青贮玉米籽粒破碎及抛料技术研究概况

梁宇凯， 李晓康， 孙 伟，3， 侯晶涛， 潘伟阳， 李向阳

(1.甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省机械科学研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730030；3.甘肃省草地农业机械重点实验室，甘肃 兰州 730000)

近年来，我国持续推进“粮改饲”试点工作，其中青贮玉米成为主要推广种植的农作物。青贮玉米含有丰富的粗蛋白质、脂肪、糖1类和其他营养物质[1]，可以有效地提高奶牛乳蛋白率和产奶量、肉牛及肉羊的生产性能，是青贮饲料的优质原材料。玉米等作物的秸秆若不经过任何处理就直接饲喂动物的话，适口性较差，并且秸秆的营养成分不能得到充分的吸收，因此破碎质量就会显得尤其重要。

随着经济的发展和农民生活水平的提高，玉米青贮饲料的需求也随之增大[2]。评价青贮收获机的一项重要指标就是在工作过程中对作物的粉碎程度。但是对于国内玉米青贮饲料产业来说，与国外相比起步晚[3]，而且与之配套的机具不完善，需要研究人员作进一步的改进。籽粒破碎装置对全株青贮玉米饲料品质的提升有重要的作用，同时籽粒破碎也是全株青贮玉米产业发展的关键技术之一，是当前青贮加工机具必不可缺的一部分。因此，对于目前国内的现状来说，想要发展青贮玉米产业，提升青贮玉米饲料品质，研究设计出更高效、可靠的青贮玉米籽粒破碎装置具有重要意义[4]。

1 青贮玉米籽粒破碎技术现状

1.1 籽粒破碎技术的工作原理和分类

随着我国经济的快速增长和普通农户生活质量的不断提高，青贮饲料收获机在我国多行业逐渐得到了普遍地运用。因各行业要求的破碎技术标准不同，该装置也存在不同的种类，常见的结构有冲击式、对辊式、旋回式等。现在，我国农户大多数是使用对辊式结构的青贮饲料收获机，对辊式装置有较好的工作特性，能够在作业过程中提高物料的通过率[5]。

1.1.1 工作原理

对籽粒来说，其破碎程度绝大部分取决于破碎技术的性能，因此籽粒破碎装置在青贮机中起着关键性的作用。在收获机的工作过程中，首先玉米秸秆被最前端的割台割断，喂入装置卷入后送入后面的切碎装置对玉米秸秆进行刀切，随后进入破碎装置进行粉碎，最后粉碎秸秆由风机沿抛送筒壁抛出。其中，破碎装置采用的结构是对辊式，该装置是由转速不同，转向相反，可强行卷入物料的两个破碎辊组成，物料在两辊的细小间隙间得到充分摩擦，以此来实现粉碎[6]。

1.1.2 分类

目前，国内外青贮机上多采用沟槽式和齿盘式的对辊式破碎装置[7]。

沟槽式破碎辊如图1所示。两平行放置的破碎辊表面存在均匀分布的浅槽，在工作过程中，两破碎辊的直线型空隙可视物料量的情况适当的增大，两辊转速相差30%左右，转向相反，该结构对玉米秸秆的摩擦性能可随两个破碎辊的转速差值大小而改变[8]。想提高摩擦效率，也可通过增加破碎辊直径的方法增大摩擦面积。在提高籽粒粉碎效率的同时，破碎装置也会受到玉米秸秆的磨损，效率越高，磨损越严重，装置的使用寿命也随之大大地降低[9]。

图1 沟槽式破碎辊

按截面形状可将沟槽式破碎辊分为两种结构，分别是锯齿形和三角形[10]。截面形状如图2所示。齿形不同，适用的场合也不同。齿形为三角形的破碎辊更适用于收获乳熟期时的玉米，因为若用锯齿形对小直径籽粒进行破碎，不能达到理想的破碎效果，但是其优势是具有相对简易的加工制造工艺。而在籽粒直径较小的情况下，锯齿形截面的破碎辊相对于三角形截面的破碎辊来说粉碎效率较高[11]。锯齿形沟槽破碎辊因有着较高的破碎效率，以及在国内农业收获机械的高适用性等特点而得到大众农户的青睐，使得锯齿形破碎辊的应用远远超过三角形破碎辊的应用。

图2 截面形状

在沟槽式破碎辊中，沿辊面轴向方向加工螺旋槽，可以有效提高物料的通过性和籽粒的破碎效果。旋向相同的两个螺旋槽破碎辊可以将切碎后的玉米秸秆沿切向卷入两辊间隙，在两辊工作过程中，秸秆也受到螺旋槽轴向摩擦[12]，从而使通过性和破碎效果得到进一步的提升。

齿盘式破碎辊的结构是由多组对置的两个为一组的锥形刀盘经两根并排安装的破碎辊串联而得到。依据刀齿形状的不同，可将破碎辊主要分为斜面齿和沟槽齿[13]。

结构为齿盘式的破碎辊比沟槽式破碎辊的工作性能更强，两个平行安装的破碎辊形成V型摩擦间隙，增大了两辊与物料的摩擦面积，并且在其工作过程中，籽粒的破碎效果更佳，在切断长度较长、喂入量较大的情况下，能够有效满足籽粒的破碎要求[14]。

斜面齿破碎辊刀盘面上沿径向均匀分布着密集的带切削刃的斜面刃齿，其工作槽是由相邻刀齿间隙构成。因其有较大的加工难度，且热处理变形也较严重，所以尚未在国内得到较多应用[15]。

1.2 国外籽粒破碎技术现状

国外一些发达国家对农作物机械化处理的起步较早，技术相对来说也比较成熟。牧草种植产业在国外得到充分地发展，国外多数农场将牧草用于青贮，以此来达到草畜平衡，而我国则多数是利用玉米秸秆，将其进行粉碎来饲养牲畜。国外对于秸秆的处理方式是大多秸秆被破碎还田，只有较少部分用来养殖畜牧[16]。针对国外现状来说，生产者在秸秆养畜方面没有迫切需求，这也就造成了国外学者对于籽粒破碎装置方面的理论和技术研究都甚少[17]。 在国外大功率、高效率的青贮饲料收获机上应用籽粒破碎装置，极大满足了收获青贮饲料的技术要求，并且适用于农场式生产，使得近几年籽粒破碎的技术和理论有了较快的发展[18]。

纽荷兰FR9000系列的青贮收获机产于意大利，在该收获机的作业过程中，秸秆的切断长度是由HYDROLOC喂入滚筒驱动系统来控制调节的。该机型具有较宽大的秸秆处理装置，滚筒带有锯齿且直径大，割幅大，有效摩擦面积较大，秸秆粉碎效率高，可以得到满意的效果。尤其在喂入量且割幅较大时，在作业过程中，不仅能够确保物料粉碎的均匀性，而且物料的破碎率也可达90%以上。

美国约翰迪尔7450青贮收获机中的破碎装置，在工作过程中，玉米秸秆及籽粒的破碎率可以达到95%左右。德国的克拉斯JAGUAR800型青贮饲料收获机，有性能极其优越的发动机，能够进行多档变速，籽粒破碎率能达到90%～97%[19]。

美国的约翰迪尔7000和8000系列的青贮饲料收获机安装有辊式破碎器，使用方便且易于工作人员进行维修和替换，这就在一定程度上，提升了工作效率。同时在克拉斯JAGUAR800系列上也装有此类的破碎装置[20]。

尽管国外青贮饲料收获机的性能、技术以及破碎效果都强于国内的收获机，但是国外的青贮饲料收获机价格昂贵，我国的普通农户没有经济能力支付昂贵的机器，因此不适合我国农户的生活生产[21]。

1.3 国内籽粒破碎技术现状

近年来，随着农民生活水平的提高，青贮饲料收获机在国内得到了一定的推广，同时籽粒破碎技术也得到了广泛的应用。破碎技术的应用提高了籽粒破碎率，促进了青贮饲料的适口性及牲畜的消化吸收[22]。但是，对于国内的青贮饲料收获机械研发来说，相比国外对青贮收获机械的研发，起步较晚，许多厂家仍然在初步研发阶段。

尽管我国仿制和研究了国外的籽粒破碎装置，但并没有掌握其中的核心技术。而且普通农民用户也负担不起昂贵的进口机械，因此青贮饲料收获机在国内还未得到广泛应用。虽然我国的青贮饲料收获机可以将玉米秸秆粉碎且可以达到喂养牲畜的效果，但是仍然与国外的产品在工艺、机理、材料等方面存在很大差距，其中突出问题就是故障率高及破碎性能不足，仍无法满足畜牧业对优质饲料的需求。因此，我国应参考并研究国外先进技术，设计开发出性能好、质量高、价格合理的优质产品[23]。

2 抛送装置研究现状

目前，我国各类农机中的抛送装置多应用叶片式抛送装置，该装置工作可靠、制造成本低且结构简单，在收获机、揉碎机、切碎机等农机中都有广泛的应用[24]。喂料方向不同，抛送装置喂入方向也不同，可分为3个方向，分别是轴向、径向和切向。在青贮机中经常采用轴向喂入式抛送装置。目前叶片式抛送装置也存在一些问题，主要表现为功耗大、排料难。该装置主要通过叶轮的高速旋转来抛送物料，物料能否被顺利抛出，主要是受叶轮高速旋转时所产生的气流影响[25]。

2.1 叶片式抛送装置工作原理

叶片式抛送装置主要由5部分组成，分别为抛送叶轮(多数由4个抛送叶片组成)、抛送外壳、出料直管、偏转弯管、抛送叶轮轴等组成[26]。

在叶片式抛送装置中对物料的运动可以分为3个阶段。第一阶段是叶轮高速旋转将物料抛扔的过程。在此阶段，气流受到的离心力远远小于物料受到的离心力，所以对物料来说，气流无法对物料抛出的过程产生影响，所以这个阶段物料所需的能量主要由高速旋转的叶轮提供。第二阶段为抛送叶片将物料抛出后，物料进入出料直管阶段。物料在获得高速旋转的叶片提供的能量的过程中，同时还有出料直管段的气流获得的能量协助输送物料。第三阶段为物料离开出料直管进入偏转弯管阶段，物料在抛送的过程中与弯管的外弧壁碰撞，然后在离心力作用下与气流分离，沿外弧壁滑移一直到离开[27]。

2.2 国外抛送装置研究现状

国内外许多研究人员，为了解决抛送叶片运动过程中存在的问题，做了大量的研究工作。

1966年，基于前辈建立的动力学模型，美国学者Totten Millier对秸秆切段在固定式抛送装置中沿径向叶片及出料直管的运动和工作中所消耗的功率进行了研究[28]。

1991年，美国学者Shinners KJ.等人，为了更有效地降低切割抛送一体的牧草收获机在工作过程中的功耗，他们将润滑剂喷洒在叶片上，利用抛送叶片向上旋转切割的方式来达到降低功耗的效果。1994年，诸多学者对其装置的抛送距离进行了研究。

1999年，印度学者Chattopadhyay和Pandey通过分析甩刀式牧草收获机的工作过程，研究了甩刀和操作参数对功耗的影响。经总结得出了以下结论：随切割速度的增加，切割能耗减小，但总能耗增大。

2001年，两位印度学者对该收获机在工作过程中，可能对物料抛送产生影响的因素做了进一步分析。主要对刀尖速度和甩刀的结构参数进行了研究。结果表明高速旋转的甩刀产生的气流难以将切碎物料输送出去，需借助甩刀高速旋转时气流获得的动能来辅助输送物料。

2004年，新加坡学者Lee Lai Yeng等借助FLUENT6.0软件模拟了颗粒物料经过弯管时的气流[29]。

2.3 国内抛送装置研究现状

1994年，浙江农业大学的朱松明和北京农业工程大学的吴春江通过对径向叶片式抛送装置的试验分析，得到了该装置对于功率消耗的理论计算式，进一步计算了工作过程中的理论抛送效率。

2002年，吉林农业机械研究院的贾洪雷和吉林大学的马成林对玉米秸秆切碎抛送装置进行了研究分析，对切碎段建立了运动微分方程[30]。

2004年，西北工业大学的田彬等运用计算流体动力学CFD技术，模拟了轴流通风机内部三维粘性流场。通过进一步的数值分析，对风机内部的性能参数及流动规律和细节有了一定的了解和掌握。提高效率、降低噪音，改进设计等方法，都能对轴流通风机的性能产生一定的影响。数值模拟结果对该项研究的进一步分析和发展提供了重要的理论依据和方向[31]。

2006年黑龙江省畜牧机械化研究所的张海琨针对揉搓机的抛料过程进行了试验研究。张海琨对该装置的主要工作参数通过理论与试验结合的方法进行了一系列研究分析。在研究过程中，对物料的运动状态进行了分析，并对抛送叶板的速度建立了数学模型，同时研究了抛料简结构对抛送过程的影响。

2007年，辽宁工程技术大学机械工程学院毛君等人对轴流通风机的内部流场变化情况进行数值模拟分析。通过运用FLUENT软件进行模拟，可以得到叶轮内部的复杂流动最真实的反映，为今后叶轮机械的不断改进和发展提供了真实可靠的理论依据[32]。

3 青贮玉米籽粒破碎及抛料技术发展趋势

3.1 籽粒破碎技术

籽粒破碎装置是青贮饲料收获机的核心部件，提高该技术对青贮机的发展有重要意义。基于目前对青贮饲料收获机的了解，籽粒破碎技术存在以下发展趋势：

(1)进一步深化对籽粒破碎机理的研究。虽然我国实现了籽粒破碎技术的应用，但与国外技术相比仍有差距。因此，应当深化对籽粒破碎理论的研究[33]。

(2)向高适应、低功耗方向发展。随着经济的发展和人们生活水平的提高，人们逐步提高了对青贮饲料收获机适应性及工作效率的要求，因此降低机器功耗，提高适应性成为国内青贮机发展的必然趋势，籽粒破碎技术也必将随之提升[34-36]。

(3)优化加工工艺及表面处理工艺。籽粒破碎装置处在恶劣的环境下工作，这就需要耐磨性高的破碎辊。国外的籽粒破碎装置为了提高破碎辊的耐磨性和使用寿命，采用了耐磨涂层。因此，我国也应该在此方面投入精力，进行深入研究[37]。

3.2 抛送装置

迄今为止，许多国内外的研究人员通过不断对抛送装置机理进行理论研究，以及对装置的设计逐步进行改进，取得了极大的进展，但仍有需要进一步改善的地方。因此，针对目前装置中存在的主要问题，给出了抛送装置在今后的发展方向：

(1)降低叶片式抛送装置的功耗，对此相关参数进行优化分析；

(2)增加抛送距离，将叶片式抛送装置中的物料运动规律与气流流场基本特征结合起来进行深层讨论分析[38]。

4 展望

籽粒破碎装置是青贮饲料收获机的核心部件，该装置对提高青贮饲料的品质有着极其重要的意义。通过对籽粒破碎装置工作原理的了解，掌握其中的结构和机理，使我们清楚地认识到加强籽粒破碎装置的理论研究和技术应用的重要性。同时，通过了解国内外籽粒破碎装置的现状，我们认识到了国内技术与国外的差距所在，这也为国内的籽粒破碎装置在今后的研究道路上指明了方向。

目前，青贮饲料收获机在国内逐步得到广泛的应用，机械化处理农作物极大程度上减轻了农民的劳动。国内设计的青贮机中籽粒破碎装置完成了对玉米籽粒的破碎，但技术水平与国外技术相比还存在很大差距。同时，对于叶片式抛料装置来说，也应针对目前存在的问题进行进一步的理论分析和技术改进[39]。

为了加快国内收获技术的发展，提高我国自主研发能力，提出以下建议及展望：

(1)积极吸取国外的设计经验与技术手段，通过对其技术的分析结合我国国情进行创新和改进。

(2)加强对籽粒破碎和抛料装置的机械原理分析，对目前尚未解决的问题，提出新的想法和思路。

(3)努力提高自主创新能力，在提高机械工作效率及可靠性的同时，也要考虑到机械的安全性能和生产成本，制造适合我国国情和生产条件的收获机。同时政府更要积极推动行业内部良性发展，促进我国农业机械化进程，为我国生态农业开创良好的开端。