9RS40型秸稈切絲揉搓機的設計

張抓虎

在中國，秸稈作為粗飼料的利用率不到10%，而國外發(fā)達國家的利用率可以達到20%以上[1]。近年來，隨著人們對高品質(zhì)生活的不斷追求，我國的畜牧養(yǎng)殖業(yè)也有了較快的發(fā)展，特別是牛、羊的數(shù)量迅速增加。但是，精飼料和飼草的成本太高，讓中小規(guī)模養(yǎng)殖戶無法適應市場競爭，粗飼料的不足嚴重制約著養(yǎng)殖業(yè)的進一步發(fā)展。我國每年的作物秸稈約7×108t，用戶對秸稈不進行任何加工直接喂給牲畜，而玉米秸稈表皮的硬質(zhì)層，牲畜無法嚼爛下咽，造成了大量損失和浪費，絕大多數(shù)的秸稈被扔掉和廢棄。

近年來，我國在粗飼料加工技術和機具的研究中投入了大量的精力和物力，取得了許多成果，如北京農(nóng)機所研制的9CF-50型草粉機、青島農(nóng)機所研制的9FC-70型多功能飼草粉碎機、黑龍江畜牧機械化研究所的93FC-40型粗飼料粉碎機和9RC-40型粗飼料揉碎機等，都取得了很好的效果，并投入生產(chǎn)應用[2]。但這些粗飼料加工機械都是讓秸稈在揉搓室內(nèi)受到錘片和齒板的多次撞擊變成絲條狀，對含水率大的秸稈起到了很好的效果，對含水率低的秸稈則會造成碎屑和粉末的增加，不利于牛羊食用。經(jīng)過大量的試驗和調(diào)研，設計了9RS40型秸稈切絲揉搓機，解決了碎屑粉末占比太多的缺陷。

1 總體設計

1.1 總體結構

9RS40型秸稈切絲揉搓機由喂料斗、切絲機構、揉搓機構、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、張緊機構等組成。

切絲揉搓機總體結構圖見圖1。

圖1 切絲揉搓機總體結構圖

1.2 工作原理

將玉米秸稈放入進料斗中，當秸稈與切絲輥接觸時，秸稈被自動卷入切絲機構，將秸稈堅硬的外表皮切成絲條狀，并以一定的角度進入揉搓室，在錘片的打擊下，秸稈與齒板多次碰撞，使已經(jīng)初步絲條化的秸稈進一步絲化，加工品質(zhì)達到喂牛喂羊的要求，最終在環(huán)形氣流的作用下拋出設備。

2 關鍵部件的設計

2.1 切絲機構的設計

由皮帶輪、齒輪、鏈輪、鏈條、張緊輪、滑軌、橫向刃軸、縱向刃軸、間隙調(diào)節(jié)機構等組成。

秸稈切絲機構圖見圖2。

圖2 秸稈切絲機構圖

2.1.1 縱向刃軸

縱向刃軸圖見圖3。

圖3 縱向刃軸圖

由圖3可知，側視圖是一個圓，每一個突出來的金屬棱就相當于一個鋒利的刀片，且在刀刃圓周上設計了數(shù)個小槽口。其作用就是將秸稈堅硬的表皮和莖結強行切成8 mm寬的絲條狀，提高絲化質(zhì)量，滿足反芻動物的消化特點，提高牛羊適口性和采食量，以提高秸稈的利用率和消化率。小槽口與橫向刃軸的鋸齒配合，將秸稈順利拉入設備。該軸材料采用45號鋼，齒段淬火硬度HRC50～55，直徑為145 mm。

2.1.2 橫向刃軸

橫向刃軸圖見圖4。

圖4 橫向刃軸圖

由圖4可知，側視圖是一個鋸齒狀的圓形，鋸齒鋒利，其作用有2個，首先這些鋸齒和縱向刃軸共同作用，可以將秸稈強行喂入設備；其次還可以將秸稈堅硬的外表皮沿著秸稈直徑方向擠壓，使秸稈堅硬的外表皮在整個長度方向上變得柔軟，更有利于揉搓室的絲化，大大增加了適口性和利用率。因此，橫向刃軸在秸稈絲化過程中起著非常重要的作用。該軸材料采用ZG15，齒段淬火硬度HRC50～55，直徑為 113 mm。

2.1.3 間隙調(diào)節(jié)機構

調(diào)節(jié)間隙機構圖見圖5。

圖5 調(diào)節(jié)間隙機構圖

該機構由滑軌、滑塊、壓簧、調(diào)節(jié)螺栓、支撐板等組成。橫向刃軸的兩端由2塊滑塊支撐，這2個滑塊相當于軸承座，在機架上的滑軌內(nèi)，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺栓，可以帶動滑塊在滑軌內(nèi)上下移動，實現(xiàn)橫向刃軸的上下移動，起到調(diào)節(jié)橫向刃軸與縱向刃軸之間的間隙的作用。這個間隙調(diào)整的合適，不僅可以調(diào)節(jié)刃軸在橫向和縱向方向?qū)斩挼那薪z效果，而且還可以在保證絲化效果的前提下，有效地減小動力的損耗。

2.2 揉搓機構的設計

揉搓機構由皮帶輪、主軸、錘片銷軸、錘片、軸套等組成。

揉搓機構圖見圖6。

圖6 揉搓機構圖

2.2.1 喂入口的位置和角度

喂入口圖見圖7。

圖7 喂入口圖

由圖7可知，喂入口與錘片的相對位置（α）和秸稈喂入時的傾斜角度（β），與喂入性能、絲化質(zhì)量、動力消耗等有著緊密的關系。試驗發(fā)現(xiàn)，當α、β角較小時，秸稈的喂入不順利，動力消耗大；當α、β角較大時，秸稈喂入連續(xù)、可靠、順利，但錘片打擊秸稈時的角度不容易使秸稈絲化，絲化質(zhì)量變差。

試驗確定，α=26°，β=10°時[3]，能夠保證喂入通暢和較好的絲化質(zhì)量。喂入口的尺寸由高度和寬度決定，經(jīng)試驗證明，當高為200 mm，寬為300 mm時，每次進入的秸稈量與配套的動力相吻合，而且加工質(zhì)量也符合牛羊的要求。若超過此尺寸，會因負荷大，造成設備的轉(zhuǎn)速下降，影響秸稈的絲化質(zhì)量和生產(chǎn)率。

2.2.2 錘片數(shù)量和錘片厚度

錘片數(shù)量、排列密度和錘片厚度是設計中最重要的幾個參數(shù)。錘片數(shù)量多，會將秸稈打擊的太碎，粉末增多，增加了動力損耗；錘片數(shù)量少，排列密度小，絲化效果會變差，影響加工品質(zhì)。錘片厚度越厚，和秸稈的接觸面積越大，動力損耗也越大，且絲化效果差；錘片越薄，動力損耗越小，但錘片的熱處理難度增加，使用壽命大大縮短。通過大量試驗和優(yōu)化，該設備選擇錘片厚度為4 mm，數(shù)量30個，既保證了一定的絲化效果，又沒被打得太碎，可以滿足牛羊的食用。錘片的材料選用低碳鋼、45號鋼或65 Mn等[4]，進行滲碳或淬火等處理，提高表面硬度，還可以在錘片棱角處堆焊鎢合金等冶金技術，以延長使用壽命。

2.2.3 錘齒間隙

錘齒間隙指的是錘片的最外端與齒板齒尖之間的距離。錘齒間隙是影響秸稈絲化品質(zhì)最重要的性能參數(shù)之一。間隙太大，起不到撞擊和絲化的效果；間隙太小，生產(chǎn)率大大降低，且秸稈被打得太碎，粉末占比增加。

錘片厚度和錘齒間隙對絲化效果的影響見圖8。

圖8 錘片厚度和錘齒間隙對絲化效果的影響

由圖8可以看出，當間隙在18～23 mm時，絲化效果最好，超出這個范圍，絲化效果不佳[5]。所以，選擇合理的錘齒間隙，有利于提高秸稈的絲化品質(zhì)。

調(diào)節(jié)錘齒間隙的方法有2種：①在錘片的兩端都有安裝孔，但離兩端的距離不同，改變錘片在銷軸上的安裝位置，即可改變間隙；②更換不同厚度的齒板，或者通過齒板下面的螺栓來調(diào)節(jié)。

2.2.4 錘片轉(zhuǎn)速的確定

錘片轉(zhuǎn)速也是影響絲化質(zhì)量的主要因素，轉(zhuǎn)速太快，會使結果太碎，粉末占比增加，功耗升高；轉(zhuǎn)速太慢，結果絲化效果不佳，生產(chǎn)率降低，甚至進料出料都不通暢。通過更換揉搓室主傳動的皮帶輪直徑的方法，讓錘片在多種轉(zhuǎn)速下試驗，當轉(zhuǎn)速大于2 200 r/min時，秸稈的絲化品質(zhì)較好，即使喂入量略多一些，電機轉(zhuǎn)速和電流也較穩(wěn)定；當轉(zhuǎn)速低于2 200 r/min時，絲化品質(zhì)明顯下降，且生產(chǎn)率也下降，若喂入量稍多一些，電機轉(zhuǎn)速變化明顯，電流升高明顯[6]。

為此，該機的工作轉(zhuǎn)速確定在2 2 00～2 250 r/min，既保證了絲化品質(zhì)和生產(chǎn)率，又降低了功率消耗。該機選用7.5 kW 4極電機，生產(chǎn)率可以達到3 t/h（含水率為55%～65%）。

3 試驗結果

經(jīng)過總體設計和大量試驗確定了一些主要參數(shù)，秸稈經(jīng)過該設備后，被主動切成絲條狀，經(jīng)切絲揉搓后的秸稈變得細而軟，提高了適口性，滿足了牛羊的咀嚼和消化要求。

加工后的秸稈尺寸分布情況見表1。

表1 加工后的秸稈尺寸分布情況

4 結語

試驗結果表明，該機動力消耗低、絲化質(zhì)量優(yōu)、生產(chǎn)率高，玉米秸稈經(jīng)過加工后，被主動切絲揉搓成細而軟的絲條狀，牛羊基本上可以全部食用，將秸稈的利用率大大提高，解決了精飼料的成本高和牧草的嚴重不足等問題，降低了養(yǎng)殖成本。經(jīng)過長時間考核，驗證了該機的設計參數(shù)科學合理、結構簡單、工作性能可靠穩(wěn)定，對不同含水率的玉米秸稈均有滿意的絲化效果，是理想的秸稈揉絲設備，將對畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動作用。