懸掛式青貯機調質裝置的設計及試驗研究

張琦峰,謝煥雄 , 胡志超,鐘 波,劉自暢 ,羅偉文

(1.農業農村部南京農機化研究所,南京 210014;2.山東農業機械科學研究院,濟南 250100)

0 引言

青貯飼料調質對青飼料進行擠壓、揉搓處理,使用機械方法改變青飼料物理特性,最終達到破節、裂皮的效果,是近年來比較新的概念,目前的技術模式及調質裝置都不成熟[1]。經過調質處理的青飼料,營養物質與發酵催化物接觸更充分,可以在較短的時間內,獲得較為穩定的pH值環境[2],促進有益菌群的形成,減少有害菌,大幅度提高飼料的發酵質量和效率。我國主要的青貯作物有青貯玉米、甜高粱、甘薯及苧麻等。根據農業部的規劃[3],到2020年我國整體飼草料面積將發展到633.3萬hm2,青貯玉米的種植面積達到166.7萬hm2。青貯玉米與普通籽粒玉米相比,往往植株高大,一般能長到2.5～3.5m,莖稈粗壯且關節較多[4],農牧民十分關心青貯機是否具有調質功能。國外的青貯機械以自走式為主,一般具備獨立、完善的秸稈調質裝置[5],青貯飼料莖稈破損率≥95%,作物全株采食率達到90%以上。國內的青貯設備中懸掛式青貯機占有較大的市場份額[6-7],懸掛式青貯機整體結構上與國外自走式設備存在較大差異,難以直接采用國外成熟技術。國內傳統的懸掛式機型一般僅能對物料進行切段加工,不具備破節、裂皮能力,飼料適口性差,品質較低,營養成分不能充分發酵,不易被牲畜消化吸收,飼料利用率低,全株采食率只有50%左右[8]。為此,筆者在前期研究的基礎上,以具有代表性的4QG-2型懸掛式青貯機為模型,設計了一種調質裝置,并進行了試驗研究。

1 結構組成及工作原理

傳統的懸掛式青貯機在刀盤周圍布置拋送葉片[9-10],不僅使設備具有較好的拋送能力,同時利用拋送葉片與罩殼之間的間隙對青飼料進行擠壓、揉搓達到一定的調質效果[11-12],但是調質效果較差,因為拋送葉片與罩殼之間的間隙不能調整,往往造成作業過程中積料堵塞及功率增加。

1.1 結構組成

調質裝置主要由揉搓葉片、揉搓板、破壁刀及刀座組成,如圖1所示。

1.2 工作原理

物料喂入后,被切碎刀切割成10～40mm的均長料段,物料段在刀盤高速旋轉產生的離心力作用下沿刀座滑向刀盤邊緣[13-14];滑動過程中,破壁刀及刀座對物料段進行劃傷以減少揉搓、擠壓阻力;物料段到達刀盤邊緣后,由揉搓葉片帶動隨刀盤一起旋轉,旋轉過程中受到揉搓葉片和揉搓板之間捻揉作用力,充分擠壓、揉搓。

2 調質裝置的設計

2.1 揉搓葉片布置形式

揉搓葉片是調質裝置的核心部件,相對于刀盤的布置形式可以分為前傾布置、后傾布置和徑向布置3種,如圖2所示。以揉搓葉片后傾β角布置為例,對物料在揉搓葉片上的受力情況進行分析。

1.刀盤 2.揉搓葉片 3.破壁刀 4.刀座 5.揉搓板 6.罩殼 7.切碎動刀 8.切碎定刀 9.機架

圖2 受力分析圖

假設位于揉搓葉片上的物料為質點m,其初始速度為0,物料與葉片之間為非彈性碰撞,m隨葉片以角速度ω做勻速轉動,則m受到離心力為mω2ρ,將離心力分解為mω2ρsina和mω2ρcosa,建立m進入揉搓前的運動微分方程,即

(1)

其中,μ為物料與葉片間的摩擦因數,2mρds/dt為m受到的科氏力分力。

令S=ρsina,r=ρcosa,則

(2)

式(2)的一般解為

(3)

(4)

t=0時,S=S0,ds/dt=0,則

(5)

可得

(6)

代入式(2)可得

其中,S0為m進入揉搓的起始距離。假設μ=1,可簡化為

S=(S0+r)(0.85e0.414ωt+0.15e-2.414ωt)-r

(7)

(8)

由式(8)可以看出:恒轉速下,物料進入揉搓的速度V隨著r的增大而增大,合理增大V值可以使揉搓作業更容易實現,減少積料現象。在葉片的3種布置形式中:葉片后傾時,r>0;葉片前傾時,r<0;葉片徑向時,r=0,則有V后>V徑

2.2 青貯玉米秸稈承壓能力

由胡克定律得

(9)

其中,E為彈性模量,σ為應力,ε為應變。對大量數據曲線進行線性回歸分析后[15-16],可得玉米秸稈楊氏彈性模量為

(10)

式中,σmax為最大抗壓強度,Fmax為揉搓過程中最大載荷,A為青貯玉米平均截面積。相關試驗表明[17-18]:玉米秸稈整稈的抗壓彈性模量的平均值為373.58MPa,最大抗壓彈性模量為433.13MPa,最大抗壓強度的平均值為7.75 MPa。

2.3 主要部件的設計

1)揉搓葉片。將揉搓葉片設計成后傾弧形秸稈段可以順利進入揉搓葉片與揉搓板之間,減少物料卡塞,圖3所示。揉搓葉片的工作面加工成螺紋狀,相鄰揉搓葉片螺紋加工旋向相反,物料在捻揉過程中,形成了“之”字形曲線,不僅秩序性地延長了揉捻行程,而且通過變向使物料段受到充分擠壓,提高了揉搓破碎率及均勻度。

圖3 揉搓葉片

2)揉搓板。揉搓板安裝在罩殼內側,通過調節限位螺栓控制其與揉搓葉片的間隙,達到控制揉搓強度及提高對不同種類青飼料適應性的目的,如圖4所示。揉搓板工作面設計成金字塔形齒狀,依靠多刃邊和尖角提高對物料的破碎能力,采用ZG310-570材質,強度高且成本較低。

圖4 揉搓板

3)破壁刀及刀座。兩個部件的作用都是在物料向刀盤周邊運動過程中利用尖角和刃邊對秸稈進行劃傷,減少揉搓過程中的擠壓、揉搓阻力,其結構如圖5所示。

圖5 破壁刀及刀座

3 試驗分析

試驗物料選用山東省濟南市章丘區農場的乳熟期青貯玉米,平均含水率65%～70%。配套動力為東汽1304雙向拖拉機,刀盤主軸轉速1 000r/min。

3.1 試驗方法

試驗主要研究揉搓葉片數量、揉搓板數量及切段長度等3個因素對于秸稈破碎率的影響。揉搓葉片數量分別選用6、3、0片等3個水平;揉搓板選用安裝2、1、0塊等3個水平;切段長度選用40、25、10mm等3個水平。破碎率計算公式為

(11)

其中,η為破碎率,a為破節、裂皮的秸稈質量,b為試驗青貯玉米秸稈總質量。

采用設計L9(34)安排試驗,每組試驗安排2次,結果取平均值。利用極差分析法綜合分析并確定較好的水平組合。

正交試驗因素水平表如表1所示。

表1 試驗因素水平表

3.2 試驗結果及分析

試驗方案和結果如表2所示。

表2 試驗方案和結果

對試驗結果進行極差分析,如表3所示。

表3 極差數據分析表

由極差R值的大小可知:因素的主次排序為B、A、C。其中,切段長度對于揉搓破碎率的影響較小。由于試驗需要選擇破碎率的大值,因此最優配置為A1B1C2。畫出因素-指標圖,如圖6所示。

圖6 因素-指標圖

由圖6可以看出:因素A揉搓葉片數量由6片減少到3片,破碎率呈下降趨勢,從3片減少到0片,破碎率呈明顯下降趨勢;因素B揉搓板數量從2塊減少到1塊,破碎率呈下降趨勢,B從1塊減少到0塊,破碎率呈明顯下降趨勢;因素C切段長度的變化對破碎率影響較小,也可以認為調質裝置對于各種切段長度的適應性較好,可以滿足多工況、多種切段長度的調質需求。

圖7為部分試驗實物圖片。圖7(a)為切段長度25mm、未安裝揉搓裝置的情況,可以直觀看到存在較多未破碎秸稈;圖7(b)為切段長度25mm、安裝2塊揉搓板和6片揉搓葉片的情況,幾乎看不到未破碎的秸稈。

圖7 實驗圖片

4 結論

1)設計了一套懸掛式青貯機調質裝置,使懸掛式青貯機具備了調質功能。田間試驗表明:裝置運行穩定,調質效果較好。

2)揉搓葉片6片、揉搓板2塊時,調質裝置的破碎率最高;隨著揉搓葉片和揉搓板數量減少,破碎率呈下降趨勢;物料切段長度對于破碎率影響較小,可以認為該調質裝置對于各種切段長度的物料具有良好的適應性。