基于收獲加工工藝的新型牧草捆干燥設備設計與試驗

丁立利 薛紅睿 王盼盼 張家瑞 賀成柱 呂鳳玉

摘要：針對目前牧草收獲加工與干燥工藝不匹配，通過牧草收獲加工工藝的分析研究，開發內強制階段式牧草干燥工藝，結合該工藝設計研發新型插針式牧草捆干燥設備。基于草捆干燥工藝，進行熱質衡算，設計關鍵部件和智能化控制系統。以設計的干燥設備主要參數為指標，進行試驗評價分析，試驗結果表明，該設備可將含水率35%左右的草捆進行干燥處理，草捆干燥均勻，干燥后草捆含水率小于17%，處理量可達917kg/h，符合設計要求，證明了內強制階段式牧草干燥工藝的可行性和新型牧草捆干燥設備的先進性，為草捆干燥設備的進一步優化提供技術參考。

關鍵詞：干燥工藝；牧草捆；內強制；插針式；干燥設備

中圖分類號：S817.1

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 070118

08

Design and experiment of a new type of forage baling drying equipment based on

harvesting and processing technology

Ding Lili， Xue Hongrui， Wang Panpan， Zhang Jiarui， He Chengzhu， Lü Fengyu

（Gansu Academy of Mechanical Sciences Co.， Ltd.， Lanzhou， 730030， China）

Abstract： In view of the mismatch between forage harvesting， processing， and drying technologies， an internal-forced stage forage drying technology was developed through the analysis and research of forage harvesting and processing technology. Heat and mass balance calculations were carried out， and key components and intelligent control systems were designed based on the forage baling drying process. The drying test of the equipment was evaluated and analyzed based on the main parameters of the designed drying equipment. A new pin-type forage baling drying equipment was designed and developed based on this technology. The experiment showed that the equipment can dry forage bales with a moisture content of about 35%. The forage bales can be dried evenly， with a moisture content less than 17% after drying. The treatment capacity reached 917kg/h， meeting the design requirements. The results confirmed that the internal-forced stage forage drying technology is feasible and that the new forage baling drying equipment is advanced， which provides a technical reference for the further optimization of forage baling drying equipment.

Keywords： drying technology; hay baling; internal-forced; pin type; drying equipment

0 引言

近年來隨著我國畜牧業特別是草食畜牧業的快速發展，農業產業結構不斷優化調整，傳統的“糧—經—飼”三元結構調整為“糧—經—飼—草”四元結構，依靠農作物“秸稈+精料”的粗放型飼喂模式已難以為繼，滿足優質牧草的需要日益增加［1］。我國草產業迅速崛起，涌現出很多牧草種植和加工企業，但牧草加工設備總體規模較小，技術創新程度比較滯后，遠滿足不了現階段我國草食畜牧業快速發展的需要，為了解決現有的困境，我國進口牧草產品的比重呈現急劇增長趨勢［2］。因此，要想國內牧草產業持續快速發展，就必須在牧草加工過程中應用創新技術，該過程最有效的手段就是經過牧草加工環節［3］。

牧草加工中草捆加工約占生產總量的56%［3］，草捆干燥方式是影響飼草產品營養品質的重要環節［45］，干草品質的好壞取決于牧草的刈割時間、晾曬時水分散失的速度和達到安全水分需要時間的長短［68］。國內外牧草干燥設備的研究和開發以轉筒干燥設備為主［9］，其主要干燥散草，而且收獲加工與干燥工藝不匹配，智能化程度不高，后期需經二次打捆貯存，整個加工工藝流程復雜，降低草的品質，不利于大規模、高效率的現代化生產。

本文通過針對目前干燥設備存在的不足和傳統牧草收獲加工工藝的分析研究，開發了內強制階段式牧草捆干燥工藝，并結合該干燥工藝和牧草收獲工藝研制新型針式牧草干燥設備，并搭建一套智能化控制系統，實時監測干燥設備的作業狀態。

1 新型草捆干燥工藝

草捆干燥設備一般采用兩種干燥形式：外強制熱風干燥和內強制熱風干燥。干燥草捆時，因草捆密實度一般達到300kg/m3，采用外強制熱風形式的干燥設備效率較低且干燥不均勻，影響干燥牧草的營養品質。因此，本文新型牧草干燥設備采用內強制熱風干燥形式，并開發運用階段式的草捆干燥工藝（圖1），大大提高了干燥設備的效率，也使牧草營養價值流失較少。

內強制階段式牧草捆干燥工藝：將草捆置于干燥單元上，向草捆內部刺入熱風風針，草捆干燥工藝過程有四個階段：干燥準備階段（Ⅰ階段），送風系統向刺入草捆的風針通2～5min的常溫氣流，使牧草之間的通風間隙得到疏松，便于進入草捆內部的氣體能及時排出；干燥快速階段（Ⅱ階段），熱風系統通過風針向草捆通5～10min 120℃的熱風氣流；干燥降速階段（Ⅲ階段），待草捆含水率降至25%時將熱風溫度降為80℃，草捆含水率降至17%時，停止熱風供應；延時排濕階段（Ⅳ階段），熱風系統停止熱風輸送后，繼續向草捆通2～5min的常溫氣流，以便排出留存在牧草間隙中的濕氣，同時防止高溫牧草在急劇降溫后使牧草返潮。草捆干燥完成后，熱風風針退出，干燥的草捆被送出。

2 新型針式牧草干燥設備總體結構與工作原理

2.1 總體結構

新型針式牧草干燥設備結構如圖2所示，主要由機架、熱風交換裝置、熱風輸送管、干燥單元和控制系統等組成。熱風針管垂直布置，實現上下移動，可插入或撥出草捆。本設備可延伸干燥單元的數量，提高其干燥效率，增強其拓展性。

2.2 工作原理

新型針式牧草捆干燥設備中熱風是從草捆內向草捆外流動，該方式容易實現熱風對整個草捆的干燥。工作時，先開啟控制系統，系統自動檢測工位就緒情況，無異常報警后用叉草機將草捆運送到干燥單元上，待草捆放置穩定后熱風針管刺入草捆，先啟動風機向系統送入常溫空氣氣流，待通入的常溫氣流達到設定輸送時間時，啟動熱風交換加熱裝置，此時風機向熱風交換裝置提供的空氣被加熱并連續送入輸送管進入草捆。從熱交換裝置送出的熱風在出口處分為兩路，分別從干燥單元兩端進口進入，干燥單元兩端熱風進入后分為六路熱風支管路，每路支管路下部均布九支風針，熱風從風針側面的針孔送出進入草捆，熱風氣流將草捆中的水分通過牧草之間的間隙排出，當草捆含水率降至預設值時，自動關閉熱風交換裝置的加熱，但風機繼續送入常溫空氣，直到草捆內部的溫度降至設定值后關閉風機，干燥完成。在整個干燥過程中采用階段式干燥工藝，干燥氣流通過熱風輸送管依次向草捆強制輸入常溫空氣—加熱空氣—常溫空氣，整個過程系統自動識別控制。

新型針式牧草干燥設備主要技術參數見表1。

3 干燥過程的熱質衡算

以干燥前后草捆作為衡算對象，對干燥過程進行總體熱質衡算［10］。物料衡算見圖3。

3.1 物料衡算

在整個干燥過程中，干燥前濕物料的量為G1，依據干燥過程中干物質是不變的，只有水分在變化。則蒸發物料中的含水量所需的新鮮空氣消耗量

V=（0.772+1.244M1）（t0+273.15）（W1-W2）P0G1

273.15（1-W2）（M2-M1）P

（1）

式中：

V——新鮮空氣的消耗量，m3/h；

G1——濕物料的量，kg；

W1——干燥前物料的含水率，%；

W2——干燥后物料的含水率，%；

M1——

干燥前進入空氣的濕含量，kg（水）/kg；

M2——

干燥后排出空氣的濕含量，kg（水）/kg；

t0——初始溫度，℃；

P0——

標況下的大氣壓力，取101325Pa；

P——操作工況下的大氣壓力，取84310Pa。

根據濕法收獲工藝，草捆含水率為35%。采用內強制階段式干燥工藝，牧草經過干燥加速階段，含水率降至25%左右，干燥降速階段，含水率降至17%以下。濕物料量為1150kg，初始溫度為20℃時空氣的濕含量為0.0147kg（水）/kg，干燥后排出空氣的濕含量為0.0865kg（水）/kg，根據式（1）計算得新鮮空氣消耗量為3540m3/h。

3.2 熱量衡算

在熱量衡算時，應考慮各種可能性，干燥過程根據實際情況進行簡化處理。物料在干燥過程中消耗的熱量主要有三部分：加熱空氣的耗熱量、蒸發水分耗熱量和加熱濕物料耗熱量。即

Q=Q1+Q2+Q3

（2）

式中：

Q——干燥過程中消耗的熱量，kJ/h；

Q1——加熱空氣的耗熱量，kJ/h；

Q2——蒸發水分耗熱量，kJ/h；

Q3——加熱濕物料耗熱量，kJ/h。

則有

Q=

1.01L（t2-t0）+w（r00+Cvt2）+

GCm（θ2-θ1）

（3）

式中：

L——新鮮空氣用量，kg/h；

t2——加熱后空氣的溫度，℃；

w——

干燥過程中熱空氣帶走的水分，kg/h；

r00——

水的汽化潛熱，查得汽化潛熱值為2335.3kJ/kg；

Cv——

水蒸氣的比熱，查得水蒸氣的比熱值為1.88kJ/（kg·℃）；

G——物料絕干物質的量，kg/h；

Cm——

物料的比熱，查得牧草比熱值為2.31kJ/（kg·℃）；

θ1——濕物料干燥前的溫度，℃；

θ2——濕物料干燥后的溫度，℃。

根據實際草捆干燥，結合內強制階段式干燥工藝，新鮮空氣用量為3473.5kg/h，加熱后空氣的溫度為100℃，濕物料干燥前后的溫度分別為20℃、50℃，根據濕物料和干燥前后的物料含水率，可得熱空氣帶走的水分為250kg/h，絕干物質的量為747.5kg，由式（3）計算得干燥過程所消耗熱量為229766Kcal/h，則可配套的熱交換裝置的功率為267kW。

4 關鍵部件設計

4.1 熱風均風裝置

新型針式牧草干燥設備熱風均風裝置主要將熱交換后的空氣均布配送，由漸擴管、分流板、導風板和出風板組成，如圖4所示。

氣流從上游經過漸擴管進入下游管，在通過上下游兩斷面之間的局部構件時，產生能量損失［11］。則可得以下關系

p1γ+H1+α1v122g=

p2γ+H2+α2v222g+∑hf

（4）

式中：

p1、p2——

截面1和2上的壓力，Pa；

α1、α2——

截面1和2上的動能修正系數，一般取1；

v1、v2——

截面1和2上的熱風流速，m/s；

H1、H2——

截面1和2到某一基準水平面的高度，m；

g——重力加速度，m/s2；

γ——空氣容重，kg/m3；

hf——

單位質量的氣體沿截面1流動到截面2的阻力損失，m。

氣流在突然變大的熱風管中流動，當管道截面積變大或其變化角α不是很大時，氣流經過漸擴管窄端時，因粘性力小于慣性力，氣流通過變化截面區域前與熱風管的壁面脫離并在兩側形成渦流區，變化角α越大，形成的渦流區也越大，造成的能量損失就越大，即阻力增大，也是漸擴管產生損失的主要原因。因此，要減小漸擴管的阻力，就需要減小變化角α的角度，一般變化角小于45°［12］，也可以變換結構型式，采用導流板和分流板，減小兩側脫離區的面積。圖5為氣流在漸擴管中的流動情況。

干燥熱風均風裝置是整個送風系統的主要組成部分，合理設計均風裝置的結構關系到熱風系統的運行狀態和成本。輸送一定量的熱風空氣所需風管的截面面積和風速成反比，截面積小，風速就大，材料的用量和占用體積就小，但阻力損失大，耗能增加。因此需要有個合適的經濟風速問題。另外，熱風風速的確定，也要考慮其他條件的限制，如安裝結構、風管截面變大的影響等，所以管內熱風風速不能太小。目前，在內強制干燥熱風系統中采用高速送風系統。因此，設計選取熱風均風裝置上游主管道的熱風流速v1為26.5m/s［12］。根據新鮮空氣消耗量，選取風機風量3540m3/h。則上游主管道管徑

D=10004L′πv1

（5）

式中：

D——上游主管道管徑，mm；

L′——

上游主管道通過的熱風流量，m3/h。

風機送風主管分為兩路，即上游主管道，其通過的熱風流量為1770m3/h，熱風流速為26.5m/s，由式（5）可知，上游主管直徑為155mm。

4.2 熱風風針干燥系統

新型針式牧草干燥設備熱風風針干燥系統主要將熱風氣流送入草捆內部，由熱風均風裝置、熱風引導支管、風針和在線水分檢測儀組成，其結構如圖6所示。

熱風風針干燥管道是輸送熱風氣流的通道，它將均風裝置、熱風引導支管和風針連接成一個整體，考慮管道布置和送風系統阻力損失，采用方形和圓形管道結合的結構。

假設熱風引導支管內部氣流流動是不可壓縮且為連續介質。主管路與引導支管路出口之間設置一段直管路，以降低不均勻氣流的存在［13］。熱風進入風針干燥系統后，經過均風裝置將熱風送入6個支管路，引導支管路采用80mm×80mm的方形管。引導支管路均布9個圓柱形風針管，每個針管上設有四列交錯布置的等距針孔（圖7），風針管內徑為26mm，針孔直徑為6mm。風針錐頭在工作時要刺入草捆中，其錐角取為30°，風針柄主要是將風針與熱風引導支管連接固定。

4.3 干燥單元

干燥單元是新型牧草干燥設備的核心部件，主要由熱風風針干燥系統、拓展機架、導向板、伸縮油缸、止捆板和限位板組成，如圖8所示。

加熱過的空氣經均風裝置送入干燥單元。干燥單元的作用是將熱空氣從引導支管分散進入各個風針管，最后從風針針孔送出進入到草捆中，熱空氣從草捆到大氣的過程中將草捆中的水分帶走，在熱風動能和熱能的作用下，草捆中的含水率降低。

風針刺入或拔出草捆由伸縮油缸完成，設備適用干燥草捆的尺寸為：方草捆2000mm×1200mm×900mm，圓草捆Φ1 000mm×850mm，伸縮油缸行程設計為1000mm。

為了使風針錐頭退出草捆后保持穿過導向板，草捆上面到導向板底面距離不小于90mm，則風針刺入草捆后上部和下部的針孔分別距草捆上、下邊緣的距離都不小于100mm。為保證插入草捆的風針保持在允許誤差范圍內，草捆左右兩側面距限位板不大于50mm。用搬運設備將草捆運送到干燥單元上，利于卸捆方便，在拓展機架外沿設置止捆板，其高度為80mm。

在大規模草捆干燥生產時，干燥單元通過疊加延伸若干個同類型模塊來提高生產效率，具有很好的拓展性，一般可串接3～6個模塊。

5 智能化控制系統設計

5.1 控制系統硬件

控制系統硬件主要由上位機系統、下位機系統和動力驅動系統組成，如圖9所示。

上位機系統主要由觸摸屏組成，可以顯示人機交互界面，實現對各動力系統單元的遠控，可以對各關鍵參數進行數據顯示和記錄，并形成曲線報表。下位機系統主要由PLC組成，通過各接口實現各模擬量和數字量的采集和控制，通過各通訊口實現各系統之間的互聯。動力驅動系統是給干燥裝置正常運轉提供動力的電氣控制柜和液壓系統組合，主要由液壓站、變頻器和電動機組成，變頻器利用其優異的矢量控制性能實現電機速度的控制，液壓電磁閥、變頻器和PLC通過通訊模塊建立連接，實時監測運行狀態，記錄各狀態下運行數據，實現驅動系統的啟動停止。在線水分檢測儀、熱風風速變速器和溫度變送器支持RS485通訊接口，并通過PLC進行控制，實現集中控制。

5.2 控制系統軟件

控制系統通過人機交互界面收發指令，實現干燥設備的工作控制，控制系統的功能流程如圖10所示。

新型針式牧草干燥設備的交互界面由主界面、功能參數菜單、可視化數據曲線、歷史數據庫等組成。在主界面上，可實時監測干燥過程的運行狀態；在功能參數菜單中，可設置工作時的熱風溫度、草捆的目標含水率；在可視化數據曲線界面，可選擇時間、溫度、含水率等參數，在線繪制特性曲線，生成曲線報表。

6 試驗評價分析

為驗證新型針式牧草捆干燥設備和強制階段式干燥工藝的工作效果，2022年在甘肅省農業機械工程技術研究中心生產基地進行不同條件下的干燥試驗。以苜蓿方捆為干燥對象，草捆尺寸為1800mm×1200mm×900mm，干燥前草捆平均含水率為35%。

6.1 試驗指標

草捆干燥后含水率和干燥強度是評價新型針式牧草干燥設備的主要性能指標。

6.1.1 草捆含水率

隨機抽取一個苜蓿草捆作為樣本，在草捆長邊方向將其均分為五份，在每份的中間取一份小樣，切碎成長度為15mm的碎草，各份取碎草樣品50g，裝入鋁盒稱其重量，在105℃恒定溫度下烘干至質量不變為止，取出稱其質量［14］，苜蓿草捆的含水率

HC=mq-mhmq×100%

（6）

式中：

HC——草捆的含水率，%；

mq——烘干前樣品的質量，g；

mh——烘干后樣品的質量，g。

6.1.2 干燥強度

干燥強度是物料干基含水率隨時間的變化率，計算公式如式（7）所示［15］。

A=dmddt=md，i+1-md，iti+1-ti

（7）

式中：

A——干燥強度，g/（g·min）；

md，i+1——

ti+1時刻物料的干基含水率，g/g；

md，i——

ti時刻物料的干基含水率，g/g；

t——干燥時間，min。

6.2 試驗結果分析

本試驗通過在三種干燥溫度下測定苜蓿草捆干燥后的含水率和干燥強度來分析新型針式牧草捆干燥設備運用強制分段式干燥工藝的干燥效果，干燥過程中風機送風量保持不變，整個干燥時間為30min，草捆質量依次為602.5kg、589.6kg、615.6kg，所測得干燥前后的草捆含水率和測試方案如表2所示。

從圖11可以看出，在不同干燥溫度DT下，草捆含水率隨時間而減小。相同干燥時間內，在干燥Ⅰ階段是向草捆送入常溫空氣，草捆含水率變化很小；在干燥Ⅱ階段DT為150℃時，干燥含水率減少最快，但干燥不均勻，干燥后草捆內局部有發黃，草品質受影響；干燥Ⅱ階段DT為100℃時，干燥含水率減少最慢，未達到安全水分以下，干燥效率較低；干燥Ⅱ階段DT為120℃時，含水率減少速度在以上兩種階段之間；在干燥Ⅲ階段，草捆2的含水率變化浮動最小；在干燥Ⅳ階段，通入5min的常溫空氣，將草捆內的濕氣排出，此時，草捆1和草捆2的含水率達到安全水分，草捆2干燥比較均勻，且有效保證了草捆的品質。

從圖12可知，在不同干燥溫度下，干燥強度達到峰值所用的時間都是10min，其強度的大小與干燥溫度的大小有關，此時苜蓿草的水分散失主要以游離水為主，所以干燥溫度越大，干燥的就越快。當干燥時間超過10min，干燥強度逐漸減小，此時苜蓿草的水分散失主要是以結合水為主，不易干燥。

綜上分析，在干燥Ⅱ階段選用干燥溫度為120℃時，草捆2的干燥品質為最佳，干燥處理量為917kg/h，達到設計要求。

7 結論

1）? 根據目前干燥設備的不足和傳統牧草收獲加工工藝的分析研究，開發了內強制階段式牧草捆干燥工藝，采用內強制階段式牧草捆干燥工藝研制出新型針式牧草干燥設備，通過熱質衡算和關鍵部件參數計算，得到干燥過程中需要的新鮮空氣消耗量為3 540m3/h，消耗的熱量為229766Kcal/h，配套的熱交換裝置功率為267kW，并對關鍵部件的結構進行設計，開發干燥設備智能化控制系統，實時監測干燥設備的作業參數。

2）? 通過試驗表明，開發的干燥設備可將含水率35%左右的草捆進行內強制階段式干燥處理，草捆干燥均勻，干燥后草捆含水率小于17%，處理量可達917kg/h，滿足設計需求。同時證明內強制階段式牧草干燥工藝的可行性和開發的新型牧草捆干燥設備的先進性，為草捆干燥設備的進一步優化提供了技術參考。

參 考 文 獻

［1］ 宋慶運， 于啟娜， 賈振超， 等. 牧草干燥技術與裝備研究進展［J］. 草地學報， 2022， 30（1）： 1-11.

Sun Qingyun， Yu Qina， Jia Zhenchao， et al. Research progress of forage drying technology and equipment ［J］. Acta Agrestia Sinica， 2022， 30（1）： 1-11.

［2］ 郭婷， 薛彪， 周艷明， 等. 我國牧草產品生產、貿易現狀及啟示［J］. 草地學報， 2019， 27（1）： 8-14.

Guo Ting， Xue Biao， Zhou Yanming， et al. Current status and enlightenment of production and trade of forage product in China ［J］. Acta Agrestia Sinica， 2019， 27（1）： 8-14.

［3］ 張靜. 我國牧草加工企業發展現狀分析及對策［D］. 呼和浩特： 內蒙古農業大學， 2019.

Zhang Jing. Analysis and countermeasure of current development situation of herbage processing enterprises in China ［D］. Hohhot： Inner Mongolia Agricultural University， 2019.

［4］ 姚廣龍， 郇恒福， 劉國道. 干燥對牧草品質影響研究進展［J］. 熱帶農業工程， 2009， 33（3）： 79-82.

Yao Guanglong， Huan Hengfu， Liu Guodao. Recent advances in effects of drying on the pasture quality ［J］. Tropical Agricultural Engineering， 2009， 33（3）： 79-82.

［5］ Nascimento J M， Costa C， Silveira A C， et al. Haying method and storage length effects on chemical composition and mold growth on alfalfa hay（Medicago sativa L.cv. Florida 77） ［J］. Revista Brasileira De Zootecnia-Brazilian Journal of Animal Science， 2000， 29（3）： 669-677.

［6］ 楊耀勝. 不同調制方式對苜蓿干草品質的影響［D］. 鄭州： 河南農業大學， 2009.

Yang Yaosheng. Effect of different hay-curing methods on quality changes in Alfalfa ［D］. Zhengzhou： Henan Agricultural University， 2009.

［7］ Massengalema F C. Influence of temperature and mow management on growth level of carbohydrates in the roots and survival of alfalfa ［J］. Crop Science， 1965（5）： 585-588.

［8］ Yari M， Valizadeh R， Naserian A A， et al. Effects of including alfalfa hay cut in afternoon or morning at three stages of maturity in high concentrate rations on dairy cows performance， diet digestibility and feeding behavior ［J］. Animal Feed Science and Technology， 2014， 192： 62-72.

［9］ 楊家幸， 吳仁智， 秦磊， 等. 牧草草捆的干燥效率研究［J］. 建模與仿真， 2022， 11（1）： 161-167.

Yang Jiaxing， Wu Renzhi， Qin Lei， et al. Study on the drying efficiency of hay bales ［J］. Modeling and Simulation， 2022， 11（1）： 161-167.

［10］ 潘永康， 王喜忠， 劉相東. 現代干燥技術［M］. 北京： 化學工業出版社， 2006.

［11］ 范孟亮. 通風空調管道系統中漸縮、漸擴管段的減阻優化［D］. 西安： 西安建筑科技大學， 2020.

［12］ 馬仁民. 空氣調節［M］. 北京： 科學出版社， 1980.

［13］ 《機械工程師手冊》第二版編輯委員會. 機械工程師手冊［M］. 北京： 機械工程師手冊， 2000.

［14］ JB/T 11919—2014， 太陽能草捆干燥成套設備［S］.

［15］ 錢旺， 楊世昆， 劉貴林， 等. 太陽能牧草干燥成套設備干燥工藝參數優化［J］. 農業機械學報， 2018， 49（8）： 110-118.

Qian Wang， Yang Shikun， Liu Guilin， et al. Optimization of drying process parameters of solar herbage dry equipment ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2018， 49（8）： 110-118.