青贮秸秆铡揉机的设计与试验

陈玉华，宋占华，闫银发，田富洋，李法德，张忠良

(1.山东农业大学 机械与电子工程学院/山东省园艺机械与装备重点实验室，山东 泰安 271018；2.肥城市畜丰农牧机械有限公司，山东 泰安 271608)

0 引言

随着我国经济的快速发展，人民生活水平不断提高，对肉、蛋、奶需求所占的比例在不断增加，促使畜牧养殖业也得到了快速发展，从而对青贮饲料的需求量也越来越大。传统青贮饲料主要是在玉米果穗收获后利用剩余秸秆铡切青贮氧化而成，由于收获期过晚，营养成分流失严重，过度纤维化，水分含量过低，不利于充分发酵，造成牲畜采食率降低[1-9]。近几年，大型牧场多采用全株青贮饲料喂养，相比去除果穗的秸秆青贮饲料而言，全株饲料嫩绿多汁，酸香适口，牲畜采食率和消化率提高12%；饲料中粗蛋白、淀粉含量等营养成分增高，营养价值高出30%～50%，可有效提高牲畜产仔率，奶产量提高10%～20%，乳脂率与乳蛋白率均提高0.1%以上，降低了牲畜发病率，能有效地提高奶牛生产力和养殖效率[10-17]。

为解决全株青贮饲料果穗茎节破碎难题，打破现代畜牧养殖业规模化发展的瓶颈，克服国内现有秸秆铡切技术仅限于将作物秸秆铡切成段状或揉搓，无法对作物果穗和秸秆茎节进行有效破碎，导致牲畜采食困难、咀嚼费力、适口性差、饲料浪费严重，难以满足现代牧场对青贮饲料需求等问题，对全株青贮秸秆饲料穂茎破碎综合机械化技术进行了探讨和研究，并设计一种青贮秸秆铡揉机。目前，该项技术在国外(如美国瑞恩公司、德国科罗尼公司生产的大型自走式青贮饲料收获机)进行了普及，但其机械价格昂贵，国内购买力不足，与我国实际国情不符，难以大面积推广应用。

1 主要构造及工作原理

1.1 主要构造

青贮秸秆铡揉机的结构如图1所示。

1．行走机构 2.输送喂入装置 3.抛料装置 4.铡揉装置 5.Y系列三相异步电动机

青贮秸秆铡揉机主要由糙面刺皮防滑带式强制性输送喂入装置、平板直刀人字形排列滚筒式铡切与锯齿形对辊式果穗茎节破碎铡揉装置、液压自动控制饲料抛送装置、电动机、行走机构和机架等部分组成，具有结构合理、操作简单、生产率高、适用面广、移动方便及故障率低等特点。

1.2 工作原理

青贮秸秆铡揉机全株青贮饲料穂茎破碎综合机械化技术，是在现有铡草机工作基础上，采用液压控制和机电一体化技术，可一次性完成全株作物秸秆的输送喂入、铡切揉搓、击打破碎及抛送装车(入池)等多项作业，除了能加工农作物秸秆和牧草之外，还可加工棉秆、树枝、树皮等物料。全株作物秸秆经皮带式强制性输送机构，强制夹持顺向进入滚筒滚刀式铡切揉搓装置，经高速旋转的滚筒滚刀将作物秸秆铡切成一定长度后，抛送到锯齿形对辊式果穗茎节破碎装置；经对辊的反转锯齿、振动消减、高速旋转使籽粒及秸秆进入揉搓破碎室，通过切揉过程破坏秸秆表面硬质茎节，在差速反转锯齿的揉搓和击打下，完成作物果穗籽粒破碎及秸秆茎节揉搓破节；物料沿着高速旋转滚筒外缘连续不断地送入由高速风机带动的液压控制饲料抛送机构被抛出机外。上抛送筒在液压控制系统的作用下，可实现360°全方位无死角自动旋转，调节抛料方向，抛送筒尾部盖板可液压控制调整抛射角度，满足饲料抛撒的要求。铡揉加工后的饲草丝条无整齐切口，无硬结，适口性好，质地柔软，能够提高牲畜的采食率和消化率。其主要技术指标如表1所示。

表1 主要技术指标Table 1 Maintechnicalspecifications

2 关键部件设计

2.1 输送喂入装置的设计

糙面刺皮防滑带式输送喂入装置由糙面刺皮防滑带、输送槽、液压传动装置及强制式喂入装置构成，利用糙面刺皮防滑带和齿辊强制式喂入装置，在液压传动装置的驱动下，皮带与输送槽结合紧凑，带动作物秸秆沿输送槽正、反两个方向运动。其正转时可将作物秸秆送入强制式喂入装置，由喂入装置的喂入齿辊夹持并送入秸秆铡切装置，同时保证喂入时秸秆草层无相对滑动，并在草层变化时仍能保持夹紧；反转时，可将堵塞、卡挤在喂入装置的秸秆物料反方向退出，以便在喂料堵塞或喂料发生异常时促使传送带立即停止或倒退运行。

此外，还可增装金属探测器为其提供智能化保护，以防止金属物进入铡切装置而导致刀片损坏。喂入滚筒下的弹性底板及物料抛送风机下的弹性底板可使输送物料系统确保切碎物能被顺畅无堵塞地抛出，铡切滚筒的底板与定刀相连接，定刀与滚刀之间始终保持固定间隙；当作物喂入量增加时，底板与铡切滚筒之间的间隙会变化，但不影响切碎质量，即使作物喂入不连续，也可以得到很好的切碎效果，彻底解决了秸秆、籽粒输送过程中的堵、塞、卡、漏问题，秸秆饲料利用率可以提高15%以上。输送喂入装置如图2所示。

1．刺皮防滑带 2.前段侧板 3.喂入口护罩 4.中部支撑 5.输送槽 6.后支撑 7.张紧座 8.螺母 9.拉杆

2.2 铡揉装置的设计

平板直刀人字形排列滚筒式铡揉装置由动刀、动刀滚筒、定刀、上挡板、下壳板，及自动磨刀装置组成。动刀为16组平板刀，沿动刀滚筒轴线方向人字形排列而成，与传统刀盘和一字型直刀铡切机构相比。本设计有动刀安全导向装置，杜绝啃刀事故，具有铡切时刀片滑切、切削阻力减小、物料流连续、功耗低、受力均匀、减少对主轴的冲击力，便于调整动定刀间隙、饲料铡切均匀顺畅等特点，且物料铡切长度在10～60mm范围内任意可调以满足不同牲畜的采食需要。定刀为整体可调刀座，使动、定刀间隙调节更加安全可靠、方便快捷；自动磨刀装置在刀片磨损后通过操作手柄自动靠近刀片，对刀刃部进行磨削，恢复刃口锋刃度，减少拆刀、磨刀、安装及调试等一系列高难度操作。铡揉滚刀的铡切能力决定着秸秆的物料流输送量，设计滚筒切刀转速为1 300r/min，动刀片人字形排列2排共32把。将青秸秆饲料铡切长度Ls=1 060mm、滚刀转速nd=1 300r/min、滚筒的动刀片数z=16代入式(1)，可得喂入速度为

(1)

其中，Ls为青贮秸秆铡切长度(mm);vf为喂入辊的喂入速度(m/s);nd为滚刀的转速(r/min);z为滚筒上的动刀片数。通过计算，可得喂入辊的喂入速度为3.47～20.8m/s。

锯齿形对辊式果穗茎节破碎揉丝装置由1对表面经特殊加工而成的锯齿状对辊和动力传递件组成。经对辊的反转锯齿、振动消减、高速旋转使籽粒及秸秆进入揉搓破碎室，在差速反转锯齿的揉搓和击打下，完成农作物果穗籽粒破碎及秸秆茎节揉搓破节。与现有铡切设备作业效果相比，该型较通常碾压辊的表面摩擦力更大，对作物穗粒、秸秆茎节破碎效果更好，大直径和大摩擦表面足以确保碾压揉搓质量。青贮秸秆饲料的发酵品质和消化效果好，喂入物料量大且容易通过，碾压辊表面不粘连，有利于提高作业效率和切碎物的质量水平，营养物质含量可提高30%以上，饲料采食率可提高12%。锯齿形碾压辊示意图如图3所示。

图3 锯齿形碾压辊结构示意图Fig.3 Serrated rubbing roller

2.3 抛料装置的设计

液压自动控制抛料装置由下抛料筒、上抛料筒、抛筒尾部导流板及风机等组成。破碎后的秸秆物料沿着高速旋转滚筒外沿连续不断地送入下抛料筒，在高速风机的带动下，沿上抛料筒抛出机外。上抛送筒在液压控制系统的作用下，可实现出料口360°全方位无死角自动旋转，调节抛料方向，抛送筒尾部导流板可通过液压自动控制在0°～60°范围内调整抛射角度，可满足饲料抛撒贮料的要求。与现有铡草机出料口需人工调节相比，本机器抛料装置的抛扬距离、抛料方向全方位液压自动控制，操作灵活轻捷，自动化程度高，水平吹送距离达6～12m，可提高劳动效率80%以上。抛料装置结构示意图如图4所示。

青贮秸秆的密度较小，若仅依靠滚筒将秸秆铡切后进行抛送，则抛送的高度有限，无法满足部分用户的使用要求。因此，抛料装置必须增加风机设备，确保安装有弹性底板的抛送风机在各种状态下都能达到最佳卸料效率，以将秸秆物料精确抛送至拖车等运输设备。参考相关文献资料[18]，当风机叶片的周边线速度为35～50m/s时，即可实现秸秆物料的有效抛料。秸秆物料颗粒的位移及速度与时间关系的运动方程式分别如式(2)和(3)所示，从而可确定秸秆物料颗粒在任一时刻的运动状态。

l=(0.55l0+27)e190t+(0.32l0+12.7)e-408t-40

(2)

(3)

1.出料口紧箍 2.出料口紧筒 3.天圆地方管 4.下弧板 5.加强上弧板 6.扭簧 7.螺栓 8.螺母 9.平垫 10.侧弧板加强边 11.侧弧板 12.弹垫 13.螺母 14.螺栓 15.挡板 16.出料口上弧板

3 试验

2016年10月24日，在山东省肥城市畜丰农牧机械有限公司进行了青贮秸秆铡揉机的性能测试和试验。试验对象为平均株高1 890mm、平均直径25mm的青玉米秸秆，试验仪器包括烘干箱、成套测功仪表(1级)、转速表、秒表、磅秤、米尺、天平(感量0.5)、游标卡尺及噪声测定仪等。从待切玉米秸秆物料中不同位置处取样3次，每次抽样100g左右，在105°C恒温下烘干到质量不再变化为止，然后再称其质量。按式(4)计算秸秆物料相对含水率并取平均值，即

(4)

其中，Hr为物料相对含水率(%)；Gb为烘干前样品质量(g)；Ga为烘干后样品质量(g)。

将待铡揉玉米秸秆物料称重，从喂入开始至喂入结束时停止，记录净工作时间，按式(5)计算玉米秸秆净工作小时生产率，即

(5)

其中，En为净工作小时生产率(kg-1)；G为铡切秸秆物料质量(kg)；tn为净工作时间(h)；H为秸秆物料标准含水率16.5。

在100g玉米秸秆样品中采用十字交叉法取小样20g，测量每节的长度，则平均铡切长度为

(6)

其中，L为玉米秸秆平均铡切长度(mm)；Li为玉米秸秆小样第i根茎秆的实测长度(mm)；n为玉米茎秆个数。

以玉米秸秆样品中带节草料为测定对象，在测试的始、中、末阶段，从铡揉机出料口处各取样3次，混合后依照十字交叉法取出样品200g，按照式(7)计算青玉米秸秆物料始、中、末阶段各自的破节率并最后取平均值，即

(7)

其中，Cs为玉米秸秆饲草各阶段破节率(%)；Ms为样品被铡切成两节以上或压扁的带节草料的总质量(g)；Mt为玉米秸秆物料样品中带节饲草的总质量(g)。

玉米秸秆标准草长率按式(8)计算，即

(8)

其中，Sc为玉米秸秆标准草长率(%)；mt为标准长度秸秆的总质量(g)；ms为玉米秸秆的小样质量(g)。标准饲草料长度是指铡切后的草段长度在(0.71.2)Ld范围内的饲草料，Ld为铡揉机的设计草料长度。

通过试验数据计算得到青玉米秸秆物料相对含水率平均值为55%，净工作小时生产率不低于50 000kg，平均铡切长度35mm，物料秸秆破节率平均值达91%，秸秆标准草长率89%。试验所得秸秆的切段长度及生产率符合秸秆破碎机相关验收要求。青贮秸秆铡揉机的样机试验现场如图5所示。

图5 样机试验现场Fig.5 Field test of a prototype

4 结论

1)青贮秸秆铡揉机集自动喂料、物料铡揉及物料抛送作业于一身，具有体积小、质量轻、移动方便、结构紧凑、运转灵活、性价比优越等特点，提高了青贮秸秆加工效率，降低劳动强度，可广泛适用于秸秆发电、造纸和人造板厂、乙醇提炼及畜牧养殖场等众多铡揉加工领域。

2)青贮秸秆铡揉机确保青贮秸秆物料喂入顺畅不堵塞，最大力度地减少单位功耗，铡切长度为1 060mm，青贮秸秆破节率平均值达91，加工出来的秸秆物料丝化率高，显著提高牲畜采食率和消化率。

3)本机能够铡切多种青贮秸秆物料，通用性强，设计合理，作业效率高，生产能力可达50t/h以上(青玉米秸秆含水率55%)，且节约管理成本，操作简便，省时省力，安全可靠。