青貯秸稈鍘揉機的設(shè)計與試驗

陳玉華，宋占華，閆銀發(fā)，田富洋，李法德，張忠良

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院/山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018；2.肥城市畜豐農(nóng)牧機械有限公司，山東 泰安 271608)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，對肉、蛋、奶需求所占的比例在不斷增加，促使畜牧養(yǎng)殖業(yè)也得到了快速發(fā)展，從而對青貯飼料的需求量也越來越大。傳統(tǒng)青貯飼料主要是在玉米果穗收獲后利用剩余秸稈鍘切青貯氧化而成，由于收獲期過晚，營養(yǎng)成分流失嚴(yán)重，過度纖維化，水分含量過低，不利于充分發(fā)酵，造成牲畜采食率降低[1-9]。近幾年，大型牧場多采用全株青貯飼料喂養(yǎng)，相比去除果穗的秸稈青貯飼料而言，全株飼料嫩綠多汁，酸香適口，牲畜采食率和消化率提高12%；飼料中粗蛋白、淀粉含量等營養(yǎng)成分增高，營養(yǎng)價值高出30%～50%，可有效提高牲畜產(chǎn)仔率，奶產(chǎn)量提高10%～20%，乳脂率與乳蛋白率均提高0.1%以上，降低了牲畜發(fā)病率，能有效地提高奶牛生產(chǎn)力和養(yǎng)殖效率[10-17]。

為解決全株青貯飼料果穗莖節(jié)破碎難題，打破現(xiàn)代畜牧養(yǎng)殖業(yè)規(guī)?；l(fā)展的瓶頸，克服國內(nèi)現(xiàn)有秸稈鍘切技術(shù)僅限于將作物秸稈鍘切成段狀或揉搓，無法對作物果穗和秸稈莖節(jié)進行有效破碎，導(dǎo)致牲畜采食困難、咀嚼費力、適口性差、飼料浪費嚴(yán)重，難以滿足現(xiàn)代牧場對青貯飼料需求等問題，對全株青貯秸稈飼料穂莖破碎綜合機械化技術(shù)進行了探討和研究，并設(shè)計一種青貯秸稈鍘揉機。目前，該項技術(shù)在國外(如美國瑞恩公司、德國科羅尼公司生產(chǎn)的大型自走式青貯飼料收獲機)進行了普及，但其機械價格昂貴，國內(nèi)購買力不足，與我國實際國情不符，難以大面積推廣應(yīng)用。

1 主要構(gòu)造及工作原理

1.1 主要構(gòu)造

青貯秸稈鍘揉機的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．行走機構(gòu) 2.輸送喂入裝置 3.拋料裝置 4.鍘揉裝置 5.Y系列三相異步電動機

青貯秸稈鍘揉機主要由糙面刺皮防滑帶式強制性輸送喂入裝置、平板直刀人字形排列滾筒式鍘切與鋸齒形對輥式果穗莖節(jié)破碎鍘揉裝置、液壓自動控制飼料拋送裝置、電動機、行走機構(gòu)和機架等部分組成，具有結(jié)構(gòu)合理、操作簡單、生產(chǎn)率高、適用面廣、移動方便及故障率低等特點。

1.2 工作原理

青貯秸稈鍘揉機全株青貯飼料穂莖破碎綜合機械化技術(shù)，是在現(xiàn)有鍘草機工作基礎(chǔ)上，采用液壓控制和機電一體化技術(shù)，可一次性完成全株作物秸稈的輸送喂入、鍘切揉搓、擊打破碎及拋送裝車(入池)等多項作業(yè)，除了能加工農(nóng)作物秸稈和牧草之外，還可加工棉稈、樹枝、樹皮等物料。全株作物秸稈經(jīng)皮帶式強制性輸送機構(gòu)，強制夾持順向進入滾筒滾刀式鍘切揉搓裝置，經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的滾筒滾刀將作物秸稈鍘切成一定長度后，拋送到鋸齒形對輥式果穗莖節(jié)破碎裝置；經(jīng)對輥的反轉(zhuǎn)鋸齒、振動消減、高速旋轉(zhuǎn)使籽粒及秸稈進入揉搓破碎室，通過切揉過程破壞秸稈表面硬質(zhì)莖節(jié)，在差速反轉(zhuǎn)鋸齒的揉搓和擊打下，完成作物果穗籽粒破碎及秸稈莖節(jié)揉搓破節(jié)；物料沿著高速旋轉(zhuǎn)滾筒外緣連續(xù)不斷地送入由高速風(fēng)機帶動的液壓控制飼料拋送機構(gòu)被拋出機外。上拋送筒在液壓控制系統(tǒng)的作用下，可實現(xiàn)360°全方位無死角自動旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)拋料方向，拋送筒尾部蓋板可液壓控制調(diào)整拋射角度，滿足飼料拋撒的要求。鍘揉加工后的飼草絲條無整齊切口，無硬結(jié)，適口性好，質(zhì)地柔軟，能夠提高牲畜的采食率和消化率。其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Maintechnicalspecifications

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 輸送喂入裝置的設(shè)計

糙面刺皮防滑帶式輸送喂入裝置由糙面刺皮防滑帶、輸送槽、液壓傳動裝置及強制式喂入裝置構(gòu)成，利用糙面刺皮防滑帶和齒輥強制式喂入裝置，在液壓傳動裝置的驅(qū)動下，皮帶與輸送槽結(jié)合緊湊，帶動作物秸稈沿輸送槽正、反兩個方向運動。其正轉(zhuǎn)時可將作物秸稈送入強制式喂入裝置，由喂入裝置的喂入齒輥夾持并送入秸稈鍘切裝置，同時保證喂入時秸稈草層無相對滑動，并在草層變化時仍能保持夾緊；反轉(zhuǎn)時，可將堵塞、卡擠在喂入裝置的秸稈物料反方向退出，以便在喂料堵塞或喂料發(fā)生異常時促使傳送帶立即停止或倒退運行。

此外，還可增裝金屬探測器為其提供智能化保護，以防止金屬物進入鍘切裝置而導(dǎo)致刀片損壞。喂入滾筒下的彈性底板及物料拋送風(fēng)機下的彈性底板可使輸送物料系統(tǒng)確保切碎物能被順暢無堵塞地拋出，鍘切滾筒的底板與定刀相連接，定刀與滾刀之間始終保持固定間隙；當(dāng)作物喂入量增加時，底板與鍘切滾筒之間的間隙會變化，但不影響切碎質(zhì)量，即使作物喂入不連續(xù)，也可以得到很好的切碎效果，徹底解決了秸稈、籽粒輸送過程中的堵、塞、卡、漏問題，秸稈飼料利用率可以提高15%以上。輸送喂入裝置如圖2所示。

1．刺皮防滑帶 2.前段側(cè)板 3.喂入口護罩 4.中部支撐 5.輸送槽 6.后支撐 7.張緊座 8.螺母 9.拉桿

2.2 鍘揉裝置的設(shè)計

平板直刀人字形排列滾筒式鍘揉裝置由動刀、動刀滾筒、定刀、上擋板、下殼板，及自動磨刀裝置組成。動刀為16組平板刀，沿動刀滾筒軸線方向人字形排列而成，與傳統(tǒng)刀盤和一字型直刀鍘切機構(gòu)相比。本設(shè)計有動刀安全導(dǎo)向裝置，杜絕啃刀事故，具有鍘切時刀片滑切、切削阻力減小、物料流連續(xù)、功耗低、受力均勻、減少對主軸的沖擊力，便于調(diào)整動定刀間隙、飼料鍘切均勻順暢等特點，且物料鍘切長度在10～60mm范圍內(nèi)任意可調(diào)以滿足不同牲畜的采食需要。定刀為整體可調(diào)刀座，使動、定刀間隙調(diào)節(jié)更加安全可靠、方便快捷；自動磨刀裝置在刀片磨損后通過操作手柄自動靠近刀片，對刀刃部進行磨削，恢復(fù)刃口鋒刃度，減少拆刀、磨刀、安裝及調(diào)試等一系列高難度操作。鍘揉滾刀的鍘切能力決定著秸稈的物料流輸送量，設(shè)計滾筒切刀轉(zhuǎn)速為1 300r/min，動刀片人字形排列2排共32把。將青秸稈飼料鍘切長度Ls=1 060mm、滾刀轉(zhuǎn)速nd=1 300r/min、滾筒的動刀片數(shù)z=16代入式(1)，可得喂入速度為

(1)

其中，Ls為青貯秸稈鍘切長度(mm);vf為喂入輥的喂入速度(m/s);nd為滾刀的轉(zhuǎn)速(r/min);z為滾筒上的動刀片數(shù)。通過計算，可得喂入輥的喂入速度為3.47～20.8m/s。

鋸齒形對輥式果穗莖節(jié)破碎揉絲裝置由1對表面經(jīng)特殊加工而成的鋸齒狀對輥和動力傳遞件組成。經(jīng)對輥的反轉(zhuǎn)鋸齒、振動消減、高速旋轉(zhuǎn)使籽粒及秸稈進入揉搓破碎室，在差速反轉(zhuǎn)鋸齒的揉搓和擊打下，完成農(nóng)作物果穗籽粒破碎及秸稈莖節(jié)揉搓破節(jié)。與現(xiàn)有鍘切設(shè)備作業(yè)效果相比，該型較通常碾壓輥的表面摩擦力更大，對作物穗粒、秸稈莖節(jié)破碎效果更好，大直徑和大摩擦表面足以確保碾壓揉搓質(zhì)量。青貯秸稈飼料的發(fā)酵品質(zhì)和消化效果好，喂入物料量大且容易通過，碾壓輥表面不粘連，有利于提高作業(yè)效率和切碎物的質(zhì)量水平，營養(yǎng)物質(zhì)含量可提高30%以上，飼料采食率可提高12%。鋸齒形碾壓輥示意圖如圖3所示。

圖3 鋸齒形碾壓輥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Serrated rubbing roller

2.3 拋料裝置的設(shè)計

液壓自動控制拋料裝置由下拋料筒、上拋料筒、拋筒尾部導(dǎo)流板及風(fēng)機等組成。破碎后的秸稈物料沿著高速旋轉(zhuǎn)滾筒外沿連續(xù)不斷地送入下拋料筒，在高速風(fēng)機的帶動下，沿上拋料筒拋出機外。上拋送筒在液壓控制系統(tǒng)的作用下，可實現(xiàn)出料口360°全方位無死角自動旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)拋料方向，拋送筒尾部導(dǎo)流板可通過液壓自動控制在0°～60°范圍內(nèi)調(diào)整拋射角度，可滿足飼料拋撒貯料的要求。與現(xiàn)有鍘草機出料口需人工調(diào)節(jié)相比，本機器拋料裝置的拋揚距離、拋料方向全方位液壓自動控制，操作靈活輕捷，自動化程度高，水平吹送距離達6～12m，可提高勞動效率80%以上。拋料裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

青貯秸稈的密度較小，若僅依靠滾筒將秸稈鍘切后進行拋送，則拋送的高度有限，無法滿足部分用戶的使用要求。因此，拋料裝置必須增加風(fēng)機設(shè)備，確保安裝有彈性底板的拋送風(fēng)機在各種狀態(tài)下都能達到最佳卸料效率，以將秸稈物料精確拋送至拖車等運輸設(shè)備。參考相關(guān)文獻資料[18]，當(dāng)風(fēng)機葉片的周邊線速度為35～50m/s時，即可實現(xiàn)秸稈物料的有效拋料。秸稈物料顆粒的位移及速度與時間關(guān)系的運動方程式分別如式(2)和(3)所示，從而可確定秸稈物料顆粒在任一時刻的運動狀態(tài)。

l=(0.55l0+27)e190t+(0.32l0+12.7)e-408t-40

(2)

(3)

1.出料口緊箍 2.出料口緊筒 3.天圓地方管 4.下弧板 5.加強上弧板 6.扭簧 7.螺栓 8.螺母 9.平墊 10.側(cè)弧板加強邊 11.側(cè)弧板 12.彈墊 13.螺母 14.螺栓 15.擋板 16.出料口上弧板

3 試驗

2016年10月24日，在山東省肥城市畜豐農(nóng)牧機械有限公司進行了青貯秸稈鍘揉機的性能測試和試驗。試驗對象為平均株高1 890mm、平均直徑25mm的青玉米秸稈，試驗儀器包括烘干箱、成套測功儀表(1級)、轉(zhuǎn)速表、秒表、磅秤、米尺、天平(感量0.5)、游標(biāo)卡尺及噪聲測定儀等。從待切玉米秸稈物料中不同位置處取樣3次，每次抽樣100g左右，在105°C恒溫下烘干到質(zhì)量不再變化為止，然后再稱其質(zhì)量。按式(4)計算秸稈物料相對含水率并取平均值，即

(4)

其中，Hr為物料相對含水率(%)；Gb為烘干前樣品質(zhì)量(g)；Ga為烘干后樣品質(zhì)量(g)。

將待鍘揉玉米秸稈物料稱重，從喂入開始至喂入結(jié)束時停止，記錄凈工作時間，按式(5)計算玉米秸稈凈工作小時生產(chǎn)率，即

(5)

其中，En為凈工作小時生產(chǎn)率(kg-1)；G為鍘切秸稈物料質(zhì)量(kg)；tn為凈工作時間(h)；H為秸稈物料標(biāo)準(zhǔn)含水率16.5。

在100g玉米秸稈樣品中采用十字交叉法取小樣20g，測量每節(jié)的長度，則平均鍘切長度為

(6)

其中，L為玉米秸稈平均鍘切長度(mm)；Li為玉米秸稈小樣第i根莖稈的實測長度(mm)；n為玉米莖稈個數(shù)。

以玉米秸稈樣品中帶節(jié)草料為測定對象，在測試的始、中、末階段，從鍘揉機出料口處各取樣3次，混合后依照十字交叉法取出樣品200g，按照式(7)計算青玉米秸稈物料始、中、末階段各自的破節(jié)率并最后取平均值，即

(7)

其中，Cs為玉米秸稈飼草各階段破節(jié)率(%)；Ms為樣品被鍘切成兩節(jié)以上或壓扁的帶節(jié)草料的總質(zhì)量(g)；Mt為玉米秸稈物料樣品中帶節(jié)飼草的總質(zhì)量(g)。

玉米秸稈標(biāo)準(zhǔn)草長率按式(8)計算，即

(8)

其中，Sc為玉米秸稈標(biāo)準(zhǔn)草長率(%)；mt為標(biāo)準(zhǔn)長度秸稈的總質(zhì)量(g)；ms為玉米秸稈的小樣質(zhì)量(g)。標(biāo)準(zhǔn)飼草料長度是指鍘切后的草段長度在(0.71.2)Ld范圍內(nèi)的飼草料，Ld為鍘揉機的設(shè)計草料長度。

通過試驗數(shù)據(jù)計算得到青玉米秸稈物料相對含水率平均值為55%，凈工作小時生產(chǎn)率不低于50 000kg，平均鍘切長度35mm，物料秸稈破節(jié)率平均值達91%，秸稈標(biāo)準(zhǔn)草長率89%。試驗所得秸稈的切段長度及生產(chǎn)率符合秸稈破碎機相關(guān)驗收要求。青貯秸稈鍘揉機的樣機試驗現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 樣機試驗現(xiàn)場Fig.5 Field test of a prototype

4 結(jié)論

1)青貯秸稈鍘揉機集自動喂料、物料鍘揉及物料拋送作業(yè)于一身，具有體積小、質(zhì)量輕、移動方便、結(jié)構(gòu)緊湊、運轉(zhuǎn)靈活、性價比優(yōu)越等特點，提高了青貯秸稈加工效率，降低勞動強度，可廣泛適用于秸稈發(fā)電、造紙和人造板廠、乙醇提煉及畜牧養(yǎng)殖場等眾多鍘揉加工領(lǐng)域。

2)青貯秸稈鍘揉機確保青貯秸稈物料喂入順暢不堵塞，最大力度地減少單位功耗，鍘切長度為1 060mm，青貯秸稈破節(jié)率平均值達91，加工出來的秸稈物料絲化率高，顯著提高牲畜采食率和消化率。

3)本機能夠鍘切多種青貯秸稈物料，通用性強，設(shè)計合理，作業(yè)效率高，生產(chǎn)能力可達50t/h以上(青玉米秸稈含水率55%)，且節(jié)約管理成本，操作簡便，省時省力，安全可靠。