農(nóng)用柴油機(jī)在肉牛養(yǎng)殖中的應(yīng)用

摘 要： 柴油機(jī)是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的動(dòng)力源，農(nóng)用柴油機(jī)種類繁多、經(jīng)濟(jì)性好、適應(yīng)性強(qiáng)。近年來(lái)，伴隨我國(guó)飲食結(jié)構(gòu)調(diào)整，國(guó)家實(shí)施糧改飼、糧改畜，以肉牛養(yǎng)殖等為主的畜牧養(yǎng)殖業(yè)得到大力發(fā)展，機(jī)械化養(yǎng)殖作為現(xiàn)代化肉牛養(yǎng)殖的重要支撐，養(yǎng)殖各環(huán)節(jié)以柴油機(jī)為動(dòng)力的農(nóng)業(yè)機(jī)械得到了大量應(yīng)用。以肉牛養(yǎng)殖為例，闡述了農(nóng)用柴油機(jī)在牧草生產(chǎn)、收獲、加工，以及肉牛飼喂和廢棄物處理環(huán)節(jié)的配套應(yīng)用，分析農(nóng)用柴油機(jī)發(fā)展中存在的工作穩(wěn)定性較差、噪聲和排放較大問(wèn)題，提出應(yīng)用電控高壓噴射等先進(jìn)技術(shù)提升農(nóng)用柴油機(jī)性能、做好農(nóng)用柴油機(jī)與專業(yè)農(nóng)機(jī)具的配套適應(yīng)性，以及加強(qiáng)農(nóng)用柴油機(jī)制造工藝和強(qiáng)化生產(chǎn)過(guò)程管理的發(fā)展策略。

關(guān)鍵詞：農(nóng)用柴油機(jī)；單缸；多缸；肉牛養(yǎng)殖；畜牧機(jī)械化

中圖分類號(hào)：S218 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1795（2024）04-0005-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.04.001

0 引言

柴油機(jī)具有扭矩大、功率高、經(jīng)濟(jì)性能好的優(yōu)點(diǎn)，作為道路及非道路移動(dòng)機(jī)械配套重要的動(dòng)力，應(yīng)用于工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、車輛、船舶和發(fā)電機(jī)組等眾多領(lǐng)域[1]。特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境差、地形復(fù)雜多樣，95% 以上的農(nóng)業(yè)機(jī)械采用柴油機(jī)作為動(dòng)力[2]。

近年來(lái)，我國(guó)實(shí)施糧改飼、糧改畜，畜牧養(yǎng)殖業(yè)得到大力發(fā)展。2021 年我國(guó)畜牧業(yè)總產(chǎn)值39 910.8 億元，占農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值的27.15%，牛肉產(chǎn)量698 萬(wàn)t（世界第3 位），畜禽養(yǎng)殖規(guī)模化率達(dá)到69%，其中肉牛規(guī)模化率32.9%[3]。機(jī)械化養(yǎng)殖作為現(xiàn)代化肉牛養(yǎng)殖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 是提升規(guī)模化養(yǎng)殖水平的重要支撐[4]。肉牛養(yǎng)殖過(guò)程中，牧草播種、管理、收獲、加工，以及肉牛飼喂和廢棄物處理等都需要用到農(nóng)業(yè)機(jī)械，作為農(nóng)業(yè)機(jī)械重要?jiǎng)恿υ吹霓r(nóng)用柴油機(jī)與肉牛養(yǎng)殖關(guān)系密切。

1 柴油機(jī)概述

柴油機(jī)按排量缸可分為單缸柴油機(jī)、多缸柴油機(jī)；按工作循環(huán)可分為二沖程柴油機(jī)、四沖程柴油機(jī)；按其他分類可分為立式、臥式、直列式、斜置式，V 型、X 型及W 型等。我國(guó)農(nóng)用柴油機(jī)從單缸到多缸，功率覆蓋面寬，產(chǎn)品種類多[5]。從缸數(shù)總臺(tái)量看，單缸機(jī)最多，其次是4 缸、6 缸機(jī)，2 缸、3 缸機(jī)數(shù)量較少[6]。

1.1 單缸柴油機(jī)

最初生產(chǎn)單缸柴油機(jī)是為農(nóng)服務(wù)，歷史悠久。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，單缸柴油機(jī)在規(guī)模、產(chǎn)量、品種等方面實(shí)現(xiàn)飛躍，單缸柴油機(jī)最大缸徑從115 mm 逐步擴(kuò)大到135 mm[5]。單缸柴油機(jī)具有用油量省、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、配套靈活、使用方便、價(jià)格便宜及易于維修等優(yōu)點(diǎn)。農(nóng)用單缸柴油機(jī)是小型農(nóng)業(yè)機(jī)械的主要?jiǎng)恿υ矗鎻V量大，2021 年配套總量達(dá)150 萬(wàn)臺(tái)，主要配套微耕機(jī)、小型拖拉機(jī)、三輪四輪農(nóng)用汽車、水泵機(jī)組、小型收獲機(jī)和農(nóng)副產(chǎn)品加工機(jī)械等，功率1.5～24.0 kW[6]。

1.2 多缸柴油機(jī)

多缸柴油機(jī)包括中小功率、大功率兩類，中小功率以2 缸、3 缸、4 缸為主，大功率以6 缸、8 缸為主[3]。2 缸、3 缸柴油機(jī)主要與低速貨車、小型拖拉機(jī)等配套；4 缸柴油機(jī)主要與73.5 kW 以下中型拖拉機(jī)、喂入量較小的自走式谷物聯(lián)合收獲機(jī)、自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)配套。6 缸柴油機(jī)是柴油機(jī)中功率覆蓋面大、配套范圍廣的一類，主要配套大功率拖拉機(jī)、大型自走式谷物聯(lián)合收獲機(jī)、自走式玉米收獲機(jī)等[7]。

2 在肉牛養(yǎng)殖中的應(yīng)用

我國(guó)在推行糧改飼后，農(nóng)牧區(qū)大力推廣全株青貯飼用玉米，農(nóng)用柴油機(jī)得到進(jìn)一步應(yīng)用，貫穿于牧草生產(chǎn)到肉牛飼喂、糞污處理全過(guò)程[8]。

2.1 飼草料生產(chǎn)與加工

2.1.1 飼草料生產(chǎn)

飼草料生產(chǎn)包括飼草料種子收獲、種子播前處理、耕整地、播種和田間管理。種子收獲環(huán)節(jié)的聯(lián)合收獲機(jī)、專用草籽收獲清選機(jī)，主配4 缸、6 缸柴油機(jī)；耕整地環(huán)節(jié)使用的圓盤耙、釘齒耙、鏵式犁和旋耕機(jī)，根據(jù)地形地貌主配單缸、2 缸、3 缸柴油機(jī)；播種環(huán)節(jié)的牧草種子精量播種機(jī)及田間管理環(huán)節(jié)使用的松土補(bǔ)播機(jī)、施肥機(jī)、中耕除草機(jī)等主要配套6 缸柴油機(jī)。

2.1.2 飼草料收獲

肉牛養(yǎng)殖飼草料機(jī)械化收獲技術(shù)根據(jù)收獲草料含水率不同可以分為干草機(jī)械化收獲、高水分機(jī)械化青貯收獲。

（1）干草機(jī)械化收獲。飼草料經(jīng)刈割壓扁后在田間晾曬，當(dāng)含水率降低到一定值后再進(jìn)行撿拾打捆[9]。飼草料機(jī)械化刈割裝備中的割草壓扁機(jī)、割草調(diào)質(zhì)機(jī)，干草調(diào)質(zhì)中使用的摟草機(jī)、攤草機(jī)，草成型機(jī)械中使用的草捆打捆機(jī)、草捆撿拾壓捆機(jī)等主要配套單缸、2 缸、3 缸和4 缸柴油機(jī)，目前市場(chǎng)產(chǎn)品多為36.75、51.45 和66.15 kW 輪式拖拉機(jī)牽引作業(yè)[10]。以打捆機(jī)為例，匹配動(dòng)力13.23～36.75 kW 四輪拖拉機(jī)，一次完成自動(dòng)拾草、打捆、切繩，草捆不散，機(jī)型按出捆大小分130 型（出包50 cm×80 cm）、200 型（100 cm×70 cm）等，是肉牛養(yǎng)殖場(chǎng)必備的機(jī)械之一。

（2）高水分機(jī)械化青貯收獲。刈割后直接鍘切粉碎或刈割壓扁在田間晾曬后撿拾打捆，再進(jìn)行袋貯、窖貯或裹包纏膜等青貯[11]。

玉米青貯收獲期短，對(duì)于肉牛養(yǎng)殖場(chǎng)靠農(nóng)戶收割運(yùn)送玉米秸稈開(kāi)展青貯，往往會(huì)耽誤青貯制作，影響青貯飼料的儲(chǔ)備，因此一般根據(jù)養(yǎng)殖規(guī)模配備青貯飼料收獲機(jī)[12]。青貯飼料收獲機(jī)主要分為自走式和懸掛式。如約翰迪爾8200 型自走式青貯收獲機(jī)采用直列6缸式發(fā)動(dòng)機(jī)，可掛接不同割臺(tái)收獲不同品種作物[9]。德國(guó)C-300 型懸掛式青貯飼料收獲機(jī)集撿拾、切碎、卸料功能于一體，拖拉機(jī)前或后懸掛，撿拾寬度2.5、3.1 和3.5 m。我國(guó)青貯飼料收獲機(jī)也有較多機(jī)型，集中在大中型147～294 kW、小型和懸掛式產(chǎn)品領(lǐng)域，lt;5 行的青飼玉米收獲機(jī)配套4 缸柴油機(jī)，gt;5 行則一般配套6 缸柴油機(jī)。

用于青貯飼料壓實(shí)的輪式、鏈?zhǔn)綁航褭C(jī)，袋式灌裝青貯用的牽引式灌裝機(jī)、掛接式灌裝機(jī)，拉伸膜裹包青貯使用的纏膜機(jī)、纏膜打捆一體機(jī)，根據(jù)不同機(jī)型、不同使用要求配套不同功率柴油機(jī)。

2.1.3 飼草料加工

飼草料加工機(jī)械包括飼草切碎機(jī)械、草料粉碎機(jī)械、草料混合攪拌機(jī)械等。飼草切碎機(jī)械又稱青貯切碎機(jī)，常用在肉牛養(yǎng)殖場(chǎng)，用作鍘切青貯料，包括鍘草機(jī)、秸稈切碎機(jī)等[12]。草料粉碎機(jī)械是飼草料加工成草粉、草顆粒、草塊使用的錘片式粉碎機(jī)、粉碎噴草機(jī)、飼草粉碎機(jī)等。草料混合攪拌機(jī)械分立式、臥式和移動(dòng)式3 種，使用時(shí)直接將青貯飼料、各種草捆、秸稈、精料和糙渣等投入攪拌機(jī)內(nèi)切碎、混合，可減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省人力，提高飼喂效率。飼草料加工機(jī)械主配單缸、2 缸、3 缸和4 缸柴油機(jī)。

2.2 肉牛養(yǎng)殖環(huán)節(jié)

2.2.1 飼草料取用

肉牛養(yǎng)殖中的飼草料儲(chǔ)運(yùn)機(jī)械包括自走式（或牽引式）草捆撿拾裝載車、草捆撿拾碼垛機(jī)和草捆裝卸車，配套4 缸柴油機(jī)。

青貯取草機(jī)由取料割頭和傳送帶組成，取料割頭由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)取料，刮板快速上料，液壓驅(qū)動(dòng)行走和轉(zhuǎn)向，高拋卸料3.5 m 以上，節(jié)省鏟車操作，取料整齊、青貯不易發(fā)霉，較少浪費(fèi)，適合大、中型肉牛養(yǎng)殖場(chǎng)采用，刮板上料裝置動(dòng)力可用電力或配套柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.2.2 肉牛飼喂

肉牛飼喂設(shè)備包括撒料設(shè)備、喂養(yǎng)設(shè)備[12]。撒料設(shè)備中的自走式撒料車主要是三輪車或四輪車，兼有飼料轉(zhuǎn)運(yùn)功能，根據(jù)養(yǎng)殖規(guī)模大小可選用不同規(guī)格。撒料車可以使用電驅(qū)動(dòng)、柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)撒料車容量更大。以某企業(yè)撒料車為例，電動(dòng)與柴油驅(qū)動(dòng)技術(shù)參數(shù)如表1 所示。牽引式、自走式TMR 設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)撒料功能，配套動(dòng)力可以是電動(dòng)或者柴油驅(qū)動(dòng)。

2.2.3 糞污收集處理

糞污收集設(shè)備包括鏟車、刮板式清糞機(jī)、固液分離機(jī)、翻拋機(jī)、發(fā)酵處理設(shè)備和污水處理設(shè)施等，目前我國(guó)規(guī)模化肉牛養(yǎng)殖場(chǎng)清糞方式以刮板和拖拉機(jī)鏟車為主[13]。糞污處理設(shè)備以固液分離和堆肥發(fā)酵設(shè)備為主，包括墊料再生系統(tǒng)、翻堆機(jī)、撒肥車等，根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景、不同功率需要選配單缸、4 缸柴油機(jī)[14]。如柴油機(jī)清糞車，用于規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)清糞，車斗為上寬下窄的倒梯形結(jié)構(gòu)，牛場(chǎng)清糞時(shí)，置于牛欄側(cè)面的凹槽內(nèi)，將牛糞推到車內(nèi)后運(yùn)走[15]。

3 存在問(wèn)題

3.1 工作性能有待進(jìn)一步提升

肉牛養(yǎng)殖中牧草種植地形地貌多樣，青貯收獲功率要求高，需要穩(wěn)定的動(dòng)力輸出。當(dāng)前我國(guó)農(nóng)用柴油機(jī)關(guān)鍵零部件質(zhì)量不穩(wěn)定，一致性較差、使用壽命短，影響整機(jī)的工作性能[16]。如噴油器供油不正常、氣門漏氣、空氣濾清器堵塞等造成啟動(dòng)困難；配氣相位誤差、供油提前角不對(duì)、密封磨損等造成輸出功率不足[17]。相比國(guó)外先進(jìn)機(jī)型，我國(guó)農(nóng)用柴油機(jī)質(zhì)量大、油耗高，在傳動(dòng)效率、可靠性、耐久性、振動(dòng)、噪聲和排放等方面還有待加強(qiáng)。

3.2 與配套機(jī)具適應(yīng)性需進(jìn)一步提高

農(nóng)用柴油機(jī)服務(wù)肉牛養(yǎng)殖生產(chǎn)中，因不同用途各有一些特殊要求。牧草生產(chǎn)中，為了減輕對(duì)深層土壤的壓實(shí)，對(duì)拖拉機(jī)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有一定的高速化和輕量化要求。牧草收獲時(shí)，作業(yè)時(shí)間短，工作時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)柴油機(jī)穩(wěn)定性有高要求。青貯收獲莖稈潮濕，行走阻力增大，柴油機(jī)負(fù)荷加大，必須有足夠大的扭矩儲(chǔ)備及高調(diào)速性能。與肉牛養(yǎng)殖運(yùn)輸車配套的柴油機(jī)要求結(jié)構(gòu)緊湊、比質(zhì)量小。目前農(nóng)用柴油機(jī)針對(duì)肉牛養(yǎng)殖各環(huán)節(jié)應(yīng)用要求與配套主機(jī)的匹配適應(yīng)性需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3 噪聲、排放需要進(jìn)一步降低

受材料和制造工藝限制，目前我國(guó)中小功率柴油機(jī)氣缸蓋罩殼、齒輪室蓋板和油底殼等較大面積的外露件均用薄壁鑄鋁件、鑄鐵件或沖壓件，導(dǎo)致農(nóng)用柴油機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲大[18]。農(nóng)用柴油機(jī)具有典型的面源排放特征。小型農(nóng)用柴油機(jī)整體單機(jī)成本低、制造工藝相對(duì)較差，導(dǎo)致排放水平較差[19]。而大中型拖拉機(jī)、大型谷物聯(lián)合收獲機(jī)、大型青飼收獲機(jī)和低速載貨車配套的多缸柴油機(jī)應(yīng)用廣、功率大，節(jié)能減排壓力大。肉牛養(yǎng)殖中動(dòng)物特殊性對(duì)農(nóng)用柴油機(jī)的噪聲和排放有更高要求，柴油機(jī)的噪聲和排放需要進(jìn)一步降低。

4 建議與措施

4.1 技術(shù)創(chuàng)新提高農(nóng)用柴油機(jī)工作性能

HJ 1014—2020《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》明確規(guī)定，自2022 年12 月1 日起，所有生產(chǎn)、進(jìn)口和銷售的560 kW 以下非道路移動(dòng)機(jī)械及其裝用的柴油機(jī)應(yīng)符合中國(guó)四階段排放標(biāo)準(zhǔn)要求[20]。這意味著節(jié)能、環(huán)保、高性能農(nóng)用柴油機(jī)成為新一代柴油機(jī)研發(fā)的基本要求。因此必須從根本上對(duì)農(nóng)用柴油機(jī)進(jìn)行技術(shù)革新，提高現(xiàn)有產(chǎn)品可靠性，改善噪聲、排放等強(qiáng)制性指標(biāo)。

創(chuàng)新柴油機(jī)電控單體泵供油、高壓燃油噴射、排氣后處理等技術(shù)，大幅降低燃燒噪聲和整機(jī)噪聲；做好重要零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)，如增壓和增壓中冷改進(jìn)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步增大功率，擴(kuò)缸和提高轉(zhuǎn)速，提高功率和扭矩，以此提高農(nóng)用柴油機(jī)的綜合效率，降低燃油消耗，減少排放。

4.2 做好農(nóng)用柴油機(jī)與配套主機(jī)的匹配適應(yīng)性工作

由于新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，農(nóng)用柴油機(jī)配套的機(jī)械產(chǎn)品推陳出新，這就要求柴油機(jī)對(duì)配套產(chǎn)品特殊功能有較高適應(yīng)性。單缸柴油機(jī)應(yīng)推廣直噴化、輕量化、多缸化，如使用2 缸、3 缸小缸徑柴油機(jī)直聯(lián)配套的農(nóng)機(jī)，替代大缸徑單缸柴油機(jī)配套，提高傳動(dòng)效率，減少振動(dòng)和降低噪聲，以適應(yīng)肉牛養(yǎng)殖低噪低排的要求。多缸柴油機(jī)應(yīng)加快增壓、增壓中冷等技術(shù)的應(yīng)用，使之更好地滿足牧草生產(chǎn)中大中型農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的需要。農(nóng)用柴油機(jī)還應(yīng)根據(jù)肉牛養(yǎng)殖環(huán)節(jié)不同配套用途進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，以更好地滿足主機(jī)要求，同時(shí)還要做到與配套主機(jī)的改進(jìn)提高及更新?lián)Q代同步發(fā)展。

4.3 加強(qiáng)制造工藝和強(qiáng)化過(guò)程管理

除了技術(shù)革新和更好匹配主機(jī)要求外，還應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)用柴油機(jī)的制造質(zhì)量，提高管理水平，確保柴油機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。如提高農(nóng)用柴油機(jī)的制造工藝、工裝水平，保證柴油機(jī)零部件的加工精度和裝配精度；加強(qiáng)新工藝、新材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，如發(fā)展薄壁鑄造、柔性生產(chǎn)工藝，全面提升生產(chǎn)企業(yè)的冷、熱加工工藝水平，推廣應(yīng)用工程陶瓷、納米塑料、復(fù)合材料柴油機(jī)零件生產(chǎn)等[21]。此外，綜合應(yīng)用行政、經(jīng)濟(jì)等手段，健全促進(jìn)不滿足排放要求的農(nóng)用柴油機(jī)退出體制，完善退出市場(chǎng)，加強(qiáng)監(jiān)督檢查。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)糧食+奶+肉的飲食結(jié)構(gòu)處于起步階段，未來(lái)機(jī)械化和規(guī)模化養(yǎng)殖，是提高養(yǎng)牛企業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的必然選擇。農(nóng)用柴油機(jī)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的動(dòng)力源，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平（包括畜牧養(yǎng)殖）的大幅度提升，農(nóng)機(jī)總動(dòng)力不斷提高，從農(nóng)機(jī)動(dòng)力源著手，強(qiáng)化農(nóng)用柴油機(jī)的節(jié)油、降耗，減少排放污染是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此，應(yīng)持續(xù)加強(qiáng)電控高壓燃油噴射、增壓中冷、廢氣再循環(huán)（EGR）等新技術(shù)應(yīng)用，使農(nóng)用柴油機(jī)具有更佳的工作性能，更好地滿足肉牛養(yǎng)殖應(yīng)用中穩(wěn)定工作性能、低噪聲、低排放的使用要求。

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基金項(xiàng)目： 四川省科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化示范項(xiàng)目（2023ZHCG0097）；國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系四川肉牛創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（SCCXTD-2024-13）