秸秆粉碎技术及设备的研究*

□杨涛孙付春黄尔宇吴昌明

/1.成都大学机械工程学院2.德国卡尔斯鲁厄理工大学

秸秆粉碎技术及设备的研究*

□杨涛1孙付春1黄尔宇2吴昌明1

/1.成都大学机械工程学院2.德国卡尔斯鲁厄理工大学

随着农作物秸秆综合利用的不断推进和秸秆资源的不断开发，秸秆粉碎已成为其综合利用的瓶颈。论文总结了现有的秸秆粉碎技术与工艺，分析概述了秸秆粉碎设备研究现状，找出了秸秆粉碎技术发展的关键问题，提出了我国秸秆粉碎设备发展方向及趋势。

秸秆；粉碎技术；设备

0 引言

随着农村能源结构的改善、农民生活水平的提高，加之农作物秸秆的整理、收集以及运输成本难以控制等因素，导致秸秆综合利用经济性差、商品化和产业化程度低。大量的秸秆被遗弃或就地焚烧，对土壤和空气环境造成了较大的污染。农作物秸秆是一种极其重要的生物质资源，我国主要将其应用于转化或生产有机肥、牲畜饲料、食用菌培养基料、燃料以及工业原料等[1]。粉碎工艺是秸秆综合利用过程中的关键环节，不同的应用方式对秸秆粉碎粒度的要求不同。

我国的秸秆粉碎技术起步较早、相对比较成熟，粉碎方式与设备也是多种多样。但现有的粉碎设备依然存在着做工粗糙、产品质量与生产安全性差、能耗高、出料粒度大等问题[2]。优化现有秸秆粉碎设备，为农业生产废弃物的综合利用、耕地土壤保护和生态环境保护奠定了基础，从而进一步形成秸秆综合利用生态链产业。

1 秸秆粉碎工艺研究

1.1 粉碎理论

粉碎就是借助机械力来克服固体物料内部凝聚力并使其发生断裂的一种工艺[3]。选择粉碎工艺的主要依据是其自身的物理特性，包含抗剪强度、弹性模量、刚性模量等机械特性以及脆性、硬度、强度、易碎性等力学特性。对于一种具体的秸秆，主要依据它的强度和易碎性来选择合适的粉碎工艺。比如硬度大、韧性差的物料（如干树枝、枝桠材等），适合采用撞击、挤压等粉碎工艺；硬度小、韧性好的物料（如稻草、青草），适合采用铡切、揉搓等粉碎工艺。选择合适的粉碎方法，有助于提高设备的工作效率、降低能耗。

1.2 粉碎技术

目前，我国的秸秆粉碎技术主要有铡切、击打、揉切等。

1.2.1 铡切

切割方式根据刀片相对刀刃线运动方向的不同分为砍切和滑切[4]。刀片沿刀刃线垂直方向运动就是砍切；刀片沿与刀刃线不垂直的方向运动就是滑切。如图1所示，AB为刀片的刀刃线，假设刀片以速度v竖直向下运动，在物料接触的切割点M处沿刀刃线方向和垂直刀刃线方向分解为滑切速度v1和砍切速度v2，则速度v与v2的夹角就是滑切角τ。在切碎器设计过程中滑切角通常取20°～60°，这样能够充分利用刀具的滑切性能以达到降低设备能耗的目的[5]。

铡切式粉碎技术根据动刀片的切割方式分为圆盘式和滚筒式[5]。如图2所示，圆盘式粉碎技术原理是在一个圆盘上均布有3～4把动刀片，物料由一侧沿轴向进入，并在高速旋转的动刀配合固定安装的定刀产生的剪切作用下将其切成段状。

图1 刀片滑切示意图

图2 盘刀式粉碎示意图

滚筒式粉碎技术，如图3所示。在一个圆柱形或近似圆柱形的滚筒上均布有2～6把滚刀片，物料由垂直滚筒方向进入，此后，在高速旋转的动刀以及下方的定刀共同作用下被切碎。此类切碎器的滑切角沿滚筒长度方向变化，一般500mm长的滚筒两端的滑切角相差2倍左右[6]。只有滚刀刃线是对数螺旋线时才能够保证切割过程中滑切角不变。也就是说，切割过程中切割力与切割阻力矩均能保持不变[7]。但因加工制作成本较高，应用较少。

常见的滚刀类型有平板式、直刃式以及螺旋式，为了保证切碎过程平稳，滚刀的滑切角与推挤角一般取值较小，故该技术常用于小型铡草机[8]。

1.2.2 击碎

击碎技术是通过旋转的锤片对物料的击打、碰撞等作用使其发生断裂而体积减小的一项粉碎技术[9]。一般情况下，锤片按一定规律相互错开地沿轴向排列在锤片架上构成转子[10]。如图4所示，在机体下方装有筛网，通过更换不同筛孔直径的筛网来调整出料粒度。由于高湿物料容易导致筛孔堵塞，使设备不能正常工作。因此，该技术通常用于含水量较低的干秸秆粉碎。

图3 滚筒式粉碎示意图

图4 锤片粉碎示意图

1.2.3 揉搓

秸秆揉搓技术是在锤片式击打技术上发展而来的。如图5所示，通常情况下，将筛网替换为齿板，物料由风机或叶片抛出。这样增加了物料与齿板搓擦的机会以及物料相互间的碰撞作用，使得物料受到冲击、碰撞和搓擦等手段的综合作用[11,12]。

图5 揉搓式粉碎示意图

2 秸秆粉碎设备研究

目前我国秸秆粉碎设备主要类型有铡切式粉碎设备、锤片式粉碎设备、揉切式粉碎设备与组合式粉碎设备。

2.1 铡切式粉碎设备

铡切式粉碎设备按粉碎技术的差异可细分为圆盘式粉碎设备和滚筒式粉碎设备。

圆盘式粉碎设备一般由电动机、传动机构、喂入机构、切碎器与出料机构组成[13]。其中，切碎器均布有3～4片刀片组成一个圆盘，这种切碎器滑切性能好、生产效率高且刀片结构简单，但是物料适应性差，常用于粉碎青储饲料。如由郑州东宏机械设备有限公司研制的9Z-10A型拖挂式铡草机，以玉米、小麦秸秆为物料，配备电机15kW，产量10～15t/h，出料粒度12～35mm；也可直接拖挂于相应的拖拉机上在田间作业。由曲阜市天阳机械制造有限公司研制的TYZ-8C型铡草机，刀架、飞轮、风扇设计成一体，结构紧凑、震动及噪音小、坚固耐用并增加了自动进料机构以及配有齿轮式变速箱，可以改变动刀的转速，达到调整物料切碎长度的目的。假设匀速进料，则理论上可选择10、16、23、33mm这4种长度的碎料，产量8～10t/h。

滚筒式粉碎设备结构紧凑，可安装较多的刀片，滚筒转速较低时仍可以得到较短的物料。因动刀的速度一致其切碎段质量较好，但是物料适应性差，体积及生产率较小。如由成都新城机械制造有限公司研制的6刀铡草机，采用了6把动刀片，配用电动机功率2.2kW，并增加了变速箱设置长、空、短3个档位，来调节物料长度，产量1.5t/h。

2.2 锤片式粉碎设备

锤片式粉碎设备一般由上机体的齿板和下机体的筛网将锤片组与锤片架构成的转子包围起来构成粉碎室。物料从其顶部或转子旋转方向的切向方向进入到粉碎室内，首先受到锤片的击打作用，然后以较高的速度抛向齿板和筛网，受到齿板的搓擦作用、筛网的碰撞作用以及物料相互间的碰撞作用而被粉碎，该过程往复进行，直到物料从筛孔漏出为止[10]。如由河南郑州金联机械设备有限公司研制的双级粉碎机采用两级锤片式辊筒设计，串联了两台锤片式粉碎辊筒并取消了筛网，以适应高湿物料，同样也能适应于下雨天气。电机功率15kW，产量10～15t/h，出料粒度小于3mm。

2.3 揉切式粉碎设备

揉切式粉碎设备按粉碎刀具及运动方式的差异可进一步分为揉搓机和揉碎机[14]。

揉搓机是由锤片式粉碎机改进而来的。通常是将筛片替换为齿板，物料受到齿板的搓擦作用，将秸秆揉搓成柔软、蓬松的丝段状，最后由风机抛送出去。加工的物料粉碎粒度大，生产效率较低，也有设备用增加一套压扁挤丝机构来提高粉碎质量。

揉碎机的锤片呈螺旋排列，物料从转子的一端垂直进入，在轴向气流和旋转锤片的作用下，物料的运动方向转变为平行轴向运动且被锤片击打成短段状。被切碎的物料在离心力的作用下甩到机壳内壁，与粉碎室内的齿板产生搓擦作用而得到粉碎，该过程一直持续到物料沿轴向运动到另一端被抛送叶片抛出机外[15]。

如由郑州一科重工机械制造有限公司研制的9RS-1000秸秆揉丝机，适用于棉秆、玉米秆、高粱秆、麦秸、稻秸等各种农作物秸秆的揉搓加工。配备电机功率22kW，转子转速2900r/min，出料粒度3～5mm，产量5～6t/h。由曲阜市鲁轩农业机械有限公司研制的秸秆揉切粉碎机是集铡草、揉搓、粉碎、打浆于一体的新型饲料加工设备。创新性的使用了双进料口，一个用于青鲜玉米、大豆、小麦等农作物秸秆；另一个用于玉米、高粱、地瓜干等粮食。适用于家庭式或个体养殖户饲料的粉碎。

2.4 组合式粉碎设备

组合式粉碎设备集铡切、击碎、碰撞、磨搓与揉搓等多种粉碎技术于一身，通过两种及以上粉碎技术相互配合、共同作用将物料粉碎[16]。该类型设备具有物料适应性强、出料粒度小、能够减少锤片数量及关键零部件的磨损等优势。但同时，集成了多项粉碎技术随之带来了设备体积较大、笨重问题，造成了设备难以搬动只能在固定地点粉碎的缺点。

如河南九龙机械制造有限公司最新研制的秸秆粉碎机，将物料送进粉碎机，所进物料首先被切成1～5cm长的小段，然后进入粉碎室粉碎，最后通过尾部的风叶将碎料送出，出料粒度小于8mm，产量1～3t/h。

3 秸秆粉碎技术发展方向与趋势

我国地理环境差异大，农作物的种类繁多。秸秆粉碎设备要根据当地用户需求，结合实际发展需要，在满足用户需求的同时，注重产品质量与生产安全，逐步向技术含量高、能源消耗低及多功能方向发展[17,18]。目前亟需解决以下矛盾。

1）有效解决细粒度与高效率之间的矛盾。目前对于较细粒度要求的粉碎主要是利用研磨的方式，效率低、能耗高，阻碍了细粒度秸秆综合利用规模化发展。

2）有效解决多功能与专用功能之间的矛盾。针对用户的需要，同步发展多功能设备及适合企业向集团化、规模化发展的专用型设备。

3）有效解决智能化与低成本之间的矛盾。现有的秸秆粉碎设备大多是手动进料、人工收集整理物料，严重阻碍了秸秆综合利用产业的发展。因此对自动化、智能化粉碎设备的研究，有助于加速秸秆综合利用产业规模化发展。

4）有效解决低能耗与高质量之间的矛盾。节能、高效的粉碎设备一直是用户急需的，降低设备能耗、提高粉碎质量是生产企业的总目标。

4 总结

秸秆粉碎设备是农作物秸秆综合利用产业链的关键。必须重视秸秆粉碎设备的理论创新研究，优化现有的粉碎设备，完善粉碎设备的类型，加快常用零部件标准的制定，实现设备通用零部件的标准化生产，降低企业的生产制造成本。根据不同地区的农作物秸秆特点及用户的需求发展多功能、价格适宜的粉碎设备，以促进秸秆的综合利用产业规模化发展。

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四川省教育厅重点研究项目（项目编号：16ZA0382）。