農作物秸稈飼用化加工技術裝備研究

阿依肯?葉留拜 劉富強 溫寶琴

摘要秸稈飼用化設備利用農作物秸稈資源，對豐富養殖業的飼料來源，促進畜牧業的健康持續發展具有重要意義。筆者通過對秸稈粉碎機設備、全混合日糧設備、制粒設備等農作物秸稈飼用化加工技術裝備的研究現狀進行了深入的分析，并提出目前研究存在的問題，為農作物秸稈飼用化技術與裝備的后續研究與發展提供參考。

關鍵詞秸稈飼用化;畜牧養殖;發展現狀;對策

中圖分類號S226文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2019）01-0224-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.01.066

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

畜牧業是我國國民經濟和社會發展的重要產業之一。畜牧業產值超過2.9萬億元，約占農業總值的30%，是決定現代農業發展的核心要素。畜牧業經過多年連續發展，已成為重要的民生產業，畜牧產品已經成為居民消費的必需品[1]。《全國牛羊肉生產發展規劃》（2013—2020年）中提出要重點引導肉羊產業發展。

飼草是養殖業的基礎。隨著規模化養殖業的發展飼草矛盾逐漸制約著養殖業的發展，急需新的飼料來源。《“十三五”時期兵團科學技術發展規劃》的“草食家畜科技創新工程”中重點提出“飼草料高效利用技術，形成農副產品、秸稈廢棄物資源化高效利用技術標準”。用于肉羊養殖的粗飼料資源主要是以麥秸稈、玉米秸稈、苜蓿莖稈、甘草莖稈為主[2]。但是，秸稈、莖稈中粗纖維含量高，直接飼喂適口性差、采食率低、消化吸收率低，浪費嚴重。飼用化技術是秸稈利用的重要途徑，能充分合理的利用秸稈資源、提高適口性以及增加營養，飼用化技術對我國畜牧業的長遠發展具有重要意義。

1秸稈飼用化設備類型

目前秸稈養畜的利用方式主要有直接飼喂、長草短喂、全混合日糧（TMR）飼喂、顆粒飼喂等[3]。

1.1秸稈加工設備主要有鍘切機、揉切機、粉碎機、揉搓機等。鍘切機主要是用來切斷莖稈類飼料，如谷草、麥稈等;揉切機、揉搓機能夠使秸稈質地細碎、柔軟，適口性好。

1.2全混合日糧（TMR，totalmixedrations）飼喂機根據反芻動物（牛、羊等）飼料配方將各原材料均勻混合而成的一種營養濃度均衡的飼喂模式。在生產制備過程中各種物料進行剪切、揉搓和攪拌，使精粗飼料和各種添加劑按不同比例混合，營養均衡，可提高飼料適口性、提高動物采食量、減少飼料浪費、提高飼料轉化效率、降低投資成本、提高生產率和經濟效益，以達到科學飼養的目的[4]。

1.3顆粒飼料機秸稈通過粉碎、制粒設備加工成顆粒飼料，制粒過程中的高溫、高壓環境還能夠減少飼料中的抗營養因子和殺死飼料中的有害微生物，更加有利于動物的健康。高溫的制粒環境使物料中的有機成分發生反應，能顯著提高飼料的適口性和營養價值。通過加工成顆粒飼料，能使秸稈成為飼料商品，便于長途運輸及儲存，實現秸稈飼料產品的商品化生產和異地消化利用，增加農民的收益。

2飼草粉碎設備研究現狀

2.1飼草切碎、粉碎機械的研究國外意大利塞科公司生產的小型粗飼料粉碎機的粉碎刀片采用螺旋線排布方式，其優點是振動小，粉碎均勻。丹麥皮里士登有限公司生產的皮里士登-100型錘片式飼草粉碎機，生產率4～5t/h[5]。M.T和M.FFinner開發了飼草切割試驗裝置，測定不同切割速度切割含水率不同的首稽草時，刀片對切割力的響應，建立了刀片在旋轉運動情況下對切割力響應的數學模型[6]。Akritidis試制了玉米秸稈切碎試驗臺，進行玉米秸稈的切割試驗，考察在線性切割條件下刀片切割玉米秸稈時刀片對切割力的響應，得到了一個類似的二階微分方程[7]。T.gIe和M.FFImIe對于在不同速度下、不同含水率的紫花苜蓿的切割力進行了試驗研究，發現在切割速度較低時，莖稈會沿著切刀刃線方向滑動，而在高速時這種滑動則可以省略[8]。

國內許多學者對秸稈切碎裝置進行了研究，邱進等[9]對水稻秸稈切碎還田裝置結構進行設計并進行試驗分析，得出喂入轉速、動定刀間隙、動刀轉軸轉速對秸稈的切碎長度合格率、功耗影響顯著。張晉國等[10]在秸稈切碎試驗臺上對麥秸稈剪切特性進行了試驗研究，得出粉碎刀片在不同切割速度下，對短稈、長稈、秸稈不同切割部位、秸稈不同含水率、不同刀刃厚度、有定刀和無定刀等情況下的切斷率曲線。姚燕等[11]自行設計的秸稈粉碎試驗臺，以殼體包角、刀輥轉速、動定刀間隙為三個試驗因素，以粉碎質量、粉碎功耗為試驗指標，對小麥秸稈進行了粉碎試驗，建立了粉碎質量和粉碎功耗的數學模型，分析了粉碎裝置結構、運動參數對粉碎質量、粉碎功耗的影響規律。耿令新[12]以定刀類型、動刀類型、動定刀間隙、殼體包角、粉碎轉子轉速為試驗因素，在室內試驗臺上進行了秸稈粉碎裝置性能試驗。顧笑笑等[13]對谷物類物料物性的分析，提出谷物類物料的有效粉碎方式應為剪切式切割粉碎。趙輔群[14]對聯合收割機切碎裝置進行設計，以碎草合格率和功耗為綜合評價指標，試驗因素影響主次順序是作業速度、刀軸轉速、刀具類型、刀具排列。趙浩等[15]分析了農產品物料的剪切粉碎機理、剪切過程中物料受到的應力及切割速度對粉碎效果的影響，并對其核心部分的關鍵結構參數對粉碎效果的影響進行了探討。孫雪峰等[16]對臥式切碎裝置切碎效果的試驗進行研究，以割刀位置、喂入速度、割刀轉速和摘穗輥轉速為試驗因素，以莖稈切碎合格率為評價指標，對其影響因素進行分析和試驗，從而得到最佳的參數組合。

2.2秸稈揉碎機械研究

揉碎機是在粉碎機基礎上發展而來的。國外發達國家用于飼喂牲畜的玉米秸稈幾乎全部為青飼料，而作為糧食作物的玉米秸稈大多直接還田，所以在揉碎機研究方面研究較少。

國內在秸稈揉碎機性能試驗與改進方面的研究工作總體偏少，較為典型的工作有：袁洪方等[17]利用自行設計的秸稈鍘切揉搓試驗臺，以刀刃形狀、喂入速度、錘片數量和主軸轉速為變量，對含水率約為75%的玉米秸稈進行四因素三水平正交試驗，得出鍘切揉搓裝置的最優組合參數。蘇宏煜[18]從運動學、空氣動力學出發，對玉米秸稈的揉搓機理進行了分析，得出了揉搓質量和度電產量等參數受揉搓室內有無齒條、錘片數目、轉子轉速、玉米秸稈物料與內壁的摩擦系數和氣流作用等幾個因素的影響。翟之平等[19]建立了適合不同種葉片傾角的葉片式拋送裝置功耗模型，且引入了慮氣流影響，并利用虛擬樣機進行優化。王娟等[20]針對揉碎機的空氣動力性噪聲和機械噪聲，結合理論分析、數值模擬和試驗研究對其噪聲產生機理和特性進行了分析研究。劉德軍等[21]對9JST-20型秸稈絲化調質機性能指標進行了正交試驗研究，確定了影響生產率和度電產量的因素主次順序分別為錘片數目、錘片厚度和錘齒間隙。Du等[22]通過建立SFSP11230型錘片式粉碎機轉子的虛擬樣機模型，對不同錘片磨損情況下粉碎機轉子的振動進行了仿真。

3TMR攪拌機研究現狀

國外如美國、英國、澳大利亞、新西蘭等發達國家十分注重建立人工草場和改良天然草場，其肉羊養殖以其自然資源和資源優勢，采用草場圍欄規劃區輪牧[23]。我國在TMR攪拌機飼草加工的研究處于起步階段，于克強[24]借助高速攝像對轉輪式TMR混合攪拌機的混合機理進行分析，分析得出在混合過程中伴隨著剪切混合、對流混合和擴散混合的過程，并以混合均勻度和單位功耗為評價指標，分析影響混合效果的因素，但對影響切碎效果的因素沒有進行分析。吳艷澤[25]對奶牛TMR混合機進行試驗研究，以主軸轉速、轉子間隙、混合時間、充滿系數為試驗因素，以混合均勻度、細粉率、卸載殘留率等多個參數為評價指標，試驗的轉軸為葉板式。王德福[26]對影響雙軸臥式全混合日糧混合機加工質量的主要結構和運動參數、物料特性及裝料順序等因素進行了試驗研究，以日糧混合均勻度及粒度為試驗評價指標，得出攪拌機混合設備結構與運動參數、物料特性及裝料順序都對全混合日糧的加工質量影響很大。郭慶賀等[27]以臥式飼料混合攪拌機混料系統為研究對象，通過搭建混料系統試驗臺，并采用二次回歸正交旋轉組合方法設計試驗方案，以攪龍轉速、加工時間、充滿系數和梅花刀片個數為試驗因素，以混合均勻度、適口長度粗飼料占有比例和細粉率為評價指標進行試驗研究。劉希鋒等[28]在TMR攪拌機的性能分析與評價中指出，立式攪拌機的攪龍直徑大，可以獲得較高的切割速度，能夠迅速打開并切碎大型圓、方草捆，切碎效果比臥式好。

4飼草制粒設備研究現狀

自1910年英國Sizer公司研制出第一臺擠壓式顆粒機后，國外學者在制粒機的加工制造和成型理論方面進行了大量的研究，相關理論都得到了飛速的發展。目前最常用的制粒機有環模制粒機和平模制粒機[29]。對制粒機的制粒機理、效率、能耗、生產質量等問題，國內外學者開展了一系列研究。

JensK.Holm[30]等針對生物質粉體物料在制粒成型過程中，通過模孔時的受力情況進行了試驗研究與理論分析，建立了各向異性物料模孔擠壓力學模型;A.Mehrdad等[31]針對以鋸屑為主要原料的制粒成型過程進行了試驗研究，通過研究發現：對生產工藝優化可以在獲得高質量的顆粒的同時較低能耗;Tabil等[32]針對制粒的工藝、條件與制粒質量之間的關系進行了研究，通過試驗研究和理論分析建立了能耗與顆粒耐久性之間的關系模型;Blank等[33]針對制粒過程的控制部分進行了研究，優化了制粒工藝，在保證加工質量的前提下提高了加工效率。

JonathanBroadshow等[34]針對制粒過程中能耗過大的問題進行了研究，詳細闡述了功率因數校準、電能、蒸汽流量等多方面降低能耗的方法，提出了關于水能、蒸汽能、電能等多個方面的能源成本降低理論。CollisonR等[35]針對不同飼料的調質溫度參考值對淀粉糊化的影響進行了試驗研究。對調制器的機械結構和調制工藝進行入手，改變調制時間、調質器類型、調質溫度等方面。研究了調質工藝對淀粉糊化的影響，根據調質器的機械結構特點，提出新的改進調質時間的方法。Rdnerl[36]針對影響顆粒詞料質量的因素進行試驗研究，研究飼料配方、環模規格、調質時間、冷卻干燥、粉碎粒度等與顆粒飼料質量之間的關系。

沈維軍等[37]針對如何改善飼料制粒性能進行了研究，提出通過改變飼料配方，用糙米替代一部分玉米，從而提高飼料制粒性能。王紅英等[38]針對制粒過程中影響配合飼料質量的因素進行了研究，分析了飼料生產過程中蒸汽調質、飼料原料、環模設備、調質器進料流量等影響因素對配合飼料質量的影響，并提出了改進工藝參數的方法。周文德[39]針對制粒過程中模孔堵塞的原因進行了試驗研究，分析了模孔長徑比、壓模的材料、模孔的形式、壓輥等機構對制粒機工作過程的影響，并提出了一些相應的改進辦法。李在峰等[40]針對顆粒飼料成型過程中的能耗問題進行了試驗研究。研究表明，在玉米秸稈成型過程中粉碎工藝與制粒工藝是耗能最多的兩個工藝，且顆粒密度與電耗有著緊密的聯系;何曉峰等[41]針對影響顆粒成型率和能耗的因素進行了研究。探究了原料粒度、環模孔長徑比、含水率等因素與顆粒成型率及電耗之間的關系，找出了生物質燃料顆粒成型的最優條件。

5結論

（1）飼草切碎機械主要的結構型式為輪刀式和滾刀式，目前的研究主要集中在切割速度、殼體包角、喂入速度、動定刀間隙、轉子半徑、齒桿角度等結構參數、工作參數等對秸稈的切碎效果方面。

（2）揉碎機的主要結構型式是錘片式，目前開展的研究主要集中在錘片材料、結構型式、布置形式、喂入速度、主軸轉速等結構參數、工作參數對生產率、揉搓質量及工作噪聲的影響等方面。揉碎機是秸稈飼用化的關鍵機具，適用于小規模舍飼養殖，對規模化養殖模式來說存在生產效率低，費工費力等問題。

（3）TMR攪拌機目前研究主要集中在以主軸轉速、刀片布置方式、加工時間等因素對混合均勻度的影響方面的研究。全混合日糧的加工工藝為“粗飼料粉碎+混合”，工藝繁瑣，費時費力。能否通過優化與改進TMR攪拌機的關鍵結構，一次性實現對秸稈的切碎、揉碎并與精料混合，將傳統的單一功能、分段加工改變為一體化加工，從而提高全混合日糧的加工效率和質量，值得探索。

（4）制粒機主要分為平模和環模兩種結構形式，目前制粒裝備研究多面向于大型飼料生產企業，設備昂貴，運行成本大，工藝復雜。小型制粒機在市場已有銷售，但針對戶用型的秸桿制粒裝備基礎研究偏少，同時在制粒效率和制粒質量等方面還需進一步的提高。

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