南方林下饲用植物压块机的研制

陈 斌 ，罗迎社 ，罗树凌 ，冯 燕

（中南林业科技大学 a.机电工程学院； b. 流变力学与材料工程研究所；c. 商学院，湖南 长沙 410004）

南方林下饲用植物压块机的研制

陈 斌a，罗迎社b，罗树凌c，冯 燕b

（中南林业科技大学 a.机电工程学院； b. 流变力学与材料工程研究所；c. 商学院，湖南 长沙 410004）

简要阐述了林下经济产业的分类、林下饲草的发展意义、饲用植物压具的国内外研究现状；在此基础上，重点介绍了南方林下饲用植物压块机的研制，表明本压块机适用于南方丘陵地带，采用双气缸施压，运行平稳，能保障压料质量，箱体有恒温系统控制；加工的饲料具有糊香味，动物喜食。同时展望了压块机的应用价值及林下经济发展前景。

林下植物；饲用植物；压块机；研制；南方丘陵地带

近年来，随着我国国民经济的快速发展和社会进步，南方农林机械行业同样进入一个快速发展与创新研发时期，如李立君教授[1]针对油茶果的物理属性，结合油茶果的采摘过程，确定了油茶果采摘机物料收集方式。田莉等[2]对芦苇收割装备进行了研究探讨，拟研制开发的芦苇机械化生产将带来巨大的经济效益，其市场及产业化发展前景广阔。与此同时中国南方的林下经济产业也取得了蓬勃的发展，向社会提供着源源不断的绿色林产品和生态产品。作为又一中国特色的经济发展模式，林下经济主要有林下养殖和林下种植两种模式。林下养殖的形式主要有3种：林—禽模式，在林下养鸡、鸭、鹅、鸟等禽类；林—畜模式，在林下放养猪、牛、羊、兔等家畜；林—蜂模式，利用林木放养蜜蜂，发展蜂业。林下种植的形式有：林—草模式，在林下套种多花黑牧草、紫花苜蓿等耐荫性牧草；林—菌模式，林下培植香菇、蘑菇、灵芝等菌类；林—花模式，在林下种植耐荫性的花卉和观赏植物，如金花茶、罗汉松；林—药模式，在林下种植药用植物，如金银花、铁皮石槲、鸡血藤等[3]。

具体说来，林下经济一步棋，盘活万重山。针对南方地处丘陵、四季分明的地理、气候特点，使南方林下空间得到更充分的发挥，经济效益得到最大的发展，本研究着重研究林下饲用植物的开发利用，是属于我国南方林下开发中较少的一块，而且采用了饲用灌木与高大乔木套种技术及饲用牧草与小乔木套种技术的综合利用，这种林、灌、草的综合开发，在节省空间资源的同时也提出了一种新的种植模式。而且林下饲用植物种植模式能改变盐渍化土壤的化学性质，通过林草根系的新陈代谢及死根的腐蚀作用，使土壤有机质增加[4-5]，在保护和治理环境的同时增加经济效益。

随着林下经济的不断发展及饲草饲料需求量的逐年增加，大量饲草饲料的供给可通过林下饲用植物的开发利用来解决。试验结果表明，牧草经温热加工压块后可产生一定的糊香味，可大大提高动物的采食率。如能利用专门的压制设备，把散装堆放的饲草变成可以长途运输、长期贮存的全天候饲料产品，实现饲料产品的商品化生产和异地消化利用，甚至出口创汇，使饲用植物增值、农民增收，形成工厂化大规模饲料产业化生产模式的同时，有利于水土保持等生态文明建设，在农村和城郊将会有广阔的推广应用前景[6]。

1 饲用植物压具的国内外研究现状

国外同类机器的研究起步早，以及在技术、经济等方面的优势，已经形成了较完善的技术体系。国外在饲料压块成型生产方面都作了大量研究，如美国、荷兰、瑞典的饲料压块的生产都实现了工厂化或产业化。原料从收集、粉碎、干燥、成型、包装、销售全部实现了生产线生产，但是这些机器大都是联合性很强、功率比较大、能量消耗较多的设备，适合欧美国家劳动力少、人均占有耕地多且地势较为平坦、集约化生产规模大的国情，而不太适合于我国南方丘陵地带、潮湿多雨气候和目前集约化生产规模相对较小的国情。

在国内一些地区，特别是北方平原地区，饲用植物压块技术有了一定的发展。市场上推出的饲料压块机从原理上可总结为挤压式环模压块机、平模压块机、压缩式压块机等几种。但这些设备得到的压块都是高密度块，并且在技术上还不尽成熟，存在产品质量较低、可靠性较差等这样或那样的不足[7]，且在南方鲜有大面积推广应用。

现有的林下饲用植物压块机，其箱体保温效果差，且采用单主动气缸施压机构，压力施加不均匀，造成压料质量低，而且机械整体运行不平稳。另外，现有的挤压式林下饲用植物压块机采用人工开启箱体的前端盖出料，操作麻烦，且效率低，自动化程度低。因此 ，有必要设计一套新型的南方林下饲用植物压块机。

2 南方林下饲用植物压制设备的设计

从实际出发，饲用植物的收集问题是限制其发展的一个重要因素。至今为止，我国南方林—草产业远未达到应有的水平和满足市场需求，导致林下饲用植物的产量有限，为了配合一些大型饲料成型设备的生产，就需要在很大的收获区域内收集饲用植物，从而导致远距离运输。加之饲用植物密度小，体积大而松散，运输的生产率无法提高，其收集的成本自然就高。

本文中所设计的饲用植物压块机，本着成本低、能耗少、简单轻便、易于操作的思路，设计了适用于普通农户家庭的饲用植物压块设备。

2.1 压制设备的工作基本原理

本设计饲用植物压块机的主要工作原理是把已经收割、经过初步烘干处理、水分为30%以下的饲用植物放入挤压室并加温，通过气缸的挤压作用，粘结成块，保证一定的压缩比，使饲用植物压缩成相对密实的饲料块，便于储存、运输和使用。

压块成型过程如图1所示，大概分为四个阶段：第一阶段，打开滑门上盖，把饲用植物喂入压缩室后关闭滑门，将温控装置打开使压缩室的温度预热到90℃左右[8]；第二阶段，保持卸料板不动，通过两个主动气缸驱动推料板前进，将箱体内的原料压缩成设定厚度的压块，然后再保压约1 min；第三阶段，发热管停止加热，并使出料装置的被动气缸驱动卸料板回退，主动气缸驱动推料板继续前进直至将压块推出箱体，完成当次压料；第四阶段，把一定规格的饲料块包装储存，以备运送。

图1 压块机成型流程Fig.1 The process fl owsheet of briquetting machine

2.2 压制设备的设计概述

考虑到南方林下饲用植物的普遍性，主要针对南方常见的红薯藤、玉米草、黑麦草、紫花苜蓿等饲用植物来开发设计压制设备。本设计的林下饲用植物压块机，其箱体的滑门、隔热底板和2块隔热侧板均为隔热板，隔热效果良好，而且顶盖为滑门，操作方便。施压装置采用双主动气缸施压机构，压力施加平稳均匀，能保障压料质量。出料装置采用电控被动气缸出料模式，被动气缸与主动气缸协同动作，出料效率高，且结构简单，易于实施。而且饲用植物压块机还具有恒温控制系统以及压力监控系统，因而安全性高，且压块质量好。

林下饲用植物压块机机体部分包括机架、箱体、施压装置、出料装置和气源。施压装置和出料装置分别设置在箱体的两端，箱体的结构示意如图2所示。

图2 压块机总装Fig.2 Structure drawing of briquetting machine

2.2.1 箱体部件设计

笔者将最佳的压缩比定为1∶10。预期压块的尺寸为600 mm×600 mm×100 mm，这样大小的压块方便运输与储存，所以箱体工作的最大容积为600 mm×600 mm×1 000 mm。工作室前、后及底面三面安装发热管，两端及上端滑门则未安装。发热管由温控装置控制，使箱体温度在最短的时间内达到90℃，便于压缩，而且压缩的饲料具有糊香味，提高动物食用的口感。箱体各面装隔热棉和隔热板，尽量防止热量散失的同时避免工作人员烫伤。箱体部件的示意如图3所示。

2.2.2 施压装置设计

由于饲料的压制过程中会产生粉尘，工作环境差，为了保证传动系统的安全可靠，而且尽可能地节约成本，选择气压传动。根据前期压缩实验，由于主动气缸的压缩行程为1 000 mm，选取80×1 000的主动气缸，单个使用空气压力为0.6 MPa。两个主动气缸并排排列以保持压力施加平稳均匀，能保障压料质量。

如图4所示，施压装置包括推料板和驱动该推料板的两套主动气缸，推料板的尺寸与箱体后端的推料口的尺寸适配；主动气缸的缸体通过主动气缸连接板固定在主动气缸固定板上；两套主动气缸的活塞杆的外端部均与推料板相连。

图 4 施压装置部件Fig.4 Components of pressing device

2.2.3 出料装置设计

为保持力平衡，选取125×300的被动气缸出料，出料装置结构如图5所示。被动气缸的缸体通过被动气缸连接板安装在被动气缸固定板上，被动气缸的活塞杆端部与卸料板连接，卸料板的尺寸与林下饲用植物压块机的箱体的卸料口尺寸适配，被动气缸固定板固定在机架上。

图5 出料装置部件Fig.5 Component of discharge device

压块机工作时，主动气缸带动推料板将填满的物料压缩，达到1∶10的压缩比。此时，被动气缸带动卸料板后退，主动气缸继续前进，将压缩好的饲料块完整地推出，完成后两气缸同时复位，完成一个周期的压缩过程。

2.3 控制系统

本压块机设备将饲用植物压缩成块状，在加压的同时要加热，并要求气缸可手动调节速度和自动推进尺寸，可显示数据，电控柜独立。其主要特点如下：①压紧快捷平稳，同步联动性能好，自锁性能稳定，安全可靠，实用性强。②具有高可靠性，配有气压力开关，气压低于设定值时锁定并报警。③电控系统采用可编程控制器+显示屏+编码器测量定位，各项运行动态参数都可以显示在屏幕上。④采用可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)控制压块机，整个电路简单可靠，提高方便性和可靠性，从而降低故障率，技术先进，成本低，能够满足农户的需求，可以加快农业的现代化进程[9]。⑤温控系统采用温控器控温。

控制系统原理如图6所示。压力传感器用于检测箱体内的气压，若气压低于最低设定值0.6 MPa时，启动报警。显示屏用于实时显示各项参数；采用PLC控制，结构简单，可靠性高，按键用于设置参数，如压力参数、温度参数及气缸行程等。温度传感器用于检测箱体内的温度，与PLC和加热管形成闭环温控系统。

图6 控制系统原理Fig.6 of control system

3 结束语

充分利用林下的土地和空间开发利用林下饲用植物，构建了稳定的生态系统，提高了林业的综合利用价值，并带动了相关产业的研究与发展[10]。本压制设备针对林下饲用植物的开发利用，适用于我国南方的丘林地带。机器施压均匀，整体运行平稳，而且采用上端放料、前端出料的方式，操作方便。设备的自动控温装置更使得生产出的产品具有糊香味，动物喜食的同时可以长时间存放，生产出的饲料块便于储存与运输。

南方林下饲用植物的开发利用关键技术研究尚处于初期阶段，其压块机研制还有待经过实际应用不断地改进与完善，以便更好地顺应市场，带动产业化发展，产生巨大的经济效益。

[1] 高自成,李立君,刘 浩. 油茶果采摘机物料收集装置的选型研究与设计[J].中南林业科技大学学报,2011,31(10):168-170.

[2] 田 莉，袁茂强. 南方高杆芦苇收割装备的适应性设计与探讨[J].中南林业科技大学学报，2011，31(11)：153-156.

[3] 刘新波. 发展林下经济的几种模式[J].林业科技情报，2007,39(2)：18-19.

[4] 魏忠平，潘文利. 林草生态模式改良盐碱土的效果研究[J].中南林业科技大学学报，2012，32(10):100-104.

[5] Cramer G R. Displacement of Ca2+and Na+form the plasma lemma of root cells [J]. Plant Physiol., 1985, (79):207-211.

[6] 宋中界.秸秆饲料压块机及相关配套部件的设计与实验研究[D].郑州：河南农业大学，2009.

[7] 赵晨亮. 饲料压块机发展之我见[J].粮食与饲料工业，2002,(06)：11.

[8] 侯振东,田潇瑜,徐 杨. 秸秆固化成型工艺对成型块品质的影响[J].农业机械学报，2010,41(5)：86-89.

[9] 刘 轩，王丽伟.畜牧草压缩机的PLC控制 [J]. 牡丹江大学学报，2007，16(7)：78-79.

[10] 廖小华. 林下经济发展浅议[J].中国林业，2011,(16):34-35.

Development of briquetting machine for understory forage plants in South China

CHEN Bina, LUO Ying-sheb, LUO Shu-lingc, FENG Yanb
(a. Mechanical and Electrical Engineering; b. Institute of Rheological Mechanics and Material Engineering; c. School of Business,Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The classif i cation of the understory industries, the developing signif i cance of the understory forage plants and the researching status quo at home and aboard on forage plants briquetting machine are introduced brief l y. On this basis, the development of briquetting machine for understory forage plants in the southern hilly region is introduced emphatically. The pressure is steadily applied with two cylinders, the feed quality can be guaranteed perfectly and the constant temperature system is installed in the box, the fi nished feed with paste fl avor, so livestock like to eat. At the same time, the developing prospects of the briquetting machine and understory economy are also well expected.

understory; forage plants; briquetting machine; development; southern hilly region

S776.27+2

A

1673-923X(2013)05-0132-04

2012-11-12

国家林业公益性行业科研专项（项目编号：201204610）

陈 斌（1987-），女，湖南澧县人，硕士研究生，主要从事现代农业技术与装备、农产品流变性能研究；

E-mail:307026228@qq.com；手机：15116382930

罗迎社（1954-），男，湖南长沙人，教授，博士，博士生导师，主要研究领域：流变力学、材料加工工程、变形体的热－力学响应与耦合效应；E-mail：lys0258@sina.com

[本文编校：谢荣秀]