4QG-2型青貯收獲機切碎揉搓裝置的設計

梁榮慶，張翠英，李青江，張德學，鐘 波，任冬梅，喬 磊

(1.山東農業機械科學研究院, 濟南 250100；2.山東雙佳農裝科技有限公司，濟南 250100)

0 引言

隨著我國農業產業結構的調整，現有牧草資源已難以支撐快速增長的畜牧業，因此發展以秸稈飼料為主要飼料的節糧型畜牧業已成為農區、半農區發展畜牧業的重要途徑之一[1]。為滿足我國現代畜牧業發展需求及“糧改飼”政策的實施，近年來我國青貯玉米種植面積不斷擴大，2016年全國青貯玉米種植面積為92.7萬hm2,同比增幅40.97%；2017年青貯玉米種植面積將繼續保持高速發展，預計全國種植面積將突破133.3萬hm2 [2]，可在一定程度上有效緩解畜牧業迅速發展與飼料短缺的矛盾[3]，從而進一步推動我國畜牧業的健康發展及農村產業結構的調整。

青貯玉米的機械化收獲及收獲水平的提高，是推動青貯玉米產業發展的必要環節[4-7]，發達國家對青貯玉米收獲機的研究較早，技術較為成熟，收獲設備較為先進，自動化程度及收獲效率較高;而國內對青貯玉米收獲技術的研究起步較晚，各地區發展水平不一，并存在配套動力不足、自動化控制程度及作業效率低、青貯飼料切段長度不一等問題;且國內大部分青貯玉米收獲機并未安裝秸稈揉搓及籽粒破碎裝置，切碎后的青飼料品質較低，適口性較差，營養成分不易完全被牛羊消化吸收[8-9]，飼料利用率低，難以滿足廣大用戶對高品質飼料的需求，市場亟需帶莖稈揉搓青貯飼料收獲機[10]。因此，為改善青飼料品質，提高牲畜對秸稈的采食率和消化率，進一步增加秸稈的飼用價值和利用率[11]，本文在前期研究基礎上，結合市場需求，設計了一種切碎長度可調及具有揉搓性能的青飼料切碎揉搓裝置，并對其進行了田間性能試驗，可為秸稈飼草的深度利用及青飼料收獲機后期深入研究提供一定的技術支撐[12]。

1 切碎揉搓裝置的組成及工作過程

1.1 揉搓效果對青貯飼料品質的影響

青貯飼料是利用鮮嫩整株物料(玉米、高粱、小麥及苜蓿等)進行切碎、貯藏及發酵而成的，具有營養物質含量較高、儲存時間長、適口性好及調制方便等特點。青貯玉米或青貯高粱秸稈較為粗壯，莖稈關節較多[13]，傳統的切碎方式不易對其進行完全破壞，不利于貯藏發酵，且適口性差，飼料利用率較低，嚴重影響消化吸收。而切碎后經揉搓的青貯玉米可有效提高莖稈及關節的破損率，可與發酵催化物充分接觸，有利于提高其發酵的可能性，營養物質更易接近微生物群，促進有益菌的成長與分解，加快乳酸的產生進程，減少有害菌的生長與繁殖，在較短的時間內，極易獲得較為穩定的pH值[14]，從而保證青飼料的發酵質量。

此外，切碎揉搓后的青貯玉米經發酵后可有效提高青飼料品質，適口性大幅度增加，全株采食率可由原來的50%提高至95%以上[15]，減少了青貯飼料的浪費，提高了牲畜對秸稈的消化率；且經過揉搓后的青貯玉米秸稈及莖節粉碎程度較高，增加了秸稈的飼用價值和利用率[11]。

1.2 切碎揉搓裝置的組成及工作過程

青貯作物的切碎及揉搓質量是評價青貯玉米收獲機的重要指標[16-19]，切碎揉搓裝置作為青貯玉米收獲機的主要核心部件之一，對青飼料品質的影響較大。為了提高青貯玉米收獲機的切碎與揉搓質量，對4QG-2型青貯收獲機切碎揉搓裝置進行了設計，其主要由機架、旋轉刀盤、切碎動刀、動刀固定座、左螺旋凸起拋送葉片、右螺旋凸起拋送葉片、揉搓板及定刀等部件組成，如圖1所示。其中，切碎部件主要包括旋轉刀盤、切碎動刀及定刀，揉搓部件主要包括左螺旋凸起拋送葉片、右螺旋凸起拋送葉片及揉搓板，動刀固定座既屬于切碎部件，還具有一定的揉搓作用。

1.旋轉刀盤 2.左螺旋凹起拋送葉片 3.動刀固定座 4.右螺旋凸起拋送葉片 5.切碎動刀 6.機架 7.揉搓板 8.定刀圖1 切碎揉搓裝置Fig.1 Chopping and rubbing device

該裝置主要工作過程：PTO動力輸入裝置驅動旋轉刀盤進行工作，安裝在旋轉刀盤上切碎動刀及固定在機架喂入口處的定刀對被強制喂入進切碎揉搓裝置的整株青貯玉米進行切段；與此同時，帶有凹槽的動刀固定座對青貯玉米籽粒及部分青貯玉米莖節進行有效破壞，交錯安裝在刀盤上的帶有左螺旋凸起的葉片與右螺旋凸起的葉片則與揉搓板進行配合，對青貯玉米莖節進行充分有效的揉搓破壞，并將在切碎揉搓裝置中切碎揉搓后的物料高速拋出，完成整個工作過程。工作過程中，為保障物料合理的切削長度，切碎動刀數設置為2、3、4、6、12可調，以滿足不同的牲畜的喂養對青貯飼料切削長度的需求。

2 切碎揉搓裝置的設計

2.1 切碎部件的設計

青貯作物切段長度明顯影響青貯飼料的發酵及青貯品質[20-21],青貯玉米切段長度的調節除調節喂入輥的強制喂入速度外，還可通過調整切削動刀數量及旋轉刀盤轉速實現。為滿足飼喂不同牲畜對青飼料切段長度的需求(牛為30～50mm，羊為20～30mm[22])，本文對4QG-2型青貯收獲機切碎部件進行了設計。該裝置切碎部件主要由旋轉刀盤、動刀固定座及切碎動刀組成，如圖2所示。旋轉刀盤采用焊接而成，直徑為730mm，動刀刀尖外圓直徑為888mm，切碎動刀數量可調，整個旋轉刀盤最多可安裝12把切碎動刀(切碎動刀可安裝數量分別為2、3、4、6、12)。

1.旋轉刀盤 2.切碎動刀 3.動刀固定座圖2 切碎部件Fig.2 Chopping part

切碎動刀結構如圖3所示。其采用60Si2Mn制作而成，刃口淬火寬度25mm，距刃口寬20mm，刃口厚度≤0.15mm，線輪廓度為0.2，刃口淬火強度HRC44～50，動刀的質量誤差≤10g，為減少切削時功率損耗與切削動刀磨損，本機型切削部件采用滑切的切削方式，

圖3 切碎動刀Fig.3 Movable cutting knife

為保證其具有較好的切削效果與方便安裝調試，定刀與切削動刀之間的間隙設置為1mm(一般動、定刀的間隙為0.25～1mm[23-25])。青貯收獲機工作過程中為防止物料喂入過多發生堵塞，配套動力輸出機械行駛速度要略低于喂入輥的喂入速度。

4QG-2型青貯收獲機采用全齒輪傳動，結構緊湊、傳動比準確、功率損失較小，為方便調節物料的喂入速度，喂入輥轉速通過變速箱進行調節，保證喂入速度可在3個擋位上進行調整，3個擋位下喂入輥的線速度分別為Ⅰ=1.27m/s、Ⅱ=1.69m/s、Ⅲ=2.24m/s。為防止青貯玉米喂入量過大造成堵塞，在該變速箱反轉擋位，在工作過程中可有效控制強制喂入輥進行反轉，使堵塞的物料在喂入通道中“吐出”。工作過程中，該機的旋轉刀盤轉速一定，通過調節物料喂入速度與切碎動刀數量對青貯玉米的切斷長度進行調節，則青貯玉米理論切段長度為

(1)

其中，L為切碎長度(mm)；v喂為喂入速度(m/s)；n為刀盤轉速(r/min)；Z為動刀片數量。

在工作過程中，4QG-2型青貯收獲機的刀盤工作轉速為1 000r/min，則4QG-2型青貯收獲機在不同喂入速度及不同數量切碎動刀下的物料理論切段長度,如表1所示。

表1 青貯玉米理論切段長度表Table 1 Table of theoretical cutting length of corn stalk mm

由表1中可以看出：當該裝置的旋轉刀盤工作轉速一定時，青貯玉米喂入速度與青貯玉米的理論切段長度成正比關系；切削動刀數量與青貯玉米的理論切段長度成反比關系。

2.2 青貯收獲機揉搓部件的設計

為提高青貯玉米莖稈、關節及籽粒的破碎程度，提升發酵水平、青飼料品質及適口性，對4QG-2型青貯收獲機切碎裝置進行改進，設計加裝揉搓部件。該機的揉搓部件主要包括動刀固定座、左螺旋凸起拋送葉片、右螺旋凸起拋送葉片及揉搓板等。

1)動刀固定座。4QG-2型青貯收獲機的動刀固定座在原有的動刀固定座基礎上進行了重新設計與優化，在其上表面加工了一些規則性溝槽，在隨刀盤高速旋轉過程中有效地對玉米籽粒及莖節進行破壞，如圖4所示。

圖4 動刀固定座Fig.4 Fixed seat of movable knife

2)左(右)螺旋凸起拋送葉片。左螺旋凸起拋送葉片和右螺旋凸起拋送葉片交替的被固定在旋轉刀盤的外圈(見圖5)，在工作過程中與揉搓板總成配合，使籽粒、關節在揉搓板上形成了一個“S”型的捻動曲線，相對于直線型捻動，增加了有效捻動行程，有效地提高了物料揉搓效果，在實驗過程中效果較為明顯；同時，左、右旋葉片還有對切碎的青貯玉米進行拋送的功能，以保證物料的強制拋送。

(a) 左螺旋凸起拋送葉片 (b) 右螺旋凸起拋送葉片圖5 螺旋凸起拋送葉片Fig.5 Crew concave throwing blade

3)揉搓板。如圖6(a)所示：其為4QG-2型青貯收獲機的揉搓板，在該揉搓板上設計了錐形凸起，增加了與青貯玉米的接觸面積，與拋送葉片配套使用，可有效地對青貯玉米莖節進行揉搓。圖6(b)為揉搓板組裝，主要由揉搓板、調整螺栓及揉搓板固定架組成。在每臺青貯收獲機上都安裝一組該部件，通過調整螺栓可有效地調整揉搓板與左、右螺旋凸起拋送葉片之間的間隙，并可根據實際情況對該間隙進行調節，從而達到控制揉搓效果的目的。

(a) 揉搓板 (b) 揉搓板組裝 1.揉搓板固定架 2.揉搓板 3.調整螺栓圖6 揉搓板及揉搓板組裝Fig.6 Rubbing board and rubbing board assembly

3 田間性能試驗

為測試該裝置的切碎揉搓效果，在山東省章丘市對4QG-2型青貯收獲機進行了田間試驗。試驗用地的青貯玉米籽粒已基本成熟，秸稈水分含量較大，行距為650mm，株距為250mm。該裝置配套動力為東汽1304雙向拖拉機，收獲過程中拖拉機的行駛速度為2km/h，小于喂入輥的喂入速度。在試驗過程中，設定4QG-2型青貯收獲機的切碎動刀數量分別為2、3、4、6、12把，整機作業幅寬為2.2m，通過變速箱調節喂入輥的喂入線速度分別為Ⅰ=1.27m/s、Ⅱ=1.69m/s及Ⅲ=2.24m/s。每組組合狀態下收獲青貯玉米距離為2m，并對切碎青貯玉米秸稈進行隨機選取測量，每組測量10個樣本并求取平均值進行統計，則不同組合狀態下青貯玉米平均切段長度如表2所示。

表2 青貯玉米秸稈實際平均切段長度Table 2 The actual average cutting length of corn stalk mm

對表1理論計算數據與表2實驗數據進行對比可知：理論計算結果與實際測量數據吻合較好。該裝置切碎長度符合國家農業行業標準《NYT 2088-2011玉米青貯收獲機作業質量》規定的切碎長度要求(牛為30～50mm，羊為20～30mm[22])，且該裝置切碎動刀為3與4把時，各喂入速度下的物料切碎長度均適宜牛羊的飼喂。

為驗證4QG-2型青貯收獲機的揉搓部件在實際生產中的效果，分別在安裝有無揉搓部件的情況下對該裝置進行了田間試驗，并對收獲效果進行了對比，如圖7所示。其為安裝6把切碎動刀、喂入速度為Ⅰ=1.27m/s時，有無揉搓部件的狀況下的揉搓效果對比。

(a) Ⅰ擋6刀無揉搓部件收獲效果圖

(b) Ⅰ擋6刀有揉搓部件收獲效果圖圖7 Ⅰ擋6刀有無揉搓部件的狀況下的揉搓效果對比圖Fig.7 Harvest rendering with the chopping and rubbing device and without them on tap position 1 with 6 knives

試驗結果表明：加裝揉搓部件的青貯收獲機的揉搓效果較為明顯，青貯玉米莖節及籽粒破損效果較好，破損率較高，由40%左右提高到了90%以上，從而在一定程度上提高了青貯玉米的適口性及利用率；但其揉搓效果還未完全達到實際生產要求，下一步仍需對其揉搓部件進行優化改進，以進一步提高整機的揉搓效果，滿足實際生產要求。此外，在試驗過程中發現，物料切段長度較短時經揉搓后物料整體較為細碎，青貯玉米秸稈本身水分被大量擠出流失，極易造成物料浪費，因此在實際生產過程中應根據生產要求對物料切段長度的影響因素進行合理調整與配置。

4 結論

4QG-2型青貯收獲機的切碎揉搓裝置可有效地對青貯玉米進行切碎揉搓，切碎揉搓效果較為明顯，在不同數量切碎動刀及不同喂入速度下的物料的理論切段長度與實際生產中的切段長度吻合較好。試驗表明：揉搓部件雖在一定程度上提高了青貯玉米的揉搓效果，但其揉搓效果還未完全達到實際生產要求，下一步仍需對其進行優化改進，對螺旋凸起拋送葉片與揉搓板之間間隙、不同數量螺旋凸起拋送葉片及揉搓板、螺旋凸起拋送葉片表面結構形狀等對揉搓效果的影響進行深入研究，為青貯玉米收獲機的研制提供一定的理論基礎及實際參考。