基于收获加工工艺的新型牧草捆干燥设备设计与试验

丁立利 薛红睿 王盼盼 张家瑞 贺成柱 吕凤玉

摘要：针对目前牧草收获加工与干燥工艺不匹配，通过牧草收获加工工艺的分析研究，开发内强制阶段式牧草干燥工艺，结合该工艺设计研发新型插针式牧草捆干燥设备。基于草捆干燥工艺，进行热质衡算，设计关键部件和智能化控制系统。以设计的干燥设备主要参数为指标，进行试验评价分析，试验结果表明，该设备可将含水率35%左右的草捆进行干燥处理，草捆干燥均匀，干燥后草捆含水率小于17%，处理量可达917kg/h，符合设计要求，证明了内强制阶段式牧草干燥工艺的可行性和新型牧草捆干燥设备的先进性，为草捆干燥设备的进一步优化提供技术参考。

关键词：干燥工艺；牧草捆；内强制；插针式；干燥设备

中图分类号：S817.1

文献标识码：A

文章编号：20955553 （2023） 070118

08

Design and experiment of a new type of forage baling drying equipment based on

harvesting and processing technology

Ding Lili， Xue Hongrui， Wang Panpan， Zhang Jiarui， He Chengzhu， Lü Fengyu

（Gansu Academy of Mechanical Sciences Co.， Ltd.， Lanzhou， 730030， China）

Abstract： In view of the mismatch between forage harvesting， processing， and drying technologies， an internal-forced stage forage drying technology was developed through the analysis and research of forage harvesting and processing technology. Heat and mass balance calculations were carried out， and key components and intelligent control systems were designed based on the forage baling drying process. The drying test of the equipment was evaluated and analyzed based on the main parameters of the designed drying equipment. A new pin-type forage baling drying equipment was designed and developed based on this technology. The experiment showed that the equipment can dry forage bales with a moisture content of about 35%. The forage bales can be dried evenly， with a moisture content less than 17% after drying. The treatment capacity reached 917kg/h， meeting the design requirements. The results confirmed that the internal-forced stage forage drying technology is feasible and that the new forage baling drying equipment is advanced， which provides a technical reference for the further optimization of forage baling drying equipment.

Keywords： drying technology; hay baling; internal-forced; pin type; drying equipment

0 引言

近年來随着我国畜牧业特别是草食畜牧业的快速发展，农业产业结构不断优化调整，传统的“粮—经—饲”三元结构调整为“粮—经—饲—草”四元结构，依靠农作物“秸秆+精料”的粗放型饲喂模式已难以为继，满足优质牧草的需要日益增加［1］。我国草产业迅速崛起，涌现出很多牧草种植和加工企业，但牧草加工设备总体规模较小，技术创新程度比较滞后，远满足不了现阶段我国草食畜牧业快速发展的需要，为了解决现有的困境，我国进口牧草产品的比重呈现急剧增长趋势［2］。因此，要想国内牧草产业持续快速发展，就必须在牧草加工过程中应用创新技术，该过程最有效的手段就是经过牧草加工环节［3］。

牧草加工中草捆加工约占生产总量的56%［3］，草捆干燥方式是影响饲草产品营养品质的重要环节［45］，干草品质的好坏取决于牧草的刈割时间、晾晒时水分散失的速度和达到安全水分需要时间的长短［68］。国内外牧草干燥设备的研究和开发以转筒干燥设备为主［9］，其主要干燥散草，而且收获加工与干燥工艺不匹配，智能化程度不高，后期需经二次打捆贮存，整个加工工艺流程复杂，降低草的品质，不利于大规模、高效率的现代化生产。

本文通过针对目前干燥设备存在的不足和传统牧草收获加工工艺的分析研究，开发了内强制阶段式牧草捆干燥工艺，并结合该干燥工艺和牧草收获工艺研制新型针式牧草干燥设备，并搭建一套智能化控制系统，实时监测干燥设备的作业状态。

1 新型草捆干燥工艺

草捆干燥设备一般采用两种干燥形式：外强制热风干燥和内强制热风干燥。干燥草捆时，因草捆密实度一般达到300kg/m3，采用外强制热风形式的干燥设备效率较低且干燥不均匀，影响干燥牧草的营养品质。因此，本文新型牧草干燥设备采用内强制热风干燥形式，并开发运用阶段式的草捆干燥工艺（图1），大大提高了干燥设备的效率，也使牧草营养价值流失较少。

内强制阶段式牧草捆干燥工艺：将草捆置于干燥单元上，向草捆内部刺入热风风针，草捆干燥工艺过程有四个阶段：干燥准备阶段（Ⅰ阶段），送风系统向刺入草捆的风针通2～5min的常温气流，使牧草之间的通风间隙得到疏松，便于进入草捆内部的气体能及时排出；干燥快速阶段（Ⅱ阶段），热风系统通过风针向草捆通5～10min 120℃的热风气流；干燥降速阶段（Ⅲ阶段），待草捆含水率降至25%时将热风温度降为80℃，草捆含水率降至17%時，停止热风供应；延时排湿阶段（Ⅳ阶段），热风系统停止热风输送后，继续向草捆通2～5min的常温气流，以便排出留存在牧草间隙中的湿气，同时防止高温牧草在急剧降温后使牧草返潮。草捆干燥完成后，热风风针退出，干燥的草捆被送出。

2 新型针式牧草干燥设备总体结构与工作原理

2.1 总体结构

新型针式牧草干燥设备结构如图2所示，主要由机架、热风交换装置、热风输送管、干燥单元和控制系统等组成。热风针管垂直布置，实现上下移动，可插入或拨出草捆。本设备可延伸干燥单元的数量，提高其干燥效率，增强其拓展性。

2.2 工作原理

新型针式牧草捆干燥设备中热风是从草捆内向草捆外流动，该方式容易实现热风对整个草捆的干燥。工作时，先开启控制系统，系统自动检测工位就绪情况，无异常报警后用叉草机将草捆运送到干燥单元上，待草捆放置稳定后热风针管刺入草捆，先启动风机向系统送入常温空气气流，待通入的常温气流达到设定输送时间时，启动热风交换加热装置，此时风机向热风交换装置提供的空气被加热并连续送入输送管进入草捆。从热交换装置送出的热风在出口处分为两路，分别从干燥单元两端进口进入，干燥单元两端热风进入后分为六路热风支管路，每路支管路下部均布九支风针，热风从风针侧面的针孔送出进入草捆，热风气流将草捆中的水分通过牧草之间的间隙排出，当草捆含水率降至预设值时，自动关闭热风交换装置的加热，但风机继续送入常温空气，直到草捆内部的温度降至设定值后关闭风机，干燥完成。在整个干燥过程中采用阶段式干燥工艺，干燥气流通过热风输送管依次向草捆强制输入常温空气—加热空气—常温空气，整个过程系统自动识别控制。

新型针式牧草干燥设备主要技术参数见表1。

3 干燥过程的热质衡算

以干燥前后草捆作为衡算对象，对干燥过程进行总体热质衡算［10］。物料衡算见图3。

3.1 物料衡算

在整个干燥过程中，干燥前湿物料的量为G1，依据干燥过程中干物质是不变的，只有水分在变化。则蒸发物料中的含水量所需的新鲜空气消耗量

V=（0.772+1.244M1）（t0+273.15）（W1-W2）P0G1

273.15（1-W2）（M2-M1）P

（1）

式中：

V——新鲜空气的消耗量，m3/h；

G1——湿物料的量，kg；

W1——干燥前物料的含水率，%；

W2——干燥后物料的含水率，%；

M1——

干燥前进入空气的湿含量，kg（水）/kg；

M2——

干燥后排出空气的湿含量，kg（水）/kg；

t0——初始温度，℃；

P0——

标况下的大气压力，取101325Pa；

P——操作工况下的大气压力，取84310Pa。

根据湿法收获工艺，草捆含水率为35%。采用内强制阶段式干燥工艺，牧草经过干燥加速阶段，含水率降至25%左右，干燥降速阶段，含水率降至17%以下。湿物料量为1150kg，初始温度为20℃时空气的湿含量为0.0147kg（水）/kg，干燥后排出空气的湿含量为0.0865kg（水）/kg，根据式（1）计算得新鲜空气消耗量为3540m3/h。

3.2 热量衡算

在热量衡算时，应考虑各种可能性，干燥过程根据实际情况进行简化处理。物料在干燥过程中消耗的热量主要有三部分：加热空气的耗热量、蒸发水分耗热量和加热湿物料耗热量。即

Q=Q1+Q2+Q3

（2）

式中：

Q——干燥过程中消耗的热量，kJ/h；

Q1——加热空气的耗热量，kJ/h；

Q2——蒸发水分耗热量，kJ/h；

Q3——加热湿物料耗热量，kJ/h。

则有

Q=

1.01L（t2-t0）+w（r00+Cvt2）+

GCm（θ2-θ1）

（3）

式中：

L——新鲜空气用量，kg/h；

t2——加热后空气的温度，℃；

w——

干燥过程中热空气带走的水分，kg/h；

r00——

水的汽化潜热，查得汽化潜热值为2335.3kJ/kg；

Cv——

水蒸气的比热，查得水蒸气的比热值为1.88kJ/（kg·℃）；

G——物料绝干物质的量，kg/h；

Cm——

物料的比热，查得牧草比热值为2.31kJ/（kg·℃）；

θ1——湿物料干燥前的温度，℃；

θ2——湿物料干燥后的温度，℃。

根据实际草捆干燥，结合内强制阶段式干燥工艺，新鲜空气用量为3473.5kg/h，加热后空气的温度为100℃，湿物料干燥前后的温度分别为20℃、50℃，根据湿物料和干燥前后的物料含水率，可得热空气带走的水分为250kg/h，绝干物质的量为747.5kg，由式（3）计算得干燥过程所消耗热量为229766Kcal/h，则可配套的热交换装置的功率为267kW。

4 关键部件设计

4.1 热风均风装置

新型针式牧草干燥设备热风均风装置主要将热交换后的空气均布配送，由渐扩管、分流板、导风板和出风板组成，如图4所示。

气流从上游经过渐扩管进入下游管，在通过上下游两断面之间的局部构件时，产生能量损失［11］。则可得以下关系

p1γ+H1+α1v122g=

p2γ+H2+α2v222g+∑hf

（4）

式中：

p1、p2——

截面1和2上的压力，Pa；

α1、α2——

截面1和2上的动能修正系数，一般取1；

v1、v2——

截面1和2上的热风流速，m/s；

H1、H2——

截面1和2到某一基准水平面的高度，m；

g——重力加速度，m/s2；

γ——空气容重，kg/m3；

hf——

单位质量的气体沿截面1流动到截面2的阻力损失，m。

气流在突然变大的热风管中流动，当管道截面积变大或其变化角α不是很大时，气流经过渐扩管窄端时，因粘性力小于惯性力，气流通过变化截面区域前与热风管的壁面脱离并在两侧形成涡流区，变化角α越大，形成的涡流区也越大，造成的能量损失就越大，即阻力增大，也是渐扩管产生损失的主要原因。因此，要减小渐扩管的阻力，就需要减小变化角α的角度，一般变化角小于45°［12］，也可以变换结构型式，采用导流板和分流板，减小两侧脱离区的面积。图5为气流在渐扩管中的流动情况。

干燥热风均风装置是整个送风系统的主要组成部分，合理设计均风装置的结构关系到热风系统的运行状态和成本。输送一定量的热风空气所需风管的截面面积和风速成反比，截面积小，风速就大，材料的用量和占用体积就小，但阻力损失大，耗能增加。因此需要有个合适的经济风速问题。另外，热风风速的确定，也要考虑其他条件的限制，如安装结构、风管截面变大的影响等，所以管内热风风速不能太小。目前，在内强制干燥热风系统中采用高速送风系统。因此，设计选取热风均风装置上游主管道的热风流速v1为26.5m/s［12］。根据新鲜空气消耗量，选取风机风量3540m3/h。则上游主管道管径

D=10004L′πv1

（5）

式中：

D——上游主管道管径，mm；

L′——

上游主管道通过的热风流量，m3/h。

风机送风主管分为两路，即上游主管道，其通过的热风流量为1770m3/h，热风流速为26.5m/s，由式（5）可知，上游主管直径为155mm。

4.2 熱风风针干燥系统

新型针式牧草干燥设备热风风针干燥系统主要将热风气流送入草捆内部，由热风均风装置、热风引导支管、风针和在线水分检测仪组成，其结构如图6所示。

热风风针干燥管道是输送热风气流的通道，它将均风装置、热风引导支管和风针连接成一个整体，考虑管道布置和送风系统阻力损失，采用方形和圆形管道结合的结构。

假设热风引导支管内部气流流动是不可压缩且为连续介质。主管路与引导支管路出口之间设置一段直管路，以降低不均匀气流的存在［13］。热风进入风针干燥系统后，经过均风装置将热风送入6个支管路，引导支管路采用80mm×80mm的方形管。引导支管路均布9个圆柱形风针管，每个针管上设有四列交错布置的等距针孔（图7），风针管内径为26mm，针孔直径为6mm。风针锥头在工作时要刺入草捆中，其锥角取为30°，风针柄主要是将风针与热风引导支管连接固定。

4.3 干燥单元

干燥单元是新型牧草干燥设备的核心部件，主要由热风风针干燥系统、拓展机架、导向板、伸缩油缸、止捆板和限位板组成，如图8所示。

加热过的空气经均风装置送入干燥单元。干燥单元的作用是将热空气从引导支管分散进入各个风针管，最后从风针针孔送出进入到草捆中，热空气从草捆到大气的过程中将草捆中的水分带走，在热风动能和热能的作用下，草捆中的含水率降低。

风针刺入或拔出草捆由伸缩油缸完成，设备适用干燥草捆的尺寸为：方草捆2000mm×1200mm×900mm，圆草捆Φ1 000mm×850mm，伸缩油缸行程设计为1000mm。

为了使风针锥头退出草捆后保持穿过导向板，草捆上面到导向板底面距离不小于90mm，则风针刺入草捆后上部和下部的针孔分别距草捆上、下边缘的距离都不小于100mm。为保证插入草捆的风针保持在允许误差范围内，草捆左右两侧面距限位板不大于50mm。用搬运设备将草捆运送到干燥单元上，利于卸捆方便，在拓展机架外沿设置止捆板，其高度为80mm。

在大规模草捆干燥生产时，干燥单元通过叠加延伸若干个同类型模块来提高生产效率，具有很好的拓展性，一般可串接3～6个模块。

5 智能化控制系统设计

5.1 控制系统硬件

控制系统硬件主要由上位机系统、下位机系统和动力驱动系统组成，如图9所示。

上位机系统主要由触摸屏组成，可以显示人机交互界面，实现对各动力系统单元的远控，可以对各关键参数进行数据显示和记录，并形成曲线报表。下位机系统主要由PLC组成，通过各接口实现各模拟量和数字量的采集和控制，通过各通讯口实现各系统之间的互联。动力驱动系统是给干燥装置正常运转提供动力的电气控制柜和液压系统组合，主要由液压站、变频器和电动机组成，变频器利用其优异的矢量控制性能实现电机速度的控制，液压电磁阀、变频器和PLC通过通讯模块建立连接，实时监测运行状态，记录各状态下运行数据，实现驱动系统的启动停止。在线水分检测仪、热风风速变速器和温度变送器支持RS485通讯接口，并通过PLC进行控制，实现集中控制。

5.2 控制系统软件

控制系统通过人机交互界面收发指令，实现干燥设备的工作控制，控制系统的功能流程如图10所示。

新型针式牧草干燥设备的交互界面由主界面、功能参数菜单、可视化数据曲线、历史数据库等组成。在主界面上，可实时监测干燥过程的运行状态；在功能参数菜单中，可设置工作时的热风温度、草捆的目标含水率；在可视化数据曲线界面，可选择时间、温度、含水率等参数，在线绘制特性曲线，生成曲线报表。

6 试验评价分析

为验证新型针式牧草捆干燥设备和强制阶段式干燥工艺的工作效果，2022年在甘肃省农业机械工程技术研究中心生产基地进行不同条件下的干燥试验。以苜蓿方捆为干燥对象，草捆尺寸为1800mm×1200mm×900mm，干燥前草捆平均含水率为35%。

6.1 试验指标

草捆干燥后含水率和干燥强度是评价新型针式牧草干燥设备的主要性能指标。

6.1.1 草捆含水率

随机抽取一个苜蓿草捆作为样本，在草捆长边方向将其均分为五份，在每份的中间取一份小样，切碎成长度为15mm的碎草，各份取碎草样品50g，装入铝盒称其重量，在105℃恒定温度下烘干至质量不变为止，取出称其质量［14］，苜蓿草捆的含水率

HC=mq-mhmq×100%

（6）

式中：

HC——草捆的含水率，%；

mq——烘干前样品的质量，g；

mh——烘干后样品的质量，g。

6.1.2 干燥强度

干燥强度是物料干基含水率随时间的变化率，计算公式如式（7）所示［15］。

A=dmddt=md，i+1-md，iti+1-ti

（7）

式中：

A——干燥强度，g/（g·min）；

md，i+1——

ti+1时刻物料的干基含水率，g/g；

md，i——

ti时刻物料的干基含水率，g/g；

t——干燥时间，min。

6.2 试验结果分析

本试验通过在三种干燥温度下测定苜蓿草捆干燥后的含水率和干燥强度来分析新型针式牧草捆干燥设备运用强制分段式干燥工艺的干燥效果，干燥过程中风机送风量保持不变，整个干燥时间为30min，草捆质量依次为602.5kg、589.6kg、615.6kg，所测得干燥前后的草捆含水率和测试方案如表2所示。

从图11可以看出，在不同干燥温度DT下，草捆含水率随时间而减小。相同干燥时间内，在干燥Ⅰ阶段是向草捆送入常温空气，草捆含水率变化很小；在干燥Ⅱ阶段DT为150℃时，干燥含水率减少最快，但干燥不均匀，干燥后草捆内局部有发黄，草品质受影响；干燥Ⅱ阶段DT为100℃时，干燥含水率减少最慢，未达到安全水分以下，干燥效率较低；干燥Ⅱ阶段DT为120℃時，含水率减少速度在以上两种阶段之间；在干燥Ⅲ阶段，草捆2的含水率变化浮动最小；在干燥Ⅳ阶段，通入5min的常温空气，将草捆内的湿气排出，此时，草捆1和草捆2的含水率达到安全水分，草捆2干燥比较均匀，且有效保证了草捆的品质。

从图12可知，在不同干燥温度下，干燥强度达到峰值所用的时间都是10min，其强度的大小与干燥温度的大小有关，此时苜蓿草的水分散失主要以游离水为主，所以干燥温度越大，干燥的就越快。当干燥时间超过10min，干燥强度逐渐减小，此时苜蓿草的水分散失主要是以结合水为主，不易干燥。

综上分析，在干燥Ⅱ阶段选用干燥温度为120℃时，草捆2的干燥品质为最佳，干燥处理量为917kg/h，达到设计要求。

7 结论

1）  根据目前干燥设备的不足和传统牧草收获加工工艺的分析研究，开发了内强制阶段式牧草捆干燥工艺，采用内强制阶段式牧草捆干燥工艺研制出新型针式牧草干燥设备，通过热质衡算和关键部件参数计算，得到干燥过程中需要的新鲜空气消耗量为3 540m3/h，消耗的热量为229766Kcal/h，配套的热交换装置功率为267kW，并对关键部件的结构进行设计，开发干燥设备智能化控制系统，实时监测干燥设备的作业参数。

2）  通过试验表明，开发的干燥设备可将含水率35%左右的草捆进行内强制阶段式干燥处理，草捆干燥均匀，干燥后草捆含水率小于17%，处理量可达917kg/h，满足设计需求。同时证明内强制阶段式牧草干燥工艺的可行性和开发的新型牧草捆干燥设备的先进性，为草捆干燥设备的进一步优化提供了技术参考。

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