青黃貯飼料切揉組合式粉碎機的設計

崔永禎，李春杰，李瑞林，李志昊，張 華

(甘肅農業大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

伴隨著社會的高速發展，人們對于物質生活的標準也在逐步提升，市場對于家禽的需求量也在逐年提高，數據顯示，山東，廣東，河南三省家禽出口數量位居全國前列，14個省份出口家禽數量占全國總數的85%，養殖產業在進行著全方位的變革和提升 。甘肅省是出產牛羊等牲畜的大省，對于飼草品質的要求也在逐步提升，青飼料(也叫青綠飼料、綠飼料)，是可以用作飼料的植物新鮮莖葉，因富含葉綠素而得名。西北地區幅員遼闊，草地面積占我國總草場面積55%以上，擁有得天獨厚的地理條件及優越位置，畜牧資源優勢突出，但因水熱資源的限制，可利用的牧草資源并不豐富，所以，發展以玉米秸稈為主的飼料加工是未來農業產業調整的主流方向。

2 我國青飼機的現狀

根據實地走訪調研，目前小型家畜養殖者所加工飼料的方式有兩種，一為較早生產普及的鍘草機，其價格低，操作簡單，占地面積較小，故被較早的推廣使用。二則還在使用老式鍘刀進行飼草的加工。鍘草機把秸稈切割成段狀，以滿足飼喂要求，但在加工過程中較難破碎加工秸稈的莖節等部位，且部分切碎段粗大，影響牲畜的進食以及消化吸收，造成浪費。

另一種常見的機型為破碎機，其工作原理主要靠電動機帶動錘片捶打進行破碎，其加工出來的飼草顆粒化程度較高，不利于家畜尤其是牛、羊等反芻動物的消化吸收，故并不作為主要的生產加工器具，一般作為飼草料制粒和壓塊等工序的前處理。

切揉組合式粉碎機機是我國近年來根據市場需求所研發的一種新式機器，其具備錘打切碎及揉絲發酵等的功能，二者綜合利研發，具備破碎機和揉絲機的工作特性，既可將堅實的玉米籽粒經擊碎擠壓，又可將質地粗硬的青玉米秸稈切斷、粉碎和揉搓絲化，提高玉米秸稈纖維化程度以及籽粒破碎率，使得青貯玉米更好與乳酸菌反應發酵，且易于密閉儲藏。為便于家畜消化吸收，增加絲化秸稈與反芻動物瘤胃的接觸面積和籽粒淀粉與消化酶的反應量。但在加工生產多纖維，多汁的農作物時，容易出現機器堵塞的現象，導致負載較高，電動機轉動受阻，從而導致燒毀等現象。

近些年來，我國市場上對錘切揉絲機也有一定的發展，現對市場上一種錘切揉絲機進行功能上的研究說明。

3 工藝流程

在了解現有的鍘草揉絲機的構造后，將整個機型分為5個工作模塊，分別為：動力裝置、輸送裝置、喂入裝置、破碎裝置及出料口。參考市面上現有機型，設置輸送裝置，為將秸稈等待加工作物送入破碎室而設置喂入裝置，破碎裝置是在保證原有粉碎機基本功能前提下而優化改進的機構，更易達到生產目的。秸稈等待加工產品經過輸送裝置傳送，經喂入裝置擠壓后進入破碎室破碎，將作物加工成長度適中的絲狀產品，由氣流的牽引從出料口拋出加工好的飼料產品。工藝流程見圖1。

圖1工藝流程

4 整機結構及工作原理

4.1 整機結構示意

整機結構如圖2所示，主要由機架、輸送裝置、喂入裝置、破碎揉絲裝置、出料口、電動機、減速電動機、行走輪等部件組成，各部分協同工作，保證整機主要功能的實現。

圖2 整機結構示意圖

4.2 輸送裝置分析

4.2.1 設置原因

(1)現有各類機型主要通過人工將待加工產品投入喂入裝置，但人工投入量無法均勻控制，過多投入會導致機器堵塞，負載過大，較少投入則影響機器工作效率。

(2)機器在運轉時，破碎室內錘片有著較高的轉動速度，會產生一定的氣流牽引，人工投放時會產生一定的安全隱患，若出現生產責任事故，對人體則會造成不可逆的傷害。

(3)該機器為全程機械化運作，生產效率較高，人工投放秸稈等作物無法滿足實際的生產需求，費時費力。

綜上所述，該機器可完成輸送任務。

4.2.2 輸送裝置的選擇

整個輸送裝置由傳動部分和輸送鏈兩部分構成，輸送鏈以帶式輸送機為原型，綜合考慮改善，將輸送帶轉換成柵條式輸送鏈，以兩條彎板鏈條為基礎，通過鉚釘將柵條固定到鏈條上，同時設置有橫梁，以保證輸送時的穩定性，防止秸稈等待加工作物因柵條抖動而灑落。

在傳動方面上，在主動軸和從動軸上分別設置兩個鏈輪，鏈輪與軸之間采用鍵連接，分析可得，主動軸承擔全部的動力輸出，從動軸無需輸送扭矩，所以從動軸采用光滑連接。根據實際所需，從動軸設置縮緊栓進行鎖死，設置張緊調節張緊螺栓可以控制從動軸的前后逶迤，從而達到張緊輸送鏈的目的。

4.2.3 工作原理

電動機將動力經主動軸輸出，帶動鏈條運動，從而帶動柵條運動，完成整個輸送工作，從動軸被鎖緊螺栓鎖死，空轉完成整個輸送工作。

4.2.4 結構示意

如圖3所示輸送裝置主要由機架、輸送鏈條、鏈輪、支撐橫梁、調位螺栓、限位螺釘、輸入軸、凹形柵板、從動軸等組成。

4.3 喂入裝置分析

為使裝置能夠穩定運行，機械一般都需設置喂入裝置，如圖4所示，以保證物料能夠均勻定量的送入粉碎裝置，常見的喂入裝置分為喂入輥和自動喂入裝置，機器設置有輸送裝置，故采用喂入輥的形式進行喂入。查閱農業機械設計手冊，常見輥的形態有刀齒形、星齒形、鉤齒型和光輥，通常進行優化改進，喂入的穩定性達到更好的控制，設置張緊螺栓，控制上下輥間隙，增大機型的適應性。

圖3 輸送裝置示意圖

圖4喂入裝置示意圖

4.3.1 喂入裝置的要求

(1)輸送鏈的輸送速度應該小于喂入速度，防止因速度的不匹配造成喂入口的堵塞及因輸送鏈速度的過快而造成草料的灑落。

(2)為了保證草料具有一定的壓縮度，同時在喂入口不會堵塞，所以喂入輥的傳動一定要有特殊裝置的設計，既可以隨著草料的數量隨之調整上下輥的間距做上下運動，又可以和下輥做旋轉運動.

4.3.2 喂入裝置的改進

以此為例，如圖5所示，喂入裝置上輥以鉤齒輥為原型進行優化改進，上輥將鉤齒條改進設計成柵條，在輥面上依次均布，使上溝槽更深，下輥以光輥為原型，在輥面上設置螺旋型槽。通過優化上下輥的結構，能夠更好的提高喂入量以及喂入效率，增加了喂入輥的穩定性，螺旋型槽的設計防止因草料纏繞在喂入輥上造成堵塞而損壞設備，整個喂入輥需要自適應草料的厚度，能夠隨著草料的厚度而調整上下輥間距，設置張緊彈簧，彈簧的上下擠壓可以調整喂入輥的上下間距，滿足工作條件。

4.4 切揉裝置分析

該裝置主要適用的草料為玉米、高粱和豆秸等，將飼草加工切割成1～5cm的絲段狀，本設計適用于玉米秸稈、高粱和豆秸等飼草，且要干、濕兩用，需要將飼草加工成1～5cm的絲段狀。根據設計要求選擇和飼草的加工類型，選擇整個粉碎裝置選用錘片式粉碎為基礎，為設計轉子，錘片和粉碎室。我國飼草加工機械類型、結構及特點如表1所示。

圖5 喂入輥結構示意圖

4.4.1 轉子的設計

根據主軸的運動速度來設計轉子的整體結構，一般由電動機帶動主軸從而帶動轉子來進行破碎，轉子直徑和粉碎室的寬度為主要參數，在設計轉子時應考慮轉子的直徑對整個破碎的效果及功率的影響。設計轉子時，以下因素應進行優先考慮：①要考慮二級，四級異步電動機直聯時，錘片末端線速度要求；②要靠近優先；以切向進料式舉例說明，轉子直徑優先采用32 cm、36 cm、40 cm、50 cm系列，根據實際要求及需要設計轉子的直徑。

表1 我國飼草加工機械類型、結構及特點

4.4.2 錘片的設計

中小型鍘草揉絲機中，通常選用錘片作為破碎裝置，錘片是整個機構中較為關鍵的部件之一，而且其使用頻率較高，容易磨損，故對錘片的設計要求較高。在整個破碎過程中，錘片以高速的運動狀態和物料發生撞擊，從而擊碎物料，為減少機具的沖擊力，再設計錘片時，其擺心應和銷軸的軸心重合。在我國，錘片的設計已經出臺了相關標準，同時，在滿足錘片的相關要求時，也應盡量使其易于拆卸，維護及保養，具體參考農業機械設計手冊。如圖6所示。

圖6 錘片結構示意圖

4.4.2.1 錘片的數量及排列

(1)錘片的數量。

切揉機轉子上的錘片數Z由下式確定：

式中：B為粉碎室寬度(mm)；e為錘片厚度(mm)；k1為錘片配置密度系數，k1=0.28～0.42k1值越小，粉碎顆粒越粗。

(2)錘片的排列。

目前錘片常見的分布方式有：螺旋線排列、對稱排列、交錯排列和對稱交錯排列(圖7)，我國生產的粉碎機普遍采用交錯和對稱交錯排列。

圖7 錘片的排列方式

在實際的生產過程中，錘片的磨損程度與粉碎機的功率有關，所以轉子上錘片排列方式關系到機具的轉子的平衡和錘片的磨損。一般來說，對錘片的設計要求是：沿工作寬度轉子的運動軌跡應分布均勻且不重合，保證轉子的動平衡。如圖8所示。

圖8 錘片的對稱交錯排列方式

4.5 粉碎室的設計

對于粉碎機而言，采用較大的粉碎室可以獲得較高的生產效率，粉碎室的寬度應當大于普通的谷物粉碎機，寬徑比應為0.8～2。粉碎室的寬度現已系統化，查閱農業機械設計手冊即可得出相應的數據。在粉碎過程當中，錘片和齒板的相互配合即可充分的起到對秸稈的揉搓、打擊、粉碎，增強了對秸稈的撞擊和輸送作用，所以設計出合適的齒板外形及尺寸對揉搓粉碎性能都有較大影響。如圖9、圖10所示。

圖9 錘片運轉最大位置

圖10 齒板結構示意圖

目前齒板的齒型和轉子軸線之間的夾角α有以下幾種方式：

與轉子的軸心線水平，及α=0°；

與轉子的軸心線夾角α=60°～80°；

與轉子軸心線垂直，α=0°；

在入料及揉搓段α=0°，在出料段α=60°～80°。

本參數的確定與整個粉碎裝置的配置有關，并且齒的高度也決定裝置的工作性能。齒高的取值范圍為h=6～23 mm。

在整個工作過程當中，出料口的設計也對破碎裝置有著相應的影響，根據國內外現有的裝備來看，大型鍘草揉絲機往往設置拋送板，粉碎的秸稈等作物經拋送板拋出，經過輸料導管導出，中小型鍘草揉絲機往往不設置拋送裝置，由轉子直接將粉碎的物料拋出，結構更為簡單，節省空間。如圖11所示。

圖11 粉碎室結構示意圖

4.6 傳動裝置設計

根據整機構造，若選取一個電動機，需要將輸送裝置，喂入裝置及破碎裝置共同帶動運轉，負載過于龐大，容易引起電動機的故障，故通常設置兩個異步電動機來進行動力的提供，一臺電動機提供粉碎室轉子的動力，使轉子能夠高速的旋轉，另一臺電動機提供輸送裝置及喂入裝置的動力，使其平穩運行。中小型鍘草揉絲機適用于廣大農村養殖戶和中小型飼料加工廠，多選擇Y系列封閉式三相異步電動機。Y系列封閉式三相異步電動機主要適用于灰塵多，土揚水濺的工作環境，如農業機械、礦山機械等，符合設計要求。且Y系列封閉式三相異步電動機具有效率高、耗電量小、噪聲小、振動小、體積小等特點，并且整個電動機的運轉性能好，運行可靠維修方便。

5 結語

隨著農業產業全方位的發展變革，良好的飼草加工在畜牧養殖產業鏈尤為重要。由于鍘草揉絲機能高效、及時地將新鮮飼料加工細化， 便于及時青貯， 又省時省力， 在飼料加工的工藝流程中受到青睞， 目前的市場需求量越來越大。