內(nèi)，極易獲得較為穩(wěn)定的pH值[14]，從而保證青飼料的發(fā)酵質(zhì)量。

此外，切碎揉搓后的青貯玉米經(jīng)發(fā)酵后可有效提高青飼料品質(zhì)，適口性大幅度增加，全株采食率可由原來(lái)的50%提高至95%以上[15]，減少了青貯飼料的浪費(fèi)，提高了牲畜對(duì)秸稈的消化率；且經(jīng)過揉搓后的青貯玉米秸稈及莖節(jié)粉碎程度較高，增加了秸稈的飼用價(jià)值和利用率[11]。

1.2 切碎揉搓裝置的組成及工作過程

青貯作物的切碎及揉搓質(zhì)量是評(píng)價(jià)青貯玉米收獲機(jī)的重要指標(biāo)[16-19]，切碎揉搓裝置作為青貯玉米收獲機(jī)的主要核心部件之一，對(duì)青飼料品質(zhì)的影響較大。為了提高青貯玉米收獲機(jī)的切碎與揉搓質(zhì)量，對(duì)4QG-2型青貯收獲機(jī)切碎揉搓裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其主要由機(jī)架、旋轉(zhuǎn)刀盤、切碎動(dòng)刀、動(dòng)刀固定座、左螺旋凸起拋送葉片、右螺旋凸起拋送葉片、揉搓板及定刀等部件組成，如圖1所示。其中，切碎部件主要包括旋轉(zhuǎn)刀盤、切碎動(dòng)刀及定刀，揉搓部件主要包括左螺旋凸起拋送葉片、右螺旋凸起拋送葉片及揉搓板，動(dòng)刀固定座既屬于切碎部件，還具有一定的揉搓作用。

1.旋轉(zhuǎn)刀盤 2.左螺旋凹起拋送葉片 3.動(dòng)刀固定座 4.右螺旋凸起拋送葉片 5.切碎動(dòng)刀 6.機(jī)架 7.揉搓板 8.定刀圖1 切碎揉搓裝置Fig.1 Chopping and rubbing device

該裝置主要工作過程：PTO動(dòng)力輸入裝置驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀盤進(jìn)行工作，安裝在旋轉(zhuǎn)刀盤上切碎動(dòng)刀及固定在機(jī)架喂入口處的定刀對(duì)被強(qiáng)制喂入進(jìn)切碎揉搓裝置的整株青貯玉米進(jìn)行切段；與此同時(shí)，帶有凹槽的動(dòng)刀固定座對(duì)青貯玉米籽粒及部分青貯玉米莖節(jié)進(jìn)行有效破壞，交錯(cuò)安裝在刀盤上的帶有左螺旋凸起的葉片與右螺旋凸起的葉片則與揉搓板進(jìn)行配合，對(duì)青貯玉米莖節(jié)進(jìn)行充分有效的揉搓破壞，并將在切碎揉搓裝置中切碎揉搓后的物料高速拋出，完成整個(gè)工作過程。工作過程中，為保障物料合理的切削長(zhǎng)度，切碎動(dòng)刀數(shù)設(shè)置為2、3、4、6、12可調(diào)，以滿足不同的牲畜的喂養(yǎng)對(duì)青貯飼料切削長(zhǎng)度的需求。

2 切碎揉搓裝置的設(shè)計(jì)

2.1 切碎部件的設(shè)計(jì)

青貯作物切段長(zhǎng)度明顯影響青貯飼料的發(fā)酵及青貯品質(zhì)[20-21],青貯玉米切段長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)除調(diào)節(jié)喂入輥的強(qiáng)制喂入速度外，還可通過調(diào)整切削動(dòng)刀數(shù)量及旋轉(zhuǎn)刀盤轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。為滿足飼喂不同牲畜對(duì)青飼料切段長(zhǎng)度的需求(牛為30～50mm，羊?yàn)?0～30mm[22])，本文對(duì)4QG-2型青貯收獲機(jī)切碎部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該裝置切碎部件主要由旋轉(zhuǎn)刀盤、動(dòng)刀固定座及切碎動(dòng)刀組成，如圖2所示。旋轉(zhuǎn)刀盤采用焊接而成，直徑為730mm，動(dòng)刀刀尖外圓直徑為888mm，切碎動(dòng)刀數(shù)量可調(diào)，整個(gè)旋轉(zhuǎn)刀盤最多可安裝12把切碎動(dòng)刀(切碎動(dòng)刀可安裝數(shù)量分別為2、3、4、6、12)。

1.旋轉(zhuǎn)刀盤 2.切碎動(dòng)刀 3.動(dòng)刀固定座圖2 切碎部件Fig.2 Chopping part

切碎動(dòng)刀結(jié)構(gòu)如圖3所示。其采用60Si2Mn制作而成，刃口淬火寬度25mm，距刃口寬20mm，刃口厚度≤0.15mm，線輪廓度為0.2，刃口淬火強(qiáng)度HRC44～50，動(dòng)刀的質(zhì)量誤差≤10g，為減少切削時(shí)功率損耗與切削動(dòng)刀磨損，本機(jī)型切削部件采用滑切的切削方式，

圖3 切碎動(dòng)刀Fig.3 Movable cutting knife

為保證其具有較好的切削效果與方便安裝調(diào)試，定刀與切削動(dòng)刀之間的間隙設(shè)置為1mm(一般動(dòng)、定刀的間隙為0.25～1mm[23-25])。青貯收獲機(jī)工作過程中為防止物料喂入過多發(fā)生堵塞，配套動(dòng)力輸出機(jī)械行駛速度要略低于喂入輥的喂入速度。

4QG-2型青貯收獲機(jī)采用全齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、功率損失較小，為方便調(diào)節(jié)物料的喂入速度，喂入輥轉(zhuǎn)速通過變速箱進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證喂入速度可在3個(gè)擋位上進(jìn)行調(diào)整，3個(gè)擋位下喂入輥的線速度分別為Ⅰ=1.27m/s、Ⅱ=1.69m/s、Ⅲ=2.24m/s。為防止青貯玉米喂入量過大造成堵塞，在該變速箱反轉(zhuǎn)擋位，在工作過程中可有效控制強(qiáng)制喂入輥進(jìn)行反轉(zhuǎn)，使堵塞的物料在喂入通道中“吐出”。工作過程中，該機(jī)的旋轉(zhuǎn)刀盤轉(zhuǎn)速一定，通過調(diào)節(jié)物料喂入速度與切碎動(dòng)刀數(shù)量對(duì)青貯玉米的切斷長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，則青貯玉米理論切段長(zhǎng)度為

(1)

其中，L為切碎長(zhǎng)度(mm)；v喂為喂入速度(m/s)；n為刀盤轉(zhuǎn)速(r/min)；Z為動(dòng)刀片數(shù)量。

在工作過程中，4QG-2型青貯收獲機(jī)的刀盤工作轉(zhuǎn)速為1 000r/min，則4QG-2型青貯收獲機(jī)在不同喂入速度及不同數(shù)量切碎動(dòng)刀下的物料理論切段長(zhǎng)度,如表1所示。

表1 青貯玉米理論切段長(zhǎng)度表Table 1 Table of theoretical cutting length of corn stalk mm

由表1中可以看出：當(dāng)該裝置的旋轉(zhuǎn)刀盤工作轉(zhuǎn)速一定時(shí)，青貯玉米喂入速度與青貯玉米的理論切段長(zhǎng)度成正比關(guān)系；切削動(dòng)刀數(shù)量與青貯玉米的理論切段長(zhǎng)度成反比關(guān)系。

2.2 青貯收獲機(jī)揉搓部件的設(shè)計(jì)

為提高青貯玉米莖稈、關(guān)節(jié)及籽粒的破碎程度，提升發(fā)酵水平、青飼料品質(zhì)及適口性，對(duì)4QG-2型青貯收獲機(jī)切碎裝置進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)加裝揉搓部件。該機(jī)的揉搓部件主要包括動(dòng)刀固定座、左螺旋凸起拋送葉片、右螺旋凸起拋送葉片及揉搓板等。

1)動(dòng)刀固定座。4QG-2型青貯收獲機(jī)的動(dòng)刀固定座在原有的動(dòng)刀固定座基礎(chǔ)上進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)與優(yōu)化，在其上表面加工了一些規(guī)則性溝槽，在隨刀盤高速旋轉(zhuǎn)過程中有效地對(duì)玉米籽粒及莖節(jié)進(jìn)行破壞，如圖4所示。

圖4 動(dòng)刀固定座Fig.4 Fixed seat of movable knife

2)左(右)螺旋凸起拋送葉片。左螺旋凸起拋送葉片和右螺旋凸起拋送葉片交替的被固定在旋轉(zhuǎn)刀盤的外圈(見圖5)，在工作過程中與揉搓板總成配合，使籽粒、關(guān)節(jié)在揉搓板上形成了一個(gè)“S”型的捻動(dòng)曲線，相對(duì)于直線型捻動(dòng)，增加了有效捻動(dòng)行程，有效地提高了物料揉搓效果，在實(shí)驗(yàn)過程中效果較為明顯；同時(shí)，左、右旋葉片還有對(duì)切碎的青貯玉米進(jìn)行拋送的功能，以保證物料的強(qiáng)制拋送。

(a) 左螺旋凸起拋送葉片 (b) 右螺旋凸起拋送葉片圖5 螺旋凸起拋送葉片F(xiàn)ig.5 Crew concave throwing blade

3)揉搓板。如圖6(a)所示：其為4QG-2型青貯收獲機(jī)的揉搓板，在該揉搓板上設(shè)計(jì)了錐形凸起，增加了與青貯玉米的接觸面積，與拋送葉片配套使用，可有效地對(duì)青貯玉米莖節(jié)進(jìn)行揉搓。圖6(b)為揉搓板組裝，主要由揉搓板、調(diào)整螺栓及揉搓板固定架組成。在每臺(tái)青貯收獲機(jī)上都安裝一組該部件，通過調(diào)整螺栓可有效地調(diào)整揉搓板與左、右螺旋凸起拋送葉片之間的間隙，并可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)該間隙進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到控制揉搓效果的目的。

(a) 揉搓板 (b) 揉搓板組裝 1.揉搓板固定架 2.揉搓板 3.調(diào)整螺栓圖6 揉搓板及揉搓板組裝Fig.6 Rubbing board and rubbing board assembly

3 田間性能試驗(yàn)

為測(cè)試該裝置的切碎揉搓效果，在山東省章丘市對(duì)4QG-2型青貯收獲機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)。試驗(yàn)用地的青貯玉米籽粒已基本成熟，秸稈水分含量較大，行距為650mm，株距為250mm。該裝置配套動(dòng)力為東汽1304雙向拖拉機(jī)，收獲過程中拖拉機(jī)的行駛速度為2km/h，小于喂入輥的喂入速度。在試驗(yàn)過程中，設(shè)定4QG-2型青貯收獲機(jī)的切碎動(dòng)刀數(shù)量分別為2、3、4、6、12把，整機(jī)作業(yè)幅寬為2.2m，通過變速箱調(diào)節(jié)喂入輥的喂入線速度分別為Ⅰ=1.27m/s、Ⅱ=1.69m/s及Ⅲ=2.24m/s。每組組合狀態(tài)下收獲青貯玉米距離為2m，并對(duì)切碎青貯玉米秸稈進(jìn)行隨機(jī)選取測(cè)量，每組測(cè)量10個(gè)樣本并求取平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，則不同組合狀態(tài)下青貯玉米平均切段長(zhǎng)度如表2所示。

表2 青貯玉米秸稈實(shí)際平均切段長(zhǎng)度Table 2 The actual average cutting length of corn stalk mm

對(duì)表1理論計(jì)算數(shù)據(jù)與表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知：理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)吻合較好。該裝置切碎長(zhǎng)度符合國(guó)家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NYT 2088-2011玉米青貯收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》規(guī)定的切碎長(zhǎng)度要求(牛為30～50mm，羊?yàn)?0～30mm[22])，且該裝置切碎動(dòng)刀為3與4把時(shí)，各喂入速度下的物料切碎長(zhǎng)度均適宜牛羊的飼喂。

為驗(yàn)證4QG-2型青貯收獲機(jī)的揉搓部件在實(shí)際生產(chǎn)中的效果，分別在安裝有無(wú)揉搓部件的情況下對(duì)該裝置進(jìn)行了田間試驗(yàn)，并對(duì)收獲效果進(jìn)行了對(duì)比，如圖7所示。其為安裝6把切碎動(dòng)刀、喂入速度為Ⅰ=1.27m/s時(shí)，有無(wú)揉搓部件的狀況下的揉搓效果對(duì)比。

(a) Ⅰ擋6刀無(wú)揉搓部件收獲效果圖

(b) Ⅰ擋6刀有揉搓部件收獲效果圖圖7 Ⅰ擋6刀有無(wú)揉搓部件的狀況下的揉搓效果對(duì)比圖Fig.7 Harvest rendering with the chopping and rubbing device and without them on tap position 1 with 6 knives

試驗(yàn)結(jié)果表明：加裝揉搓部件的青貯收獲機(jī)的揉搓效果較為明顯，青貯玉米莖節(jié)及籽粒破損效果較好，破損率較高，由40%左右提高到了90%以上，從而在一定程度上提高了青貯玉米的適口性及利用率；但其揉搓效果還未完全達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求，下一步仍需對(duì)其揉搓部件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以進(jìn)一步提高整機(jī)的揉搓效果，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。此外，在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，物料切段長(zhǎng)度較短時(shí)經(jīng)揉搓后物料整體較為細(xì)碎，青貯玉米秸稈本身水分被大量擠出流失，極易造成物料浪費(fèi)，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)要求對(duì)物料切段長(zhǎng)度的影響因素進(jìn)行合理調(diào)整與配置。

4 結(jié)論

4QG-2型青貯收獲機(jī)的切碎揉搓裝置可有效地對(duì)青貯玉米進(jìn)行切碎揉搓，切碎揉搓效果較為明顯，在不同數(shù)量切碎動(dòng)刀及不同喂入速度下的物料的理論切段長(zhǎng)度與實(shí)際生產(chǎn)中的切段長(zhǎng)度吻合較好。試驗(yàn)表明：揉搓部件雖在一定程度上提高了青貯玉米的揉搓效果，但其揉搓效果還未完全達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求，下一步仍需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)螺旋凸起拋送葉片與揉搓板之間間隙、不同數(shù)量螺旋凸起拋送葉片及揉搓板、螺旋凸起拋送葉片表面結(jié)構(gòu)形狀等對(duì)揉搓效果的影響進(jìn)行深入研究，為青貯玉米收獲機(jī)的研制提供一定的理論基礎(chǔ)及實(shí)際參考。