4QG-2型青貯收獲機(jī)切碎揉搓裝置的設(shè)計(jì)

梁榮慶，張翠英，李青江，張德學(xué)，鐘 波，任冬梅，喬 磊

(1.山東農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院, 濟(jì)南 250100；2.山東雙佳農(nóng)裝科技有限公司，濟(jì)南 250100)

0 引言

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，現(xiàn)有牧草資源已難以支撐快速增長(zhǎng)的畜牧業(yè)，因此發(fā)展以秸稈飼料為主要飼料的節(jié)糧型畜牧業(yè)已成為農(nóng)區(qū)、半農(nóng)區(qū)發(fā)展畜牧業(yè)的重要途徑之一[1]。為滿(mǎn)足我國(guó)現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展需求及“糧改飼”政策的實(shí)施，近年來(lái)我國(guó)青貯玉米種植面積不斷擴(kuò)大，2016年全國(guó)青貯玉米種植面積為92.7萬(wàn)hm2,同比增幅40.97%；2017年青貯玉米種植面積將繼續(xù)保持高速發(fā)展，預(yù)計(jì)全國(guó)種植面積將突破133.3萬(wàn)hm2 [2]，可在一定程度上有效緩解畜牧業(yè)迅速發(fā)展與飼料短缺的矛盾[3]，從而進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)畜牧業(yè)的健康發(fā)展及農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。

青貯玉米的機(jī)械化收獲及收獲水平的提高，是推動(dòng)青貯玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要環(huán)節(jié)[4-7]，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)青貯玉米收獲機(jī)的研究較早，技術(shù)較為成熟，收獲設(shè)備較為先進(jìn)，自動(dòng)化程度及收獲效率較高;而國(guó)內(nèi)對(duì)青貯玉米收獲技術(shù)的研究起步較晚，各地區(qū)發(fā)展水平不一，并存在配套動(dòng)力不足、自動(dòng)化控制程度及作業(yè)效率低、青貯飼料切段長(zhǎng)度不一等問(wèn)題;且國(guó)內(nèi)大部分青貯玉米收獲機(jī)并未安裝秸稈揉搓及籽粒破碎裝置，切碎后的青飼料品質(zhì)較低，適口性較差，營(yíng)養(yǎng)成分不易完全被牛羊消化吸收[8-9]，飼料利用率低，難以滿(mǎn)足廣大用戶(hù)對(duì)高品質(zhì)飼料的需求，市場(chǎng)亟需帶莖稈揉搓青貯飼料收獲機(jī)[10]。因此，為改善青飼料品質(zhì)，提高牲畜對(duì)秸稈的采食率和消化率，進(jìn)一步增加秸稈的飼用價(jià)值和利用率[11]，本文在前期研究基礎(chǔ)上，結(jié)合市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)了一種切碎長(zhǎng)度可調(diào)及具有揉搓性能的青飼料切碎揉搓裝置，并對(duì)其進(jìn)行了田間性能試驗(yàn)，可為秸稈飼草的深度利用及青飼料收獲機(jī)后期深入研究提供一定的技術(shù)支撐[12]。

1 切碎揉搓裝置的組成及工作過(guò)程

1.1 揉搓效果對(duì)青貯飼料品質(zhì)的影響

青貯飼料是利用鮮嫩整株物料(玉米、高粱、小麥及苜蓿等)進(jìn)行切碎、貯藏及發(fā)酵而成的，具有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量較高、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)、適口性好及調(diào)制方便等特點(diǎn)。青貯玉米或青貯高粱秸稈較為粗壯，莖稈關(guān)節(jié)較多[13]，傳統(tǒng)的切碎方式不易對(duì)其進(jìn)行完全破壞，不利于貯藏發(fā)酵，且適口性差，飼料利用率較低，嚴(yán)重影響消化吸收。而切碎后經(jīng)揉搓的青貯玉米可有效提高莖稈及關(guān)節(jié)的破損率，可與發(fā)酵催化物充分接觸，有利于提高其發(fā)酵的可能性，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)更易接近微生物群，促進(jìn)有益菌的成長(zhǎng)與分解，加快乳酸的產(chǎn)生進(jìn)程，減少有害菌的生長(zhǎng)與繁殖，在較短的時(shí)間內(nèi)，極易獲得較為穩(wěn)定的pH值[14]，從而保證青飼料的發(fā)酵質(zhì)量。

此外，切碎揉搓后的青貯玉米經(jīng)發(fā)酵后可有效提高青飼料品質(zhì)，適口性大幅度增加，全株采食率可由原來(lái)的50%提高至95%以上[15]，減少了青貯飼料的浪費(fèi)，提高了牲畜對(duì)秸稈的消化率；且經(jīng)過(guò)揉搓后的青貯玉米秸稈及莖節(jié)粉碎程度較高，增加了秸稈的飼用價(jià)值和利用率[11]。

1.2 切碎揉搓裝置的組成及工作過(guò)程

青貯作物的切碎及揉搓質(zhì)量是評(píng)價(jià)青貯玉米收獲機(jī)的重要指標(biāo)[16-19]，切碎揉搓裝置作為青貯玉米收獲機(jī)的主要核心部件之一，對(duì)青飼料品質(zhì)的影響較大。為了提高青貯玉米收獲機(jī)的切碎與揉搓質(zhì)量，對(duì)4QG-2型青貯收獲機(jī)切碎揉搓裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其主要由機(jī)架、旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)、切碎動(dòng)刀、動(dòng)刀固定座、左螺旋凸起拋送葉片、右螺旋凸起拋送葉片、揉搓板及定刀等部件組成，如圖1所示。其中，切碎部件主要包括旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)、切碎動(dòng)刀及定刀，揉搓部件主要包括左螺旋凸起拋送葉片、右螺旋凸起拋送葉片及揉搓板，動(dòng)刀固定座既屬于切碎部件，還具有一定的揉搓作用。

1.旋轉(zhuǎn)刀盤(pán) 2.左螺旋凹起拋送葉片 3.動(dòng)刀固定座 4.右螺旋凸起拋送葉片 5.切碎動(dòng)刀 6.機(jī)架 7.揉搓板 8.定刀圖1 切碎揉搓裝置Fig.1 Chopping and rubbing device

該裝置主要工作過(guò)程：PTO動(dòng)力輸入裝置驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)進(jìn)行工作，安裝在旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)上切碎動(dòng)刀及固定在機(jī)架喂入口處的定刀對(duì)被強(qiáng)制喂入進(jìn)切碎揉搓裝置的整株青貯玉米進(jìn)行切段；與此同時(shí)，帶有凹槽的動(dòng)刀固定座對(duì)青貯玉米籽粒及部分青貯玉米莖節(jié)進(jìn)行有效破壞，交錯(cuò)安裝在刀盤(pán)上的帶有左螺旋凸起的葉片與右螺旋凸起的葉片則與揉搓板進(jìn)行配合，對(duì)青貯玉米莖節(jié)進(jìn)行充分有效的揉搓破壞，并將在切碎揉搓裝置中切碎揉搓后的物料高速拋出，完成整個(gè)工作過(guò)程。工作過(guò)程中，為保障物料合理的切削長(zhǎng)度，切碎動(dòng)刀數(shù)設(shè)置為2、3、4、6、12可調(diào)，以滿(mǎn)足不同的牲畜的喂養(yǎng)對(duì)青貯飼料切削長(zhǎng)度的需求。

2 切碎揉搓裝置的設(shè)計(jì)

2.1 切碎部件的設(shè)計(jì)

青貯作物切段長(zhǎng)度明顯影響青貯飼料的發(fā)酵及青貯品質(zhì)[20-21],青貯玉米切段長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)除調(diào)節(jié)喂入輥的強(qiáng)制喂入速度外，還可通過(guò)調(diào)整切削動(dòng)刀數(shù)量及旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。為滿(mǎn)足飼喂不同牲畜對(duì)青飼料切段長(zhǎng)度的需求(牛為30～50mm，羊?yàn)?0～30mm[22])，本文對(duì)4QG-2型青貯收獲機(jī)切碎部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該裝置切碎部件主要由旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)、動(dòng)刀固定座及切碎動(dòng)刀組成，如圖2所示。旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)采用焊接而成，直徑為730mm，動(dòng)刀刀尖外圓直徑為888mm，切碎動(dòng)刀數(shù)量可調(diào)，整個(gè)旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)最多可安裝12把切碎動(dòng)刀(切碎動(dòng)刀可安裝數(shù)量分別為2、3、4、6、12)。

1.旋轉(zhuǎn)刀盤(pán) 2.切碎動(dòng)刀 3.動(dòng)刀固定座圖2 切碎部件Fig.2 Chopping part

切碎動(dòng)刀結(jié)構(gòu)如圖3所示。其采用60Si2Mn制作而成，刃口淬火寬度25mm，距刃口寬20mm，刃口厚度≤0.15mm，線輪廓度為0.2，刃口淬火強(qiáng)度HRC44～50，動(dòng)刀的質(zhì)量誤差≤10g，為減少切削時(shí)功率損耗與切削動(dòng)刀磨損，本機(jī)型切削部件采用滑切的切削方式，

圖3 切碎動(dòng)刀Fig.3 Movable cutting knife

為保證其具有較好的切削效果與方便安裝調(diào)試，定刀與切削動(dòng)刀之間的間隙設(shè)置為1mm(一般動(dòng)、定刀的間隙為0.25～1mm[23-25])。青貯收獲機(jī)工作過(guò)程中為防止物料喂入過(guò)多發(fā)生堵塞，配套動(dòng)力輸出機(jī)械行駛速度要略低于喂入輥的喂入速度。

4QG-2型青貯收獲機(jī)采用全齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、功率損失較小，為方便調(diào)節(jié)物料的喂入速度，喂入輥轉(zhuǎn)速通過(guò)變速箱進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證喂入速度可在3個(gè)擋位上進(jìn)行調(diào)整，3個(gè)擋位下喂入輥的線速度分別為Ⅰ=1.27m/s、Ⅱ=1.69m/s、Ⅲ=2.24m/s。為防止青貯玉米喂入量過(guò)大造成堵塞，在該變速箱反轉(zhuǎn)擋位，在工作過(guò)程中可有效控制強(qiáng)制喂入輥進(jìn)行反轉(zhuǎn)，使堵塞的物料在喂入通道中“吐出”。工作過(guò)程中，該機(jī)的旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速一定，通過(guò)調(diào)節(jié)物料喂入速度與切碎動(dòng)刀數(shù)量對(duì)青貯玉米的切斷長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，則青貯玉米理論切段長(zhǎng)度為

(1)

其中，L為切碎長(zhǎng)度(mm)；v喂為喂入速度(m/s)；n為刀盤(pán)轉(zhuǎn)速(r/min)；Z為動(dòng)刀片數(shù)量。

在工作過(guò)程中，4QG-2型青貯收獲機(jī)的刀盤(pán)工作轉(zhuǎn)速為1 000r/min，則4QG-2型青貯收獲機(jī)在不同喂入速度及不同數(shù)量切碎動(dòng)刀下的物料理論切段長(zhǎng)度,如表1所示。

表1 青貯玉米理論切段長(zhǎng)度表Table 1 Table of theoretical cutting length of corn stalk mm

由表1中可以看出：當(dāng)該裝置的旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)工作轉(zhuǎn)速一定時(shí)，青貯玉米喂入速度與青貯玉米的理論切段長(zhǎng)度成正比關(guān)系；切削動(dòng)刀數(shù)量與青貯玉米的理論切段長(zhǎng)度成反比關(guān)系。

2.2 青貯收獲機(jī)揉搓部件的設(shè)計(jì)

為提高青貯玉米莖稈、關(guān)節(jié)及籽粒的破碎程度，提升發(fā)酵水平、青飼料品質(zhì)及適口性，對(duì)4QG-2型青貯收獲機(jī)切碎裝置進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)加裝揉搓部件。該機(jī)的揉搓部件主要包括動(dòng)刀固定座、左螺旋凸起拋送葉片、右螺旋凸起拋送葉片及揉搓板等。

1)動(dòng)刀固定座。4QG-2型青貯收獲機(jī)的動(dòng)刀固定座在原有的動(dòng)刀固定座基礎(chǔ)上進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)與優(yōu)化，在其上表面加工了一些規(guī)則性溝槽，在隨刀盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中有效地對(duì)玉米籽粒及莖節(jié)進(jìn)行破壞，如圖4所示。

圖4 動(dòng)刀固定座Fig.4 Fixed seat of movable knife

2)左(右)螺旋凸起拋送葉片。左螺旋凸起拋送葉片和右螺旋凸起拋送葉片交替的被固定在旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)的外圈(見(jiàn)圖5)，在工作過(guò)程中與揉搓板總成配合，使籽粒、關(guān)節(jié)在揉搓板上形成了一個(gè)“S”型的捻動(dòng)曲線，相對(duì)于直線型捻動(dòng)，增加了有效捻動(dòng)行程，有效地提高了物料揉搓效果，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中效果較為明顯；同時(shí)，左、右旋葉片還有對(duì)切碎的青貯玉米進(jìn)行拋送的功能，以保證物料的強(qiáng)制拋送。

(a) 左螺旋凸起拋送葉片 (b) 右螺旋凸起拋送葉片圖5 螺旋凸起拋送葉片F(xiàn)ig.5 Crew concave throwing blade

3)揉搓板。如圖6(a)所示：其為4QG-2型青貯收獲機(jī)的揉搓板，在該揉搓板上設(shè)計(jì)了錐形凸起，增加了與青貯玉米的接觸面積，與拋送葉片配套使用，可有效地對(duì)青貯玉米莖節(jié)進(jìn)行揉搓。圖6(b)為揉搓板組裝，主要由揉搓板、調(diào)整螺栓及揉搓板固定架組成。在每臺(tái)青貯收獲機(jī)上都安裝一組該部件，通過(guò)調(diào)整螺栓可有效地調(diào)整揉搓板與左、右螺旋凸起拋送葉片之間的間隙，并可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)該間隙進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到控制揉搓效果的目的。

(a) 揉搓板 (b) 揉搓板組裝 1.揉搓板固定架 2.揉搓板 3.調(diào)整螺栓圖6 揉搓板及揉搓板組裝Fig.6 Rubbing board and rubbing board assembly

3 田間性能試驗(yàn)

為測(cè)試該裝置的切碎揉搓效果，在山東省章丘市對(duì)4QG-2型青貯收獲機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)。試驗(yàn)用地的青貯玉米籽粒已基本成熟，秸稈水分含量較大，行距為650mm，株距為250mm。該裝置配套動(dòng)力為東汽1304雙向拖拉機(jī)，收獲過(guò)程中拖拉機(jī)的行駛速度為2km/h，小于喂入輥的喂入速度。在試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)定4QG-2型青貯收獲機(jī)的切碎動(dòng)刀數(shù)量分別為2、3、4、6、12把，整機(jī)作業(yè)幅寬為2.2m，通過(guò)變速箱調(diào)節(jié)喂入輥的喂入線速度分別為Ⅰ=1.27m/s、Ⅱ=1.69m/s及Ⅲ=2.24m/s。每組組合狀態(tài)下收獲青貯玉米距離為2m，并對(duì)切碎青貯玉米秸稈進(jìn)行隨機(jī)選取測(cè)量，每組測(cè)量10個(gè)樣本并求取平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，則不同組合狀態(tài)下青貯玉米平均切段長(zhǎng)度如表2所示。

表2 青貯玉米秸稈實(shí)際平均切段長(zhǎng)度Table 2 The actual average cutting length of corn stalk mm

對(duì)表1理論計(jì)算數(shù)據(jù)與表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知：理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)吻合較好。該裝置切碎長(zhǎng)度符合國(guó)家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NYT 2088-2011玉米青貯收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》規(guī)定的切碎長(zhǎng)度要求(牛為30～50mm，羊?yàn)?0～30mm[22])，且該裝置切碎動(dòng)刀為3與4把時(shí)，各喂入速度下的物料切碎長(zhǎng)度均適宜牛羊的飼喂。

為驗(yàn)證4QG-2型青貯收獲機(jī)的揉搓部件在實(shí)際生產(chǎn)中的效果，分別在安裝有無(wú)揉搓部件的情況下對(duì)該裝置進(jìn)行了田間試驗(yàn)，并對(duì)收獲效果進(jìn)行了對(duì)比，如圖7所示。其為安裝6把切碎動(dòng)刀、喂入速度為Ⅰ=1.27m/s時(shí)，有無(wú)揉搓部件的狀況下的揉搓效果對(duì)比。

(a) Ⅰ擋6刀無(wú)揉搓部件收獲效果圖

(b) Ⅰ擋6刀有揉搓部件收獲效果圖圖7 Ⅰ擋6刀有無(wú)揉搓部件的狀況下的揉搓效果對(duì)比圖Fig.7 Harvest rendering with the chopping and rubbing device and without them on tap position 1 with 6 knives

試驗(yàn)結(jié)果表明：加裝揉搓部件的青貯收獲機(jī)的揉搓效果較為明顯，青貯玉米莖節(jié)及籽粒破損效果較好，破損率較高，由40%左右提高到了90%以上，從而在一定程度上提高了青貯玉米的適口性及利用率；但其揉搓效果還未完全達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求，下一步仍需對(duì)其揉搓部件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以進(jìn)一步提高整機(jī)的揉搓效果，滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求。此外，在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，物料切段長(zhǎng)度較短時(shí)經(jīng)揉搓后物料整體較為細(xì)碎，青貯玉米秸稈本身水分被大量擠出流失，極易造成物料浪費(fèi)，因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)要求對(duì)物料切段長(zhǎng)度的影響因素進(jìn)行合理調(diào)整與配置。

4 結(jié)論

4QG-2型青貯收獲機(jī)的切碎揉搓裝置可有效地對(duì)青貯玉米進(jìn)行切碎揉搓，切碎揉搓效果較為明顯，在不同數(shù)量切碎動(dòng)刀及不同喂入速度下的物料的理論切段長(zhǎng)度與實(shí)際生產(chǎn)中的切段長(zhǎng)度吻合較好。試驗(yàn)表明：揉搓部件雖在一定程度上提高了青貯玉米的揉搓效果，但其揉搓效果還未完全達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求，下一步仍需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)螺旋凸起拋送葉片與揉搓板之間間隙、不同數(shù)量螺旋凸起拋送葉片及揉搓板、螺旋凸起拋送葉片表面結(jié)構(gòu)形狀等對(duì)揉搓效果的影響進(jìn)行深入研究，為青貯玉米收獲機(jī)的研制提供一定的理論基礎(chǔ)及實(shí)際參考。