苜蓿同向異形制備與堆存試驗

余 永 賀 剛 王光輝 王德成 劉貴河

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院， 呼和浩特 010010；3.河北北方學院動物科技學院， 宣化 075100)

苜蓿同向異形制備與堆存試驗

余 永1賀 剛2王光輝1王德成1劉貴河3

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院， 呼和浩特 010010；3.河北北方學院動物科技學院， 宣化 075100)

為分析牧草同向異形堆存方式的優勢與合理性，進行了苜蓿同向異形制備與堆存理論分析及試驗。通過苜蓿同向異形制備試驗，分析了抄板高度、抄板數量以及旋轉筒轉速3個因素對苜蓿同向異形單元單位長度質量和產量的影響。通過分析牧草同向異性堆存的傳熱傳質過程，建立了牧草同向異形堆存的傳熱傳質模型；通過與散草堆存熱質傳遞模型的對比，證明了同向異形堆存的熱質傳遞較快，牧草的同向異形堆存有著能夠改善牧草自然通風干燥品質的實際意義。通過苜蓿同向異形堆存試驗，測定了堆存過程的溫度變化以及腐敗變質比例。結果顯示：經過同向異形調制整理后的苜蓿，在堆存過程中，牧草的植物活性提高，短期內部的發熱較為嚴重，在經過一段時間之后，苜蓿同向異形堆存的溫度下降；苜蓿同向異形堆存比散草堆存的腐敗變質減少23.7%～76%。

苜蓿； 同向異形； 制備； 堆存； 腐敗變質

引言

牧草收獲過程中，普遍面臨雨季問題，降雨會導致牧草品質和蛋白質含量大大受損[1]，故刈割的牧草不適宜在田間鋪放自然晾曬。因此刈割牧草面臨著牧草高含水率的貯藏和加工問題。

含水率高的牧草直接貯藏、打捆、壓塊會導致牧草變質[2-5]。人工機械干燥是牧草調質和降低含水率的有效手段，但會受到燃料價格、機器成本等因素制約[6-8]。牧民生活居住以小范圍群居為主，干燥調制裝置無法適應不同地區的經濟、地況等實際情況[9]。因此，很多地區(例如青藏高原等能源匱乏地區)就需要把高含水率牧草不進行機械干燥工藝就直接進行堆存。而由于較高的含水率，牧草直接堆存會出現細胞呼吸作用，釋放大量熱量，導致牧草大量變質腐爛。

部分地區采取的“晾草架”形式進行堆貯通風干燥能夠有效解決高含水率牧草室內堆存的大量變質腐爛問題。“晾草架”的關鍵工藝是首先把牧草全部沿著長度方向進行異形整理，然后進行堆存；它的基本加工環節為同方向排列收獲的鮮草卷繞牧草形成“麻花辮”。青藏高原牧民的長期實踐證明了牧草的同向異形堆存能夠在有限的室內晾曬面積情況下，最大限度地減少牧草的堆存發霉、變質。然而，目前還沒有針對這種堆存方式能夠減少變質和腐敗的理論與實踐分析。

本文設計一種機械化苜蓿同向異形制備裝置并進行試驗，探討同向異形牧草的物理參數與機器參數的關系；然后進行苜蓿的同向異形堆存試驗，并與普通堆存方式進行對比，分析同向異形堆存過程中不同含水率苜蓿內部溫度與腐敗比例的變化。

1 牧草同向異形制備試驗

1.1 牧草同向異形特點

圖1所示為牧草同向異形單元產品。牧民實際使用的單元產品螺距為150～250 mm，單位長度質量為0.4～1.0 kg/m，直徑為100～250 mm。

圖1 牧草同向異形單元產品Fig.1 Cocurrent special-shaped alfalfa unit

1.2 牧草同向異形制備裝置

牧草的同向異形單元產品類似于“麻花辮”，牧草沿著長度方向不斷纏繞。因此，同向異形裝置必須對牧草完成直線運動與旋轉運動，裝置的原理如圖2所示。

圖2 同向異形裝置原理Fig.2 Principle of forming equipment1.牧草 2.旋轉筒

針對上述原理，裝置采用旋轉筒內部布置若干螺旋抄板的形式對牧草進行成型作業。圖3所示為同向異形裝置三維設計圖。

圖3 牧草同向異形裝置三維圖Fig.3 3D graph of cocurrent special-shaped alfalfa preparation equipment1.出料筒 2.旋轉筒 3.機架 4.電動機 5.支撐系統 6.傳動系統 7.螺旋抄板 8.支撐輪 9.固定圈

同向異形裝置包括旋轉筒、出料筒、螺旋抄板、傳動系統、支撐系統、電動機和機架。旋轉筒和出料筒通過螺栓連接，旋轉筒與出料筒轉速相同，出料筒的出料口直徑小于旋轉筒進料口直徑。螺旋抄板焊接在旋轉筒和出料筒的內部筒壁上，在旋轉筒和出料筒內部均布。支撐輪的支撐作用確保旋轉筒正常旋轉；支撐系統的固定圈約束旋轉筒不產生徑向運動，擋輪和擋板圈約束旋轉筒沒有軸向竄動，保證旋轉筒正常、穩定地工作。同向異形裝置的設計參照文獻[10]。

同向異形裝置的總體結構尺寸為1 200 mm×590 mm×1 250 mm。旋轉筒的大小決定了牧草同向異形單元產品的直徑。設計的旋轉筒出口直徑為160 mm。拉伸速度與旋轉速度決定了單元產品的牧草纏繞螺距。旋轉筒轉速為60～300 r/min可調，過低的轉速會影響生產效率，過高的轉速會導致牧草由于離心力而緊貼在旋轉筒內壁，拉伸過程會使苜蓿同向異形單元產品斷裂。旋轉筒長度為1 200 mm。螺旋抄板的螺距為600 mm，螺旋抄板在旋轉筒內均布1～6個，螺旋抄板高度為0～90 mm(高度是指抄板的最高點與旋轉筒內壁的距離)，抄板數量和高度可根據牧草品種進行調整。

裝置工作過程：啟動電動機，電動機帶輪的轉動傳遞給中間帶輪，中間帶輪與中間齒輪同轉速轉動，中間齒輪與外圈齒輪嚙合運動，旋轉筒旋轉。從旋轉筒的喇叭狀進料口喂入鮮草，內部螺旋抄板能使鮮草向前運動，在出料筒的出口處，人工通過均勻控制螺距的方式以一定的速度拉伸出牧草同向異形單元產品，成型作業完成。

圖4所示為使用裝置制備的牧草同向異形單元產品。

圖4 使用裝置制備的牧草同向異形單元產品Fig.4 Cocurrent special-shaped alfalfa unit prepared by using the device

1.3 制備試驗與分析

制備試驗的目的是探討機器參數與牧草同向異形單元物理特性的關系。

不同的旋轉筒轉速、抄板數量和抄板高度都對牧草同向異形單元產品的物理特性產生影響。不同的旋轉筒轉速，使內部抄板對牧草的纏繞作用不同并且滑移率不一樣；不同的抄板數量隨著旋轉筒的旋轉對牧草產生不同的纏繞效果；抄板高度影響抄板對牧草的纏繞滑移率。通過預試驗，得出旋轉筒轉速為160～220 r/min時，可以較好地得到牧草同向異形單元產品，過高轉速牧草同向異形單元產品容易斷裂，過低轉速產率過低；過多的抄板數量以及過高的抄板高度都會阻礙牧草在旋轉筒內的移動，而過少的抄板數量和過低的抄板高度，牧草同向異形單元產品的制備效率過低，因此得出抄板高度為6～80 mm，抄板數量為1～6。

對抄板高度、抄板數量以及旋轉筒轉速3個影響因素進行了三因素三水平的正交試驗[11]，試驗參數見表1。通過調節電動機轉速來實現旋轉筒的轉速控制。抄板焊接在旋轉筒內部，抄板數量和抄板高度的控制通過更換不同的抄板來實現，每次更換先把上次試驗中的抄板切割下來重新焊接上新的抄板。

表1 試驗因素與水平Tab.1 Experimental factors and levels

相同旋轉筒轉速、抄板數量和高度條件下，牧草同向異形單元的物理特性只與出料口的拉伸速度有關，只要保證牧草不間斷的喂入即可。使用同向異形裝置進行苜蓿同向異形制備試驗，苜蓿含水率為65.3 %，生產出的樣品直徑為160 mm；試驗過程中通過調整拉伸速度來控制牧草同向異形的螺距保持在(200±20) mm。

每次試驗完畢后統計時間，并且測量成型的牧草同向異形單元的總長度；對成型的牧草同向異形單元進行稱量，可以計算單位長度質量，計算產量[11]。試驗結果與極差分析結果見表2。

由極差結果可知，隨著抄板高度的減小，產量升高；隨著抄板數量減少，產量升高；旋轉筒轉速在160 r/min時，產量最高。旋轉筒轉速對產量的影響最大。

以單位長度質量為指標考察時，當抄板高度為6 mm時，單位長度質量最大；當抄板數量為3時，單位長度質量最大為0.978 kg/m；當轉速為220 r/min時，單位長度質量最大為0.892 kg/m。對單位長度質量的影響大小排序依次為抄板高度、抄板個數、旋轉筒轉速。表3為牧草同向異形試驗的方差分析結果。

由表3可知，抄板高度、抄板數量和旋轉筒轉速對產量均沒有顯著影響。但是，可以發現抄板高度、抄板數量和旋轉筒轉速對單位長度質量的影響大于對產量的影響。另外，抄板高度對牧草同向異形單元的單位長度質量有顯著性影響。在產量相當的情況下，牧草同向異形單元的單位長度質量才是影響堆存效果的關鍵因素。

2 苜蓿同向異形堆存原理分析

圖5為苜蓿同向異形堆存圓周截面方向的簡圖。與普通的牧草堆存方式最大不同是單根牧草纖維的孔隙大小不一，普通的牧草堆存單根牧草之間的間隙相近，幾乎可以認為均等。通過異形處理后，孔隙差別大。圖5中的綠色框為控制單元。

圖6為某異形堆存的控制單元傳質分析圖。

ΔM=∑Fk+∑Sk

(1)

式中 ΔM——控制單元內蒸汽質量變化率，kg/sFk——通過對流進入、流出單元的水蒸氣質量流率，kg/s

Sk——控制單元內圓截面釋放出來的蒸汽增加率，kg/s

表2 苜蓿同向異形制備試驗安排與試驗結果Tab.2 Experimental plan and results

表3 苜蓿同向異形制備試驗的方差分析結果Tab.3 Variance analysis of the cocurrent special-shaped alfalfa preparation

圖5 同向異形堆存原理圖Fig.5 Principle of cocurrent special-shaped alfalfa storage1.單根牧草 2.同向異形堆存單體

圖6 某異形堆存的控制單元傳質分析圖Fig.6 Mass transfer of control unit

其中非穩態項[13]

(2)

圖7為某異形堆存的控制單元傳熱分析圖。

圖7 某異形堆存的控制單元傳熱分析圖Fig.7 Heat transfer of control unit

ΔU=∑Qk+∑qk

(3)

式中 ΔU——單位時間內控制單元內熱焓的變化率，J/s

Qk——單位時間內通過汽相流動帶入、帶出控制單元的傳熱量，J/s

qk——單位時間內牧草截面對控制單元的對流吸熱，J/s

其中非穩態項[16]

(4)

通過上述的通風干燥過程傳熱傳質的分析，可以得出傳熱傳質過程都與圓截面之間的間隙相關，并且都與孔隙孔徑的三次方相關。可以假設牧草同向異形堆存在橫截面上滿足的傳熱傳質方程均滿足

(5)

式中K——系數Ri——控制單元i的節點孔徑YS——傳熱傳質的總量

如果牧草進行普通的堆存，即可以認為所有控制單元的節點孔徑相等，同等量的散草堆存與異形堆存相比，可以認為總體孔徑相等，那普通堆存傳熱傳質方程可以表達為

(6)

可知，YS>YN；故而同向異形的堆存熱質傳遞較快。牧草的同向異形堆存有著能夠改善牧草自然通風干燥品質的實際意義。但是其中有部分牧草的間隙過小，極其容易變質腐敗，控制牧草同向異形單元的單位長度質量尤其重要，同時也為保證堆存過程中盡量少的牧草品質降低。

3 苜蓿同向異形堆存試驗

采用不同含水率的苜蓿鮮草進行苜蓿同向異形成型作業試驗，并進行堆存，記錄苜蓿同向異形堆存過程中的物理參數變化，并與苜蓿散草堆存進行對比。

3.1 試驗地點與材料

在河北省張家口市河北北方學院實驗室內進行試驗，使用的原料為河北北方學院試驗用地生長的苜蓿，為第三茬苜蓿，收獲時間為10月10日。初始含水率達80%。收獲同一批苜蓿共計約1 000 kg。

3.2 試驗過程

首先將剛收獲的新鮮苜蓿，及時攤曬在通風干燥處，晾曬厚度不大于20 cm。

針對本試驗，特加工制作了8個用于堆存牧草同向異形單元與散草的草框，草框全用螺栓連接。所有擋板均為薄板且薄板上緊密沖壓多個大圓孔，以便通風，故可以忽略草框的側板對堆存草的密封作用；草框底部加200 mm高立柱墊高，確保底部通風。草框總體大小1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm，牧草同向異形單元和散草堆存高度統一為800 mm。

使用本文中的牧草同向異形裝置將新鮮的苜蓿即時進行苜蓿同向異形成型，裝置中的旋轉筒轉速為190 r/min，抄板高度為40 mm，抄板數量為3。同時測定苜蓿含水率，制作70 kg左右的苜蓿同向異形樣品，并進行1 m間隔的剪切，而后平行鋪放在草框內，每層牧草同向異形單元平鋪方向統一，鋪滿草框達800 mm高，命名樣品YX-1；同時用同一批苜蓿不作處理堆存放入另外一個草框，堆存高度為800 mm，命名樣品PT-1。

圖8為苜蓿堆存現場。

圖8 苜蓿堆存現場Fig.8 Alfalfa storage site

第2天使用仍然在自然通風晾曬的苜蓿進行牧草同向異形單元制備，進行含水率測定，進行重復操作，得到堆存樣品，命名樣品YX-2、PT-2；連續4 d進行同樣的牧草同向異形單元制備并堆存，同時測定含水率[17]。第3天和第4天樣品編號為：YX-3、PT-3；YX-4、PT-4。每次樣品制備結束后，第2天同時刻進行溫度測量，測量點在樣品的上部、中部和底部。所有樣品的晾曬和堆存時間共8 d。第8天后，把全部樣品取出，測定腐敗變質的苜蓿質量，并計算腐敗變質百分比。

3.3 溫度變化規律

對草框內堆存牧草同向異形單元和堆存散草的溫度，經過8 d時間記錄，繪制溫度變化曲線[16]，如圖9所示。

圖9 苜蓿堆存溫度變化曲線Fig.9 Temperature changing of alfalfa storage

可以得出，苜蓿同向異形堆存的溫度短期內升高程度大于散草堆存的溫度，但是4 d后，苜蓿同向異形堆存的溫度急劇下降，而散草堆存的溫度持續升高[18]，8 d后，2種堆存方式下的溫度基本相當。可以得出，經過調制整理后的牧草同向異形單元堆存后，牧草的植物活性提高，短期內部的發熱較為嚴重[19-20]，在經過一段時間之后，苜蓿同向異形堆存的溫度會下降，并在后期升高到一個穩定的水平，但是散草堆存的溫度會一直升高，后期的溫度會高于苜蓿同向異形堆存的溫度。苜蓿同向異形堆存和散草堆存過程的溫度變化進行回歸分析，得出如圖中方程。

3.4 腐敗變質規律

圖10為苜蓿同向異形堆存與普通堆存后發霉變質的照片。

圖10 苜蓿同向異形堆存與散草普通堆存后發霉變質情況Fig.10 Decay situation of alfalfa storage

測定8 d后苜蓿同向異形堆存與散草普通堆存的苜蓿腐敗變質百分比，繪制腐敗變質百分比柱狀圖[17]，如圖11所示。

圖11 腐敗變質牧草比例Fig.11 Proportion of grass decay

可以看出，隨著時間的延長，苜蓿同向異形堆存的腐敗比例從1.34%經過5.97%、9.45%，最后到16.22%，腐敗變質比例一直在升高，但是草框YX-1相比于草框PT-1，草框YX-2相比草框PT-2，草框YX-3相比草框PF-3，草框YX-4相比草框PT-4，苜蓿的腐敗變質百分比一直較小；通過對比，發現散草堆存的腐敗變質百分比短期升高較快，4 d左右就達到19.76%，但是3 d后還是21.26%，苜蓿同向異形堆存的草框內苜蓿腐敗變質百分比變化較大，比散草堆存的腐敗變質質量少23.7%～76%[17]，并且隨著苜蓿含水率的下降，與散草堆存相比，苜蓿同向異形堆存的腐敗變質百分比不斷下降。

4 結論

(1)苜蓿同向異形裝置的抄板高度、抄板數量和旋轉筒轉速對單位長度質量的影響大于對產量的影響。另外，抄板高度對牧草同向異形的單位長度質量有顯著性影響。

(3)苜蓿同向異形堆存試驗表明：經過同向異形調制整理后的牧草，在堆存過程中，牧草的植物活性提高，短期內部的發熱較為嚴重，經過一段時間之后，苜蓿同向異形堆存的溫度會下降，并在后期升高到一個穩定的水平，但是散草堆存的溫度會一直升高，且后期的溫度會高于苜蓿同向異形堆存的溫度。苜蓿同向異形堆存比散草堆存的腐敗變質質量少23.7%～76%，并且隨著苜蓿含水率的下降，與散草堆存相比，苜蓿同向異形堆存的腐敗變質比例不斷下降。

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Preparation and Storage Experiment of Cocurrent Special-shaped Alfalfa

YU Yong1HE Gang2WANG Guanghui1WANG Decheng1LIU Guihe3

(1.CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.HuhhotBranchofChineseAcademyofAgriculturalMechanizationSciences,Huhhot010010,China3.CollegeofAnimalScienceandTechnology,HebeiNorthUniversity,Xuanhua075100,China)

With the aim to analyze and verify the advantages and rationality of cocurrent special-shaped alfalfa, the preparation and storage experiments were designed and the relative theories were analyzed. Through the preparation experiment of concurrent special-shaped alfalfa, the effects of three factors, such as the height of the flight, the number of flight and the rotation speed of the drum, on the density and yield of the cocurrent special-shaped alfalfa were analyzed.Through the analysis of heat and mass transfer process of cocurrent special-shaped alfalfa storage, a heat and mass transfer model of cocurrent special-shaped alfalfa storage was established. In contrast with the heat and mass storage transfer model of grass normal storage, it can be proved that the heat and mass transfer of cocurrent special-shaped storage was faster, the cocurrent special-shaped alfalfa storage had practically and significantly improved the quality of the grass during natural ventilation. Through the storage experiment of alfalfa, the temperature changes, moisture changes and the ratio of decay were analyzed. Results showed that the alfalfa’s plant activity was improved after the cocurrent special-shaped preparation to storage. Although in the short-term, the temperature within the alfalfa heat was increased seriously.After a period of time, the temperature of cocurrent special-shaped alfalfa storage was decreased. The alfalfa decay weight of the cocurrent special-shaped storage was reduced by 23.7%～76% compared with the scattered storage.

alfalfa； cocurrent special-shape； preparation; storage； decay

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.012

2016-09-05

2016-12-23

公益性行業(農業)科研專項(201203007)

余永(1989—)，男，博士生，主要從事畜牧機械和生物質加工機械研究，E-mail： yyeric@yeah.net

王光輝(1974—)，男，副教授，博士生導師，主要從事畜牧機械、生物質加工研究，E-mail： guanghui.wang@cau.edu.cn

S216.2

A

1000-1298(2017)03-0099-07