青黃貯飼料切揉組合式粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)

崔永禎，李春杰，李瑞林，李志昊，張 華

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

伴隨著社會的高速發(fā)展，人們對于物質(zhì)生活的標(biāo)準(zhǔn)也在逐步提升，市場對于家禽的需求量也在逐年提高，數(shù)據(jù)顯示，山東，廣東，河南三省家禽出口數(shù)量位居全國前列，14個(gè)省份出口家禽數(shù)量占全國總數(shù)的85%，養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)在進(jìn)行著全方位的變革和提升 。甘肅省是出產(chǎn)牛羊等牲畜的大省，對于飼草品質(zhì)的要求也在逐步提升，青飼料(也叫青綠飼料、綠飼料)，是可以用作飼料的植物新鮮莖葉，因富含葉綠素而得名。西北地區(qū)幅員遼闊，草地面積占我國總草場面積55%以上，擁有得天獨(dú)厚的地理?xiàng)l件及優(yōu)越位置，畜牧資源優(yōu)勢突出，但因水熱資源的限制，可利用的牧草資源并不豐富，所以，發(fā)展以玉米秸稈為主的飼料加工是未來農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)調(diào)整的主流方向。

2 我國青飼機(jī)的現(xiàn)狀

根據(jù)實(shí)地走訪調(diào)研，目前小型家畜養(yǎng)殖者所加工飼料的方式有兩種，一為較早生產(chǎn)普及的鍘草機(jī)，其價(jià)格低，操作簡單，占地面積較小，故被較早的推廣使用。二則還在使用老式鍘刀進(jìn)行飼草的加工。鍘草機(jī)把秸稈切割成段狀，以滿足飼喂要求，但在加工過程中較難破碎加工秸稈的莖節(jié)等部位，且部分切碎段粗大，影響牲畜的進(jìn)食以及消化吸收，造成浪費(fèi)。

另一種常見的機(jī)型為破碎機(jī)，其工作原理主要靠電動機(jī)帶動錘片捶打進(jìn)行破碎，其加工出來的飼草顆粒化程度較高，不利于家畜尤其是牛、羊等反芻動物的消化吸收，故并不作為主要的生產(chǎn)加工器具，一般作為飼草料制粒和壓塊等工序的前處理。

切揉組合式粉碎機(jī)機(jī)是我國近年來根據(jù)市場需求所研發(fā)的一種新式機(jī)器，其具備錘打切碎及揉絲發(fā)酵等的功能，二者綜合利研發(fā)，具備破碎機(jī)和揉絲機(jī)的工作特性，既可將堅(jiān)實(shí)的玉米籽粒經(jīng)擊碎擠壓，又可將質(zhì)地粗硬的青玉米秸稈切斷、粉碎和揉搓絲化，提高玉米秸稈纖維化程度以及籽粒破碎率，使得青貯玉米更好與乳酸菌反應(yīng)發(fā)酵，且易于密閉儲藏。為便于家畜消化吸收，增加絲化秸稈與反芻動物瘤胃的接觸面積和籽粒淀粉與消化酶的反應(yīng)量。但在加工生產(chǎn)多纖維，多汁的農(nóng)作物時(shí)，容易出現(xiàn)機(jī)器堵塞的現(xiàn)象，導(dǎo)致負(fù)載較高，電動機(jī)轉(zhuǎn)動受阻，從而導(dǎo)致燒毀等現(xiàn)象。

近些年來，我國市場上對錘切揉絲機(jī)也有一定的發(fā)展，現(xiàn)對市場上一種錘切揉絲機(jī)進(jìn)行功能上的研究說明。

3 工藝流程

在了解現(xiàn)有的鍘草揉絲機(jī)的構(gòu)造后，將整個(gè)機(jī)型分為5個(gè)工作模塊，分別為：動力裝置、輸送裝置、喂入裝置、破碎裝置及出料口。參考市面上現(xiàn)有機(jī)型，設(shè)置輸送裝置，為將秸稈等待加工作物送入破碎室而設(shè)置喂入裝置，破碎裝置是在保證原有粉碎機(jī)基本功能前提下而優(yōu)化改進(jìn)的機(jī)構(gòu)，更易達(dá)到生產(chǎn)目的。秸稈等待加工產(chǎn)品經(jīng)過輸送裝置傳送，經(jīng)喂入裝置擠壓后進(jìn)入破碎室破碎，將作物加工成長度適中的絲狀產(chǎn)品，由氣流的牽引從出料口拋出加工好的飼料產(chǎn)品。工藝流程見圖1。

圖1工藝流程

4 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

4.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意

整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由機(jī)架、輸送裝置、喂入裝置、破碎揉絲裝置、出料口、電動機(jī)、減速電動機(jī)、行走輪等部件組成，各部分協(xié)同工作，保證整機(jī)主要功能的實(shí)現(xiàn)。

圖2 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 輸送裝置分析

4.2.1 設(shè)置原因

(1)現(xiàn)有各類機(jī)型主要通過人工將待加工產(chǎn)品投入喂入裝置，但人工投入量無法均勻控制，過多投入會導(dǎo)致機(jī)器堵塞，負(fù)載過大，較少投入則影響機(jī)器工作效率。

(2)機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，破碎室內(nèi)錘片有著較高的轉(zhuǎn)動速度，會產(chǎn)生一定的氣流牽引，人工投放時(shí)會產(chǎn)生一定的安全隱患，若出現(xiàn)生產(chǎn)責(zé)任事故，對人體則會造成不可逆的傷害。

(3)該機(jī)器為全程機(jī)械化運(yùn)作，生產(chǎn)效率較高，人工投放秸稈等作物無法滿足實(shí)際的生產(chǎn)需求，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

綜上所述，該機(jī)器可完成輸送任務(wù)。

4.2.2 輸送裝置的選擇

整個(gè)輸送裝置由傳動部分和輸送鏈兩部分構(gòu)成，輸送鏈以帶式輸送機(jī)為原型，綜合考慮改善，將輸送帶轉(zhuǎn)換成柵條式輸送鏈，以兩條彎板鏈條為基礎(chǔ)，通過鉚釘將柵條固定到鏈條上，同時(shí)設(shè)置有橫梁，以保證輸送時(shí)的穩(wěn)定性，防止秸稈等待加工作物因柵條抖動而灑落。

在傳動方面上，在主動軸和從動軸上分別設(shè)置兩個(gè)鏈輪，鏈輪與軸之間采用鍵連接，分析可得，主動軸承擔(dān)全部的動力輸出，從動軸無需輸送扭矩，所以從動軸采用光滑連接。根據(jù)實(shí)際所需，從動軸設(shè)置縮緊栓進(jìn)行鎖死，設(shè)置張緊調(diào)節(jié)張緊螺栓可以控制從動軸的前后逶迤，從而達(dá)到張緊輸送鏈的目的。

4.2.3 工作原理

電動機(jī)將動力經(jīng)主動軸輸出，帶動鏈條運(yùn)動，從而帶動?xùn)艞l運(yùn)動，完成整個(gè)輸送工作，從動軸被鎖緊螺栓鎖死，空轉(zhuǎn)完成整個(gè)輸送工作。

4.2.4 結(jié)構(gòu)示意

如圖3所示輸送裝置主要由機(jī)架、輸送鏈條、鏈輪、支撐橫梁、調(diào)位螺栓、限位螺釘、輸入軸、凹形柵板、從動軸等組成。

4.3 喂入裝置分析

為使裝置能夠穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)械一般都需設(shè)置喂入裝置，如圖4所示，以保證物料能夠均勻定量的送入粉碎裝置，常見的喂入裝置分為喂入輥和自動喂入裝置，機(jī)器設(shè)置有輸送裝置，故采用喂入輥的形式進(jìn)行喂入。查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，常見輥的形態(tài)有刀齒形、星齒形、鉤齒型和光輥，通常進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，喂入的穩(wěn)定性達(dá)到更好的控制，設(shè)置張緊螺栓，控制上下輥間隙，增大機(jī)型的適應(yīng)性。

圖3 輸送裝置示意圖

圖4喂入裝置示意圖

4.3.1 喂入裝置的要求

(1)輸送鏈的輸送速度應(yīng)該小于喂入速度，防止因速度的不匹配造成喂入口的堵塞及因輸送鏈速度的過快而造成草料的灑落。

(2)為了保證草料具有一定的壓縮度，同時(shí)在喂入口不會堵塞，所以喂入輥的傳動一定要有特殊裝置的設(shè)計(jì)，既可以隨著草料的數(shù)量隨之調(diào)整上下輥的間距做上下運(yùn)動，又可以和下輥?zhàn)鲂D(zhuǎn)運(yùn)動.

4.3.2 喂入裝置的改進(jìn)

以此為例，如圖5所示，喂入裝置上輥以鉤齒輥為原型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，上輥將鉤齒條改進(jìn)設(shè)計(jì)成柵條，在輥面上依次均布，使上溝槽更深，下輥以光輥為原型，在輥面上設(shè)置螺旋型槽。通過優(yōu)化上下輥的結(jié)構(gòu)，能夠更好的提高喂入量以及喂入效率，增加了喂入輥的穩(wěn)定性，螺旋型槽的設(shè)計(jì)防止因草料纏繞在喂入輥上造成堵塞而損壞設(shè)備，整個(gè)喂入輥需要自適應(yīng)草料的厚度，能夠隨著草料的厚度而調(diào)整上下輥間距，設(shè)置張緊彈簧，彈簧的上下擠壓可以調(diào)整喂入輥的上下間距，滿足工作條件。

4.4 切揉裝置分析

該裝置主要適用的草料為玉米、高粱和豆秸等，將飼草加工切割成1～5cm的絲段狀，本設(shè)計(jì)適用于玉米秸稈、高粱和豆秸等飼草，且要干、濕兩用，需要將飼草加工成1～5cm的絲段狀。根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇和飼草的加工類型，選擇整個(gè)粉碎裝置選用錘片式粉碎為基礎(chǔ)，為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子，錘片和粉碎室。我國飼草加工機(jī)械類型、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)如表1所示。

圖5 喂入輥結(jié)構(gòu)示意圖

4.4.1 轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)

根據(jù)主軸的運(yùn)動速度來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子的整體結(jié)構(gòu)，一般由電動機(jī)帶動主軸從而帶動轉(zhuǎn)子來進(jìn)行破碎，轉(zhuǎn)子直徑和粉碎室的寬度為主要參數(shù)，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子時(shí)應(yīng)考慮轉(zhuǎn)子的直徑對整個(gè)破碎的效果及功率的影響。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子時(shí)，以下因素應(yīng)進(jìn)行優(yōu)先考慮：①要考慮二級，四級異步電動機(jī)直聯(lián)時(shí)，錘片末端線速度要求；②要靠近優(yōu)先；以切向進(jìn)料式舉例說明，轉(zhuǎn)子直徑優(yōu)先采用32 cm、36 cm、40 cm、50 cm系列，根據(jù)實(shí)際要求及需要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子的直徑。

表1 我國飼草加工機(jī)械類型、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

4.4.2 錘片的設(shè)計(jì)

中小型鍘草揉絲機(jī)中，通常選用錘片作為破碎裝置，錘片是整個(gè)機(jī)構(gòu)中較為關(guān)鍵的部件之一，而且其使用頻率較高，容易磨損，故對錘片的設(shè)計(jì)要求較高。在整個(gè)破碎過程中，錘片以高速的運(yùn)動狀態(tài)和物料發(fā)生撞擊，從而擊碎物料，為減少機(jī)具的沖擊力，再設(shè)計(jì)錘片時(shí)，其擺心應(yīng)和銷軸的軸心重合。在我國，錘片的設(shè)計(jì)已經(jīng)出臺了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，在滿足錘片的相關(guān)要求時(shí)，也應(yīng)盡量使其易于拆卸，維護(hù)及保養(yǎng)，具體參考農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊。如圖6所示。

圖6 錘片結(jié)構(gòu)示意圖

4.4.2.1 錘片的數(shù)量及排列

(1)錘片的數(shù)量。

切揉機(jī)轉(zhuǎn)子上的錘片數(shù)Z由下式確定：

式中：B為粉碎室寬度(mm)；e為錘片厚度(mm)；k1為錘片配置密度系數(shù)，k1=0.28～0.42k1值越小，粉碎顆粒越粗。

(2)錘片的排列。

目前錘片常見的分布方式有：螺旋線排列、對稱排列、交錯(cuò)排列和對稱交錯(cuò)排列(圖7)，我國生產(chǎn)的粉碎機(jī)普遍采用交錯(cuò)和對稱交錯(cuò)排列。

圖7 錘片的排列方式

在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，錘片的磨損程度與粉碎機(jī)的功率有關(guān)，所以轉(zhuǎn)子上錘片排列方式關(guān)系到機(jī)具的轉(zhuǎn)子的平衡和錘片的磨損。一般來說，對錘片的設(shè)計(jì)要求是：沿工作寬度轉(zhuǎn)子的運(yùn)動軌跡應(yīng)分布均勻且不重合，保證轉(zhuǎn)子的動平衡。如圖8所示。

圖8 錘片的對稱交錯(cuò)排列方式

4.5 粉碎室的設(shè)計(jì)

對于粉碎機(jī)而言，采用較大的粉碎室可以獲得較高的生產(chǎn)效率，粉碎室的寬度應(yīng)當(dāng)大于普通的谷物粉碎機(jī)，寬徑比應(yīng)為0.8～2。粉碎室的寬度現(xiàn)已系統(tǒng)化，查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊即可得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。在粉碎過程當(dāng)中，錘片和齒板的相互配合即可充分的起到對秸稈的揉搓、打擊、粉碎，增強(qiáng)了對秸稈的撞擊和輸送作用，所以設(shè)計(jì)出合適的齒板外形及尺寸對揉搓粉碎性能都有較大影響。如圖9、圖10所示。

圖9 錘片運(yùn)轉(zhuǎn)最大位置

圖10 齒板結(jié)構(gòu)示意圖

目前齒板的齒型和轉(zhuǎn)子軸線之間的夾角α有以下幾種方式：

與轉(zhuǎn)子的軸心線水平，及α=0°；

與轉(zhuǎn)子的軸心線夾角α=60°～80°；

與轉(zhuǎn)子軸心線垂直，α=0°；

在入料及揉搓段α=0°，在出料段α=60°～80°。

本參數(shù)的確定與整個(gè)粉碎裝置的配置有關(guān)，并且齒的高度也決定裝置的工作性能。齒高的取值范圍為h=6～23 mm。

在整個(gè)工作過程當(dāng)中，出料口的設(shè)計(jì)也對破碎裝置有著相應(yīng)的影響，根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有的裝備來看，大型鍘草揉絲機(jī)往往設(shè)置拋送板，粉碎的秸稈等作物經(jīng)拋送板拋出，經(jīng)過輸料導(dǎo)管導(dǎo)出，中小型鍘草揉絲機(jī)往往不設(shè)置拋送裝置，由轉(zhuǎn)子直接將粉碎的物料拋出，結(jié)構(gòu)更為簡單，節(jié)省空間。如圖11所示。

圖11 粉碎室結(jié)構(gòu)示意圖

4.6 傳動裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)整機(jī)構(gòu)造，若選取一個(gè)電動機(jī)，需要將輸送裝置，喂入裝置及破碎裝置共同帶動運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)載過于龐大，容易引起電動機(jī)的故障，故通常設(shè)置兩個(gè)異步電動機(jī)來進(jìn)行動力的提供，一臺電動機(jī)提供粉碎室轉(zhuǎn)子的動力，使轉(zhuǎn)子能夠高速的旋轉(zhuǎn)，另一臺電動機(jī)提供輸送裝置及喂入裝置的動力，使其平穩(wěn)運(yùn)行。中小型鍘草揉絲機(jī)適用于廣大農(nóng)村養(yǎng)殖戶和中小型飼料加工廠，多選擇Y系列封閉式三相異步電動機(jī)。Y系列封閉式三相異步電動機(jī)主要適用于灰塵多，土揚(yáng)水濺的工作環(huán)境，如農(nóng)業(yè)機(jī)械、礦山機(jī)械等，符合設(shè)計(jì)要求。且Y系列封閉式三相異步電動機(jī)具有效率高、耗電量小、噪聲小、振動小、體積小等特點(diǎn)，并且整個(gè)電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能好，運(yùn)行可靠維修方便。

5 結(jié)語

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)全方位的發(fā)展變革，良好的飼草加工在畜牧養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)鏈尤為重要。由于鍘草揉絲機(jī)能高效、及時(shí)地將新鮮飼料加工細(xì)化， 便于及時(shí)青貯， 又省時(shí)省力， 在飼料加工的工藝流程中受到青睞， 目前的市場需求量越來越大。