青貯玉米籽粒破碎及拋料技術(shù)研究概況

梁宇凱， 李曉康， 孫 偉，3， 侯晶濤， 潘偉陽， 李向陽

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省機械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030；3.甘肅省草地農(nóng)業(yè)機械重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

近年來，我國持續(xù)推進(jìn)“糧改飼”試點工作，其中青貯玉米成為主要推廣種植的農(nóng)作物。青貯玉米含有豐富的粗蛋白質(zhì)、脂肪、糖1類和其他營養(yǎng)物質(zhì)[1]，可以有效地提高奶牛乳蛋白率和產(chǎn)奶量、肉牛及肉羊的生產(chǎn)性能，是青貯飼料的優(yōu)質(zhì)原材料。玉米等作物的秸稈若不經(jīng)過任何處理就直接飼喂動物的話，適口性較差，并且秸稈的營養(yǎng)成分不能得到充分的吸收，因此破碎質(zhì)量就會顯得尤其重要。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和農(nóng)民生活水平的提高，玉米青貯飼料的需求也隨之增大[2]。評價青貯收獲機的一項重要指標(biāo)就是在工作過程中對作物的粉碎程度。但是對于國內(nèi)玉米青貯飼料產(chǎn)業(yè)來說，與國外相比起步晚[3]，而且與之配套的機具不完善，需要研究人員作進(jìn)一步的改進(jìn)。籽粒破碎裝置對全株青貯玉米飼料品質(zhì)的提升有重要的作用，同時籽粒破碎也是全株青貯玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，是當(dāng)前青貯加工機具必不可缺的一部分。因此，對于目前國內(nèi)的現(xiàn)狀來說，想要發(fā)展青貯玉米產(chǎn)業(yè)，提升青貯玉米飼料品質(zhì)，研究設(shè)計出更高效、可靠的青貯玉米籽粒破碎裝置具有重要意義[4]。

1 青貯玉米籽粒破碎技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 籽粒破碎技術(shù)的工作原理和分類

隨著我國經(jīng)濟的快速增長和普通農(nóng)戶生活質(zhì)量的不斷提高，青貯飼料收獲機在我國多行業(yè)逐漸得到了普遍地運用。因各行業(yè)要求的破碎技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同，該裝置也存在不同的種類，常見的結(jié)構(gòu)有沖擊式、對輥式、旋回式等?，F(xiàn)在，我國農(nóng)戶大多數(shù)是使用對輥式結(jié)構(gòu)的青貯飼料收獲機，對輥式裝置有較好的工作特性，能夠在作業(yè)過程中提高物料的通過率[5]。

1.1.1 工作原理

對籽粒來說，其破碎程度絕大部分取決于破碎技術(shù)的性能，因此籽粒破碎裝置在青貯機中起著關(guān)鍵性的作用。在收獲機的工作過程中，首先玉米秸稈被最前端的割臺割斷，喂入裝置卷入后送入后面的切碎裝置對玉米秸稈進(jìn)行刀切，隨后進(jìn)入破碎裝置進(jìn)行粉碎，最后粉碎秸稈由風(fēng)機沿拋送筒壁拋出。其中，破碎裝置采用的結(jié)構(gòu)是對輥式，該裝置是由轉(zhuǎn)速不同，轉(zhuǎn)向相反，可強行卷入物料的兩個破碎輥組成，物料在兩輥的細(xì)小間隙間得到充分摩擦，以此來實現(xiàn)粉碎[6]。

1.1.2 分類

目前，國內(nèi)外青貯機上多采用溝槽式和齒盤式的對輥式破碎裝置[7]。

溝槽式破碎輥如圖1所示。兩平行放置的破碎輥表面存在均勻分布的淺槽，在工作過程中，兩破碎輥的直線型空隙可視物料量的情況適當(dāng)?shù)脑龃螅瑑奢佫D(zhuǎn)速相差30%左右，轉(zhuǎn)向相反，該結(jié)構(gòu)對玉米秸稈的摩擦性能可隨兩個破碎輥的轉(zhuǎn)速差值大小而改變[8]。想提高摩擦效率，也可通過增加破碎輥直徑的方法增大摩擦面積。在提高籽粒粉碎效率的同時，破碎裝置也會受到玉米秸稈的磨損，效率越高，磨損越嚴(yán)重，裝置的使用壽命也隨之大大地降低[9]。

圖1 溝槽式破碎輥

按截面形狀可將溝槽式破碎輥分為兩種結(jié)構(gòu)，分別是鋸齒形和三角形[10]。截面形狀如圖2所示。齒形不同，適用的場合也不同。齒形為三角形的破碎輥更適用于收獲乳熟期時的玉米，因為若用鋸齒形對小直徑籽粒進(jìn)行破碎，不能達(dá)到理想的破碎效果，但是其優(yōu)勢是具有相對簡易的加工制造工藝。而在籽粒直徑較小的情況下，鋸齒形截面的破碎輥相對于三角形截面的破碎輥來說粉碎效率較高[11]。鋸齒形溝槽破碎輥因有著較高的破碎效率，以及在國內(nèi)農(nóng)業(yè)收獲機械的高適用性等特點而得到大眾農(nóng)戶的青睞，使得鋸齒形破碎輥的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過三角形破碎輥的應(yīng)用。

圖2 截面形狀

在溝槽式破碎輥中，沿輥面軸向方向加工螺旋槽，可以有效提高物料的通過性和籽粒的破碎效果。旋向相同的兩個螺旋槽破碎輥可以將切碎后的玉米秸稈沿切向卷入兩輥間隙，在兩輥工作過程中，秸稈也受到螺旋槽軸向摩擦[12]，從而使通過性和破碎效果得到進(jìn)一步的提升。

齒盤式破碎輥的結(jié)構(gòu)是由多組對置的兩個為一組的錐形刀盤經(jīng)兩根并排安裝的破碎輥串聯(lián)而得到。依據(jù)刀齒形狀的不同，可將破碎輥主要分為斜面齒和溝槽齒[13]。

結(jié)構(gòu)為齒盤式的破碎輥比溝槽式破碎輥的工作性能更強，兩個平行安裝的破碎輥形成V型摩擦間隙，增大了兩輥與物料的摩擦面積，并且在其工作過程中，籽粒的破碎效果更佳，在切斷長度較長、喂入量較大的情況下，能夠有效滿足籽粒的破碎要求[14]。

斜面齒破碎輥刀盤面上沿徑向均勻分布著密集的帶切削刃的斜面刃齒，其工作槽是由相鄰刀齒間隙構(gòu)成。因其有較大的加工難度，且熱處理變形也較嚴(yán)重，所以尚未在國內(nèi)得到較多應(yīng)用[15]。

1.2 國外籽粒破碎技術(shù)現(xiàn)狀

國外一些發(fā)達(dá)國家對農(nóng)作物機械化處理的起步較早，技術(shù)相對來說也比較成熟。牧草種植產(chǎn)業(yè)在國外得到充分地發(fā)展，國外多數(shù)農(nóng)場將牧草用于青貯，以此來達(dá)到草畜平衡，而我國則多數(shù)是利用玉米秸稈，將其進(jìn)行粉碎來飼養(yǎng)牲畜。國外對于秸稈的處理方式是大多秸稈被破碎還田，只有較少部分用來養(yǎng)殖畜牧[16]。針對國外現(xiàn)狀來說，生產(chǎn)者在秸稈養(yǎng)畜方面沒有迫切需求，這也就造成了國外學(xué)者對于籽粒破碎裝置方面的理論和技術(shù)研究都甚少[17]。 在國外大功率、高效率的青貯飼料收獲機上應(yīng)用籽粒破碎裝置，極大滿足了收獲青貯飼料的技術(shù)要求，并且適用于農(nóng)場式生產(chǎn)，使得近幾年籽粒破碎的技術(shù)和理論有了較快的發(fā)展[18]。

紐荷蘭FR9000系列的青貯收獲機產(chǎn)于意大利，在該收獲機的作業(yè)過程中，秸稈的切斷長度是由HYDROLOC喂入滾筒驅(qū)動系統(tǒng)來控制調(diào)節(jié)的。該機型具有較寬大的秸稈處理裝置，滾筒帶有鋸齒且直徑大，割幅大，有效摩擦面積較大，秸稈粉碎效率高，可以得到滿意的效果。尤其在喂入量且割幅較大時，在作業(yè)過程中，不僅能夠確保物料粉碎的均勻性，而且物料的破碎率也可達(dá)90%以上。

美國約翰迪爾7450青貯收獲機中的破碎裝置，在工作過程中，玉米秸稈及籽粒的破碎率可以達(dá)到95%左右。德國的克拉斯JAGUAR800型青貯飼料收獲機，有性能極其優(yōu)越的發(fā)動機，能夠進(jìn)行多檔變速，籽粒破碎率能達(dá)到90%～97%[19]。

美國的約翰迪爾7000和8000系列的青貯飼料收獲機安裝有輥式破碎器，使用方便且易于工作人員進(jìn)行維修和替換，這就在一定程度上，提升了工作效率。同時在克拉斯JAGUAR800系列上也裝有此類的破碎裝置[20]。

盡管國外青貯飼料收獲機的性能、技術(shù)以及破碎效果都強于國內(nèi)的收獲機，但是國外的青貯飼料收獲機價格昂貴，我國的普通農(nóng)戶沒有經(jīng)濟能力支付昂貴的機器，因此不適合我國農(nóng)戶的生活生產(chǎn)[21]。

1.3 國內(nèi)籽粒破碎技術(shù)現(xiàn)狀

近年來，隨著農(nóng)民生活水平的提高，青貯飼料收獲機在國內(nèi)得到了一定的推廣，同時籽粒破碎技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。破碎技術(shù)的應(yīng)用提高了籽粒破碎率，促進(jìn)了青貯飼料的適口性及牲畜的消化吸收[22]。但是，對于國內(nèi)的青貯飼料收獲機械研發(fā)來說，相比國外對青貯收獲機械的研發(fā)，起步較晚，許多廠家仍然在初步研發(fā)階段。

盡管我國仿制和研究了國外的籽粒破碎裝置，但并沒有掌握其中的核心技術(shù)。而且普通農(nóng)民用戶也負(fù)擔(dān)不起昂貴的進(jìn)口機械，因此青貯飼料收獲機在國內(nèi)還未得到廣泛應(yīng)用。雖然我國的青貯飼料收獲機可以將玉米秸稈粉碎且可以達(dá)到喂養(yǎng)牲畜的效果，但是仍然與國外的產(chǎn)品在工藝、機理、材料等方面存在很大差距，其中突出問題就是故障率高及破碎性能不足，仍無法滿足畜牧業(yè)對優(yōu)質(zhì)飼料的需求。因此，我國應(yīng)參考并研究國外先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計開發(fā)出性能好、質(zhì)量高、價格合理的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品[23]。

2 拋送裝置研究現(xiàn)狀

目前，我國各類農(nóng)機中的拋送裝置多應(yīng)用葉片式拋送裝置，該裝置工作可靠、制造成本低且結(jié)構(gòu)簡單，在收獲機、揉碎機、切碎機等農(nóng)機中都有廣泛的應(yīng)用[24]。喂料方向不同，拋送裝置喂入方向也不同，可分為3個方向，分別是軸向、徑向和切向。在青貯機中經(jīng)常采用軸向喂入式拋送裝置。目前葉片式拋送裝置也存在一些問題，主要表現(xiàn)為功耗大、排料難。該裝置主要通過葉輪的高速旋轉(zhuǎn)來拋送物料，物料能否被順利拋出，主要是受葉輪高速旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的氣流影響[25]。

2.1 葉片式拋送裝置工作原理

葉片式拋送裝置主要由5部分組成，分別為拋送葉輪(多數(shù)由4個拋送葉片組成)、拋送外殼、出料直管、偏轉(zhuǎn)彎管、拋送葉輪軸等組成[26]。

在葉片式拋送裝置中對物料的運動可以分為3個階段。第一階段是葉輪高速旋轉(zhuǎn)將物料拋扔的過程。在此階段，氣流受到的離心力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于物料受到的離心力，所以對物料來說，氣流無法對物料拋出的過程產(chǎn)生影響，所以這個階段物料所需的能量主要由高速旋轉(zhuǎn)的葉輪提供。第二階段為拋送葉片將物料拋出后，物料進(jìn)入出料直管階段。物料在獲得高速旋轉(zhuǎn)的葉片提供的能量的過程中，同時還有出料直管段的氣流獲得的能量協(xié)助輸送物料。第三階段為物料離開出料直管進(jìn)入偏轉(zhuǎn)彎管階段，物料在拋送的過程中與彎管的外弧壁碰撞，然后在離心力作用下與氣流分離，沿外弧壁滑移一直到離開[27]。

2.2 國外拋送裝置研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外許多研究人員，為了解決拋送葉片運動過程中存在的問題，做了大量的研究工作。

1966年，基于前輩建立的動力學(xué)模型，美國學(xué)者Totten Millier對秸稈切段在固定式拋送裝置中沿徑向葉片及出料直管的運動和工作中所消耗的功率進(jìn)行了研究[28]。

1991年，美國學(xué)者Shinners KJ.等人，為了更有效地降低切割拋送一體的牧草收獲機在工作過程中的功耗，他們將潤滑劑噴灑在葉片上，利用拋送葉片向上旋轉(zhuǎn)切割的方式來達(dá)到降低功耗的效果。1994年，諸多學(xué)者對其裝置的拋送距離進(jìn)行了研究。

1999年，印度學(xué)者Chattopadhyay和Pandey通過分析甩刀式牧草收獲機的工作過程，研究了甩刀和操作參數(shù)對功耗的影響。經(jīng)總結(jié)得出了以下結(jié)論：隨切割速度的增加，切割能耗減小，但總能耗增大。

2001年，兩位印度學(xué)者對該收獲機在工作過程中，可能對物料拋送產(chǎn)生影響的因素做了進(jìn)一步分析。主要對刀尖速度和甩刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明高速旋轉(zhuǎn)的甩刀產(chǎn)生的氣流難以將切碎物料輸送出去，需借助甩刀高速旋轉(zhuǎn)時氣流獲得的動能來輔助輸送物料。

2004年，新加坡學(xué)者Lee Lai Yeng等借助FLUENT6.0軟件模擬了顆粒物料經(jīng)過彎管時的氣流[29]。

2.3 國內(nèi)拋送裝置研究現(xiàn)狀

1994年，浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)的朱松明和北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)的吳春江通過對徑向葉片式拋送裝置的試驗分析，得到了該裝置對于功率消耗的理論計算式，進(jìn)一步計算了工作過程中的理論拋送效率。

2002年，吉林農(nóng)業(yè)機械研究院的賈洪雷和吉林大學(xué)的馬成林對玉米秸稈切碎拋送裝置進(jìn)行了研究分析，對切碎段建立了運動微分方程[30]。

2004年，西北工業(yè)大學(xué)的田彬等運用計算流體動力學(xué)CFD技術(shù)，模擬了軸流通風(fēng)機內(nèi)部三維粘性流場。通過進(jìn)一步的數(shù)值分析，對風(fēng)機內(nèi)部的性能參數(shù)及流動規(guī)律和細(xì)節(jié)有了一定的了解和掌握。提高效率、降低噪音，改進(jìn)設(shè)計等方法，都能對軸流通風(fēng)機的性能產(chǎn)生一定的影響。數(shù)值模擬結(jié)果對該項研究的進(jìn)一步分析和發(fā)展提供了重要的理論依據(jù)和方向[31]。

2006年黑龍江省畜牧機械化研究所的張海琨針對揉搓機的拋料過程進(jìn)行了試驗研究。張海琨對該裝置的主要工作參數(shù)通過理論與試驗結(jié)合的方法進(jìn)行了一系列研究分析。在研究過程中，對物料的運動狀態(tài)進(jìn)行了分析，并對拋送葉板的速度建立了數(shù)學(xué)模型，同時研究了拋料簡結(jié)構(gòu)對拋送過程的影響。

2007年，遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院毛君等人對軸流通風(fēng)機的內(nèi)部流場變化情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。通過運用FLUENT軟件進(jìn)行模擬，可以得到葉輪內(nèi)部的復(fù)雜流動最真實的反映，為今后葉輪機械的不斷改進(jìn)和發(fā)展提供了真實可靠的理論依據(jù)[32]。

3 青貯玉米籽粒破碎及拋料技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 籽粒破碎技術(shù)

籽粒破碎裝置是青貯飼料收獲機的核心部件，提高該技術(shù)對青貯機的發(fā)展有重要意義?；谀壳皩η噘A飼料收獲機的了解，籽粒破碎技術(shù)存在以下發(fā)展趨勢：

(1)進(jìn)一步深化對籽粒破碎機理的研究。雖然我國實現(xiàn)了籽粒破碎技術(shù)的應(yīng)用，但與國外技術(shù)相比仍有差距。因此，應(yīng)當(dāng)深化對籽粒破碎理論的研究[33]。

(2)向高適應(yīng)、低功耗方向發(fā)展。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們逐步提高了對青貯飼料收獲機適應(yīng)性及工作效率的要求，因此降低機器功耗，提高適應(yīng)性成為國內(nèi)青貯機發(fā)展的必然趨勢，籽粒破碎技術(shù)也必將隨之提升[34-36]。

(3)優(yōu)化加工工藝及表面處理工藝。籽粒破碎裝置處在惡劣的環(huán)境下工作，這就需要耐磨性高的破碎輥。國外的籽粒破碎裝置為了提高破碎輥的耐磨性和使用壽命，采用了耐磨涂層。因此，我國也應(yīng)該在此方面投入精力，進(jìn)行深入研究[37]。

3.2 拋送裝置

迄今為止，許多國內(nèi)外的研究人員通過不斷對拋送裝置機理進(jìn)行理論研究，以及對裝置的設(shè)計逐步進(jìn)行改進(jìn)，取得了極大的進(jìn)展，但仍有需要進(jìn)一步改善的地方。因此，針對目前裝置中存在的主要問題，給出了拋送裝置在今后的發(fā)展方向：

(1)降低葉片式拋送裝置的功耗，對此相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析；

(2)增加拋送距離，將葉片式拋送裝置中的物料運動規(guī)律與氣流流場基本特征結(jié)合起來進(jìn)行深層討論分析[38]。

4 展望

籽粒破碎裝置是青貯飼料收獲機的核心部件，該裝置對提高青貯飼料的品質(zhì)有著極其重要的意義。通過對籽粒破碎裝置工作原理的了解，掌握其中的結(jié)構(gòu)和機理，使我們清楚地認(rèn)識到加強籽粒破碎裝置的理論研究和技術(shù)應(yīng)用的重要性。同時，通過了解國內(nèi)外籽粒破碎裝置的現(xiàn)狀，我們認(rèn)識到了國內(nèi)技術(shù)與國外的差距所在，這也為國內(nèi)的籽粒破碎裝置在今后的研究道路上指明了方向。

目前，青貯飼料收獲機在國內(nèi)逐步得到廣泛的應(yīng)用，機械化處理農(nóng)作物極大程度上減輕了農(nóng)民的勞動。國內(nèi)設(shè)計的青貯機中籽粒破碎裝置完成了對玉米籽粒的破碎，但技術(shù)水平與國外技術(shù)相比還存在很大差距。同時，對于葉片式拋料裝置來說，也應(yīng)針對目前存在的問題進(jìn)行進(jìn)一步的理論分析和技術(shù)改進(jìn)[39]。

為了加快國內(nèi)收獲技術(shù)的發(fā)展，提高我國自主研發(fā)能力，提出以下建議及展望：

(1)積極吸取國外的設(shè)計經(jīng)驗與技術(shù)手段，通過對其技術(shù)的分析結(jié)合我國國情進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)。

(2)加強對籽粒破碎和拋料裝置的機械原理分析，對目前尚未解決的問題，提出新的想法和思路。

(3)努力提高自主創(chuàng)新能力，在提高機械工作效率及可靠性的同時，也要考慮到機械的安全性能和生產(chǎn)成本，制造適合我國國情和生產(chǎn)條件的收獲機。同時政府更要積極推動行業(yè)內(nèi)部良性發(fā)展，促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)機械化進(jìn)程，為我國生態(tài)農(nóng)業(yè)開創(chuàng)良好的開端。