4QG-2型青贮收获机切碎揉搓装置的设计

梁荣庆，张翠英，李青江，张德学，钟 波，任冬梅，乔 磊

(1.山东农业机械科学研究院, 济南 250100；2.山东双佳农装科技有限公司，济南 250100)

0 引言

随着我国农业产业结构的调整，现有牧草资源已难以支撑快速增长的畜牧业，因此发展以秸秆饲料为主要饲料的节粮型畜牧业已成为农区、半农区发展畜牧业的重要途径之一[1]。为满足我国现代畜牧业发展需求及“粮改饲”政策的实施，近年来我国青贮玉米种植面积不断扩大，2016年全国青贮玉米种植面积为92.7万hm2,同比增幅40.97%；2017年青贮玉米种植面积将继续保持高速发展，预计全国种植面积将突破133.3万hm2 [2]，可在一定程度上有效缓解畜牧业迅速发展与饲料短缺的矛盾[3]，从而进一步推动我国畜牧业的健康发展及农村产业结构的调整。

青贮玉米的机械化收获及收获水平的提高，是推动青贮玉米产业发展的必要环节[4-7]，发达国家对青贮玉米收获机的研究较早，技术较为成熟，收获设备较为先进，自动化程度及收获效率较高;而国内对青贮玉米收获技术的研究起步较晚，各地区发展水平不一，并存在配套动力不足、自动化控制程度及作业效率低、青贮饲料切段长度不一等问题;且国内大部分青贮玉米收获机并未安装秸秆揉搓及籽粒破碎装置，切碎后的青饲料品质较低，适口性较差，营养成分不易完全被牛羊消化吸收[8-9]，饲料利用率低，难以满足广大用户对高品质饲料的需求，市场亟需带茎秆揉搓青贮饲料收获机[10]。因此，为改善青饲料品质，提高牲畜对秸秆的采食率和消化率，进一步增加秸秆的饲用价值和利用率[11]，本文在前期研究基础上，结合市场需求，设计了一种切碎长度可调及具有揉搓性能的青饲料切碎揉搓装置，并对其进行了田间性能试验，可为秸秆饲草的深度利用及青饲料收获机后期深入研究提供一定的技术支撑[12]。

1 切碎揉搓装置的组成及工作过程

1.1 揉搓效果对青贮饲料品质的影响

青贮饲料是利用鲜嫩整株物料(玉米、高粱、小麦及苜蓿等)进行切碎、贮藏及发酵而成的，具有营养物质含量较高、储存时间长、适口性好及调制方便等特点。青贮玉米或青贮高粱秸秆较为粗壮，茎秆关节较多[13]，传统的切碎方式不易对其进行完全破坏，不利于贮藏发酵，且适口性差，饲料利用率较低，严重影响消化吸收。而切碎后经揉搓的青贮玉米可有效提高茎秆及关节的破损率，可与发酵催化物充分接触，有利于提高其发酵的可能性，营养物质更易接近微生物群，促进有益菌的成长与分解，加快乳酸的产生进程，减少有害菌的生长与繁殖，在较短的时间内，极易获得较为稳定的pH值[14]，从而保证青饲料的发酵质量。

此外，切碎揉搓后的青贮玉米经发酵后可有效提高青饲料品质，适口性大幅度增加，全株采食率可由原来的50%提高至95%以上[15]，减少了青贮饲料的浪费，提高了牲畜对秸秆的消化率；且经过揉搓后的青贮玉米秸秆及茎节粉碎程度较高，增加了秸秆的饲用价值和利用率[11]。

1.2 切碎揉搓装置的组成及工作过程

青贮作物的切碎及揉搓质量是评价青贮玉米收获机的重要指标[16-19]，切碎揉搓装置作为青贮玉米收获机的主要核心部件之一，对青饲料品质的影响较大。为了提高青贮玉米收获机的切碎与揉搓质量，对4QG-2型青贮收获机切碎揉搓装置进行了设计，其主要由机架、旋转刀盘、切碎动刀、动刀固定座、左螺旋凸起抛送叶片、右螺旋凸起抛送叶片、揉搓板及定刀等部件组成，如图1所示。其中，切碎部件主要包括旋转刀盘、切碎动刀及定刀，揉搓部件主要包括左螺旋凸起抛送叶片、右螺旋凸起抛送叶片及揉搓板，动刀固定座既属于切碎部件，还具有一定的揉搓作用。

1.旋转刀盘 2.左螺旋凹起抛送叶片 3.动刀固定座 4.右螺旋凸起抛送叶片 5.切碎动刀 6.机架 7.揉搓板 8.定刀图1 切碎揉搓装置Fig.1 Chopping and rubbing device

该装置主要工作过程：PTO动力输入装置驱动旋转刀盘进行工作，安装在旋转刀盘上切碎动刀及固定在机架喂入口处的定刀对被强制喂入进切碎揉搓装置的整株青贮玉米进行切段；与此同时，带有凹槽的动刀固定座对青贮玉米籽粒及部分青贮玉米茎节进行有效破坏，交错安装在刀盘上的带有左螺旋凸起的叶片与右螺旋凸起的叶片则与揉搓板进行配合，对青贮玉米茎节进行充分有效的揉搓破坏，并将在切碎揉搓装置中切碎揉搓后的物料高速抛出，完成整个工作过程。工作过程中，为保障物料合理的切削长度，切碎动刀数设置为2、3、4、6、12可调，以满足不同的牲畜的喂养对青贮饲料切削长度的需求。

2 切碎揉搓装置的设计

2.1 切碎部件的设计

青贮作物切段长度明显影响青贮饲料的发酵及青贮品质[20-21],青贮玉米切段长度的调节除调节喂入辊的强制喂入速度外，还可通过调整切削动刀数量及旋转刀盘转速实现。为满足饲喂不同牲畜对青饲料切段长度的需求(牛为30～50mm，羊为20～30mm[22])，本文对4QG-2型青贮收获机切碎部件进行了设计。该装置切碎部件主要由旋转刀盘、动刀固定座及切碎动刀组成，如图2所示。旋转刀盘采用焊接而成，直径为730mm，动刀刀尖外圆直径为888mm，切碎动刀数量可调，整个旋转刀盘最多可安装12把切碎动刀(切碎动刀可安装数量分别为2、3、4、6、12)。

1.旋转刀盘 2.切碎动刀 3.动刀固定座图2 切碎部件Fig.2 Chopping part

切碎动刀结构如图3所示。其采用60Si2Mn制作而成，刃口淬火宽度25mm，距刃口宽20mm，刃口厚度≤0.15mm，线轮廓度为0.2，刃口淬火强度HRC44～50，动刀的质量误差≤10g，为减少切削时功率损耗与切削动刀磨损，本机型切削部件采用滑切的切削方式，

图3 切碎动刀Fig.3 Movable cutting knife

为保证其具有较好的切削效果与方便安装调试，定刀与切削动刀之间的间隙设置为1mm(一般动、定刀的间隙为0.25～1mm[23-25])。青贮收获机工作过程中为防止物料喂入过多发生堵塞，配套动力输出机械行驶速度要略低于喂入辊的喂入速度。

4QG-2型青贮收获机采用全齿轮传动，结构紧凑、传动比准确、功率损失较小，为方便调节物料的喂入速度，喂入辊转速通过变速箱进行调节，保证喂入速度可在3个挡位上进行调整，3个挡位下喂入辊的线速度分别为Ⅰ=1.27m/s、Ⅱ=1.69m/s、Ⅲ=2.24m/s。为防止青贮玉米喂入量过大造成堵塞，在该变速箱反转挡位，在工作过程中可有效控制强制喂入辊进行反转，使堵塞的物料在喂入通道中“吐出”。工作过程中，该机的旋转刀盘转速一定，通过调节物料喂入速度与切碎动刀数量对青贮玉米的切断长度进行调节，则青贮玉米理论切段长度为

(1)

其中，L为切碎长度(mm)；v喂为喂入速度(m/s)；n为刀盘转速(r/min)；Z为动刀片数量。

在工作过程中，4QG-2型青贮收获机的刀盘工作转速为1 000r/min，则4QG-2型青贮收获机在不同喂入速度及不同数量切碎动刀下的物料理论切段长度,如表1所示。

表1 青贮玉米理论切段长度表Table 1 Table of theoretical cutting length of corn stalk mm

由表1中可以看出：当该装置的旋转刀盘工作转速一定时，青贮玉米喂入速度与青贮玉米的理论切段长度成正比关系；切削动刀数量与青贮玉米的理论切段长度成反比关系。

2.2 青贮收获机揉搓部件的设计

为提高青贮玉米茎秆、关节及籽粒的破碎程度，提升发酵水平、青饲料品质及适口性，对4QG-2型青贮收获机切碎装置进行改进，设计加装揉搓部件。该机的揉搓部件主要包括动刀固定座、左螺旋凸起抛送叶片、右螺旋凸起抛送叶片及揉搓板等。

1)动刀固定座。4QG-2型青贮收获机的动刀固定座在原有的动刀固定座基础上进行了重新设计与优化，在其上表面加工了一些规则性沟槽，在随刀盘高速旋转过程中有效地对玉米籽粒及茎节进行破坏，如图4所示。

图4 动刀固定座Fig.4 Fixed seat of movable knife

2)左(右)螺旋凸起抛送叶片。左螺旋凸起抛送叶片和右螺旋凸起抛送叶片交替的被固定在旋转刀盘的外圈(见图5)，在工作过程中与揉搓板总成配合，使籽粒、关节在揉搓板上形成了一个“S”型的捻动曲线，相对于直线型捻动，增加了有效捻动行程，有效地提高了物料揉搓效果，在实验过程中效果较为明显；同时，左、右旋叶片还有对切碎的青贮玉米进行抛送的功能，以保证物料的强制抛送。

(a) 左螺旋凸起抛送叶片 (b) 右螺旋凸起抛送叶片图5 螺旋凸起抛送叶片Fig.5 Crew concave throwing blade

3)揉搓板。如图6(a)所示：其为4QG-2型青贮收获机的揉搓板，在该揉搓板上设计了锥形凸起，增加了与青贮玉米的接触面积，与抛送叶片配套使用，可有效地对青贮玉米茎节进行揉搓。图6(b)为揉搓板组装，主要由揉搓板、调整螺栓及揉搓板固定架组成。在每台青贮收获机上都安装一组该部件，通过调整螺栓可有效地调整揉搓板与左、右螺旋凸起抛送叶片之间的间隙，并可根据实际情况对该间隙进行调节，从而达到控制揉搓效果的目的。

(a) 揉搓板 (b) 揉搓板组装 1.揉搓板固定架 2.揉搓板 3.调整螺栓图6 揉搓板及揉搓板组装Fig.6 Rubbing board and rubbing board assembly

3 田间性能试验

为测试该装置的切碎揉搓效果，在山东省章丘市对4QG-2型青贮收获机进行了田间试验。试验用地的青贮玉米籽粒已基本成熟，秸秆水分含量较大，行距为650mm，株距为250mm。该装置配套动力为东汽1304双向拖拉机，收获过程中拖拉机的行驶速度为2km/h，小于喂入辊的喂入速度。在试验过程中，设定4QG-2型青贮收获机的切碎动刀数量分别为2、3、4、6、12把，整机作业幅宽为2.2m，通过变速箱调节喂入辊的喂入线速度分别为Ⅰ=1.27m/s、Ⅱ=1.69m/s及Ⅲ=2.24m/s。每组组合状态下收获青贮玉米距离为2m，并对切碎青贮玉米秸秆进行随机选取测量，每组测量10个样本并求取平均值进行统计，则不同组合状态下青贮玉米平均切段长度如表2所示。

表2 青贮玉米秸秆实际平均切段长度Table 2 The actual average cutting length of corn stalk mm

对表1理论计算数据与表2实验数据进行对比可知：理论计算结果与实际测量数据吻合较好。该装置切碎长度符合国家农业行业标准《NYT 2088-2011玉米青贮收获机作业质量》规定的切碎长度要求(牛为30～50mm，羊为20～30mm[22])，且该装置切碎动刀为3与4把时，各喂入速度下的物料切碎长度均适宜牛羊的饲喂。

为验证4QG-2型青贮收获机的揉搓部件在实际生产中的效果，分别在安装有无揉搓部件的情况下对该装置进行了田间试验，并对收获效果进行了对比，如图7所示。其为安装6把切碎动刀、喂入速度为Ⅰ=1.27m/s时，有无揉搓部件的状况下的揉搓效果对比。

(a) Ⅰ挡6刀无揉搓部件收获效果图

(b) Ⅰ挡6刀有揉搓部件收获效果图图7 Ⅰ挡6刀有无揉搓部件的状况下的揉搓效果对比图Fig.7 Harvest rendering with the chopping and rubbing device and without them on tap position 1 with 6 knives

试验结果表明：加装揉搓部件的青贮收获机的揉搓效果较为明显，青贮玉米茎节及籽粒破损效果较好，破损率较高，由40%左右提高到了90%以上，从而在一定程度上提高了青贮玉米的适口性及利用率；但其揉搓效果还未完全达到实际生产要求，下一步仍需对其揉搓部件进行优化改进，以进一步提高整机的揉搓效果，满足实际生产要求。此外，在试验过程中发现，物料切段长度较短时经揉搓后物料整体较为细碎，青贮玉米秸秆本身水分被大量挤出流失，极易造成物料浪费，因此在实际生产过程中应根据生产要求对物料切段长度的影响因素进行合理调整与配置。

4 结论

4QG-2型青贮收获机的切碎揉搓装置可有效地对青贮玉米进行切碎揉搓，切碎揉搓效果较为明显，在不同数量切碎动刀及不同喂入速度下的物料的理论切段长度与实际生产中的切段长度吻合较好。试验表明：揉搓部件虽在一定程度上提高了青贮玉米的揉搓效果，但其揉搓效果还未完全达到实际生产要求，下一步仍需对其进行优化改进，对螺旋凸起抛送叶片与揉搓板之间间隙、不同数量螺旋凸起抛送叶片及揉搓板、螺旋凸起抛送叶片表面结构形状等对揉搓效果的影响进行深入研究，为青贮玉米收获机的研制提供一定的理论基础及实际参考。