青黄贮饲料切揉组合式粉碎机的设计

崔永祯，李春杰，李瑞林，李志昊，张 华

(甘肃农业大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

1 引言

伴随着社会的高速发展，人们对于物质生活的标准也在逐步提升，市场对于家禽的需求量也在逐年提高，数据显示，山东，广东，河南三省家禽出口数量位居全国前列，14个省份出口家禽数量占全国总数的85%，养殖产业在进行着全方位的变革和提升 。甘肃省是出产牛羊等牲畜的大省，对于饲草品质的要求也在逐步提升，青饲料(也叫青绿饲料、绿饲料)，是可以用作饲料的植物新鲜茎叶，因富含叶绿素而得名。西北地区幅员辽阔，草地面积占我国总草场面积55%以上，拥有得天独厚的地理条件及优越位置，畜牧资源优势突出，但因水热资源的限制，可利用的牧草资源并不丰富，所以，发展以玉米秸秆为主的饲料加工是未来农业产业调整的主流方向。

2 我国青饲机的现状

根据实地走访调研，目前小型家畜养殖者所加工饲料的方式有两种，一为较早生产普及的铡草机，其价格低，操作简单，占地面积较小，故被较早的推广使用。二则还在使用老式铡刀进行饲草的加工。铡草机把秸秆切割成段状，以满足饲喂要求，但在加工过程中较难破碎加工秸秆的茎节等部位，且部分切碎段粗大，影响牲畜的进食以及消化吸收，造成浪费。

另一种常见的机型为破碎机，其工作原理主要靠电动机带动锤片捶打进行破碎，其加工出来的饲草颗粒化程度较高，不利于家畜尤其是牛、羊等反刍动物的消化吸收，故并不作为主要的生产加工器具，一般作为饲草料制粒和压块等工序的前处理。

切揉组合式粉碎机机是我国近年来根据市场需求所研发的一种新式机器，其具备锤打切碎及揉丝发酵等的功能，二者综合利研发，具备破碎机和揉丝机的工作特性，既可将坚实的玉米籽粒经击碎挤压，又可将质地粗硬的青玉米秸秆切断、粉碎和揉搓丝化，提高玉米秸秆纤维化程度以及籽粒破碎率，使得青贮玉米更好与乳酸菌反应发酵，且易于密闭储藏。为便于家畜消化吸收，增加丝化秸秆与反刍动物瘤胃的接触面积和籽粒淀粉与消化酶的反应量。但在加工生产多纤维，多汁的农作物时，容易出现机器堵塞的现象，导致负载较高，电动机转动受阻，从而导致烧毁等现象。

近些年来，我国市场上对锤切揉丝机也有一定的发展，现对市场上一种锤切揉丝机进行功能上的研究说明。

3 工艺流程

在了解现有的铡草揉丝机的构造后，将整个机型分为5个工作模块，分别为：动力装置、输送装置、喂入装置、破碎装置及出料口。参考市面上现有机型，设置输送装置，为将秸秆等待加工作物送入破碎室而设置喂入装置，破碎装置是在保证原有粉碎机基本功能前提下而优化改进的机构，更易达到生产目的。秸秆等待加工产品经过输送装置传送，经喂入装置挤压后进入破碎室破碎，将作物加工成长度适中的丝状产品，由气流的牵引从出料口抛出加工好的饲料产品。工艺流程见图1。

图1工艺流程

4 整机结构及工作原理

4.1 整机结构示意

整机结构如图2所示，主要由机架、输送装置、喂入装置、破碎揉丝装置、出料口、电动机、减速电动机、行走轮等部件组成，各部分协同工作，保证整机主要功能的实现。

图2 整机结构示意图

4.2 输送装置分析

4.2.1 设置原因

(1)现有各类机型主要通过人工将待加工产品投入喂入装置，但人工投入量无法均匀控制，过多投入会导致机器堵塞，负载过大，较少投入则影响机器工作效率。

(2)机器在运转时，破碎室内锤片有着较高的转动速度，会产生一定的气流牵引，人工投放时会产生一定的安全隐患，若出现生产责任事故，对人体则会造成不可逆的伤害。

(3)该机器为全程机械化运作，生产效率较高，人工投放秸秆等作物无法满足实际的生产需求，费时费力。

综上所述，该机器可完成输送任务。

4.2.2 输送装置的选择

整个输送装置由传动部分和输送链两部分构成，输送链以带式输送机为原型，综合考虑改善，将输送带转换成栅条式输送链，以两条弯板链条为基础，通过铆钉将栅条固定到链条上，同时设置有横梁，以保证输送时的稳定性，防止秸秆等待加工作物因栅条抖动而洒落。

在传动方面上，在主动轴和从动轴上分别设置两个链轮，链轮与轴之间采用键连接，分析可得，主动轴承担全部的动力输出，从动轴无需输送扭矩，所以从动轴采用光滑连接。根据实际所需，从动轴设置缩紧栓进行锁死，设置张紧调节张紧螺栓可以控制从动轴的前后逶迤，从而达到张紧输送链的目的。

4.2.3 工作原理

电动机将动力经主动轴输出，带动链条运动，从而带动栅条运动，完成整个输送工作，从动轴被锁紧螺栓锁死，空转完成整个输送工作。

4.2.4 结构示意

如图3所示输送装置主要由机架、输送链条、链轮、支撑横梁、调位螺栓、限位螺钉、输入轴、凹形栅板、从动轴等组成。

4.3 喂入装置分析

为使装置能够稳定运行，机械一般都需设置喂入装置，如图4所示，以保证物料能够均匀定量的送入粉碎装置，常见的喂入装置分为喂入辊和自动喂入装置，机器设置有输送装置，故采用喂入辊的形式进行喂入。查阅农业机械设计手册，常见辊的形态有刀齿形、星齿形、钩齿型和光辊，通常进行优化改进，喂入的稳定性达到更好的控制，设置张紧螺栓，控制上下辊间隙，增大机型的适应性。

图3 输送装置示意图

图4喂入装置示意图

4.3.1 喂入装置的要求

(1)输送链的输送速度应该小于喂入速度，防止因速度的不匹配造成喂入口的堵塞及因输送链速度的过快而造成草料的洒落。

(2)为了保证草料具有一定的压缩度，同时在喂入口不会堵塞，所以喂入辊的传动一定要有特殊装置的设计，既可以随着草料的数量随之调整上下辊的间距做上下运动，又可以和下辊做旋转运动.

4.3.2 喂入装置的改进

以此为例，如图5所示，喂入装置上辊以钩齿辊为原型进行优化改进，上辊将钩齿条改进设计成栅条，在辊面上依次均布，使上沟槽更深，下辊以光辊为原型，在辊面上设置螺旋型槽。通过优化上下辊的结构，能够更好的提高喂入量以及喂入效率，增加了喂入辊的稳定性，螺旋型槽的设计防止因草料缠绕在喂入辊上造成堵塞而损坏设备，整个喂入辊需要自适应草料的厚度，能够随着草料的厚度而调整上下辊间距，设置张紧弹簧，弹簧的上下挤压可以调整喂入辊的上下间距，满足工作条件。

4.4 切揉装置分析

该装置主要适用的草料为玉米、高粱和豆秸等，将饲草加工切割成1～5cm的丝段状，本设计适用于玉米秸秆、高粱和豆秸等饲草，且要干、湿两用，需要将饲草加工成1～5cm的丝段状。根据设计要求选择和饲草的加工类型，选择整个粉碎装置选用锤片式粉碎为基础，为设计转子，锤片和粉碎室。我国饲草加工机械类型、结构及特点如表1所示。

图5 喂入辊结构示意图

4.4.1 转子的设计

根据主轴的运动速度来设计转子的整体结构，一般由电动机带动主轴从而带动转子来进行破碎，转子直径和粉碎室的宽度为主要参数，在设计转子时应考虑转子的直径对整个破碎的效果及功率的影响。设计转子时，以下因素应进行优先考虑：①要考虑二级，四级异步电动机直联时，锤片末端线速度要求；②要靠近优先；以切向进料式举例说明，转子直径优先采用32 cm、36 cm、40 cm、50 cm系列，根据实际要求及需要设计转子的直径。

表1 我国饲草加工机械类型、结构及特点

4.4.2 锤片的设计

中小型铡草揉丝机中，通常选用锤片作为破碎装置，锤片是整个机构中较为关键的部件之一，而且其使用频率较高，容易磨损，故对锤片的设计要求较高。在整个破碎过程中，锤片以高速的运动状态和物料发生撞击，从而击碎物料，为减少机具的冲击力，再设计锤片时，其摆心应和销轴的轴心重合。在我国，锤片的设计已经出台了相关标准，同时，在满足锤片的相关要求时，也应尽量使其易于拆卸，维护及保养，具体参考农业机械设计手册。如图6所示。

图6 锤片结构示意图

4.4.2.1 锤片的数量及排列

(1)锤片的数量。

切揉机转子上的锤片数Z由下式确定：

式中：B为粉碎室宽度(mm)；e为锤片厚度(mm)；k1为锤片配置密度系数，k1=0.28～0.42k1值越小，粉碎颗粒越粗。

(2)锤片的排列。

目前锤片常见的分布方式有：螺旋线排列、对称排列、交错排列和对称交错排列(图7)，我国生产的粉碎机普遍采用交错和对称交错排列。

图7 锤片的排列方式

在实际的生产过程中，锤片的磨损程度与粉碎机的功率有关，所以转子上锤片排列方式关系到机具的转子的平衡和锤片的磨损。一般来说，对锤片的设计要求是：沿工作宽度转子的运动轨迹应分布均匀且不重合，保证转子的动平衡。如图8所示。

图8 锤片的对称交错排列方式

4.5 粉碎室的设计

对于粉碎机而言，采用较大的粉碎室可以获得较高的生产效率，粉碎室的宽度应当大于普通的谷物粉碎机，宽径比应为0.8～2。粉碎室的宽度现已系统化，查阅农业机械设计手册即可得出相应的数据。在粉碎过程当中，锤片和齿板的相互配合即可充分的起到对秸秆的揉搓、打击、粉碎，增强了对秸秆的撞击和输送作用，所以设计出合适的齿板外形及尺寸对揉搓粉碎性能都有较大影响。如图9、图10所示。

图9 锤片运转最大位置

图10 齿板结构示意图

目前齿板的齿型和转子轴线之间的夹角α有以下几种方式：

与转子的轴心线水平，及α=0°；

与转子的轴心线夹角α=60°～80°；

与转子轴心线垂直，α=0°；

在入料及揉搓段α=0°，在出料段α=60°～80°。

本参数的确定与整个粉碎装置的配置有关，并且齿的高度也决定装置的工作性能。齿高的取值范围为h=6～23 mm。

在整个工作过程当中，出料口的设计也对破碎装置有着相应的影响，根据国内外现有的装备来看，大型铡草揉丝机往往设置抛送板，粉碎的秸秆等作物经抛送板抛出，经过输料导管导出，中小型铡草揉丝机往往不设置抛送装置，由转子直接将粉碎的物料抛出，结构更为简单，节省空间。如图11所示。

图11 粉碎室结构示意图

4.6 传动装置设计

根据整机构造，若选取一个电动机，需要将输送装置，喂入装置及破碎装置共同带动运转，负载过于庞大，容易引起电动机的故障，故通常设置两个异步电动机来进行动力的提供，一台电动机提供粉碎室转子的动力，使转子能够高速的旋转，另一台电动机提供输送装置及喂入装置的动力，使其平稳运行。中小型铡草揉丝机适用于广大农村养殖户和中小型饲料加工厂，多选择Y系列封闭式三相异步电动机。Y系列封闭式三相异步电动机主要适用于灰尘多，土扬水溅的工作环境，如农业机械、矿山机械等，符合设计要求。且Y系列封闭式三相异步电动机具有效率高、耗电量小、噪声小、振动小、体积小等特点，并且整个电动机的运转性能好，运行可靠维修方便。

5 结语

随着农业产业全方位的发展变革，良好的饲草加工在畜牧养殖产业链尤为重要。由于铡草揉丝机能高效、及时地将新鲜饲料加工细化， 便于及时青贮， 又省时省力， 在饲料加工的工艺流程中受到青睐， 目前的市场需求量越来越大。