謝婉瑩,馬少輝,趙 麗
(1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300;2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.塔里木職業(yè)技術(shù)學(xué)院)
我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó),糧食產(chǎn)量保障了14 億人口的生產(chǎn)生活,同時(shí)也產(chǎn)生了年均8.65億t的秸稈資源。然而傳統(tǒng)的將秸稈就地焚燒或未經(jīng)處理直接還田的處理方式已不再適用,焚燒產(chǎn)生的廢氣不僅會(huì)污染空氣,還會(huì)對(duì)人體造成危害,未經(jīng)處理直接還田不但會(huì)造成資源浪費(fèi)還會(huì)導(dǎo)致土地營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)被破壞。因此,豐富秸稈的利用形式,能夠減輕生態(tài)系統(tǒng)負(fù)擔(dān),合理利用秸稈已成為綠色發(fā)展的重要課題。
據(jù)統(tǒng)計(jì),2021 年我國(guó)農(nóng)作物秸稈利用總量6.47 億t,綜合利用率約88%,其中秸稈還田量達(dá)4億t,秸稈離田利用率達(dá)到了利用總量的33.4%。目前我國(guó)秸稈資源的離田利用技術(shù)可總結(jié)為“五料化”,處理方式中肥料化和飼料化分別占比53.93%和23.42%,燃料化為輔,占比14.27%,其余0.6億t秸稈用于基料化和原料化。秸稈還田是肥料化最常見的利用方式,將秸稈在田間粉碎后直接拋灑掩埋或?qū)⒔斩捠崭罘鬯楹蟾臁=斩掞暳匣軌蚓徑馍蟮娘暳隙倘眴栴},降低生產(chǎn)成本,但需將秸稈切斷粉碎成不同形態(tài)和長(zhǎng)度以提高牲畜適口性[1-4]。無論是何種處理方法,都要先將秸稈粉碎再進(jìn)行后續(xù)的工藝,因此秸稈粉碎機(jī)的作業(yè)效果直接影響秸稈利用技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)有秸稈粉碎設(shè)備的作業(yè)能耗、粉碎效果和使用壽命等性能無法滿足用戶需求,因此本文以粉碎機(jī)性能分析為關(guān)鍵點(diǎn)開展研究,以期豐富秸稈的利用形式,推動(dòng)農(nóng)業(yè)向可持續(xù)化和現(xiàn)代化發(fā)展。
不同作物秸稈的物理特性與力學(xué)特性不同,所適宜的粉碎工藝也不同,現(xiàn)有的秸稈粉碎機(jī)主要有錘片式、鍘切式和揉切式。
錘片式粉碎機(jī)因其對(duì)不同物料狀態(tài)適應(yīng)能力強(qiáng)、質(zhì)量可靠、空載狀態(tài)啟動(dòng)迅速、便于維修和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)得以廣泛推廣。一些農(nóng)業(yè)大國(guó)在粉碎機(jī)領(lǐng)域的研究起步較早,美國(guó)在19 世紀(jì)末期研制出了第一臺(tái)錘片式粉碎機(jī),經(jīng)過完善與改進(jìn),目前市場(chǎng)上的主流粉碎機(jī)型有兩種,一種是美國(guó)Champion 和Jacobson 等公司研發(fā)的大面積篩片的全周篩粉碎機(jī),另一種是由荷蘭Van Aarsen 公司生產(chǎn)的2D 式粉碎機(jī),其突出優(yōu)點(diǎn)是沖擊齒板面積較大,最大可達(dá)粉碎室總面積的46%[5]。我國(guó)上世紀(jì)50 年代由蘇聯(lián)引進(jìn)粉碎技術(shù)和樣機(jī),經(jīng)過20年的研發(fā)設(shè)計(jì),1975 年由原第一機(jī)械工業(yè)部研究院農(nóng)機(jī)所對(duì)國(guó)內(nèi)錘片式粉碎機(jī)開展分型工作,統(tǒng)一劃分為9F 系列,其型號(hào)為9F-32、9F-45、9F-55 及9FQ-40、9FQ-50 和9FQ-60,這一舉措推動(dòng)了粉碎機(jī)向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化方向發(fā)展。近年來學(xué)者對(duì)粉碎機(jī)的改進(jìn)多集中在優(yōu)化結(jié)構(gòu)、降低能耗以及提高篩分效率方面。
1.1.1 篩分效率
錘片式粉碎的原理是在機(jī)械力的作用下使固體物料發(fā)生形變進(jìn)而破碎的過程。粉碎室主要由錘片及篩板構(gòu)成,作業(yè)時(shí)將秸稈喂入粉碎室,錘片在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下不斷打擊秸稈,同時(shí)內(nèi)腔齒板摩擦作用于物料,篩片可根據(jù)實(shí)際需要更換不同孔徑從而起到篩分作用,在錘片的離心力和氣流場(chǎng)的作用下,符合篩片孔徑尺寸的物料顆粒會(huì)輸送至出料腔,不滿足篩片尺寸的物料彈回繼續(xù)被錘片打擊直至粒徑合格[6]。錘片組在粉碎室內(nèi)高速旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生的氣流層與篩片距離不同因此會(huì)產(chǎn)生壓力差,靠近篩片的氣流層流速快、壓力小,遠(yuǎn)離篩片的氣流層流速慢、壓力大,導(dǎo)致物料在粉碎室中分布不均勻,形成了物料相對(duì)粉碎室自身旋轉(zhuǎn)的物料環(huán)流層,造成篩分效率低。
前蘇聯(lián)學(xué)者B.C.Kpcom-HoB 等采用高速攝影機(jī)記錄觀察了粉碎過程中物料顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,率先證實(shí)了物料隨錘片運(yùn)動(dòng)過程中存在環(huán)流層[7-8]。粒徑大的物料顆粒受離心力作用分布在靠近篩片的外圈,粒徑小的物料顆粒受負(fù)壓作用分布在內(nèi)圈,導(dǎo)致粉碎合格的小尺寸物料無法排出粉碎室,大尺寸的物料在外部氣流層容易堵塞篩孔[9],降低了錘片式粉碎機(jī)的粉碎質(zhì)量,增加了作業(yè)能耗。針對(duì)這一問題對(duì)整機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)有助于使粉碎機(jī)的發(fā)展進(jìn)入新階段,在此之后學(xué)者們通過研究,采取不同方式破壞物料環(huán)流層以提高篩分效率。
(1)改變壓強(qiáng)。劉憲等通過研究發(fā)現(xiàn)粉碎室內(nèi)的氣流分為切向氣流和徑向氣流,分別與物料的切向速度和徑向速度正向相關(guān),并通過理論分析說明增大徑向氣流的速度有利于粉碎物料快速出篩,但未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。熊英俊等設(shè)計(jì)了一種新型高效節(jié)能型錘片式粉碎機(jī),通過在粉碎機(jī)頂部加裝進(jìn)氣管及溫濕度傳感器來調(diào)節(jié)作業(yè)過程中的氣體流量,通過優(yōu)化粉碎室內(nèi)的作業(yè)環(huán)境達(dá)到提高粉碎效率的目的。孔騰華等在粉碎室加裝多道噴管并配備噴嘴,向粉碎室內(nèi)噴入高壓氣體[10],可及時(shí)清潔篩片上附著的物料,同時(shí)提高出料效率,避免小粒徑物料的重復(fù)粉碎。
(2)改變篩片形狀。田海清等將篩片設(shè)計(jì)為每一等分段由翼形弧、等邊角及圓弧三部分組成的組合式圓弧形篩片和翼型三角形組合篩,使粉碎機(jī)在作業(yè)時(shí)破壞物料環(huán)流層從而提高粉碎性能并通過理論和試驗(yàn)驗(yàn)證翼型三角形組合篩在實(shí)際生產(chǎn)中綜合性能最佳[11]。王海慶等設(shè)計(jì)的三角形篩片是在環(huán)形平篩基礎(chǔ)上彎折組成的曲折性圓環(huán)[12],這種篩片能夠改變粉碎室內(nèi)氣流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并使物料以不同的速度和方向交錯(cuò)運(yùn)動(dòng),提高生產(chǎn)率。劉巍等設(shè)計(jì)了兩組篩孔直徑分別為8 mm 和4 mm 的篩片,進(jìn)行兩次粉碎[13],降低了物料堵塞,提高了生產(chǎn)率。趙波等設(shè)計(jì)的篩片其上篩孔沿篩板外壁呈10°~45°“人”字形分布,被粉碎物料沿篩孔分布的軌跡運(yùn)動(dòng),有助于粉碎后的物料及時(shí)從篩孔排出,提高粉碎效率。劉偉峰等設(shè)計(jì)了梯形截面篩片的異形粉碎室,錘片末端和梯形篩片之間形成局部回流,使粉碎后的小顆粒及時(shí)出篩,增加大顆粒受打擊的機(jī)會(huì),從而提高粉碎性能。
(3)改變粉碎室形狀。羊水滴王968 系列粉碎機(jī)采用水滴形粉碎室設(shè)計(jì)和“W”型二次粉碎結(jié)構(gòu),使產(chǎn)量在原有基礎(chǔ)上提高了25%,通過調(diào)節(jié)篩錘間隙實(shí)現(xiàn)普通粉碎和微粉碎的轉(zhuǎn)換。董梓南等設(shè)計(jì)了雙轉(zhuǎn)子雙粉碎室結(jié)構(gòu),解決了生產(chǎn)效率低、物料跟轉(zhuǎn)以及粉碎不充分等問題。
1.1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
朱新華等在優(yōu)化粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)提出物料的固定轉(zhuǎn)速受轉(zhuǎn)子構(gòu)造影響,增大物料顆粒與錘片的相對(duì)速度可以增加有效粉碎幾率。將常規(guī)單轉(zhuǎn)子替換為雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)且將兩個(gè)轉(zhuǎn)子反向按螺旋線安裝,使兩環(huán)流迎面相撞降低環(huán)流速度,物料隨錘片做螺旋運(yùn)動(dòng),增大與錘片撞擊的概率,提高粉碎率。朱建東認(rèn)為通過改變錘篩的間隙和錘片排布可以實(shí)現(xiàn)不同粉碎粒度的要求,當(dāng)錘片間隙大時(shí),篩片物料層厚度大且流動(dòng)速度慢,物料與錘片和篩面之間的摩擦作用被削弱,這時(shí)錘片對(duì)粉碎室篩面上料層的翻動(dòng)能力弱,篩分能力較低,粉碎粒徑小;當(dāng)錘篩間隙減小時(shí),料層隨錘片流動(dòng)的速度加快,篩面處料層變薄,增強(qiáng)了物料與錘片和篩板之間的摩擦作用。
錘片式粉碎設(shè)備主要用于粉碎飼料和糧食等顆粒物料,可通過更換不同孔徑的篩片控制粉碎物料的粒徑。其中物料環(huán)流層是制約錘片式粉碎機(jī)發(fā)展的主要因素,從空氣動(dòng)力學(xué)角度出發(fā),克服流體力學(xué)流場(chǎng)變化產(chǎn)生的干擾以提高粉碎后物料的分離能力是今后研究的主要內(nèi)容。
鍘切式粉碎技術(shù)多用于鍘草機(jī)和秸稈粉碎機(jī),鍘切式粉碎機(jī)的主要結(jié)構(gòu)包含粉碎室、刀具、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和電機(jī)等,由于莖稈的脆性、硬度、含水率和抗剪強(qiáng)度等特性不同,對(duì)粉碎工藝作業(yè)的需求也不同。如水稻秸稈和棉稈等纖維素和木質(zhì)素含量高的硬莖秸稈對(duì)刀具的鋒利程度和切割速度要求較高,且秸稈在含水率高的情況下比在含水率低的情況下更難切碎[14]。根據(jù)刀具的運(yùn)動(dòng)方式分為圓盤式和滾筒式。
1.2.1 圓盤式鍘切
圓盤式鍘刀作業(yè)時(shí)物料沿粉碎設(shè)備一側(cè)軸向進(jìn)入,動(dòng)刀在高速旋轉(zhuǎn)下配合固定的定刀進(jìn)行剪切,將物料切成段狀,切割過程中物料對(duì)圓盤的沖擊力大,圓盤剛度達(dá)不到要求時(shí)切割不均勻,刀刃磨損嚴(yán)重,降低了刀具使用壽命和粉碎質(zhì)量。與錘片式粉碎機(jī)不同,鍘切式粉碎機(jī)對(duì)喂入裝置的要求較高,喂入裝置要為被粉碎物料施加穩(wěn)定的夾持力,喂入輥間距不能過寬,否則起不到夾持的作用,不能將物料平整的送至鍘切刀,喂入輥間距過窄則會(huì)導(dǎo)致物料堵塞,喂入不流暢。喂入輥的半徑?jīng)Q定了喂入能力[15]。
2003 年,浙江大學(xué)的宋慧芝等設(shè)計(jì)出了一款可以調(diào)節(jié)喂入高度的粉碎機(jī),該機(jī)選取可以自動(dòng)調(diào)節(jié)喂入口高度的星齒型上下喂入輥,用彈簧將喂入輥軸座與機(jī)架相連,使彈簧隨喂入物料的尺寸變化而變形。試驗(yàn)表明秸稈粉碎長(zhǎng)度在10 mm 內(nèi)的可達(dá)71%,但尺寸差距較大的秸稈同時(shí)粉碎時(shí)會(huì)導(dǎo)致尺寸較小的秸稈漏切,降低了粉碎質(zhì)量。張文倩等設(shè)計(jì)的9ZS-20 型稻麥秸稈鍘撕機(jī)解決了漏切的問題,該機(jī)具的喂料裝置在喂料輥的軸承座中加裝了壓緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)由彈簧和滑塊組成,既能使上喂料輥可以隨著喂入物料厚度滑動(dòng),又保證了喂入輥對(duì)物料層的壓力,避免物料喂入過程中產(chǎn)生滑動(dòng)。此外該機(jī)具加裝了撕裂裝置,秸稈先由動(dòng)刀切碎成均勻長(zhǎng)度后由撕裂裝置撕裂成柔軟絲狀進(jìn)行二次粉碎。該機(jī)具可適應(yīng)不同形態(tài)物料,且無論含水率高低都能將其粉碎至合格狀態(tài)。
1.2.2 滾筒式鍘切
直刃斜裝式滾筒切碎器首創(chuàng)于上世紀(jì)80 年代,一經(jīng)問世就在國(guó)內(nèi)被大力推廣使用,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于制造生產(chǎn)。滾筒式鍘切粉碎機(jī)工作時(shí)動(dòng)刀與滾筒一體,滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)刀片,刀片刃線呈圓柱形運(yùn)動(dòng),上、下喂入輥將物料夾緊,兩喂入輥反向轉(zhuǎn)動(dòng)將物料喂入切碎滾筒內(nèi),由動(dòng)刀片將支撐在定刀上的物料粉碎,滾筒和動(dòng)刀不斷轉(zhuǎn)動(dòng)形成氣流,將粉碎好的物料吹出機(jī)體。廖培旺等[16]設(shè)計(jì)了配套打捆作業(yè)的滾筒式棉稈鍘切機(jī),在傳統(tǒng)鍘切基礎(chǔ)上加裝了破碎板,動(dòng)刀和破碎板在滾筒外圍交錯(cuò)分布。工作時(shí)先由破碎板與定刀共同作用破壞整體莖稈,后由定刀與動(dòng)刀配合將秸稈粉碎成小尺寸,該設(shè)計(jì)降低了鍘切刀所受的切割阻力,降低了負(fù)載,減輕了動(dòng)刀的磨損,延長(zhǎng)了使用壽命,結(jié)構(gòu)如圖1。刀具設(shè)計(jì)時(shí)選擇矩形刀片,刀刃分布于兩側(cè),一側(cè)刀刃磨損后可更換另一側(cè)使用,節(jié)省了檢修時(shí)間。

圖1 滾筒式棉桿鍘切機(jī)構(gòu)
揉切式粉碎設(shè)備需要克服物料的剪切強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度將物料加工成理想狀態(tài)。秸稈經(jīng)過揉切機(jī)被加工成理想尺寸的絲狀段,破壞了秸稈的主體纖維,改善了牲畜的適口性,加工后的物料也可與打捆機(jī)或其他機(jī)具配合使用[17]。
上世紀(jì)60 年代初美國(guó)約翰迪爾公司研發(fā)制造了首款立軸式飼草揉碎機(jī),VRC 系列飼草加工機(jī)具有生產(chǎn)率高、單位能耗小等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于實(shí)際生產(chǎn)中[18]。80 年代末由韓魯佳等設(shè)計(jì)的9LRZ-80 型立式秸稈揉切機(jī)集鍘切與揉搓功能于一體。我國(guó)秸稈揉切設(shè)備多為中小型機(jī)器,適用于中小型牧場(chǎng)和飼養(yǎng)場(chǎng),尚不能完全滿足生產(chǎn)需求,還需在設(shè)備能耗、生產(chǎn)率和適用性等方面進(jìn)行優(yōu)化[19]。
揉切式粉碎是以錘片式粉碎為基礎(chǔ)改進(jìn)的,將原有的篩網(wǎng)替換為齒板,錘片和齒板同時(shí)作用于秸稈,將其揉搓成絲狀,作業(yè)時(shí)先由輸送裝置內(nèi)的對(duì)輥對(duì)秸稈進(jìn)行擠壓,切斷后進(jìn)入粉碎室,由錘片和篩網(wǎng)配合使秸稈在篩網(wǎng)上多次摩擦直至秸稈達(dá)到篩網(wǎng)的孔徑,再由錘片轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的氣場(chǎng)將秸稈送出粉碎室。對(duì)輥起到輸送并擠壓秸稈的作用,對(duì)輥的參數(shù)和形狀決定了抓取能力和擠壓效果,因此在設(shè)計(jì)對(duì)輥時(shí)直徑應(yīng)盡量小,以減小傳動(dòng)比,使機(jī)構(gòu)緊湊,但直徑過小會(huì)發(fā)生秸稈打滑和纏繞問題。
組合式粉碎技術(shù)是將鍘切、碰撞、粉碎、磨搓和揉搓等功能組合為一體的新型粉碎技術(shù)。肖宏儒等設(shè)計(jì)了JF-720 型多功能秸稈粉碎機(jī),該機(jī)具設(shè)有揉搓和粉碎兩個(gè)工作室,可以更換不同孔徑的篩片滿足作業(yè)需求。采用負(fù)壓式入料方式,降低了人工工作強(qiáng)度,工作時(shí)能耗均穩(wěn)定在78 k W·h/t 左右,生產(chǎn)率為0.8~1t/h 左右。梁彥超等[20]針對(duì)秸稈還田精細(xì)化處理研制的1GJH-230 組合式秸稈粉碎滅茬混土還田機(jī)可一次完成秸稈、根茬粉碎以及覆蓋翻耕,將秸稈粉碎的長(zhǎng)度控制在10 cm 之內(nèi),滅茬率達(dá)到90%以上,并且能將秸稈與根茬均勻混合后還田,減少田間作業(yè)次數(shù),極大提高了生產(chǎn)效率。
(1)現(xiàn)有的秸稈加工設(shè)備工作效率低,作業(yè)能耗高,切割時(shí)僅依靠動(dòng)力輸入及刀具的高速轉(zhuǎn)動(dòng)和撞擊對(duì)秸稈進(jìn)行結(jié)構(gòu)破壞,在刀具切割物料時(shí)發(fā)生撞擊,消耗了大量能量,縮短了關(guān)鍵裝置的使用壽命。其次是作業(yè)時(shí)噪聲大,除塵裝置少,工作環(huán)境惡劣,對(duì)機(jī)組操作人員的健康造成損害。
(2)受物料影響大,通用性低,最常見的秸稈如牧草、玉米秸稈和棉花秸稈的粉碎需求無法由一臺(tái)設(shè)備滿足。鍘草機(jī)等設(shè)備粉碎在長(zhǎng)秸稈應(yīng)用效果好,但用于短稈作物時(shí)刀具與秸稈會(huì)發(fā)生平切,粉碎效果差,用戶需根據(jù)不同的作物購(gòu)買不同的粉碎設(shè)備,生產(chǎn)成本高且易使設(shè)備空置,造成浪費(fèi)。
(3)在秸稈含水率不同時(shí)機(jī)器作業(yè)效果有偏差。含水率低時(shí)秸稈硬度大,對(duì)錘片或刀片產(chǎn)生的沖擊力大,磨損情況嚴(yán)重;含水率過高時(shí)容易堵塞粉碎機(jī),粉碎效率低、維修成本高、耗時(shí)長(zhǎng)。
為減少割刀在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的能耗浪費(fèi),使其實(shí)現(xiàn)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下完成粉碎,將刀片設(shè)計(jì)為更鋒利的形狀易于切割物料,減少刀片與物料的摩擦,降低動(dòng)能損耗。
秸稈粉碎機(jī)田間作業(yè)時(shí)與其他機(jī)具配合作業(yè),不同機(jī)具重復(fù)作業(yè)極易破壞田間土壤結(jié)構(gòu),應(yīng)設(shè)計(jì)殘膜回收和秸稈粉碎一體機(jī),同時(shí)秸稈粉碎設(shè)備可考慮加裝還田裝置,一次性完成秸稈粉碎和還田,降低反復(fù)作業(yè)造成的動(dòng)力浪費(fèi),節(jié)省成本。
推進(jìn)現(xiàn)有粉碎設(shè)備智能化是提高工作效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié),應(yīng)安裝智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè),降低人工作業(yè)強(qiáng)度。控制系統(tǒng)要結(jié)合視覺傳感器根據(jù)喂入物料的種類、粗細(xì)及粉碎要求不同自動(dòng)切換夾持輥和切割刀具,提高設(shè)備利用率,實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。
節(jié)能、低碳是可持續(xù)發(fā)展的前提,減少設(shè)備作業(yè)過程中產(chǎn)生的秸稈碎屑和塵土,加裝收集裝置,降低設(shè)備噪音,避免工作時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境和作業(yè)人員身體健康造成損害,促進(jìn)綠色生產(chǎn)。
近年來,隨著能源緊缺,我國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)資源的開發(fā)和利用力度加大,秸稈是農(nóng)業(yè)資源的主體,優(yōu)化創(chuàng)新提升粉碎設(shè)備的性能是利用秸稈資源的關(guān)鍵因素。當(dāng)前國(guó)內(nèi)秸稈粉碎技術(shù)仍不夠成熟,在保證現(xiàn)有粉碎質(zhì)量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)慢速切割,降低刀具轉(zhuǎn)速和整機(jī)振動(dòng)頻率,減少不必要的動(dòng)能消耗是亟待解決的問題。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況來看,機(jī)器功能更全、適用范圍更大、作業(yè)功耗更低以及設(shè)備一體化聯(lián)合加工是今后粉碎設(shè)備優(yōu)化的目標(biāo)。提高資源的利用率,減少資源浪費(fèi)并使經(jīng)濟(jì)效益最大化對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。