作物秸稈壓縮集捆關鍵技術研究進展

郝秋菊

（山西農業(yè)機械發(fā)展中心, 山西太原 030002）

0 引言

我國擁有非常豐富的秸稈資源, 從2014年統(tǒng)計年鑒和秸稈產量/經濟產量數據得知, 2015年我國以玉米、稻谷的秸稈為主的主要農作物秸稈總產量約有10.46億t, 占總體的2/3[1-3]。隨著農業(yè)產業(yè)結構調整和國家一系列環(huán)保政策的頒布實施, 我國農作物秸稈的綜合利用問題得到社會各界的廣泛關注和高度重視。

作物秸稈由于其富含多種營養(yǎng)物質, 木質化程度高、燃燒熱值高, 這些特質決定了其具有多種利用價值。首先, 秸稈富含牛羊成長所需的多種微量元素, 可作為牲畜的上等飼料或者發(fā)酵后成為栽培食用菌的有效基質；其次, 由于木質化程度高, 可將其作為木材的替代品, 用作造紙原料, 制作一次性餐具、人造纖維板等建材原料；第三, 因其高燃燒熱值特性可直接充當工業(yè)鍋爐的燃料, 也可以加工成生物質燃料供給生物質發(fā)電廠。

1 國外作物秸稈集捆研究進展

1.1 集捆壓縮理論研究

1938年西德學者斯卡維特首次提出草捆的密度和壓縮力之間的關系式[4]：

式中：P——壓縮力, kg/cm；

γ——壓縮后草物料的密度, kg/cm3；

m和c——試驗系數。

斯卡維特（Skalweit）提出的壓力密度關系式相似于氣體多變指數方程式, 以飼草低速壓縮為基礎條件, 為后續(xù)研究飼草料壓縮理論打下了根基。后來前西德學者薩哈特（Sachat）提出斯卡維特的關系式只有在壓縮力小于200 N/cm2時適用, 而且并沒有考慮到飼草濕度在壓縮過程中對壓縮力的影響[5]。綜合考慮濕度后, 薩哈特得出了新的數學模型。

式中：P——壓縮力, kg/cm2；

w——物料的濕度, w/d；

γ——壓縮后草物料的密度, kg/cm3；

m和c——試驗系數。

1959年, 西德學者麥威斯（Mewes）在薩哈特的基礎上, 探索初始密度和壓縮力的關系后, 提出了新的數學模型[6]：

式中：γ0——壓縮草物料的初始密度, kgcm3。

前蘇聯(lián)學者赫拉帕奇發(fā)現飼草濕度、壓縮過程中活塞的速度及草物料壓縮后的密度都對壓縮力有重要影響, 關系式如下：

式中：P——壓縮力, kg/cm2；

γ——壓縮后草物料的密度, kg/cm3；

α——物料濕度系數；

β——壓縮過程中的壓縮速度系數；

k——草物料的強度系數。

在考慮被壓縮的農業(yè)纖維的初始密度的基礎上, 英國學者法波若德和卡拉凡提出在壓縮過程中農業(yè)纖維物料壓縮力與初始密度的關系式[7]：

式中：P——壓縮力, kg/cm2；

γ——壓縮后草物料的密度, kg/cm3；

γ0——壓縮草物料的初始密度, kg/cm3；

A和b——試驗系數。

前蘇聯(lián)學者奧索波夫（Osobov）認為活塞受到的工作阻力大小主要是由飼草的初始密度和壓縮后密度決定的[8], 提出：

式中：P——為壓縮力, kg/cm2；

γ——壓縮后草物料的密度, kg/cm3；

γ0——壓縮草物料的初始密度, kg/cm3；

a和c——試驗系數。

后來有美國學者莫森寧（Mohsenin N）等人[9]對飼草壓縮過程中的應力松弛過程的試驗。日本學者主要研究農業(yè)纖維物料粉末的模壓成型過程[10-12], 美國、英國、加拿大等國的學者主要研究秸稈壓塊和壓餅過程[13-19], 而波蘭、德國、前蘇聯(lián)等國學者主要研究牧草及部分作物秸稈的壓捆過程[20-26]。國外學者主要是在閉式壓縮實驗裝置中研究草物料壓縮過程的流變學特性, 或對單個植物的流變學特性進行試驗研究。這些學者的研究并沒有將理論研究同草物料實際壓縮過程聯(lián)系在一起, 因此用于指導草物料壓縮過程的設計不太適合。必須綜合考慮草物料壓縮流變學參數, 并結合壓縮過程中的參數進行針對性分析, 才能解決壓捆機結構龐大、生產率低、動力消耗大、壓出的草捆密度低和散捆現象嚴重等問題, 從而真正解決草物料壓縮過程問題, 促進草物料的深度開發(fā)利用。

1.2 集捆壓縮裝備研究

在國外, 美國、印度、烏茲別克斯坦、澳大利亞、俄羅斯等農業(yè)比較發(fā)達的國家, 其棉柴收獲打捆機發(fā)展速度較快。這些國家棉花生產相似, 大都是地廣人稀, 土地高度集中, 農場規(guī)模大, 農牧業(yè)生產機械化程度高。目前, 國外棉柴主要有田間粉碎還田和棉柴收獲打捆2種處理方式。田間粉碎還田的典型代表是美國, 而俄羅斯等國家則是采用機械設備將棉柴收獲后進行打捆, 這些機械設備集棉柴收獲、粉碎、打捆于一體, 代表機型為烏茲別克的KV-36A型和KV-4A型。這兩種處理棉柴方式的機械設備主要以對行式為主, 按照壓縮原理主要分為液壓式和機械式。

近年來, 歐美一些發(fā)達國家不斷優(yōu)化壓捆設備的結構參數, 大大提高可靠性和生產效率, 如凱斯紐荷蘭、約翰迪爾、克拉斯等世界著名的生產商, 其生產的壓捆機技術裝備已很成熟。這些設備不僅融入了一些新的設計理念, 而且運用了最新科研成果, 所以無論在配套動力、液壓系統(tǒng)還是機械結構、控制系統(tǒng)設計方面, 都處理得很成功。

2 國內作物秸稈集捆研究進展

2.1 國內集捆壓縮理論研究進展

在國內, 郭康權等人[27-28]將秸稈粉粒體放置在密閉圓筒容器內進行壓縮試驗發(fā)現, 不僅模具的錐度、加熱溫度、壓縮力影響工作阻力的大小, 在模具中壓縮成型時, 秸稈濕度、原料粒度、粉粒在模具中的流動和填充均勻程度等因素均對工作阻力有影響。呂江南等人[29-30]研究閉式壓縮裝置內紅麻的壓縮過程, 發(fā)現共有松散階段壓縮、過渡階段壓縮和壓緊階段壓縮3個階段, 并建立了相應的模型。

盛奎川等人[31-32]研究棉桿壓縮過程時得出的結論與英國學者法波若德相同。

內蒙古農業(yè)大學的楊明韶等人[33-41]研究最與實際工況接近的開式壓縮流變學發(fā)現, 斯卡維特提出的壓力密度關系式僅考慮了一部分飼草的因素, 與壓捆機的實際工況差距很大, 已不適合繼續(xù)指導壓捆機的設計。1990年, 楊明韶課題組經過對多種飼草進行試驗分析, 并研究揉碎玉米秸稈壓縮過程后, 把壓捆機壓縮過程分為散草堆積、黏彈性變形、塑性變形、滑移和蠕變5個階段, 提出了開式壓縮的數學模型。

王春光等人[42-43]對牧草進行壓縮后應力松弛試驗研究, 得到了壓縮應力、應變與時間的曲線, 在壓力松弛試驗的基礎上, 得出了壓縮過程中應力和應變的關系式。

杜健民[44-46]利用KG-350型壓縮高密度壓捆機對農作物秸稈、新鮮牧草進行壓縮研究, 提出了整個壓縮過程在實際工況下的力松弛方程。

2.2 稻麥秸稈集捆壓縮裝備研究進展

劉綠朋[47]研制了自走式小麥秸稈打捆機, 并創(chuàng)新設計了打捆壓縮機構、秸稈撿拾割臺等關鍵部件, 使小麥秸稈的收取更加快速高效, 還可將秸稈自動打包成捆, 便于運輸和儲存。

李建兵等人[48]發(fā)明了一種彈齒滾筒式撿拾機構, 可用于稻麥秸稈打捆機, 其主要特點是撿拾秸稈并向后拋送, 并運用Pro/E和Adams軟件對該機構進行了仿真分析。

王德福等人[49]按照稻稈青貯收獲的要求及試驗研究, 改進了圓捆打捆機的打捆室, 采用2組短膠帶和6個鋼輥組合結構, 并且為了對稻稈進行調質, 在打捆室入口處安裝了噴嘴, 從而在撿拾打捆各類稻稈的同時可以噴入液體添加劑。

張致源等人[50]創(chuàng)新性地將利用鉸桿的角度效應實現力的二級放大的機械裝置串聯(lián)在傳統(tǒng)的曲柄滑塊壓縮機構中, 設計了一種稻麥秸稈打捆機壓縮機構, 該機構結構簡單、增力系數大、適應性廣, 將該機構串聯(lián)至打捆機, 不增加成本, 還可顯著提高其壓縮力。

2.3 牧草集捆壓縮裝備研究進展

于建國等人[51]采用Simulink進行壓捆機壓縮機構動態(tài)仿真模塊在傳統(tǒng)的運動及動力分析的基礎上, 獲得了壓捆機壓縮機構壓捆過程中任意時刻的速度、加速度、維持曲柄勻速轉動所需的扭矩和機構之間的作用力, 為設計壓縮機構提供了重要的數據。

李林等人[52]以9YFS-2.0型自帶傳動動力恒頻方草捆撿拾壓捆機為研究對象, 對該壓捆機的輸送喂入機構和壓縮活塞機構采用Solidworks軟件進行三維建模, 并用虛擬樣機軟件進行了運動仿真分析。

羅金海等人[53]將TRIZ理論引入畜牧業(yè)裝備領域, 用于方草捆撿拾壓捆機喂入裝置創(chuàng)新設計, 提出基于不同創(chuàng)新方法的設計過程。針對牧草喂入不足的問題建立功能模型圖, 并進行功能分析、原因分析, 確定沖突區(qū)域, 運用物場模型和物理沖突、技術進化、裁剪等TRIZ工具進行分析得到4種創(chuàng)新設計方案, 經過對比分析, 采用在喂入口安裝擋草爪實現牧草預壓縮的創(chuàng)新方案對機具進行改進。

2.4 玉米秸稈集捆壓縮裝備研究進展

我國的玉米秸稈主要用來粉碎還田和制作青貯飼料。現階段, 我國玉米青貯收獲技術已經比較成熟, 共有牽引式、背負式和自走式3種類型的玉米青貯型收獲機。

李明利[54]設計了玉米摘穗秸稈青貯打捆聯(lián)合作業(yè)機, 在現有背負式玉米收獲機的基礎上增加了秸稈切碎、輸送、拋送裝置和青貯打捆裝置, 能夠在摘穗的同時將玉米秸稈粉碎壓縮后實時打捆, 并將設計的青貯打捆裝置與背負式玉米收獲機進行功能集成和技術耦合, 完成了樣機的生產試制和田間試驗。整機采用組合式配置, 有效提高了機器的利用率。

叢宏斌[55]以臥式玉米收割機割臺為基礎, 利用秸稈飼草的壓縮特性設計了一種組合式壓捆裝置, 可以實現秸稈壓縮一次成型。該裝置綜合考慮整機結構尺寸、應力松弛時間和草捆大小, 設計有2個壓縮室, 左右2個壓縮室的橫向壓縮由雙向液壓缸完成, 縱向壓縮和草捆前移則由另外兩個液壓缸分別完成。通過三維建模、動畫輸出及動態(tài)檢驗, 其工作過程可在虛擬環(huán)境下展現。

劉雙源[56]對打捆機的捆繩機構、割繩機構中的齒輪轉動和鏈傳動進行了計算, 根據其工作環(huán)境及運行狀況, 參照國家標準對傳動機構參數的規(guī)定, 完成了重要參數的優(yōu)化。建立了零件的三維模型, 并進行仿真分析。根據主要打捆部件的參數, 運用三維軟件Pro/Engineer繪制了打捆機主要部件的零件圖, 并對零件進行了裝配, 利用軟件中的機構模塊進行了零件的運動模擬與仿真分析, 為打捆機的優(yōu)化與改進提供了理論依據。

2.5 棉桿集捆壓縮裝備研究進展

按棉柴收獲原理劃分, 目前我國國內的棉柴收獲打捆機主要分為鏟切式、提拔式和聯(lián)合作業(yè)式。

姚祖玉等人[57]設計了一種打捆裝置, 可用于小型自走式履帶棉稈收獲機, 并通過試驗分析壓縮頻率、牽引滾筒轉速、釘齒滾筒轉速、鋸片轉速對打捆總數、成捆率、捆包密度的影響, 得出結論：壓縮頻率30次/min, 牽引滾筒轉速280 r/min, 釘齒滾筒轉速270 r/min, 鋸片轉速1100 r/min為最優(yōu)打捆參數。

張佳喜等人[58]為了合理有效地利用棉花秸稈, 研制了一種回收率高, 一次作業(yè)就可以完成棉秸稈收獲及打捆的機具。該機在現有方捆機的基礎上對機具關鍵工作部件進行了優(yōu)化設計, 機具工作速度≥2 km/h, 秸稈回收率≥95%, 可有效解決棉稈收獲打捆的技術難題。

安柱[59]以棉柴收獲機構、粉碎機構和壓縮機構為研究對象進行了系統(tǒng)分析, 改進了棉柴起拔機構、壓縮機構和粉碎機構, 設計了新式圓盤式滾刀, 對圓盤式滾刀進行了結構靜力學分析。

2.6 其他秸稈集捆壓縮裝備研究進展

張翔[60]對蘆葦粉碎清雜高密度打捆功能一體機進行了方案設計, 構建機械系統(tǒng)虛擬樣機模型, 以多體動力學理論為基礎建立了機械系統(tǒng)的剛性模型和剛柔耦合模型, 對關鍵位置的位移、速度、運動軌跡及受力情況進行了對比分析, 并基于有限元模型開展了打捆機構中關鍵零部件的模態(tài)與諧響應分析, 為設計研發(fā)提供參考。

王剛等人[61]參考國內外打捆機的相關機型及研究成果, 針對小型甘蔗葉打捆機關鍵部件壓縮機構進行了初步的設計與分析, 論述了甘蔗葉方捆打捆時的開式壓縮原理, 確定了偏置式曲柄滑塊式的壓縮機構、曲柄連桿長度、壓縮頻率、喂入量和喂入口長度等主要參數, 為后續(xù)小型甘蔗葉方捆打捆機樣機的設計與制造奠定基礎。

朱建國等人[62]采用虛擬仿真技術, 對灌木打捆機進行3D建模, 通過Adams軟件對打捆機進行運動與動力學仿真分析, 檢驗打捆機在運動過程是否出現干涉現象, 得到其主要零部件相應的運動與動力學變化曲線。分析了打捆機的結構設計與受力強度為整臺機器的設計提供依據。

總體而言, 國內秸稈壓縮成捆設備方面的研究報道不多, 主要集中在苜蓿、玉米、稻草等作物[63-73]。隨著畜牧市場對各種草捆需求量的增加, 國內相關院校、科研院所及部分企業(yè)開始研制生產壓捆機, 并取得一定進展, 并且一些廠家已經在生產各式各樣的的壓捆機, 如中國農業(yè)科學院研制的DK-180型紅麻莖稈打捆機、北京現代農裝科技股份有限公司生產的CK2000型飼草壓捆機等。

3 結語

（1）國外成捆技術主要呈現大型、復合型的圓捆機和方捆機為主, 國內應向中小型化、高效率、低能耗方向設計適用于國情的集捆設備, 以適應我國散戶作業(yè)。

（2）針對集捆設備關鍵部件之打結器開展聯(lián)合攻關研究, 以填補該關鍵技術之國內空白的現狀。

（3）針對不同含水率秸稈的利用模式, 開展秸稈扎垛設備及秸稈捆集散技術與設備研發(fā), 充分提高秸稈利用率。

（4）針對秸稈機械化收儲運環(huán)節(jié), 政府應予以穩(wěn)定支持。攻關秸稈田間處理、收集、打捆及儲運的裝備和技術研發(fā)。