悬挂式青贮机调质装置的设计及试验研究

2020-10-17张琦峰谢焕雄胡志超刘自畅罗伟文

农机化研究 2020年10期

张琦峰,谢焕雄 , 胡志超,钟波,刘自畅 ,罗伟文

(1.农业农村部南京农机化研究所,南京 210014;2.山东农业机械科学研究院,济南 250100)

0 引言

青贮饲料调质对青饲料进行挤压、揉搓处理,使用机械方法改变青饲料物理特性,最终达到破节、裂皮的效果,是近年来比较新的概念,目前的技术模式及调质装置都不成熟[1]。经过调质处理的青饲料,营养物质与发酵催化物接触更充分,可以在较短的时间内,获得较为稳定的pH值环境[2],促进有益菌群的形成,减少有害菌,大幅度提高饲料的发酵质量和效率。我国主要的青贮作物有青贮玉米、甜高粱、甘薯及苎麻等。根据农业部的规划[3],到2020年我国整体饲草料面积将发展到633.3万hm2,青贮玉米的种植面积达到166.7万hm2。青贮玉米与普通籽粒玉米相比,往往植株高大,一般能长到2.5～3.5m,茎秆粗壮且关节较多[4],农牧民十分关心青贮机是否具有调质功能。国外的青贮机械以自走式为主,一般具备独立、完善的秸秆调质装置[5],青贮饲料茎秆破损率≥95%,作物全株采食率达到90%以上。国内的青贮设备中悬挂式青贮机占有较大的市场份额[6-7],悬挂式青贮机整体结构上与国外自走式设备存在较大差异,难以直接采用国外成熟技术。国内传统的悬挂式机型一般仅能对物料进行切段加工,不具备破节、裂皮能力,饲料适口性差,品质较低,营养成分不能充分发酵,不易被牲畜消化吸收,饲料利用率低,全株采食率只有50%左右[8]。为此,笔者在前期研究的基础上,以具有代表性的4QG-2型悬挂式青贮机为模型,设计了一种调质装置,并进行了试验研究。

1 结构组成及工作原理

传统的悬挂式青贮机在刀盘周围布置抛送叶片[9-10],不仅使设备具有较好的抛送能力,同时利用抛送叶片与罩壳之间的间隙对青饲料进行挤压、揉搓达到一定的调质效果[11-12],但是调质效果较差,因为抛送叶片与罩壳之间的间隙不能调整,往往造成作业过程中积料堵塞及功率增加。

1.1 结构组成

调质装置主要由揉搓叶片、揉搓板、破壁刀及刀座组成,如图1所示。

1.2 工作原理

物料喂入后,被切碎刀切割成10～40mm的均长料段,物料段在刀盘高速旋转产生的离心力作用下沿刀座滑向刀盘边缘[13-14];滑动过程中,破壁刀及刀座对物料段进行划伤以减少揉搓、挤压阻力;物料段到达刀盘边缘后,由揉搓叶片带动随刀盘一起旋转,旋转过程中受到揉搓叶片和揉搓板之间捻揉作用力,充分挤压、揉搓。

2 调质装置的设计

2.1 揉搓叶片布置形式

揉搓叶片是调质装置的核心部件,相对于刀盘的布置形式可以分为前倾布置、后倾布置和径向布置3种,如图2所示。以揉搓叶片后倾β角布置为例,对物料在揉搓叶片上的受力情况进行分析。

1.刀盘 2.揉搓叶片 3.破壁刀 4.刀座 5.揉搓板 6.罩壳 7.切碎动刀 8.切碎定刀 9.机架

图2 受力分析图

假设位于揉搓叶片上的物料为质点m,其初始速度为0,物料与叶片之间为非弹性碰撞,m随叶片以角速度ω做匀速转动,则m受到离心力为mω2ρ,将离心力分解为mω2ρsina和mω2ρcosa,建立m进入揉搓前的运动微分方程,即

(1)

其中,μ为物料与叶片间的摩擦因数,2mρds/dt为m受到的科氏力分力。

令S=ρsina,r=ρcosa,则

(2)

式(2)的一般解为

(3)

(4)

t=0时,S=S0,ds/dt=0,则

(5)

可得

(6)

代入式(2)可得

其中,S0为m进入揉搓的起始距离。假设μ=1,可简化为

S=(S0+r)(0.85e0.414ωt+0.15e-2.414ωt)-r

(7)

(8)

由式(8)可以看出:恒转速下,物料进入揉搓的速度V随着r的增大而增大,合理增大V值可以使揉搓作业更容易实现,减少积料现象。在叶片的3种布置形式中:叶片后倾时,r>0;叶片前倾时,r<0;叶片径向时,r=0,则有V后>V径

2.2 青贮玉米秸秆承压能力

由胡克定律得

(9)

其中,E为弹性模量,σ为应力,ε为应变。对大量数据曲线进行线性回归分析后[15-16],可得玉米秸秆杨氏弹性模量为

(10)

式中,σmax为最大抗压强度,Fmax为揉搓过程中最大载荷,A为青贮玉米平均截面积。相关试验表明[17-18]:玉米秸秆整秆的抗压弹性模量的平均值为373.58MPa,最大抗压弹性模量为433.13MPa,最大抗压强度的平均值为7.75 MPa。

2.3 主要部件的设计

1)揉搓叶片。将揉搓叶片设计成后倾弧形秸秆段可以顺利进入揉搓叶片与揉搓板之间,减少物料卡塞,图3所示。揉搓叶片的工作面加工成螺纹状,相邻揉搓叶片螺纹加工旋向相反,物料在捻揉过程中,形成了“之”字形曲线,不仅秩序性地延长了揉捻行程,而且通过变向使物料段受到充分挤压,提高了揉搓破碎率及均匀度。

图3 揉搓叶片

2)揉搓板。揉搓板安装在罩壳内侧,通过调节限位螺栓控制其与揉搓叶片的间隙,达到控制揉搓强度及提高对不同种类青饲料适应性的目的,如图4所示。揉搓板工作面设计成金字塔形齿状,依靠多刃边和尖角提高对物料的破碎能力,采用ZG310-570材质,强度高且成本较低。

图4 揉搓板

3)破壁刀及刀座。两个部件的作用都是在物料向刀盘周边运动过程中利用尖角和刃边对秸秆进行划伤,减少揉搓过程中的挤压、揉搓阻力,其结构如图5所示。

图5 破壁刀及刀座

3 试验分析

试验物料选用山东省济南市章丘区农场的乳熟期青贮玉米,平均含水率65%～70%。配套动力为东汽1304双向拖拉机,刀盘主轴转速1 000r/min。

3.1 试验方法

试验主要研究揉搓叶片数量、揉搓板数量及切段长度等3个因素对于秸秆破碎率的影响。揉搓叶片数量分别选用6、3、0片等3个水平;揉搓板选用安装2、1、0块等3个水平;切段长度选用40、25、10mm等3个水平。破碎率计算公式为

(11)

其中,η为破碎率,a为破节、裂皮的秸秆质量,b为试验青贮玉米秸秆总质量。

采用设计L9(34)安排试验,每组试验安排2次,结果取平均值。利用极差分析法综合分析并确定较好的水平组合。

正交试验因素水平表如表1所示。

表1 试验因素水平表

3.2 试验结果及分析

试验方案和结果如表2所示。

表2 试验方案和结果

对试验结果进行极差分析,如表3所示。

表3 极差数据分析表

由极差R值的大小可知:因素的主次排序为B、A、C。其中,切段长度对于揉搓破碎率的影响较小。由于试验需要选择破碎率的大值,因此最优配置为A1B1C2。画出因素-指标图,如图6所示。

图6 因素-指标图

由图6可以看出:因素A揉搓叶片数量由6片减少到3片,破碎率呈下降趋势,从3片减少到0片,破碎率呈明显下降趋势;因素B揉搓板数量从2块减少到1块,破碎率呈下降趋势,B从1块减少到0块,破碎率呈明显下降趋势;因素C切段长度的变化对破碎率影响较小,也可以认为调质装置对于各种切段长度的适应性较好,可以满足多工况、多种切段长度的调质需求。

图7为部分试验实物图片。图7(a)为切段长度25mm、未安装揉搓装置的情况,可以直观看到存在较多未破碎秸秆;图7(b)为切段长度25mm、安装2块揉搓板和6片揉搓叶片的情况,几乎看不到未破碎的秸秆。