秸稈粉碎設備的研究現狀與技術分析

謝婉瑩，馬少輝，趙 麗

（1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區普通高等學校現代農業工程重點實驗室；3.塔里木職業技術學院）

0 引言

我國作為農業大國，糧食產量保障了14 億人口的生產生活，同時也產生了年均8.65億t的秸稈資源。然而傳統的將秸稈就地焚燒或未經處理直接還田的處理方式已不再適用，焚燒產生的廢氣不僅會污染空氣，還會對人體造成危害，未經處理直接還田不但會造成資源浪費還會導致土地營養結構被破壞。因此，豐富秸稈的利用形式，能夠減輕生態系統負擔，合理利用秸稈已成為綠色發展的重要課題。

據統計，2021 年我國農作物秸稈利用總量6.47 億t，綜合利用率約88%，其中秸稈還田量達4億t，秸稈離田利用率達到了利用總量的33.4%。目前我國秸稈資源的離田利用技術可總結為“五料化”，處理方式中肥料化和飼料化分別占比53.93%和23.42%，燃料化為輔，占比14.27%，其余0.6億t秸稈用于基料化和原料化。秸稈還田是肥料化最常見的利用方式，將秸稈在田間粉碎后直接拋灑掩埋或將秸稈收割粉碎后腐熟。秸稈飼料化能夠緩解牲畜的飼料短缺問題，降低生產成本，但需將秸稈切斷粉碎成不同形態和長度以提高牲畜適口性[1-4]。無論是何種處理方法，都要先將秸稈粉碎再進行后續的工藝，因此秸稈粉碎機的作業效果直接影響秸稈利用技術的發展。現有秸稈粉碎設備的作業能耗、粉碎效果和使用壽命等性能無法滿足用戶需求，因此本文以粉碎機性能分析為關鍵點開展研究，以期豐富秸稈的利用形式，推動農業向可持續化和現代化發展。

1 秸稈粉碎設備的研究現狀

不同作物秸稈的物理特性與力學特性不同，所適宜的粉碎工藝也不同，現有的秸稈粉碎機主要有錘片式、鍘切式和揉切式。

1.1 錘片式粉碎設備

錘片式粉碎機因其對不同物料狀態適應能力強、質量可靠、空載狀態啟動迅速、便于維修和操作簡單等優點得以廣泛推廣。一些農業大國在粉碎機領域的研究起步較早，美國在19 世紀末期研制出了第一臺錘片式粉碎機，經過完善與改進，目前市場上的主流粉碎機型有兩種，一種是美國Champion 和Jacobson 等公司研發的大面積篩片的全周篩粉碎機，另一種是由荷蘭Van Aarsen 公司生產的2D 式粉碎機，其突出優點是沖擊齒板面積較大，最大可達粉碎室總面積的46%[5]。我國上世紀50 年代由蘇聯引進粉碎技術和樣機，經過20年的研發設計，1975 年由原第一機械工業部研究院農機所對國內錘片式粉碎機開展分型工作，統一劃分為9F 系列，其型號為9F-32、9F-45、9F-55 及9FQ-40、9FQ-50 和9FQ-60，這一舉措推動了粉碎機向標準化、系列化和通用化方向發展。近年來學者對粉碎機的改進多集中在優化結構、降低能耗以及提高篩分效率方面。

1.1.1 篩分效率

錘片式粉碎的原理是在機械力的作用下使固體物料發生形變進而破碎的過程。粉碎室主要由錘片及篩板構成，作業時將秸稈喂入粉碎室，錘片在高速旋轉狀態下不斷打擊秸稈，同時內腔齒板摩擦作用于物料，篩片可根據實際需要更換不同孔徑從而起到篩分作用，在錘片的離心力和氣流場的作用下，符合篩片孔徑尺寸的物料顆粒會輸送至出料腔，不滿足篩片尺寸的物料彈回繼續被錘片打擊直至粒徑合格[6]。錘片組在粉碎室內高速旋轉，產生的氣流層與篩片距離不同因此會產生壓力差，靠近篩片的氣流層流速快、壓力小，遠離篩片的氣流層流速慢、壓力大，導致物料在粉碎室中分布不均勻，形成了物料相對粉碎室自身旋轉的物料環流層，造成篩分效率低。

前蘇聯學者B.C.Kpcom-HoB 等采用高速攝影機記錄觀察了粉碎過程中物料顆粒的運動軌跡，率先證實了物料隨錘片運動過程中存在環流層[7-8]。粒徑大的物料顆粒受離心力作用分布在靠近篩片的外圈，粒徑小的物料顆粒受負壓作用分布在內圈，導致粉碎合格的小尺寸物料無法排出粉碎室，大尺寸的物料在外部氣流層容易堵塞篩孔[9]，降低了錘片式粉碎機的粉碎質量，增加了作業能耗。針對這一問題對整機進行優化設計有助于使粉碎機的發展進入新階段，在此之后學者們通過研究，采取不同方式破壞物料環流層以提高篩分效率。

（1）改變壓強。劉憲等通過研究發現粉碎室內的氣流分為切向氣流和徑向氣流，分別與物料的切向速度和徑向速度正向相關，并通過理論分析說明增大徑向氣流的速度有利于粉碎物料快速出篩，但未進行試驗驗證。熊英俊等設計了一種新型高效節能型錘片式粉碎機，通過在粉碎機頂部加裝進氣管及溫濕度傳感器來調節作業過程中的氣體流量，通過優化粉碎室內的作業環境達到提高粉碎效率的目的。孔騰華等在粉碎室加裝多道噴管并配備噴嘴，向粉碎室內噴入高壓氣體[10]，可及時清潔篩片上附著的物料，同時提高出料效率，避免小粒徑物料的重復粉碎。

（2）改變篩片形狀。田海清等將篩片設計為每一等分段由翼形弧、等邊角及圓弧三部分組成的組合式圓弧形篩片和翼型三角形組合篩，使粉碎機在作業時破壞物料環流層從而提高粉碎性能并通過理論和試驗驗證翼型三角形組合篩在實際生產中綜合性能最佳[11]。王海慶等設計的三角形篩片是在環形平篩基礎上彎折組成的曲折性圓環[12]，這種篩片能夠改變粉碎室內氣流場的運動狀態并使物料以不同的速度和方向交錯運動，提高生產率。劉巍等設計了兩組篩孔直徑分別為8 mm 和4 mm 的篩片，進行兩次粉碎[13]，降低了物料堵塞，提高了生產率。趙波等設計的篩片其上篩孔沿篩板外壁呈10°～45°“人”字形分布，被粉碎物料沿篩孔分布的軌跡運動，有助于粉碎后的物料及時從篩孔排出，提高粉碎效率。劉偉峰等設計了梯形截面篩片的異形粉碎室，錘片末端和梯形篩片之間形成局部回流，使粉碎后的小顆粒及時出篩，增加大顆粒受打擊的機會，從而提高粉碎性能。

（3）改變粉碎室形狀。羊水滴王968 系列粉碎機采用水滴形粉碎室設計和“W”型二次粉碎結構，使產量在原有基礎上提高了25%，通過調節篩錘間隙實現普通粉碎和微粉碎的轉換。董梓南等設計了雙轉子雙粉碎室結構，解決了生產效率低、物料跟轉以及粉碎不充分等問題。

1.1.2 結構優化

朱新華等在優化粉碎機結構時提出物料的固定轉速受轉子構造影響，增大物料顆粒與錘片的相對速度可以增加有效粉碎幾率。將常規單轉子替換為雙轉子結構且將兩個轉子反向按螺旋線安裝，使兩環流迎面相撞降低環流速度，物料隨錘片做螺旋運動，增大與錘片撞擊的概率，提高粉碎率。朱建東認為通過改變錘篩的間隙和錘片排布可以實現不同粉碎粒度的要求，當錘片間隙大時，篩片物料層厚度大且流動速度慢，物料與錘片和篩面之間的摩擦作用被削弱，這時錘片對粉碎室篩面上料層的翻動能力弱，篩分能力較低，粉碎粒徑小；當錘篩間隙減小時，料層隨錘片流動的速度加快，篩面處料層變薄，增強了物料與錘片和篩板之間的摩擦作用。

錘片式粉碎設備主要用于粉碎飼料和糧食等顆粒物料，可通過更換不同孔徑的篩片控制粉碎物料的粒徑。其中物料環流層是制約錘片式粉碎機發展的主要因素，從空氣動力學角度出發，克服流體力學流場變化產生的干擾以提高粉碎后物料的分離能力是今后研究的主要內容。

1.2 鍘切式粉碎設備

鍘切式粉碎技術多用于鍘草機和秸稈粉碎機，鍘切式粉碎機的主要結構包含粉碎室、刀具、傳動機構和電機等，由于莖稈的脆性、硬度、含水率和抗剪強度等特性不同，對粉碎工藝作業的需求也不同。如水稻秸稈和棉稈等纖維素和木質素含量高的硬莖秸稈對刀具的鋒利程度和切割速度要求較高，且秸稈在含水率高的情況下比在含水率低的情況下更難切碎[14]。根據刀具的運動方式分為圓盤式和滾筒式。

1.2.1 圓盤式鍘切

圓盤式鍘刀作業時物料沿粉碎設備一側軸向進入，動刀在高速旋轉下配合固定的定刀進行剪切，將物料切成段狀，切割過程中物料對圓盤的沖擊力大，圓盤剛度達不到要求時切割不均勻，刀刃磨損嚴重，降低了刀具使用壽命和粉碎質量。與錘片式粉碎機不同，鍘切式粉碎機對喂入裝置的要求較高，喂入裝置要為被粉碎物料施加穩定的夾持力，喂入輥間距不能過寬，否則起不到夾持的作用，不能將物料平整的送至鍘切刀，喂入輥間距過窄則會導致物料堵塞，喂入不流暢。喂入輥的半徑決定了喂入能力[15]。

2003 年，浙江大學的宋慧芝等設計出了一款可以調節喂入高度的粉碎機，該機選取可以自動調節喂入口高度的星齒型上下喂入輥，用彈簧將喂入輥軸座與機架相連，使彈簧隨喂入物料的尺寸變化而變形。試驗表明秸稈粉碎長度在10 mm 內的可達71%，但尺寸差距較大的秸稈同時粉碎時會導致尺寸較小的秸稈漏切，降低了粉碎質量。張文倩等設計的9ZS-20 型稻麥秸稈鍘撕機解決了漏切的問題，該機具的喂料裝置在喂料輥的軸承座中加裝了壓緊調節機構，機構由彈簧和滑塊組成，既能使上喂料輥可以隨著喂入物料厚度滑動，又保證了喂入輥對物料層的壓力，避免物料喂入過程中產生滑動。此外該機具加裝了撕裂裝置，秸稈先由動刀切碎成均勻長度后由撕裂裝置撕裂成柔軟絲狀進行二次粉碎。該機具可適應不同形態物料，且無論含水率高低都能將其粉碎至合格狀態。

1.2.2 滾筒式鍘切

直刃斜裝式滾筒切碎器首創于上世紀80 年代，一經問世就在國內被大力推廣使用，其結構簡單，便于制造生產。滾筒式鍘切粉碎機工作時動刀與滾筒一體，滾筒轉動帶動刀片，刀片刃線呈圓柱形運動，上、下喂入輥將物料夾緊，兩喂入輥反向轉動將物料喂入切碎滾筒內，由動刀片將支撐在定刀上的物料粉碎，滾筒和動刀不斷轉動形成氣流，將粉碎好的物料吹出機體。廖培旺等[16]設計了配套打捆作業的滾筒式棉稈鍘切機，在傳統鍘切基礎上加裝了破碎板，動刀和破碎板在滾筒外圍交錯分布。工作時先由破碎板與定刀共同作用破壞整體莖稈，后由定刀與動刀配合將秸稈粉碎成小尺寸，該設計降低了鍘切刀所受的切割阻力，降低了負載，減輕了動刀的磨損，延長了使用壽命，結構如圖1。刀具設計時選擇矩形刀片，刀刃分布于兩側，一側刀刃磨損后可更換另一側使用，節省了檢修時間。

圖1 滾筒式棉桿鍘切機構

1.3 揉切式粉碎設備

揉切式粉碎設備需要克服物料的剪切強度、擠壓強度和抗彎強度將物料加工成理想狀態。秸稈經過揉切機被加工成理想尺寸的絲狀段，破壞了秸稈的主體纖維，改善了牲畜的適口性，加工后的物料也可與打捆機或其他機具配合使用[17]。

上世紀60 年代初美國約翰迪爾公司研發制造了首款立軸式飼草揉碎機，VRC 系列飼草加工機具有生產率高、單位能耗小等優點，被廣泛用于實際生產中[18]。80 年代末由韓魯佳等設計的9LRZ-80 型立式秸稈揉切機集鍘切與揉搓功能于一體。我國秸稈揉切設備多為中小型機器，適用于中小型牧場和飼養場，尚不能完全滿足生產需求，還需在設備能耗、生產率和適用性等方面進行優化[19]。

揉切式粉碎是以錘片式粉碎為基礎改進的，將原有的篩網替換為齒板，錘片和齒板同時作用于秸稈，將其揉搓成絲狀，作業時先由輸送裝置內的對輥對秸稈進行擠壓，切斷后進入粉碎室，由錘片和篩網配合使秸稈在篩網上多次摩擦直至秸稈達到篩網的孔徑，再由錘片轉動產生的氣場將秸稈送出粉碎室。對輥起到輸送并擠壓秸稈的作用，對輥的參數和形狀決定了抓取能力和擠壓效果，因此在設計對輥時直徑應盡量小，以減小傳動比，使機構緊湊，但直徑過小會發生秸稈打滑和纏繞問題。

1.4 組合式粉碎

組合式粉碎技術是將鍘切、碰撞、粉碎、磨搓和揉搓等功能組合為一體的新型粉碎技術。肖宏儒等設計了JF-720 型多功能秸稈粉碎機，該機具設有揉搓和粉碎兩個工作室，可以更換不同孔徑的篩片滿足作業需求。采用負壓式入料方式，降低了人工工作強度，工作時能耗均穩定在78 k W·h/t 左右，生產率為0.8～1t/h 左右。梁彥超等[20]針對秸稈還田精細化處理研制的1GJH-230 組合式秸稈粉碎滅茬混土還田機可一次完成秸稈、根茬粉碎以及覆蓋翻耕，將秸稈粉碎的長度控制在10 cm 之內，滅茬率達到90%以上，并且能將秸稈與根茬均勻混合后還田，減少田間作業次數，極大提高了生產效率。

2 存在問題

（1）現有的秸稈加工設備工作效率低，作業能耗高，切割時僅依靠動力輸入及刀具的高速轉動和撞擊對秸稈進行結構破壞，在刀具切割物料時發生撞擊，消耗了大量能量，縮短了關鍵裝置的使用壽命。其次是作業時噪聲大，除塵裝置少，工作環境惡劣，對機組操作人員的健康造成損害。

（2）受物料影響大，通用性低，最常見的秸稈如牧草、玉米秸稈和棉花秸稈的粉碎需求無法由一臺設備滿足。鍘草機等設備粉碎在長秸稈應用效果好，但用于短稈作物時刀具與秸稈會發生平切，粉碎效果差，用戶需根據不同的作物購買不同的粉碎設備，生產成本高且易使設備空置，造成浪費。

（3）在秸稈含水率不同時機器作業效果有偏差。含水率低時秸稈硬度大，對錘片或刀片產生的沖擊力大，磨損情況嚴重；含水率過高時容易堵塞粉碎機，粉碎效率低、維修成本高、耗時長。

3 發展趨勢

3.1 改變刀具的運動形式

為減少割刀在高速運轉時的能耗浪費，使其實現在低速運轉的條件下完成粉碎，將刀片設計為更鋒利的形狀易于切割物料，減少刀片與物料的摩擦，降低動能損耗。

3.2 與其他機具配套作業

秸稈粉碎機田間作業時與其他機具配合作業，不同機具重復作業極易破壞田間土壤結構，應設計殘膜回收和秸稈粉碎一體機，同時秸稈粉碎設備可考慮加裝還田裝置，一次性完成秸稈粉碎和還田，降低反復作業造成的動力浪費，節省成本。

3.3 推進設備自動化與智能化

推進現有粉碎設備智能化是提高工作效率的關鍵環節，應安裝智能控制系統實現自動化作業，降低人工作業強度。控制系統要結合視覺傳感器根據喂入物料的種類、粗細及粉碎要求不同自動切換夾持輥和切割刀具，提高設備利用率，實現一機多用。

3.4 改善作業環境

節能、低碳是可持續發展的前提，減少設備作業過程中產生的秸稈碎屑和塵土，加裝收集裝置，降低設備噪音，避免工作時對生態環境和作業人員身體健康造成損害，促進綠色生產。

4 結語

近年來，隨著能源緊缺，我國對農業資源的開發和利用力度加大，秸稈是農業資源的主體，優化創新提升粉碎設備的性能是利用秸稈資源的關鍵因素。當前國內秸稈粉碎技術仍不夠成熟，在保證現有粉碎質量的基礎上實現慢速切割，降低刀具轉速和整機振動頻率，減少不必要的動能消耗是亟待解決的問題。結合實際生產情況來看，機器功能更全、適用范圍更大、作業功耗更低以及設備一體化聯合加工是今后粉碎設備優化的目標。提高資源的利用率，減少資源浪費并使經濟效益最大化對環境保護和可持續發展具有重要意義。