玉米青贮收获机喂入切碎装置研究概况

李向阳，宋学锋*，张锋伟，李晓康，王 锋，曹晓庆

(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 730070；3.甘肃省草地农业机械重点实验室，甘肃 兰州 730070)

据国家统计局数据显示，2020年我国畜牧业总产值达40 266.67亿元，同比增幅21.78%[1]。随着畜牧业的高速发展，畜牧机械的应用再发展成为必然。2021年农业部印发的《推进肉牛肉羊生产发展五年行动方案》强调：加强农作物秸秆的饲料化利用，提高牧草生产机械化水平[2]。健全饲草料供应体系，因地制宜推进粮改饲[3]，提升畜牧业机械化水平等问题亟待解决。这为青贮收获机行业的发展创造了良好的政策环境[4]。秸秆作为粗饲料，铡切后直接投喂食草家畜时存在咀嚼费力不适口、营养吸收率低等问题[5]。将含水率为65%～75%的青绿玉米秸秆切碎并破节后，在密封缺氧的环境下，经过厌氧乳酸菌的发酵调制，此过程中抑制其他细菌的繁殖，从而得到的一种优质饲料[6]，称为青贮饲料。青贮饲料具有气味酸香适口[7]、柔软多汁等特点，可以极大地改善反刍动物对于粗饲料的吸收，同时可以长期保存[8]。青贮饲料收获的一般过程为：秸秆切割、喂入、切碎、籽粒破碎、包膜密封和发酵[9]。因此，不管是自走式青贮收获机还是台架式青贮收获机[10]，喂入装置和切碎装置都是重要部件。其中，喂入装置中喂入辊的数量、排布、类型将直接影响喂入性能，从而间接影响后续工作；喂入装置是否配有金属和石头等异物检测装置，在秸秆缠绕妨碍工作时是否能及时实现反转将影响整机安全性能，并且有可能造成耽误农时、钢材耗费等问题，这其中的经济损失则是无法估量的[11]。切碎装置中切刀类型和数量的不同将直接影响收获机的工作效率[12]，切碎装置配备动刀片自动磨刀装置和自磨刃技术，这将会极大地节省来自农机维修和更换部件所浪费的工时数[13]。目前国内对于二者的研究依然停留在基础理论阶段[14-17]，依然有很多问题需要解决。对于尖端技术方面的研究才刚涉足，关键性技术亟待突破。本文以喂入装置和切碎装置的工作原理展开研究，分析并总结其发展过程，最后讨论未来的研究和发展方向。

1 喂入装置

1.1 喂入装置简介

喂入装置作为青贮收获机的核心部件之一，其主要作用是将传送带输送的秸秆通过对辊进行挤压并以一定的速度喂入切碎装置中，此过程秸秆之间不能出现相对滑动、弯曲等现象，如果发生以上状况，将会影响切碎长度[18]，这就要求喂入装置需要选择合适的喂入辊。喂入辊的类型、数量、直径大小以及转速都会影响喂入性能。

通常情况下喂入辊的类型有三种：锯齿形辊、星形辊、光面辊，其优缺点及安装位置详见表1。

表1 不同类型喂入辊的优缺点

喂入辊有上下两排，其数量根据机型的不同而不等，国外克拉斯、约翰迪尔8500系列采用4辊，科罗尼Big X 1180为6辊，喂入物料过程如图1所示。

图1 喂入物料过程1.上喂入辊Ⅰ(锯齿形)；2.上喂入辊Ⅱ(星形辊或光面辊)；3.动刀；4.定刀；5.下喂入辊Ⅱ(星形辊或光面辊)；6.下喂入辊Ⅰ(锯齿形)；7.秸秆层

喂入辊直径DW是影响喂入性能的重要参数[19]，其理论计算公式为：

(1)

式中：t为传送带上物料厚度，m；μ为物料压缩系数，一般取值0.6～0.8；φ为物料与辊摩擦角，一般取值16°～32°。

在设计选择喂入辊的过程中可根据实际情况来决定直径的大小。

喂入装置应该具备以下性能：喂入量大，持续性好并且不产生堵塞现象；喂入压平的秸秆层应尽量靠近定刀片，避免距离过长发生弯曲，影响切碎质量；喂入辊转速可调，满足不同长度的切碎要求；喂入辊可以感知喂入量的大小而自动调节间隙、上下浮动，增加柔性；装置结构简单，耐磨性高，寿命长，故障率低，互换性好。

1.2 国外喂入装置研发现状

目前国外很多机型都采用喂入压实一体装置，将秸秆压实后喂入到切碎装置中，对比不压实切碎，会发现压实切碎获得的切碎断口更加整齐，切碎秸秆长度更加均匀，在获得高品质青贮饲料的同时，保证了作业效率。得益于国外收获机械悠久的发展历史，国外青贮收获机喂入装置的发展一直处于行业前列，有精准的喂入速度、可靠的喂入压实性能和超前的预保护机制等优点。

纽荷兰FR 600型青贮收获机，喂入装置上装配了METLOCTM金属探测系统，可在驾驶室显示器上准确显示金属位置，方便排除金属等杂物；同时配备有可以根据不同地况调整灵敏度的石头探测装置。俄罗斯农机制造商罗斯托夫公司制造的罗斯特RMS 1401型青贮收获机，喂入辊倒转方式为机械式，配备有金属和石头检测装置，如图2所示。

图2 罗斯特RMS 1401青贮收割机喂入系统

国外主要玉米青贮收获机喂入装置基本参数见表2。

表2 国外主要玉米青贮收获机喂入装置基本参数

1.3 国内喂入装置研发现状

牧神4QZ-3000A青贮收获机，具有独有的立式夹持喂入装置，并增加强制喂入辊，提高了整机的可靠性，喂入辊可以实现正反转功能，在发生堵料时能及时反转吐料，极大地提高了工作效率。五业4QZ-15型青贮收获机，其喂入装置目前处于行业前列，集喂入压扁揉丝切碎功能于一体，可媲美国外先进产品。国内主要玉米青贮收获机喂入装置基本参数及特点见表3。

表3 国内主要玉米青贮收获机喂入装置基本参数及特点

对比我国现生产的各种机型，依然存在以下差距：

喂入辊的材质以及结构各异，材质的不同以及表面处理技术的差异导致喂入辊的耐磨程度不同，国内普遍采用低碳钢焊接锯齿的方式，国外则采用不锈钢作为喂入辊基体材料，并且安装可拆卸式喂入齿条，极大地提高了喂入辊的耐磨性，在齿牙磨损严重的情况下容易更换，互换性强；喂入辊转速调节方式不同，国内多以纯机械变速箱和转换链条的方式进行变速，国外多以液压马达的方式，轻松实现喂入辊正反转以及无级变速；喂入装置不具备检测金属的功能[20]。目前只有国外少数机型具备此功能，能够在检测到金属的0.05 s内自动停止转动，并且可以在驾驶室显示金属位置，方便金属杂物的排除，能够有效保护切碎装置中的切刀不受损坏。

2 切碎装置

切碎装置是青贮收获机的核心部件之一，主要功能是将喂入装置传送来的秸秆饲料均匀切碎。其结构设计的合理性，直接影响整机性能、青贮饲料的品质以及功率损耗[21]。按结构可分为滚刀式切碎装置和盘刀式切碎装置两种。

2.1 滚刀式切碎装置简介

滚刀式切碎器又称为滚筒式切碎器，由滚筒轴、刀轮盘和动刀片组成，刀片的刃线都在一个空间曲面上。常见的滚筒式切碎器主要有螺旋滚刀式、平板滚刀式和直刃斜装滚刀式。其中，平板滚刀式切碎器是上世纪80年代从国外引进的，之后在国内迅速推广[22]，直刃斜装滚刀式切碎器是我国自主研发并生产的，也获得普遍地推广和使用[23]。常见滚筒式切碎器结构特点及性能见表4。

滚刀式切碎器的主要工作过程为：切割挤压、切断推进以及收集抛送。切碎器在切碎喂入的草料时，刀片不得阻碍秸秆喂入。为了满足该要求，需要滚刀的旋转中心即滚刀中心轴高于定刀片，将此高度称为配置高度H[24]。切碎示意如图3所示。

表4 常见滚刀式切碎器比较

图3 切碎示意图

配置高度有以下计算过程：

(2)

(3)

式中：H为配置高度，即滚筒轴心与定刀片的垂直高度，m；Vu为切口刀刃处圆周速度，m/s；Vy为物料喂入速度，m/s；R为滚刀筒半径，m；h为草层厚度，m；nd为切碎器转速，r/min。

最佳配置高度一般难以用纯理论的方式获取，需要用大量的实验来获取估值。一般情况下，认为将定刀片安装在切刀回转轴线以下是合适的，但也有分析认为定刀的刀刃与切刀回转轴线处于同一水平线时对转矩是有利[25]。

根据NY/T 2088-2011[26]规定，合格青贮玉米的切碎长度是：牛饲料为30～50 mm，羊饲料为20～30 mm。当玉米秸秆笔直喂入，喂入速度为Vy，实际切碎长度接近理论切碎长度lc。

(4)

(5)

式中：Vy为喂入速度，m/s；lc为理论切碎长度，m；nd为切碎器转速，r/min；Zd为动刀片数量，个；n为上喂入辊转速，r/min；Dω为滚筒直径，m。

所以，切碎长度可以通过调节喂入速度、切碎器转速、动刀片数量来改变。最终设计出的滚刀式切碎装置应具备以下性能：产生滑切。滑切可以减少切割阻力，使切割省力，减小功率损耗，随着切割半径的增大，滑切角也随之增大[27]。切割阻力均匀、切割过程应该平稳。饲料和饲料之间、饲料和刀片之间不能产生相对滑动的切割，这是一个影响青贮品质的重要因素[28]。滚筒主轴强度足够。滚筒在高速旋转中工作，在切割过程中会出现很多复杂的现象，在草层突然增大的情况下，其应力也会爆炸增大，从而加剧了主轴的振动，影响滚筒系统的工作安全性[29]，因此就需要其进行合适的热处理和表面涂层，或者选择足够的直径来获取更大的扭矩。

2.2 盘刀式切碎装置简介

盘刀式切碎装置又称为轮刀式切碎装置，是在一个刀盘上径向安装若干个刀片，为避免工作时出现共振，刀片数一般为奇数。另外，在刀片之间可以安装上与刀片垂直的抛送叶片，或者可以直接在刀盘的顶端焊接上抛送叶片，达到良好的抛送效果，如图4所示，这种切碎装置结构简单，尺寸适中，制造和安装比较方便，耗能较低，滑切性能好，因此广泛应用于玉米青贮收获机。

图4 盘刀式切碎装置1.抛送叶片；2.动刀片；3.定刀片

动刀片类型主要有：直线形、内折线形、外折线形，凹圆弧形和凸圆弧形，它们的优缺点见表5。除了以上较为常见的刀片之外，还有对数曲线和阿基米德螺线等形式的刀片，都有各自独有的特点。对数曲线形刀片在切割过程中能够保证切割阻力保持不变；阿基米德螺线形刀片能保证在切割过程中保持扭矩相等，但是二者制造时需要专业设备，磨刃比较复杂，成本高，所以除了一些特定的科研机型外，一般机型都不予采用[30]。

表5 常见不同类型动刀片优缺点比较

切碎装置在工作时，青贮饲料被喂入至切碎装置前时的速度为Vy，

(6)

式中：n为上喂入辊转速，r/min；Dw为滚筒直径，m。

切碎器每秒钟切碎速度为v，

(7)

则理论切碎长度为Ln，

(8)

实际工作中，考虑到喂入辊存在一定的打滑因素，所以切碎长度为L。

(9)

式中：ε为打滑系数，一般取ε=0.05～0.07，k为动刀片个数；i为切碎器主轴与喂入辊转速之比；Dw为滚筒直径，m。

设计时可根据以上理论依据，获取不同品质的青贮饲料。设计时应该注意以下方面：优先选择一些合理的几何参数，如滑切角、推挤角、喂入口尺寸以及刀盘半径等，降低功耗[31]；设计时应选择合理的刀具以及转速，优先考虑功耗问题[32]；良好的抛送功能和揉搓功能是盘刀式切碎装置的优点，应做到扬长避短。

2.3 国外切碎装置研发现状

青贮收获机切碎装置形式多样，适用范围也各有不同，设计和选型的过程中以青贮饲料种类、切碎性能、功耗以及安全性能为主要目标[33]。

滚筒式切碎装置和盘刀式切碎装置是目前在青贮收获机上采用的主要机型，除此之外还有销钉式切碎装置以及各种在此基础上不断改进的切碎装置[34]。销钉式切碎装置的性能极容易受饲料秸秆含水率的影响，含水率越高，功耗就越大，青饲料收获机不再适用。目前国外市场已经基本摒弃盘刀式切碎装置，主要为性能优越的滚筒式切碎装置。国外主要玉米青贮收获机切碎装置的基本参数见表6。

表6 国外主要玉米青贮收获机切碎装置基本参数

约翰迪尔8500青贮收获机采用新型智能对刀系统，完成对刀仅需45秒，极大地提高了整机作业效率。德国BIG系列青贮收获机配备新型MaxFlow切碎滚筒如图5所示。它配备有一种能够测量作物含水量的光学传感器，可以自动调节切碎长度，实现不同含水量的作物拥有不同的切碎长度，从而获得在相同压实状态下调制相同品质的青贮饲料。

图5 MaxFlow切碎滚筒

2.4 国内切碎装置研发现状

随着近几年我国青贮行业的快速发展，我国玉米青贮收获机快速发展，切碎装置的性能也逐渐与国外减少差距，甚至可媲美国外先进产品。针对于切碎装置关键零部件的研究较多，同时，在刀片自磨刃技术方面的研究也取得了较多的成果[35]。

1997年，朴香兰等通过建立目标函数、确定设计变量以及建立约束条件的方法对直刃斜装滚刀式切碎器进行优化设计，从而降低功了功率损耗，提高了切碎性能。2005年，李百儆[36]在理论分析的基础上，设计并制造了单叶双曲面平板直刃滚筒式切碎器，并建立了其切割阻力矩数学模型，为分析各项参数对切碎性能的影响提供了理论依据。2006年，车刚[37]等设计了一种新型平板刀式滚筒切碎器，并且分析了结构参数和运动参数对切碎性能的影响，完成了较优的参数标定，确定了动刀刃口曲线方程。2008年，刘洋对滚筒式切碎装置的动刀切割回转角、推挤角和摩擦角等参数进行数学分析，并且通过有限元软件ANSYS对滚筒主轴、动刀片等主要工作部件进行动、静力学分析，得出了滚筒式切碎装置最大回转半径、滚筒长度以及最佳动、定刀之间配置高度。2010年，吴巧梅[38]采用有限元分析软件Pro/MECHANICA对切碎装置的动刀片和主轴进行理论分析和优化设计，建立有限元模型，使动刀片的质量降低至最低并优化了切碎性能。2012年，周春燕[39]对螺旋切碎滚筒关键零件进行有限元分析并且进行优化，确定了刀片刃线曲线方程、切割回转角、刃磨角等参数。运用软件Pro/MECHANICA，通过螺旋刀片的重要参数对其进行灵敏度分析，在刀片满足强度和刚度等性能的条件下进行优化，使刀片受力均匀，减少了磨损和失效。2020年，田杨秋等针对目前玉米收获机存在秸秆切碎含杂率较高等问题，设计出一款可以安装在割台下方的甩刀式切碎装置，并对其“L”型切碎甩刀进行有限元静力学分析，满足设计要求，将含杂率控制在0.5%左右。内蒙古农业大学郁志宏[40]、别镇江[41]、王光明[42]、闫秀芳[43]、方梅[44]、张裕等学者对盘刀式切碎器的发展与改进有突出的贡献，完成主要参数的确定，通过正交试验确定最佳动定刀间隙以及切碎器主轴最佳转速等工作。2020年，赵波[45]等针对国产青饲料收获机切碎装置刀具维护不足等问题，设计出一款基于4QZ-3000X青贮机的自动磨刀装置，且磨刀过程中温度低于刀片退火温度，不会对刀片造成损伤，极大提高了切碎效率。自磨刃现象是由于刀片在工作过程中两侧刃面受到不同程度的磨损而造成的[46]，在实际加工制造过程中，普遍采用多层金属复合材料和表面工程技术手段达到刀片自磨刃效果[47]，采用堆焊技术制备自磨刃刀具成为目前应用最为广泛的自磨刃割刀制备技术[48]。2013年，郭林[49]等对材料为碳素结构钢Q 235的铡草机刀片进行不同工艺参数的淬火回火处理，对刀片在自磨刃处理过程中的形变规律进行分析。2016年，福建农林大学学者叶鹏云[50]对铡草机退火加中温回火65 Mn刀片进行激光强化处理，得到隐针马氏体的显微组织，且使用寿命更长、对环境的适应能力更优的自磨刃刀片。

国内玉米青贮收获机切碎装置主要参数及特点见表7。

表7 国内玉米青饲料收获机切碎装置主要参数及特点

相比于国外，我国现有相关切碎装置仍存在以下几点差距：国外机型可根据不同地形、不同作物、不同需求对切碎长度进行无级变速控制，精度高达1 mm，并在显示屏上显示[51]；国外机型基本采用人字形双刃滚筒式切碎装置，并配备自动磨刃系统和自动定刀系统，且都可以在驾驶室控制；国外机型可根据收获时检测饲料营养成分和含水率等指标自动调节切碎长度[52]，智能化水平高；国内机型鲜有金属和石头等异物探测装置，对切刀的预保护性能不够。

3 总结与展望

我国青贮收获机械相比国外虽起步较晚，但是近些年随着“粮改饲”进程的推进和青贮需求的不断增长，我国的青贮收获机械在理论和试验等领域的研究都取得了较多的成果，在我国各大高校、科研单位以及相关企业的不断努力下，与国外先进产品之间的差距逐渐缩小。但是，在新兴核心技术方面，仍然面临被“卡脖子”的局面，自主研发成为必由之路。本研究旨在分析国内外玉米青贮收获机喂入装置和切碎装置的发展现状，以基本结构和原理为切入点，总结了关键零部件的研究概况，分析了现阶段国内市场上青贮饲料收获机的优点和存在的不足，以及未来的发展方向。首先就是要提高喂入、切碎、籽粒破碎、抛送等核心部件的可靠性，加强对机具故障预警等方面的研究，尤其对于结构复杂、体型庞大的机械，操作者很难提前发现机械的细节故障和零件的损毁[53]，因此，加强对机具故障预警方面的研究显得格外重要[54]；其次就是开发出比较稳定的饲料成分检测装置和自动控制装置，根据检测结果来智能地控制喂入和切碎速度，减少非必要的人工参与，提高整机的可操作性，舒适性，提高自动化程度[55]；最后我国青贮收获机必然朝着低耗、智能、简洁易操作的方向发展。