青貯秸稈鍘揉機的設計與試驗

陳玉華，宋占華，閆銀發，田富洋，李法德，張忠良

(1.山東農業大學 機械與電子工程學院/山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018；2.肥城市畜豐農牧機械有限公司，山東 泰安 271608)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，人民生活水平不斷提高，對肉、蛋、奶需求所占的比例在不斷增加，促使畜牧養殖業也得到了快速發展，從而對青貯飼料的需求量也越來越大。傳統青貯飼料主要是在玉米果穗收獲后利用剩余秸稈鍘切青貯氧化而成，由于收獲期過晚，營養成分流失嚴重，過度纖維化，水分含量過低，不利于充分發酵，造成牲畜采食率降低[1-9]。近幾年，大型牧場多采用全株青貯飼料喂養，相比去除果穗的秸稈青貯飼料而言，全株飼料嫩綠多汁，酸香適口，牲畜采食率和消化率提高12%；飼料中粗蛋白、淀粉含量等營養成分增高，營養價值高出30%～50%，可有效提高牲畜產仔率，奶產量提高10%～20%，乳脂率與乳蛋白率均提高0.1%以上，降低了牲畜發病率，能有效地提高奶牛生產力和養殖效率[10-17]。

為解決全株青貯飼料果穗莖節破碎難題，打破現代畜牧養殖業規模化發展的瓶頸，克服國內現有秸稈鍘切技術僅限于將作物秸稈鍘切成段狀或揉搓，無法對作物果穗和秸稈莖節進行有效破碎，導致牲畜采食困難、咀嚼費力、適口性差、飼料浪費嚴重，難以滿足現代牧場對青貯飼料需求等問題，對全株青貯秸稈飼料穂莖破碎綜合機械化技術進行了探討和研究，并設計一種青貯秸稈鍘揉機。目前，該項技術在國外(如美國瑞恩公司、德國科羅尼公司生產的大型自走式青貯飼料收獲機)進行了普及，但其機械價格昂貴，國內購買力不足，與我國實際國情不符，難以大面積推廣應用。

1 主要構造及工作原理

1.1 主要構造

青貯秸稈鍘揉機的結構如圖1所示。

1．行走機構 2.輸送喂入裝置 3.拋料裝置 4.鍘揉裝置 5.Y系列三相異步電動機

青貯秸稈鍘揉機主要由糙面刺皮防滑帶式強制性輸送喂入裝置、平板直刀人字形排列滾筒式鍘切與鋸齒形對輥式果穗莖節破碎鍘揉裝置、液壓自動控制飼料拋送裝置、電動機、行走機構和機架等部分組成，具有結構合理、操作簡單、生產率高、適用面廣、移動方便及故障率低等特點。

1.2 工作原理

青貯秸稈鍘揉機全株青貯飼料穂莖破碎綜合機械化技術，是在現有鍘草機工作基礎上，采用液壓控制和機電一體化技術，可一次性完成全株作物秸稈的輸送喂入、鍘切揉搓、擊打破碎及拋送裝車(入池)等多項作業，除了能加工農作物秸稈和牧草之外，還可加工棉稈、樹枝、樹皮等物料。全株作物秸稈經皮帶式強制性輸送機構，強制夾持順向進入滾筒滾刀式鍘切揉搓裝置，經高速旋轉的滾筒滾刀將作物秸稈鍘切成一定長度后，拋送到鋸齒形對輥式果穗莖節破碎裝置；經對輥的反轉鋸齒、振動消減、高速旋轉使籽粒及秸稈進入揉搓破碎室，通過切揉過程破壞秸稈表面硬質莖節，在差速反轉鋸齒的揉搓和擊打下，完成作物果穗籽粒破碎及秸稈莖節揉搓破節；物料沿著高速旋轉滾筒外緣連續不斷地送入由高速風機帶動的液壓控制飼料拋送機構被拋出機外。上拋送筒在液壓控制系統的作用下，可實現360°全方位無死角自動旋轉，調節拋料方向，拋送筒尾部蓋板可液壓控制調整拋射角度，滿足飼料拋撒的要求。鍘揉加工后的飼草絲條無整齊切口，無硬結，適口性好，質地柔軟，能夠提高牲畜的采食率和消化率。其主要技術指標如表1所示。

表1 主要技術指標Table 1 Maintechnicalspecifications

2 關鍵部件設計

2.1 輸送喂入裝置的設計

糙面刺皮防滑帶式輸送喂入裝置由糙面刺皮防滑帶、輸送槽、液壓傳動裝置及強制式喂入裝置構成，利用糙面刺皮防滑帶和齒輥強制式喂入裝置，在液壓傳動裝置的驅動下，皮帶與輸送槽結合緊湊，帶動作物秸稈沿輸送槽正、反兩個方向運動。其正轉時可將作物秸稈送入強制式喂入裝置，由喂入裝置的喂入齒輥夾持并送入秸稈鍘切裝置，同時保證喂入時秸稈草層無相對滑動，并在草層變化時仍能保持夾緊；反轉時，可將堵塞、卡擠在喂入裝置的秸稈物料反方向退出，以便在喂料堵塞或喂料發生異常時促使傳送帶立即停止或倒退運行。

此外，還可增裝金屬探測器為其提供智能化保護，以防止金屬物進入鍘切裝置而導致刀片損壞。喂入滾筒下的彈性底板及物料拋送風機下的彈性底板可使輸送物料系統確保切碎物能被順暢無堵塞地拋出，鍘切滾筒的底板與定刀相連接，定刀與滾刀之間始終保持固定間隙；當作物喂入量增加時，底板與鍘切滾筒之間的間隙會變化，但不影響切碎質量，即使作物喂入不連續，也可以得到很好的切碎效果，徹底解決了秸稈、籽粒輸送過程中的堵、塞、卡、漏問題，秸稈飼料利用率可以提高15%以上。輸送喂入裝置如圖2所示。

1．刺皮防滑帶 2.前段側板 3.喂入口護罩 4.中部支撐 5.輸送槽 6.后支撐 7.張緊座 8.螺母 9.拉桿

2.2 鍘揉裝置的設計

平板直刀人字形排列滾筒式鍘揉裝置由動刀、動刀滾筒、定刀、上擋板、下殼板，及自動磨刀裝置組成。動刀為16組平板刀，沿動刀滾筒軸線方向人字形排列而成，與傳統刀盤和一字型直刀鍘切機構相比。本設計有動刀安全導向裝置，杜絕啃刀事故，具有鍘切時刀片滑切、切削阻力減小、物料流連續、功耗低、受力均勻、減少對主軸的沖擊力，便于調整動定刀間隙、飼料鍘切均勻順暢等特點，且物料鍘切長度在10～60mm范圍內任意可調以滿足不同牲畜的采食需要。定刀為整體可調刀座，使動、定刀間隙調節更加安全可靠、方便快捷；自動磨刀裝置在刀片磨損后通過操作手柄自動靠近刀片，對刀刃部進行磨削，恢復刃口鋒刃度，減少拆刀、磨刀、安裝及調試等一系列高難度操作。鍘揉滾刀的鍘切能力決定著秸稈的物料流輸送量，設計滾筒切刀轉速為1 300r/min，動刀片人字形排列2排共32把。將青秸稈飼料鍘切長度Ls=1 060mm、滾刀轉速nd=1 300r/min、滾筒的動刀片數z=16代入式(1)，可得喂入速度為

(1)

其中，Ls為青貯秸稈鍘切長度(mm);vf為喂入輥的喂入速度(m/s);nd為滾刀的轉速(r/min);z為滾筒上的動刀片數。通過計算，可得喂入輥的喂入速度為3.47～20.8m/s。

鋸齒形對輥式果穗莖節破碎揉絲裝置由1對表面經特殊加工而成的鋸齒狀對輥和動力傳遞件組成。經對輥的反轉鋸齒、振動消減、高速旋轉使籽粒及秸稈進入揉搓破碎室，在差速反轉鋸齒的揉搓和擊打下，完成農作物果穗籽粒破碎及秸稈莖節揉搓破節。與現有鍘切設備作業效果相比，該型較通常碾壓輥的表面摩擦力更大，對作物穗粒、秸稈莖節破碎效果更好，大直徑和大摩擦表面足以確保碾壓揉搓質量。青貯秸稈飼料的發酵品質和消化效果好，喂入物料量大且容易通過，碾壓輥表面不粘連，有利于提高作業效率和切碎物的質量水平，營養物質含量可提高30%以上，飼料采食率可提高12%。鋸齒形碾壓輥示意圖如圖3所示。

圖3 鋸齒形碾壓輥結構示意圖Fig.3 Serrated rubbing roller

2.3 拋料裝置的設計

液壓自動控制拋料裝置由下拋料筒、上拋料筒、拋筒尾部導流板及風機等組成。破碎后的秸稈物料沿著高速旋轉滾筒外沿連續不斷地送入下拋料筒，在高速風機的帶動下，沿上拋料筒拋出機外。上拋送筒在液壓控制系統的作用下，可實現出料口360°全方位無死角自動旋轉，調節拋料方向，拋送筒尾部導流板可通過液壓自動控制在0°～60°范圍內調整拋射角度，可滿足飼料拋撒貯料的要求。與現有鍘草機出料口需人工調節相比，本機器拋料裝置的拋揚距離、拋料方向全方位液壓自動控制，操作靈活輕捷，自動化程度高，水平吹送距離達6～12m，可提高勞動效率80%以上。拋料裝置結構示意圖如圖4所示。

青貯秸稈的密度較小，若僅依靠滾筒將秸稈鍘切后進行拋送，則拋送的高度有限，無法滿足部分用戶的使用要求。因此，拋料裝置必須增加風機設備，確保安裝有彈性底板的拋送風機在各種狀態下都能達到最佳卸料效率，以將秸稈物料精確拋送至拖車等運輸設備。參考相關文獻資料[18]，當風機葉片的周邊線速度為35～50m/s時，即可實現秸稈物料的有效拋料。秸稈物料顆粒的位移及速度與時間關系的運動方程式分別如式(2)和(3)所示，從而可確定秸稈物料顆粒在任一時刻的運動狀態。

l=(0.55l0+27)e190t+(0.32l0+12.7)e-408t-40

(2)

(3)

1.出料口緊箍 2.出料口緊筒 3.天圓地方管 4.下弧板 5.加強上弧板 6.扭簧 7.螺栓 8.螺母 9.平墊 10.側弧板加強邊 11.側弧板 12.彈墊 13.螺母 14.螺栓 15.擋板 16.出料口上弧板

3 試驗

2016年10月24日，在山東省肥城市畜豐農牧機械有限公司進行了青貯秸稈鍘揉機的性能測試和試驗。試驗對象為平均株高1 890mm、平均直徑25mm的青玉米秸稈，試驗儀器包括烘干箱、成套測功儀表(1級)、轉速表、秒表、磅秤、米尺、天平(感量0.5)、游標卡尺及噪聲測定儀等。從待切玉米秸稈物料中不同位置處取樣3次，每次抽樣100g左右，在105°C恒溫下烘干到質量不再變化為止，然后再稱其質量。按式(4)計算秸稈物料相對含水率并取平均值，即

(4)

其中，Hr為物料相對含水率(%)；Gb為烘干前樣品質量(g)；Ga為烘干后樣品質量(g)。

將待鍘揉玉米秸稈物料稱重，從喂入開始至喂入結束時停止，記錄凈工作時間，按式(5)計算玉米秸稈凈工作小時生產率，即

(5)

其中，En為凈工作小時生產率(kg-1)；G為鍘切秸稈物料質量(kg)；tn為凈工作時間(h)；H為秸稈物料標準含水率16.5。

在100g玉米秸稈樣品中采用十字交叉法取小樣20g，測量每節的長度，則平均鍘切長度為

(6)

其中，L為玉米秸稈平均鍘切長度(mm)；Li為玉米秸稈小樣第i根莖稈的實測長度(mm)；n為玉米莖稈個數。

以玉米秸稈樣品中帶節草料為測定對象，在測試的始、中、末階段，從鍘揉機出料口處各取樣3次，混合后依照十字交叉法取出樣品200g，按照式(7)計算青玉米秸稈物料始、中、末階段各自的破節率并最后取平均值，即

(7)

其中，Cs為玉米秸稈飼草各階段破節率(%)；Ms為樣品被鍘切成兩節以上或壓扁的帶節草料的總質量(g)；Mt為玉米秸稈物料樣品中帶節飼草的總質量(g)。

玉米秸稈標準草長率按式(8)計算，即

(8)

其中，Sc為玉米秸稈標準草長率(%)；mt為標準長度秸稈的總質量(g)；ms為玉米秸稈的小樣質量(g)。標準飼草料長度是指鍘切后的草段長度在(0.71.2)Ld范圍內的飼草料，Ld為鍘揉機的設計草料長度。

通過試驗數據計算得到青玉米秸稈物料相對含水率平均值為55%，凈工作小時生產率不低于50 000kg，平均鍘切長度35mm，物料秸稈破節率平均值達91%，秸稈標準草長率89%。試驗所得秸稈的切段長度及生產率符合秸稈破碎機相關驗收要求。青貯秸稈鍘揉機的樣機試驗現場如圖5所示。

圖5 樣機試驗現場Fig.5 Field test of a prototype

4 結論

1)青貯秸稈鍘揉機集自動喂料、物料鍘揉及物料拋送作業于一身，具有體積小、質量輕、移動方便、結構緊湊、運轉靈活、性價比優越等特點，提高了青貯秸稈加工效率，降低勞動強度，可廣泛適用于秸稈發電、造紙和人造板廠、乙醇提煉及畜牧養殖場等眾多鍘揉加工領域。

2)青貯秸稈鍘揉機確保青貯秸稈物料喂入順暢不堵塞，最大力度地減少單位功耗，鍘切長度為1 060mm，青貯秸稈破節率平均值達91，加工出來的秸稈物料絲化率高，顯著提高牲畜采食率和消化率。

3)本機能夠鍘切多種青貯秸稈物料，通用性強，設計合理，作業效率高，生產能力可達50t/h以上(青玉米秸稈含水率55%)，且節約管理成本，操作簡便，省時省力，安全可靠。