農用柴油機在肉牛養殖中的應用

摘 要： 柴油機是我國農業生產中不可或缺的動力源，農用柴油機種類繁多、經濟性好、適應性強。近年來，伴隨我國飲食結構調整，國家實施糧改飼、糧改畜，以肉牛養殖等為主的畜牧養殖業得到大力發展，機械化養殖作為現代化肉牛養殖的重要支撐，養殖各環節以柴油機為動力的農業機械得到了大量應用。以肉牛養殖為例，闡述了農用柴油機在牧草生產、收獲、加工，以及肉牛飼喂和廢棄物處理環節的配套應用，分析農用柴油機發展中存在的工作穩定性較差、噪聲和排放較大問題，提出應用電控高壓噴射等先進技術提升農用柴油機性能、做好農用柴油機與專業農機具的配套適應性，以及加強農用柴油機制造工藝和強化生產過程管理的發展策略。

關鍵詞：農用柴油機；單缸；多缸；肉牛養殖；畜牧機械化

中圖分類號：S218 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）04-0005-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.04.001

0 引言

柴油機具有扭矩大、功率高、經濟性能好的優點，作為道路及非道路移動機械配套重要的動力，應用于工程機械、農業機械、車輛、船舶和發電機組等眾多領域[1]。特別是農業生產環境差、地形復雜多樣，95% 以上的農業機械采用柴油機作為動力[2]。

近年來，我國實施糧改飼、糧改畜，畜牧養殖業得到大力發展。2021 年我國畜牧業總產值39 910.8 億元，占農林牧漁業總產值的27.15%，牛肉產量698 萬t（世界第3 位），畜禽養殖規模化率達到69%，其中肉牛規模化率32.9%[3]。機械化養殖作為現代化肉牛養殖的關鍵環節， 是提升規模化養殖水平的重要支撐[4]。肉牛養殖過程中，牧草播種、管理、收獲、加工，以及肉牛飼喂和廢棄物處理等都需要用到農業機械，作為農業機械重要動力源的農用柴油機與肉牛養殖關系密切。

1 柴油機概述

柴油機按排量缸可分為單缸柴油機、多缸柴油機；按工作循環可分為二沖程柴油機、四沖程柴油機；按其他分類可分為立式、臥式、直列式、斜置式，V 型、X 型及W 型等。我國農用柴油機從單缸到多缸，功率覆蓋面寬，產品種類多[5]。從缸數總臺量看，單缸機最多，其次是4 缸、6 缸機，2 缸、3 缸機數量較少[6]。

1.1 單缸柴油機

最初生產單缸柴油機是為農服務，歷史悠久。經過多年發展，單缸柴油機在規模、產量、品種等方面實現飛躍，單缸柴油機最大缸徑從115 mm 逐步擴大到135 mm[5]。單缸柴油機具有用油量省、結構簡單、配套靈活、使用方便、價格便宜及易于維修等優點。農用單缸柴油機是小型農業機械的主要動力源，面廣量大，2021 年配套總量達150 萬臺，主要配套微耕機、小型拖拉機、三輪四輪農用汽車、水泵機組、小型收獲機和農副產品加工機械等，功率1.5～24.0 kW[6]。

1.2 多缸柴油機

多缸柴油機包括中小功率、大功率兩類，中小功率以2 缸、3 缸、4 缸為主，大功率以6 缸、8 缸為主[3]。2 缸、3 缸柴油機主要與低速貨車、小型拖拉機等配套；4 缸柴油機主要與73.5 kW 以下中型拖拉機、喂入量較小的自走式谷物聯合收獲機、自走式玉米聯合收獲機配套。6 缸柴油機是柴油機中功率覆蓋面大、配套范圍廣的一類，主要配套大功率拖拉機、大型自走式谷物聯合收獲機、自走式玉米收獲機等[7]。

2 在肉牛養殖中的應用

我國在推行糧改飼后，農牧區大力推廣全株青貯飼用玉米，農用柴油機得到進一步應用，貫穿于牧草生產到肉牛飼喂、糞污處理全過程[8]。

2.1 飼草料生產與加工

2.1.1 飼草料生產

飼草料生產包括飼草料種子收獲、種子播前處理、耕整地、播種和田間管理。種子收獲環節的聯合收獲機、專用草籽收獲清選機，主配4 缸、6 缸柴油機；耕整地環節使用的圓盤耙、釘齒耙、鏵式犁和旋耕機，根據地形地貌主配單缸、2 缸、3 缸柴油機；播種環節的牧草種子精量播種機及田間管理環節使用的松土補播機、施肥機、中耕除草機等主要配套6 缸柴油機。

2.1.2 飼草料收獲

肉牛養殖飼草料機械化收獲技術根據收獲草料含水率不同可以分為干草機械化收獲、高水分機械化青貯收獲。

（1）干草機械化收獲。飼草料經刈割壓扁后在田間晾曬，當含水率降低到一定值后再進行撿拾打捆[9]。飼草料機械化刈割裝備中的割草壓扁機、割草調質機，干草調質中使用的摟草機、攤草機，草成型機械中使用的草捆打捆機、草捆撿拾壓捆機等主要配套單缸、2 缸、3 缸和4 缸柴油機，目前市場產品多為36.75、51.45 和66.15 kW 輪式拖拉機牽引作業[10]。以打捆機為例，匹配動力13.23～36.75 kW 四輪拖拉機，一次完成自動拾草、打捆、切繩，草捆不散，機型按出捆大小分130 型（出包50 cm×80 cm）、200 型（100 cm×70 cm）等，是肉牛養殖場必備的機械之一。

（2）高水分機械化青貯收獲。刈割后直接鍘切粉碎或刈割壓扁在田間晾曬后撿拾打捆，再進行袋貯、窖貯或裹包纏膜等青貯[11]。

玉米青貯收獲期短，對于肉牛養殖場靠農戶收割運送玉米秸稈開展青貯，往往會耽誤青貯制作，影響青貯飼料的儲備，因此一般根據養殖規模配備青貯飼料收獲機[12]。青貯飼料收獲機主要分為自走式和懸掛式。如約翰迪爾8200 型自走式青貯收獲機采用直列6缸式發動機，可掛接不同割臺收獲不同品種作物[9]。德國C-300 型懸掛式青貯飼料收獲機集撿拾、切碎、卸料功能于一體，拖拉機前或后懸掛，撿拾寬度2.5、3.1 和3.5 m。我國青貯飼料收獲機也有較多機型，集中在大中型147～294 kW、小型和懸掛式產品領域，lt;5 行的青飼玉米收獲機配套4 缸柴油機，gt;5 行則一般配套6 缸柴油機。

用于青貯飼料壓實的輪式、鏈式壓窖機，袋式灌裝青貯用的牽引式灌裝機、掛接式灌裝機，拉伸膜裹包青貯使用的纏膜機、纏膜打捆一體機，根據不同機型、不同使用要求配套不同功率柴油機。

2.1.3 飼草料加工

飼草料加工機械包括飼草切碎機械、草料粉碎機械、草料混合攪拌機械等。飼草切碎機械又稱青貯切碎機，常用在肉牛養殖場，用作鍘切青貯料，包括鍘草機、秸稈切碎機等[12]。草料粉碎機械是飼草料加工成草粉、草顆粒、草塊使用的錘片式粉碎機、粉碎噴草機、飼草粉碎機等。草料混合攪拌機械分立式、臥式和移動式3 種，使用時直接將青貯飼料、各種草捆、秸稈、精料和糙渣等投入攪拌機內切碎、混合，可減輕勞動強度，節省人力，提高飼喂效率。飼草料加工機械主配單缸、2 缸、3 缸和4 缸柴油機。

2.2 肉牛養殖環節

2.2.1 飼草料取用

肉牛養殖中的飼草料儲運機械包括自走式（或牽引式）草捆撿拾裝載車、草捆撿拾碼垛機和草捆裝卸車，配套4 缸柴油機。

青貯取草機由取料割頭和傳送帶組成，取料割頭由電機驅動，旋轉取料，刮板快速上料，液壓驅動行走和轉向，高拋卸料3.5 m 以上，節省鏟車操作，取料整齊、青貯不易發霉，較少浪費，適合大、中型肉牛養殖場采用，刮板上料裝置動力可用電力或配套柴油機驅動。

2.2.2 肉牛飼喂

肉牛飼喂設備包括撒料設備、喂養設備[12]。撒料設備中的自走式撒料車主要是三輪車或四輪車，兼有飼料轉運功能，根據養殖規模大小可選用不同規格。撒料車可以使用電驅動、柴油機驅動，柴油機驅動撒料車容量更大。以某企業撒料車為例，電動與柴油驅動技術參數如表1 所示。牽引式、自走式TMR 設備可以實現撒料功能，配套動力可以是電動或者柴油驅動。

2.2.3 糞污收集處理

糞污收集設備包括鏟車、刮板式清糞機、固液分離機、翻拋機、發酵處理設備和污水處理設施等，目前我國規模化肉牛養殖場清糞方式以刮板和拖拉機鏟車為主[13]。糞污處理設備以固液分離和堆肥發酵設備為主，包括墊料再生系統、翻堆機、撒肥車等，根據不同應用場景、不同功率需要選配單缸、4 缸柴油機[14]。如柴油機清糞車，用于規模化養殖場清糞，車斗為上寬下窄的倒梯形結構，牛場清糞時，置于牛欄側面的凹槽內，將牛糞推到車內后運走[15]。

3 存在問題

3.1 工作性能有待進一步提升

肉牛養殖中牧草種植地形地貌多樣，青貯收獲功率要求高，需要穩定的動力輸出。當前我國農用柴油機關鍵零部件質量不穩定，一致性較差、使用壽命短，影響整機的工作性能[16]。如噴油器供油不正常、氣門漏氣、空氣濾清器堵塞等造成啟動困難；配氣相位誤差、供油提前角不對、密封磨損等造成輸出功率不足[17]。相比國外先進機型，我國農用柴油機質量大、油耗高，在傳動效率、可靠性、耐久性、振動、噪聲和排放等方面還有待加強。

3.2 與配套機具適應性需進一步提高

農用柴油機服務肉牛養殖生產中，因不同用途各有一些特殊要求。牧草生產中，為了減輕對深層土壤的壓實，對拖拉機柴油發動機有一定的高速化和輕量化要求。牧草收獲時，作業時間短，工作時間長，對柴油機穩定性有高要求。青貯收獲莖稈潮濕，行走阻力增大，柴油機負荷加大，必須有足夠大的扭矩儲備及高調速性能。與肉牛養殖運輸車配套的柴油機要求結構緊湊、比質量小。目前農用柴油機針對肉牛養殖各環節應用要求與配套主機的匹配適應性需要進一步優化。

3.3 噪聲、排放需要進一步降低

受材料和制造工藝限制，目前我國中小功率柴油機氣缸蓋罩殼、齒輪室蓋板和油底殼等較大面積的外露件均用薄壁鑄鋁件、鑄鐵件或沖壓件，導致農用柴油機工作時產生的噪聲大[18]。農用柴油機具有典型的面源排放特征。小型農用柴油機整體單機成本低、制造工藝相對較差，導致排放水平較差[19]。而大中型拖拉機、大型谷物聯合收獲機、大型青飼收獲機和低速載貨車配套的多缸柴油機應用廣、功率大，節能減排壓力大。肉牛養殖中動物特殊性對農用柴油機的噪聲和排放有更高要求，柴油機的噪聲和排放需要進一步降低。

4 建議與措施

4.1 技術創新提高農用柴油機工作性能

HJ 1014—2020《非道路柴油移動機械污染物排放控制技術要求》明確規定，自2022 年12 月1 日起，所有生產、進口和銷售的560 kW 以下非道路移動機械及其裝用的柴油機應符合中國四階段排放標準要求[20]。這意味著節能、環保、高性能農用柴油機成為新一代柴油機研發的基本要求。因此必須從根本上對農用柴油機進行技術革新，提高現有產品可靠性，改善噪聲、排放等強制性指標。

創新柴油機電控單體泵供油、高壓燃油噴射、排氣后處理等技術，大幅降低燃燒噪聲和整機噪聲；做好重要零部件優化設計，如增壓和增壓中冷改進設計，進一步增大功率，擴缸和提高轉速，提高功率和扭矩，以此提高農用柴油機的綜合效率，降低燃油消耗，減少排放。

4.2 做好農用柴油機與配套主機的匹配適應性工作

由于新技術的不斷出現，農用柴油機配套的機械產品推陳出新，這就要求柴油機對配套產品特殊功能有較高適應性。單缸柴油機應推廣直噴化、輕量化、多缸化，如使用2 缸、3 缸小缸徑柴油機直聯配套的農機，替代大缸徑單缸柴油機配套，提高傳動效率，減少振動和降低噪聲，以適應肉牛養殖低噪低排的要求。多缸柴油機應加快增壓、增壓中冷等技術的應用，使之更好地滿足牧草生產中大中型農業機械發展的需要。農用柴油機還應根據肉牛養殖環節不同配套用途進行相應改進，以更好地滿足主機要求，同時還要做到與配套主機的改進提高及更新換代同步發展。

4.3 加強制造工藝和強化過程管理

除了技術革新和更好匹配主機要求外，還應加強農用柴油機的制造質量，提高管理水平，確保柴油機產品質量的一致性。如提高農用柴油機的制造工藝、工裝水平，保證柴油機零部件的加工精度和裝配精度；加強新工藝、新材料的開發應用，如發展薄壁鑄造、柔性生產工藝，全面提升生產企業的冷、熱加工工藝水平，推廣應用工程陶瓷、納米塑料、復合材料柴油機零件生產等[21]。此外，綜合應用行政、經濟等手段，健全促進不滿足排放要求的農用柴油機退出體制，完善退出市場，加強監督檢查。

5 結束語

我國糧食+奶+肉的飲食結構處于起步階段，未來機械化和規模化養殖，是提高養牛企業勞動生產率和市場競爭力的必然選擇。農用柴油機是農業生產中不可或缺的動力源，隨著我國農業機械化水平（包括畜牧養殖）的大幅度提升，農機總動力不斷提高，從農機動力源著手，強化農用柴油機的節油、降耗，減少排放污染是未來發展的必然趨勢。因此，應持續加強電控高壓燃油噴射、增壓中冷、廢氣再循環（EGR）等新技術應用，使農用柴油機具有更佳的工作性能，更好地滿足肉牛養殖應用中穩定工作性能、低噪聲、低排放的使用要求。

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