9RS40型秸稈切絲揉搓機的設計

張抓虎

在中國，秸稈作為粗飼料的利用率不到10%，而國外發達國家的利用率可以達到20%以上[1]。近年來，隨著人們對高品質生活的不斷追求，我國的畜牧養殖業也有了較快的發展，特別是牛、羊的數量迅速增加。但是，精飼料和飼草的成本太高，讓中小規模養殖戶無法適應市場競爭，粗飼料的不足嚴重制約著養殖業的進一步發展。我國每年的作物秸稈約7×108t，用戶對秸稈不進行任何加工直接喂給牲畜，而玉米秸稈表皮的硬質層，牲畜無法嚼爛下咽，造成了大量損失和浪費，絕大多數的秸稈被扔掉和廢棄。

近年來，我國在粗飼料加工技術和機具的研究中投入了大量的精力和物力，取得了許多成果，如北京農機所研制的9CF-50型草粉機、青島農機所研制的9FC-70型多功能飼草粉碎機、黑龍江畜牧機械化研究所的93FC-40型粗飼料粉碎機和9RC-40型粗飼料揉碎機等，都取得了很好的效果，并投入生產應用[2]。但這些粗飼料加工機械都是讓秸稈在揉搓室內受到錘片和齒板的多次撞擊變成絲條狀，對含水率大的秸稈起到了很好的效果，對含水率低的秸稈則會造成碎屑和粉末的增加，不利于牛羊食用。經過大量的試驗和調研，設計了9RS40型秸稈切絲揉搓機，解決了碎屑粉末占比太多的缺陷。

1 總體設計

1.1 總體結構

9RS40型秸稈切絲揉搓機由喂料斗、切絲機構、揉搓機構、動力系統、傳動系統、張緊機構等組成。

切絲揉搓機總體結構圖見圖1。

圖1 切絲揉搓機總體結構圖

1.2 工作原理

將玉米秸稈放入進料斗中，當秸稈與切絲輥接觸時，秸稈被自動卷入切絲機構，將秸稈堅硬的外表皮切成絲條狀，并以一定的角度進入揉搓室，在錘片的打擊下，秸稈與齒板多次碰撞，使已經初步絲條化的秸稈進一步絲化，加工品質達到喂牛喂羊的要求，最終在環形氣流的作用下拋出設備。

2 關鍵部件的設計

2.1 切絲機構的設計

由皮帶輪、齒輪、鏈輪、鏈條、張緊輪、滑軌、橫向刃軸、縱向刃軸、間隙調節機構等組成。

秸稈切絲機構圖見圖2。

圖2 秸稈切絲機構圖

2.1.1 縱向刃軸

縱向刃軸圖見圖3。

圖3 縱向刃軸圖

由圖3可知，側視圖是一個圓，每一個突出來的金屬棱就相當于一個鋒利的刀片，且在刀刃圓周上設計了數個小槽口。其作用就是將秸稈堅硬的表皮和莖結強行切成8 mm寬的絲條狀，提高絲化質量，滿足反芻動物的消化特點，提高牛羊適口性和采食量，以提高秸稈的利用率和消化率。小槽口與橫向刃軸的鋸齒配合，將秸稈順利拉入設備。該軸材料采用45號鋼，齒段淬火硬度HRC50～55，直徑為145 mm。

2.1.2 橫向刃軸

橫向刃軸圖見圖4。

圖4 橫向刃軸圖

由圖4可知，側視圖是一個鋸齒狀的圓形，鋸齒鋒利，其作用有2個，首先這些鋸齒和縱向刃軸共同作用，可以將秸稈強行喂入設備；其次還可以將秸稈堅硬的外表皮沿著秸稈直徑方向擠壓，使秸稈堅硬的外表皮在整個長度方向上變得柔軟，更有利于揉搓室的絲化，大大增加了適口性和利用率。因此，橫向刃軸在秸稈絲化過程中起著非常重要的作用。該軸材料采用ZG15，齒段淬火硬度HRC50～55，直徑為 113 mm。

2.1.3 間隙調節機構

調節間隙機構圖見圖5。

圖5 調節間隙機構圖

該機構由滑軌、滑塊、壓簧、調節螺栓、支撐板等組成。橫向刃軸的兩端由2塊滑塊支撐，這2個滑塊相當于軸承座，在機架上的滑軌內，通過旋轉調節螺栓，可以帶動滑塊在滑軌內上下移動，實現橫向刃軸的上下移動，起到調節橫向刃軸與縱向刃軸之間的間隙的作用。這個間隙調整的合適，不僅可以調節刃軸在橫向和縱向方向對秸稈的切絲效果，而且還可以在保證絲化效果的前提下，有效地減小動力的損耗。

2.2 揉搓機構的設計

揉搓機構由皮帶輪、主軸、錘片銷軸、錘片、軸套等組成。

揉搓機構圖見圖6。

圖6 揉搓機構圖

2.2.1 喂入口的位置和角度

喂入口圖見圖7。

圖7 喂入口圖

由圖7可知，喂入口與錘片的相對位置（α）和秸稈喂入時的傾斜角度（β），與喂入性能、絲化質量、動力消耗等有著緊密的關系。試驗發現，當α、β角較小時，秸稈的喂入不順利，動力消耗大；當α、β角較大時，秸稈喂入連續、可靠、順利，但錘片打擊秸稈時的角度不容易使秸稈絲化，絲化質量變差。

試驗確定，α=26°，β=10°時[3]，能夠保證喂入通暢和較好的絲化質量。喂入口的尺寸由高度和寬度決定，經試驗證明，當高為200 mm，寬為300 mm時，每次進入的秸稈量與配套的動力相吻合，而且加工質量也符合牛羊的要求。若超過此尺寸，會因負荷大，造成設備的轉速下降，影響秸稈的絲化質量和生產率。

2.2.2 錘片數量和錘片厚度

錘片數量、排列密度和錘片厚度是設計中最重要的幾個參數。錘片數量多，會將秸稈打擊的太碎，粉末增多，增加了動力損耗；錘片數量少，排列密度小，絲化效果會變差，影響加工品質。錘片厚度越厚，和秸稈的接觸面積越大，動力損耗也越大，且絲化效果差；錘片越薄，動力損耗越小，但錘片的熱處理難度增加，使用壽命大大縮短。通過大量試驗和優化，該設備選擇錘片厚度為4 mm，數量30個，既保證了一定的絲化效果，又沒被打得太碎，可以滿足牛羊的食用。錘片的材料選用低碳鋼、45號鋼或65 Mn等[4]，進行滲碳或淬火等處理，提高表面硬度，還可以在錘片棱角處堆焊鎢合金等冶金技術，以延長使用壽命。

2.2.3 錘齒間隙

錘齒間隙指的是錘片的最外端與齒板齒尖之間的距離。錘齒間隙是影響秸稈絲化品質最重要的性能參數之一。間隙太大，起不到撞擊和絲化的效果；間隙太小，生產率大大降低，且秸稈被打得太碎，粉末占比增加。

錘片厚度和錘齒間隙對絲化效果的影響見圖8。

圖8 錘片厚度和錘齒間隙對絲化效果的影響

由圖8可以看出，當間隙在18～23 mm時，絲化效果最好，超出這個范圍，絲化效果不佳[5]。所以，選擇合理的錘齒間隙，有利于提高秸稈的絲化品質。

調節錘齒間隙的方法有2種：①在錘片的兩端都有安裝孔，但離兩端的距離不同，改變錘片在銷軸上的安裝位置，即可改變間隙；②更換不同厚度的齒板，或者通過齒板下面的螺栓來調節。

2.2.4 錘片轉速的確定

錘片轉速也是影響絲化質量的主要因素，轉速太快，會使結果太碎，粉末占比增加，功耗升高；轉速太慢，結果絲化效果不佳，生產率降低，甚至進料出料都不通暢。通過更換揉搓室主傳動的皮帶輪直徑的方法，讓錘片在多種轉速下試驗，當轉速大于2 200 r/min時，秸稈的絲化品質較好，即使喂入量略多一些，電機轉速和電流也較穩定；當轉速低于2 200 r/min時，絲化品質明顯下降，且生產率也下降，若喂入量稍多一些，電機轉速變化明顯，電流升高明顯[6]。

為此，該機的工作轉速確定在2 2 00～2 250 r/min，既保證了絲化品質和生產率，又降低了功率消耗。該機選用7.5 kW 4極電機，生產率可以達到3 t/h（含水率為55%～65%）。

3 試驗結果

經過總體設計和大量試驗確定了一些主要參數，秸稈經過該設備后，被主動切成絲條狀，經切絲揉搓后的秸稈變得細而軟，提高了適口性，滿足了牛羊的咀嚼和消化要求。

加工后的秸稈尺寸分布情況見表1。

表1 加工后的秸稈尺寸分布情況

4 結語

試驗結果表明，該機動力消耗低、絲化質量優、生產率高，玉米秸稈經過加工后，被主動切絲揉搓成細而軟的絲條狀，牛羊基本上可以全部食用，將秸稈的利用率大大提高，解決了精飼料的成本高和牧草的嚴重不足等問題，降低了養殖成本。經過長時間考核，驗證了該機的設計參數科學合理、結構簡單、工作性能可靠穩定，對不同含水率的玉米秸稈均有滿意的絲化效果，是理想的秸稈揉絲設備，將對畜牧養殖業的發展產生巨大的推動作用。