南方林下飼用植物壓塊機的研制

陳 斌 ，羅迎社 ，羅樹凌 ，馮 燕

（中南林業(yè)科技大學 a.機電工程學院； b. 流變力學與材料工程研究所；c. 商學院，湖南 長沙 410004）

南方林下飼用植物壓塊機的研制

陳 斌a，羅迎社b，羅樹凌c，馮 燕b

（中南林業(yè)科技大學 a.機電工程學院； b. 流變力學與材料工程研究所；c. 商學院，湖南 長沙 410004）

簡要闡述了林下經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的分類、林下飼草的發(fā)展意義、飼用植物壓具的國內外研究現(xiàn)狀；在此基礎上，重點介紹了南方林下飼用植物壓塊機的研制，表明本壓塊機適用于南方丘陵地帶，采用雙氣缸施壓，運行平穩(wěn)，能保障壓料質量，箱體有恒溫系統(tǒng)控制；加工的飼料具有糊香味，動物喜食。同時展望了壓塊機的應用價值及林下經(jīng)濟發(fā)展前景。

林下植物；飼用植物；壓塊機；研制；南方丘陵地帶

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和社會進步，南方農林機械行業(yè)同樣進入一個快速發(fā)展與創(chuàng)新研發(fā)時期，如李立君教授[1]針對油茶果的物理屬性，結合油茶果的采摘過程，確定了油茶果采摘機物料收集方式。田莉等[2]對蘆葦收割裝備進行了研究探討，擬研制開發(fā)的蘆葦機械化生產(chǎn)將帶來巨大的經(jīng)濟效益，其市場及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景廣闊。與此同時中國南方的林下經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)也取得了蓬勃的發(fā)展，向社會提供著源源不斷的綠色林產(chǎn)品和生態(tài)產(chǎn)品。作為又一中國特色的經(jīng)濟發(fā)展模式，林下經(jīng)濟主要有林下養(yǎng)殖和林下種植兩種模式。林下養(yǎng)殖的形式主要有3種：林—禽模式，在林下養(yǎng)雞、鴨、鵝、鳥等禽類；林—畜模式，在林下放養(yǎng)豬、牛、羊、兔等家畜；林—蜂模式，利用林木放養(yǎng)蜜蜂，發(fā)展蜂業(yè)。林下種植的形式有：林—草模式，在林下套種多花黑牧草、紫花苜蓿等耐蔭性牧草；林—菌模式，林下培植香菇、蘑菇、靈芝等菌類；林—花模式，在林下種植耐蔭性的花卉和觀賞植物，如金花茶、羅漢松；林—藥模式，在林下種植藥用植物，如金銀花、鐵皮石槲、雞血藤等[3]。

具體說來，林下經(jīng)濟一步棋，盤活萬重山。針對南方地處丘陵、四季分明的地理、氣候特點，使南方林下空間得到更充分的發(fā)揮，經(jīng)濟效益得到最大的發(fā)展，本研究著重研究林下飼用植物的開發(fā)利用，是屬于我國南方林下開發(fā)中較少的一塊，而且采用了飼用灌木與高大喬木套種技術及飼用牧草與小喬木套種技術的綜合利用，這種林、灌、草的綜合開發(fā)，在節(jié)省空間資源的同時也提出了一種新的種植模式。而且林下飼用植物種植模式能改變鹽漬化土壤的化學性質，通過林草根系的新陳代謝及死根的腐蝕作用，使土壤有機質增加[4-5]，在保護和治理環(huán)境的同時增加經(jīng)濟效益。

隨著林下經(jīng)濟的不斷發(fā)展及飼草飼料需求量的逐年增加，大量飼草飼料的供給可通過林下飼用植物的開發(fā)利用來解決。試驗結果表明，牧草經(jīng)溫熱加工壓塊后可產(chǎn)生一定的糊香味，可大大提高動物的采食率。如能利用專門的壓制設備，把散裝堆放的飼草變成可以長途運輸、長期貯存的全天候飼料產(chǎn)品，實現(xiàn)飼料產(chǎn)品的商品化生產(chǎn)和異地消化利用，甚至出口創(chuàng)匯，使飼用植物增值、農民增收，形成工廠化大規(guī)模飼料產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)模式的同時，有利于水土保持等生態(tài)文明建設，在農村和城郊將會有廣闊的推廣應用前景[6]。

1 飼用植物壓具的國內外研究現(xiàn)狀

國外同類機器的研究起步早，以及在技術、經(jīng)濟等方面的優(yōu)勢，已經(jīng)形成了較完善的技術體系。國外在飼料壓塊成型生產(chǎn)方面都作了大量研究，如美國、荷蘭、瑞典的飼料壓塊的生產(chǎn)都實現(xiàn)了工廠化或產(chǎn)業(yè)化。原料從收集、粉碎、干燥、成型、包裝、銷售全部實現(xiàn)了生產(chǎn)線生產(chǎn)，但是這些機器大都是聯(lián)合性很強、功率比較大、能量消耗較多的設備，適合歐美國家勞動力少、人均占有耕地多且地勢較為平坦、集約化生產(chǎn)規(guī)模大的國情，而不太適合于我國南方丘陵地帶、潮濕多雨氣候和目前集約化生產(chǎn)規(guī)模相對較小的國情。

在國內一些地區(qū)，特別是北方平原地區(qū)，飼用植物壓塊技術有了一定的發(fā)展。市場上推出的飼料壓塊機從原理上可總結為擠壓式環(huán)模壓塊機、平模壓塊機、壓縮式壓塊機等幾種。但這些設備得到的壓塊都是高密度塊，并且在技術上還不盡成熟，存在產(chǎn)品質量較低、可靠性較差等這樣或那樣的不足[7]，且在南方鮮有大面積推廣應用。

現(xiàn)有的林下飼用植物壓塊機，其箱體保溫效果差，且采用單主動氣缸施壓機構，壓力施加不均勻，造成壓料質量低，而且機械整體運行不平穩(wěn)。另外，現(xiàn)有的擠壓式林下飼用植物壓塊機采用人工開啟箱體的前端蓋出料，操作麻煩，且效率低，自動化程度低。因此 ，有必要設計一套新型的南方林下飼用植物壓塊機。

2 南方林下飼用植物壓制設備的設計

從實際出發(fā)，飼用植物的收集問題是限制其發(fā)展的一個重要因素。至今為止，我國南方林—草產(chǎn)業(yè)遠未達到應有的水平和滿足市場需求，導致林下飼用植物的產(chǎn)量有限，為了配合一些大型飼料成型設備的生產(chǎn)，就需要在很大的收獲區(qū)域內收集飼用植物，從而導致遠距離運輸。加之飼用植物密度小，體積大而松散，運輸?shù)纳a(chǎn)率無法提高，其收集的成本自然就高。

本文中所設計的飼用植物壓塊機，本著成本低、能耗少、簡單輕便、易于操作的思路，設計了適用于普通農戶家庭的飼用植物壓塊設備。

2.1 壓制設備的工作基本原理

本設計飼用植物壓塊機的主要工作原理是把已經(jīng)收割、經(jīng)過初步烘干處理、水分為30%以下的飼用植物放入擠壓室并加溫，通過氣缸的擠壓作用，粘結成塊，保證一定的壓縮比，使飼用植物壓縮成相對密實的飼料塊，便于儲存、運輸和使用。

壓塊成型過程如圖1所示，大概分為四個階段：第一階段，打開滑門上蓋，把飼用植物喂入壓縮室后關閉滑門，將溫控裝置打開使壓縮室的溫度預熱到90℃左右[8]；第二階段，保持卸料板不動，通過兩個主動氣缸驅動推料板前進，將箱體內的原料壓縮成設定厚度的壓塊，然后再保壓約1 min；第三階段，發(fā)熱管停止加熱，并使出料裝置的被動氣缸驅動卸料板回退，主動氣缸驅動推料板繼續(xù)前進直至將壓塊推出箱體，完成當次壓料；第四階段，把一定規(guī)格的飼料塊包裝儲存，以備運送。

圖1 壓塊機成型流程Fig.1 The process fl owsheet of briquetting machine

2.2 壓制設備的設計概述

考慮到南方林下飼用植物的普遍性，主要針對南方常見的紅薯藤、玉米草、黑麥草、紫花苜蓿等飼用植物來開發(fā)設計壓制設備。本設計的林下飼用植物壓塊機，其箱體的滑門、隔熱底板和2塊隔熱側板均為隔熱板，隔熱效果良好，而且頂蓋為滑門，操作方便。施壓裝置采用雙主動氣缸施壓機構，壓力施加平穩(wěn)均勻，能保障壓料質量。出料裝置采用電控被動氣缸出料模式，被動氣缸與主動氣缸協(xié)同動作，出料效率高，且結構簡單，易于實施。而且飼用植物壓塊機還具有恒溫控制系統(tǒng)以及壓力監(jiān)控系統(tǒng)，因而安全性高，且壓塊質量好。

林下飼用植物壓塊機機體部分包括機架、箱體、施壓裝置、出料裝置和氣源。施壓裝置和出料裝置分別設置在箱體的兩端，箱體的結構示意如圖2所示。

圖2 壓塊機總裝Fig.2 Structure drawing of briquetting machine

2.2.1 箱體部件設計

筆者將最佳的壓縮比定為1∶10。預期壓塊的尺寸為600 mm×600 mm×100 mm，這樣大小的壓塊方便運輸與儲存，所以箱體工作的最大容積為600 mm×600 mm×1 000 mm。工作室前、后及底面三面安裝發(fā)熱管，兩端及上端滑門則未安裝。發(fā)熱管由溫控裝置控制，使箱體溫度在最短的時間內達到90℃，便于壓縮，而且壓縮的飼料具有糊香味，提高動物食用的口感。箱體各面裝隔熱棉和隔熱板，盡量防止熱量散失的同時避免工作人員燙傷。箱體部件的示意如圖3所示。

2.2.2 施壓裝置設計

由于飼料的壓制過程中會產(chǎn)生粉塵，工作環(huán)境差，為了保證傳動系統(tǒng)的安全可靠，而且盡可能地節(jié)約成本，選擇氣壓傳動。根據(jù)前期壓縮實驗，由于主動氣缸的壓縮行程為1 000 mm，選取80×1 000的主動氣缸，單個使用空氣壓力為0.6 MPa。兩個主動氣缸并排排列以保持壓力施加平穩(wěn)均勻，能保障壓料質量。

如圖4所示，施壓裝置包括推料板和驅動該推料板的兩套主動氣缸，推料板的尺寸與箱體后端的推料口的尺寸適配；主動氣缸的缸體通過主動氣缸連接板固定在主動氣缸固定板上；兩套主動氣缸的活塞桿的外端部均與推料板相連。

圖 4 施壓裝置部件Fig.4 Components of pressing device

2.2.3 出料裝置設計

為保持力平衡，選取125×300的被動氣缸出料，出料裝置結構如圖5所示。被動氣缸的缸體通過被動氣缸連接板安裝在被動氣缸固定板上，被動氣缸的活塞桿端部與卸料板連接，卸料板的尺寸與林下飼用植物壓塊機的箱體的卸料口尺寸適配，被動氣缸固定板固定在機架上。

圖5 出料裝置部件Fig.5 Component of discharge device

壓塊機工作時，主動氣缸帶動推料板將填滿的物料壓縮，達到1∶10的壓縮比。此時，被動氣缸帶動卸料板后退，主動氣缸繼續(xù)前進，將壓縮好的飼料塊完整地推出，完成后兩氣缸同時復位，完成一個周期的壓縮過程。

2.3 控制系統(tǒng)

本壓塊機設備將飼用植物壓縮成塊狀，在加壓的同時要加熱，并要求氣缸可手動調節(jié)速度和自動推進尺寸，可顯示數(shù)據(jù)，電控柜獨立。其主要特點如下：①壓緊快捷平穩(wěn)，同步聯(lián)動性能好，自鎖性能穩(wěn)定，安全可靠，實用性強。②具有高可靠性，配有氣壓力開關，氣壓低于設定值時鎖定并報警。③電控系統(tǒng)采用可編程控制器+顯示屏+編碼器測量定位，各項運行動態(tài)參數(shù)都可以顯示在屏幕上。④采用可編程邏輯控制器PLC(Programmable Logic Controller)控制壓塊機，整個電路簡單可靠，提高方便性和可靠性，從而降低故障率，技術先進，成本低，能夠滿足農戶的需求，可以加快農業(yè)的現(xiàn)代化進程[9]。⑤溫控系統(tǒng)采用溫控器控溫。

控制系統(tǒng)原理如圖6所示。壓力傳感器用于檢測箱體內的氣壓，若氣壓低于最低設定值0.6 MPa時，啟動報警。顯示屏用于實時顯示各項參數(shù)；采用PLC控制，結構簡單，可靠性高，按鍵用于設置參數(shù)，如壓力參數(shù)、溫度參數(shù)及氣缸行程等。溫度傳感器用于檢測箱體內的溫度，與PLC和加熱管形成閉環(huán)溫控系統(tǒng)。

圖6 控制系統(tǒng)原理Fig.6 of control system

3 結束語

充分利用林下的土地和空間開發(fā)利用林下飼用植物，構建了穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，提高了林業(yè)的綜合利用價值，并帶動了相關產(chǎn)業(yè)的研究與發(fā)展[10]。本壓制設備針對林下飼用植物的開發(fā)利用，適用于我國南方的丘林地帶。機器施壓均勻，整體運行平穩(wěn)，而且采用上端放料、前端出料的方式，操作方便。設備的自動控溫裝置更使得生產(chǎn)出的產(chǎn)品具有糊香味，動物喜食的同時可以長時間存放，生產(chǎn)出的飼料塊便于儲存與運輸。

南方林下飼用植物的開發(fā)利用關鍵技術研究尚處于初期階段，其壓塊機研制還有待經(jīng)過實際應用不斷地改進與完善，以便更好地順應市場，帶動產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

[1] 高自成,李立君,劉 浩. 油茶果采摘機物料收集裝置的選型研究與設計[J].中南林業(yè)科技大學學報,2011,31(10):168-170.

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[7] 趙晨亮. 飼料壓塊機發(fā)展之我見[J].糧食與飼料工業(yè)，2002,(06)：11.

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[9] 劉 軒，王麗偉.畜牧草壓縮機的PLC控制 [J]. 牡丹江大學學報，2007，16(7)：78-79.

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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

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（項目編號：201204610）

陳 斌（1987-），女，湖南澧縣人，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代農業(yè)技術與裝備、農產(chǎn)品流變性能研究；

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

羅迎社（1954-），男，湖南長沙人，教授，博士，博士生導師，主要研究領域：流變力學、材料加工工程、變形體的熱－力學響應與耦合效應；E-mail：lys0258@sina.com

[本文編校：謝榮秀]