作物秸秆压缩集捆关键技术研究进展

2022-09-26郝秋菊

农产品加工 2022年16期

郝秋菊

（山西农业机械发展中心, 山西太原 030002）

0 引言

我国拥有非常丰富的秸秆资源, 从2014年统计年鉴和秸秆产量/经济产量数据得知, 2015年我国以玉米、稻谷的秸秆为主的主要农作物秸秆总产量约有10.46亿t, 占总体的2/3[1-3]。随着农业产业结构调整和国家一系列环保政策的颁布实施, 我国农作物秸秆的综合利用问题得到社会各界的广泛关注和高度重视。

作物秸秆由于其富含多种营养物质, 木质化程度高、燃烧热值高, 这些特质决定了其具有多种利用价值。首先, 秸秆富含牛羊成长所需的多种微量元素, 可作为牲畜的上等饲料或者发酵后成为栽培食用菌的有效基质；其次, 由于木质化程度高, 可将其作为木材的替代品, 用作造纸原料, 制作一次性餐具、人造纤维板等建材原料；第三, 因其高燃烧热值特性可直接充当工业锅炉的燃料, 也可以加工成生物质燃料供给生物质发电厂。

1 国外作物秸秆集捆研究进展

1.1 集捆压缩理论研究

1938年西德学者斯卡维特首次提出草捆的密度和压缩力之间的关系式[4]：

式中：P——压缩力, kg/cm；

γ——压缩后草物料的密度, kg/cm3；

m和c——试验系数。

斯卡维特（Skalweit）提出的压力密度关系式相似于气体多变指数方程式, 以饲草低速压缩为基础条件, 为后续研究饲草料压缩理论打下了根基。后来前西德学者萨哈特（Sachat）提出斯卡维特的关系式只有在压缩力小于200 N/cm2时适用, 而且并没有考虑到饲草湿度在压缩过程中对压缩力的影响[5]。综合考虑湿度后, 萨哈特得出了新的数学模型。

式中：P——压缩力, kg/cm2；

w——物料的湿度, w/d；

γ——压缩后草物料的密度, kg/cm3；

m和c——试验系数。

1959年, 西德学者麦威斯（Mewes）在萨哈特的基础上, 探索初始密度和压缩力的关系后, 提出了新的数学模型[6]：

式中：γ0——压缩草物料的初始密度, kgcm3。

前苏联学者赫拉帕奇发现饲草湿度、压缩过程中活塞的速度及草物料压缩后的密度都对压缩力有重要影响, 关系式如下：

式中：P——压缩力, kg/cm2；

γ——压缩后草物料的密度, kg/cm3；

α——物料湿度系数；

β——压缩过程中的压缩速度系数；

k——草物料的强度系数。

在考虑被压缩的农业纤维的初始密度的基础上, 英国学者法波若德和卡拉凡提出在压缩过程中农业纤维物料压缩力与初始密度的关系式[7]：

式中：P——压缩力, kg/cm2；

γ——压缩后草物料的密度, kg/cm3；

γ0——压缩草物料的初始密度, kg/cm3；

A和b——试验系数。

前苏联学者奥索波夫（Osobov）认为活塞受到的工作阻力大小主要是由饲草的初始密度和压缩后密度决定的[8], 提出：

式中：P——为压缩力, kg/cm2；

γ——压缩后草物料的密度, kg/cm3；

γ0——压缩草物料的初始密度, kg/cm3；

a和c——试验系数。

后来有美国学者莫森宁（Mohsenin N）等人[9]对饲草压缩过程中的应力松弛过程的试验。日本学者主要研究农业纤维物料粉末的模压成型过程[10-12], 美国、英国、加拿大等国的学者主要研究秸秆压块和压饼过程[13-19], 而波兰、德国、前苏联等国学者主要研究牧草及部分作物秸秆的压捆过程[20-26]。国外学者主要是在闭式压缩实验装置中研究草物料压缩过程的流变学特性, 或对单个植物的流变学特性进行试验研究。这些学者的研究并没有将理论研究同草物料实际压缩过程联系在一起, 因此用于指导草物料压缩过程的设计不太适合。必须综合考虑草物料压缩流变学参数, 并结合压缩过程中的参数进行针对性分析, 才能解决压捆机结构庞大、生产率低、动力消耗大、压出的草捆密度低和散捆现象严重等问题, 从而真正解决草物料压缩过程问题, 促进草物料的深度开发利用。

1.2 集捆压缩装备研究

在国外, 美国、印度、乌兹别克斯坦、澳大利亚、俄罗斯等农业比较发达的国家, 其棉柴收获打捆机发展速度较快。这些国家棉花生产相似, 大都是地广人稀, 土地高度集中, 农场规模大, 农牧业生产机械化程度高。目前, 国外棉柴主要有田间粉碎还田和棉柴收获打捆2种处理方式。田间粉碎还田的典型代表是美国, 而俄罗斯等国家则是采用机械设备将棉柴收获后进行打捆, 这些机械设备集棉柴收获、粉碎、打捆于一体, 代表机型为乌兹别克的KV-36A型和KV-4A型。这两种处理棉柴方式的机械设备主要以对行式为主, 按照压缩原理主要分为液压式和机械式。

近年来, 欧美一些发达国家不断优化压捆设备的结构参数, 大大提高可靠性和生产效率, 如凯斯纽荷兰、约翰迪尔、克拉斯等世界著名的生产商, 其生产的压捆机技术装备已很成熟。这些设备不仅融入了一些新的设计理念, 而且运用了最新科研成果, 所以无论在配套动力、液压系统还是机械结构、控制系统设计方面, 都处理得很成功。

2 国内作物秸秆集捆研究进展

2.1 国内集捆压缩理论研究进展

在国内, 郭康权等人[27-28]将秸秆粉粒体放置在密闭圆筒容器内进行压缩试验发现, 不仅模具的锥度、加热温度、压缩力影响工作阻力的大小, 在模具中压缩成型时, 秸秆湿度、原料粒度、粉粒在模具中的流动和填充均匀程度等因素均对工作阻力有影响。吕江南等人[29-30]研究闭式压缩装置内红麻的压缩过程, 发现共有松散阶段压缩、过渡阶段压缩和压紧阶段压缩3个阶段, 并建立了相应的模型。

盛奎川等人[31-32]研究棉杆压缩过程时得出的结论与英国学者法波若德相同。

内蒙古农业大学的杨明韶等人[33-41]研究最与实际工况接近的开式压缩流变学发现, 斯卡维特提出的压力密度关系式仅考虑了一部分饲草的因素, 与压捆机的实际工况差距很大, 已不适合继续指导压捆机的设计。1990年, 杨明韶课题组经过对多种饲草进行试验分析, 并研究揉碎玉米秸秆压缩过程后, 把压捆机压缩过程分为散草堆积、黏弹性变形、塑性变形、滑移和蠕变5个阶段, 提出了开式压缩的数学模型。

王春光等人[42-43]对牧草进行压缩后应力松弛试验研究, 得到了压缩应力、应变与时间的曲线, 在压力松弛试验的基础上, 得出了压缩过程中应力和应变的关系式。

杜健民[44-46]利用KG-350型压缩高密度压捆机对农作物秸秆、新鲜牧草进行压缩研究, 提出了整个压缩过程在实际工况下的力松弛方程。

2.2 稻麦秸秆集捆压缩装备研究进展

刘绿朋[47]研制了自走式小麦秸秆打捆机, 并创新设计了打捆压缩机构、秸秆捡拾割台等关键部件, 使小麦秸秆的收取更加快速高效, 还可将秸秆自动打包成捆, 便于运输和储存。

李建兵等人[48]发明了一种弹齿滚筒式捡拾机构, 可用于稻麦秸秆打捆机, 其主要特点是捡拾秸秆并向后抛送, 并运用Pro/E和Adams软件对该机构进行了仿真分析。

王德福等人[49]按照稻秆青贮收获的要求及试验研究, 改进了圆捆打捆机的打捆室, 采用2组短胶带和6个钢辊组合结构, 并且为了对稻秆进行调质, 在打捆室入口处安装了喷嘴, 从而在捡拾打捆各类稻秆的同时可以喷入液体添加剂。

张致源等人[50]创新性地将利用铰杆的角度效应实现力的二级放大的机械装置串联在传统的曲柄滑块压缩机构中, 设计了一种稻麦秸秆打捆机压缩机构, 该机构结构简单、增力系数大、适应性广, 将该机构串联至打捆机, 不增加成本, 还可显著提高其压缩力。

2.3 牧草集捆压缩装备研究进展

于建国等人[51]采用Simulink进行压捆机压缩机构动态仿真模块在传统的运动及动力分析的基础上, 获得了压捆机压缩机构压捆过程中任意时刻的速度、加速度、维持曲柄匀速转动所需的扭矩和机构之间的作用力, 为设计压缩机构提供了重要的数据。

李林等人[52]以9YFS-2.0型自带传动动力恒频方草捆捡拾压捆机为研究对象, 对该压捆机的输送喂入机构和压缩活塞机构采用Solidworks软件进行三维建模, 并用虚拟样机软件进行了运动仿真分析。

罗金海等人[53]将TRIZ理论引入畜牧业装备领域, 用于方草捆捡拾压捆机喂入装置创新设计, 提出基于不同创新方法的设计过程。针对牧草喂入不足的问题建立功能模型图, 并进行功能分析、原因分析, 确定冲突区域, 运用物场模型和物理冲突、技术进化、裁剪等TRIZ工具进行分析得到4种创新设计方案, 经过对比分析, 采用在喂入口安装挡草爪实现牧草预压缩的创新方案对机具进行改进。

2.4 玉米秸秆集捆压缩装备研究进展

我国的玉米秸秆主要用来粉碎还田和制作青贮饲料。现阶段, 我国玉米青贮收获技术已经比较成熟, 共有牵引式、背负式和自走式3种类型的玉米青贮型收获机。

李明利[54]设计了玉米摘穗秸秆青贮打捆联合作业机, 在现有背负式玉米收获机的基础上增加了秸秆切碎、输送、抛送装置和青贮打捆装置, 能够在摘穗的同时将玉米秸秆粉碎压缩后实时打捆, 并将设计的青贮打捆装置与背负式玉米收获机进行功能集成和技术耦合, 完成了样机的生产试制和田间试验。整机采用组合式配置, 有效提高了机器的利用率。

丛宏斌[55]以卧式玉米收割机割台为基础, 利用秸秆饲草的压缩特性设计了一种组合式压捆装置, 可以实现秸秆压缩一次成型。该装置综合考虑整机结构尺寸、应力松弛时间和草捆大小, 设计有2个压缩室, 左右2个压缩室的横向压缩由双向液压缸完成, 纵向压缩和草捆前移则由另外两个液压缸分别完成。通过三维建模、动画输出及动态检验, 其工作过程可在虚拟环境下展现。

刘双源[56]对打捆机的捆绳机构、割绳机构中的齿轮转动和链传动进行了计算, 根据其工作环境及运行状况, 参照国家标准对传动机构参数的规定, 完成了重要参数的优化。建立了零件的三维模型, 并进行仿真分析。根据主要打捆部件的参数, 运用三维软件Pro/Engineer绘制了打捆机主要部件的零件图, 并对零件进行了装配, 利用软件中的机构模块进行了零件的运动模拟与仿真分析, 为打捆机的优化与改进提供了理论依据。

2.5 棉杆集捆压缩装备研究进展

按棉柴收获原理划分, 目前我国国内的棉柴收获打捆机主要分为铲切式、提拔式和联合作业式。

姚祖玉等人[57]设计了一种打捆装置, 可用于小型自走式履带棉秆收获机, 并通过试验分析压缩频率、牵引滚筒转速、钉齿滚筒转速、锯片转速对打捆总数、成捆率、捆包密度的影响, 得出结论：压缩频率30次/min, 牵引滚筒转速280 r/min, 钉齿滚筒转速270 r/min, 锯片转速1100 r/min为最优打捆参数。

张佳喜等人[58]为了合理有效地利用棉花秸秆, 研制了一种回收率高, 一次作业就可以完成棉秸秆收获及打捆的机具。该机在现有方捆机的基础上对机具关键工作部件进行了优化设计, 机具工作速度≥2 km/h, 秸秆回收率≥95%, 可有效解决棉秆收获打捆的技术难题。

安柱[59]以棉柴收获机构、粉碎机构和压缩机构为研究对象进行了系统分析, 改进了棉柴起拔机构、压缩机构和粉碎机构, 设计了新式圆盘式滚刀, 对圆盘式滚刀进行了结构静力学分析。

2.6 其他秸秆集捆压缩装备研究进展

张翔[60]对芦苇粉碎清杂高密度打捆功能一体机进行了方案设计, 构建机械系统虚拟样机模型, 以多体动力学理论为基础建立了机械系统的刚性模型和刚柔耦合模型, 对关键位置的位移、速度、运动轨迹及受力情况进行了对比分析, 并基于有限元模型开展了打捆机构中关键零部件的模态与谐响应分析, 为设计研发提供参考。

王刚等人[61]参考国内外打捆机的相关机型及研究成果, 针对小型甘蔗叶打捆机关键部件压缩机构进行了初步的设计与分析, 论述了甘蔗叶方捆打捆时的开式压缩原理, 确定了偏置式曲柄滑块式的压缩机构、曲柄连杆长度、压缩频率、喂入量和喂入口长度等主要参数, 为后续小型甘蔗叶方捆打捆机样机的设计与制造奠定基础。

朱建国等人[62]采用虚拟仿真技术, 对灌木打捆机进行3D建模, 通过Adams软件对打捆机进行运动与动力学仿真分析, 检验打捆机在运动过程是否出现干涉现象, 得到其主要零部件相应的运动与动力学变化曲线。分析了打捆机的结构设计与受力强度为整台机器的设计提供依据。

总体而言, 国内秸秆压缩成捆设备方面的研究报道不多, 主要集中在苜蓿、玉米、稻草等作物[63-73]。随着畜牧市场对各种草捆需求量的增加, 国内相关院校、科研院所及部分企业开始研制生产压捆机, 并取得一定进展, 并且一些厂家已经在生产各式各样的的压捆机, 如中国农业科学院研制的DK-180型红麻茎秆打捆机、北京现代农装科技股份有限公司生产的CK2000型饲草压捆机等。