秸稈粉碎技術(shù)及設(shè)備的研究*

□楊濤孫付春黃爾宇吳昌明

/1.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2.德國卡爾斯魯厄理工大學(xué)

秸稈粉碎技術(shù)及設(shè)備的研究*

□楊濤1孫付春1黃爾宇2吳昌明1

/1.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2.德國卡爾斯魯厄理工大學(xué)

隨著農(nóng)作物秸稈綜合利用的不斷推進(jìn)和秸稈資源的不斷開發(fā)，秸稈粉碎已成為其綜合利用的瓶頸。論文總結(jié)了現(xiàn)有的秸稈粉碎技術(shù)與工藝，分析概述了秸稈粉碎設(shè)備研究現(xiàn)狀，找出了秸稈粉碎技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題，提出了我國秸稈粉碎設(shè)備發(fā)展方向及趨勢。

秸稈；粉碎技術(shù)；設(shè)備

0 引言

隨著農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)的改善、農(nóng)民生活水平的提高，加之農(nóng)作物秸稈的整理、收集以及運輸成本難以控制等因素，導(dǎo)致秸稈綜合利用經(jīng)濟(jì)性差、商品化和產(chǎn)業(yè)化程度低。大量的秸稈被遺棄或就地焚燒，對土壤和空氣環(huán)境造成了較大的污染。農(nóng)作物秸稈是一種極其重要的生物質(zhì)資源，我國主要將其應(yīng)用于轉(zhuǎn)化或生產(chǎn)有機(jī)肥、牲畜飼料、食用菌培養(yǎng)基料、燃料以及工業(yè)原料等[1]。粉碎工藝是秸稈綜合利用過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不同的應(yīng)用方式對秸稈粉碎粒度的要求不同。

我國的秸稈粉碎技術(shù)起步較早、相對比較成熟，粉碎方式與設(shè)備也是多種多樣。但現(xiàn)有的粉碎設(shè)備依然存在著做工粗糙、產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)安全性差、能耗高、出料粒度大等問題[2]。優(yōu)化現(xiàn)有秸稈粉碎設(shè)備，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物的綜合利用、耕地土壤保護(hù)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)奠定了基礎(chǔ)，從而進(jìn)一步形成秸稈綜合利用生態(tài)鏈產(chǎn)業(yè)。

1 秸稈粉碎工藝研究

1.1 粉碎理論

粉碎就是借助機(jī)械力來克服固體物料內(nèi)部凝聚力并使其發(fā)生斷裂的一種工藝[3]。選擇粉碎工藝的主要依據(jù)是其自身的物理特性，包含抗剪強(qiáng)度、彈性模量、剛性模量等機(jī)械特性以及脆性、硬度、強(qiáng)度、易碎性等力學(xué)特性。對于一種具體的秸稈，主要依據(jù)它的強(qiáng)度和易碎性來選擇合適的粉碎工藝。比如硬度大、韌性差的物料（如干樹枝、枝椏材等），適合采用撞擊、擠壓等粉碎工藝；硬度小、韌性好的物料（如稻草、青草），適合采用鍘切、揉搓等粉碎工藝。選擇合適的粉碎方法，有助于提高設(shè)備的工作效率、降低能耗。

1.2 粉碎技術(shù)

目前，我國的秸稈粉碎技術(shù)主要有鍘切、擊打、揉切等。

1.2.1 鍘切

切割方式根據(jù)刀片相對刀刃線運動方向的不同分為砍切和滑切[4]。刀片沿刀刃線垂直方向運動就是砍切；刀片沿與刀刃線不垂直的方向運動就是滑切。如圖1所示，AB為刀片的刀刃線，假設(shè)刀片以速度v豎直向下運動，在物料接觸的切割點M處沿刀刃線方向和垂直刀刃線方向分解為滑切速度v1和砍切速度v2，則速度v與v2的夾角就是滑切角τ。在切碎器設(shè)計過程中滑切角通常取20°～60°，這樣能夠充分利用刀具的滑切性能以達(dá)到降低設(shè)備能耗的目的[5]。

鍘切式粉碎技術(shù)根據(jù)動刀片的切割方式分為圓盤式和滾筒式[5]。如圖2所示，圓盤式粉碎技術(shù)原理是在一個圓盤上均布有3～4把動刀片，物料由一側(cè)沿軸向進(jìn)入，并在高速旋轉(zhuǎn)的動刀配合固定安裝的定刀產(chǎn)生的剪切作用下將其切成段狀。

圖1 刀片滑切示意圖

圖2 盤刀式粉碎示意圖

滾筒式粉碎技術(shù)，如圖3所示。在一個圓柱形或近似圓柱形的滾筒上均布有2～6把滾刀片，物料由垂直滾筒方向進(jìn)入，此后，在高速旋轉(zhuǎn)的動刀以及下方的定刀共同作用下被切碎。此類切碎器的滑切角沿滾筒長度方向變化，一般500mm長的滾筒兩端的滑切角相差2倍左右[6]。只有滾刀刃線是對數(shù)螺旋線時才能夠保證切割過程中滑切角不變。也就是說，切割過程中切割力與切割阻力矩均能保持不變[7]。但因加工制作成本較高，應(yīng)用較少。

常見的滾刀類型有平板式、直刃式以及螺旋式，為了保證切碎過程平穩(wěn)，滾刀的滑切角與推擠角一般取值較小，故該技術(shù)常用于小型鍘草機(jī)[8]。

1.2.2 擊碎

擊碎技術(shù)是通過旋轉(zhuǎn)的錘片對物料的擊打、碰撞等作用使其發(fā)生斷裂而體積減小的一項粉碎技術(shù)[9]。一般情況下，錘片按一定規(guī)律相互錯開地沿軸向排列在錘片架上構(gòu)成轉(zhuǎn)子[10]。如圖4所示，在機(jī)體下方裝有篩網(wǎng)，通過更換不同篩孔直徑的篩網(wǎng)來調(diào)整出料粒度。由于高濕物料容易導(dǎo)致篩孔堵塞，使設(shè)備不能正常工作。因此，該技術(shù)通常用于含水量較低的干秸稈粉碎。

圖3 滾筒式粉碎示意圖

圖4 錘片粉碎示意圖

1.2.3 揉搓

秸稈揉搓技術(shù)是在錘片式擊打技術(shù)上發(fā)展而來的。如圖5所示，通常情況下，將篩網(wǎng)替換為齒板，物料由風(fēng)機(jī)或葉片拋出。這樣增加了物料與齒板搓擦的機(jī)會以及物料相互間的碰撞作用，使得物料受到?jīng)_擊、碰撞和搓擦等手段的綜合作用[11,12]。

圖5 揉搓式粉碎示意圖

2 秸稈粉碎設(shè)備研究

目前我國秸稈粉碎設(shè)備主要類型有鍘切式粉碎設(shè)備、錘片式粉碎設(shè)備、揉切式粉碎設(shè)備與組合式粉碎設(shè)備。

2.1 鍘切式粉碎設(shè)備

鍘切式粉碎設(shè)備按粉碎技術(shù)的差異可細(xì)分為圓盤式粉碎設(shè)備和滾筒式粉碎設(shè)備。

圓盤式粉碎設(shè)備一般由電動機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、喂入機(jī)構(gòu)、切碎器與出料機(jī)構(gòu)組成[13]。其中，切碎器均布有3～4片刀片組成一個圓盤，這種切碎器滑切性能好、生產(chǎn)效率高且刀片結(jié)構(gòu)簡單，但是物料適應(yīng)性差，常用于粉碎青儲飼料。如由鄭州東宏機(jī)械設(shè)備有限公司研制的9Z-10A型拖掛式鍘草機(jī)，以玉米、小麥秸稈為物料，配備電機(jī)15kW，產(chǎn)量10～15t/h，出料粒度12～35mm；也可直接拖掛于相應(yīng)的拖拉機(jī)上在田間作業(yè)。由曲阜市天陽機(jī)械制造有限公司研制的TYZ-8C型鍘草機(jī)，刀架、飛輪、風(fēng)扇設(shè)計成一體，結(jié)構(gòu)緊湊、震動及噪音小、堅固耐用并增加了自動進(jìn)料機(jī)構(gòu)以及配有齒輪式變速箱，可以改變動刀的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)整物料切碎長度的目的。假設(shè)勻速進(jìn)料，則理論上可選擇10、16、23、33mm這4種長度的碎料，產(chǎn)量8～10t/h。

滾筒式粉碎設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，可安裝較多的刀片，滾筒轉(zhuǎn)速較低時仍可以得到較短的物料。因動刀的速度一致其切碎段質(zhì)量較好，但是物料適應(yīng)性差，體積及生產(chǎn)率較小。如由成都新城機(jī)械制造有限公司研制的6刀鍘草機(jī)，采用了6把動刀片，配用電動機(jī)功率2.2kW，并增加了變速箱設(shè)置長、空、短3個檔位，來調(diào)節(jié)物料長度，產(chǎn)量1.5t/h。

2.2 錘片式粉碎設(shè)備

錘片式粉碎設(shè)備一般由上機(jī)體的齒板和下機(jī)體的篩網(wǎng)將錘片組與錘片架構(gòu)成的轉(zhuǎn)子包圍起來構(gòu)成粉碎室。物料從其頂部或轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的切向方向進(jìn)入到粉碎室內(nèi)，首先受到錘片的擊打作用，然后以較高的速度拋向齒板和篩網(wǎng)，受到齒板的搓擦作用、篩網(wǎng)的碰撞作用以及物料相互間的碰撞作用而被粉碎，該過程往復(fù)進(jìn)行，直到物料從篩孔漏出為止[10]。如由河南鄭州金聯(lián)機(jī)械設(shè)備有限公司研制的雙級粉碎機(jī)采用兩級錘片式輥筒設(shè)計，串聯(lián)了兩臺錘片式粉碎輥筒并取消了篩網(wǎng)，以適應(yīng)高濕物料，同樣也能適應(yīng)于下雨天氣。電機(jī)功率15kW，產(chǎn)量10～15t/h，出料粒度小于3mm。

2.3 揉切式粉碎設(shè)備

揉切式粉碎設(shè)備按粉碎刀具及運動方式的差異可進(jìn)一步分為揉搓機(jī)和揉碎機(jī)[14]。

揉搓機(jī)是由錘片式粉碎機(jī)改進(jìn)而來的。通常是將篩片替換為齒板，物料受到齒板的搓擦作用，將秸稈揉搓成柔軟、蓬松的絲段狀，最后由風(fēng)機(jī)拋送出去。加工的物料粉碎粒度大，生產(chǎn)效率較低，也有設(shè)備用增加一套壓扁擠絲機(jī)構(gòu)來提高粉碎質(zhì)量。

揉碎機(jī)的錘片呈螺旋排列，物料從轉(zhuǎn)子的一端垂直進(jìn)入，在軸向氣流和旋轉(zhuǎn)錘片的作用下，物料的運動方向轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫休S向運動且被錘片擊打成短段狀。被切碎的物料在離心力的作用下甩到機(jī)殼內(nèi)壁，與粉碎室內(nèi)的齒板產(chǎn)生搓擦作用而得到粉碎，該過程一直持續(xù)到物料沿軸向運動到另一端被拋送葉片拋出機(jī)外[15]。

如由鄭州一科重工機(jī)械制造有限公司研制的9RS-1000秸稈揉絲機(jī)，適用于棉稈、玉米稈、高粱稈、麥秸、稻秸等各種農(nóng)作物秸稈的揉搓加工。配備電機(jī)功率22kW，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速2900r/min，出料粒度3～5mm，產(chǎn)量5～6t/h。由曲阜市魯軒農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司研制的秸稈揉切粉碎機(jī)是集鍘草、揉搓、粉碎、打漿于一體的新型飼料加工設(shè)備。創(chuàng)新性的使用了雙進(jìn)料口，一個用于青鮮玉米、大豆、小麥等農(nóng)作物秸稈；另一個用于玉米、高粱、地瓜干等糧食。適用于家庭式或個體養(yǎng)殖戶飼料的粉碎。

2.4 組合式粉碎設(shè)備

組合式粉碎設(shè)備集鍘切、擊碎、碰撞、磨搓與揉搓等多種粉碎技術(shù)于一身，通過兩種及以上粉碎技術(shù)相互配合、共同作用將物料粉碎[16]。該類型設(shè)備具有物料適應(yīng)性強(qiáng)、出料粒度小、能夠減少錘片數(shù)量及關(guān)鍵零部件的磨損等優(yōu)勢。但同時，集成了多項粉碎技術(shù)隨之帶來了設(shè)備體積較大、笨重問題，造成了設(shè)備難以搬動只能在固定地點粉碎的缺點。

如河南九龍機(jī)械制造有限公司最新研制的秸稈粉碎機(jī)，將物料送進(jìn)粉碎機(jī)，所進(jìn)物料首先被切成1～5cm長的小段，然后進(jìn)入粉碎室粉碎，最后通過尾部的風(fēng)葉將碎料送出，出料粒度小于8mm，產(chǎn)量1～3t/h。

3 秸稈粉碎技術(shù)發(fā)展方向與趨勢

我國地理環(huán)境差異大，農(nóng)作物的種類繁多。秸稈粉碎設(shè)備要根據(jù)當(dāng)?shù)赜脩粜枨螅Y(jié)合實際發(fā)展需要，在滿足用戶需求的同時，注重產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)安全，逐步向技術(shù)含量高、能源消耗低及多功能方向發(fā)展[17,18]。目前亟需解決以下矛盾。

1）有效解決細(xì)粒度與高效率之間的矛盾。目前對于較細(xì)粒度要求的粉碎主要是利用研磨的方式，效率低、能耗高，阻礙了細(xì)粒度秸稈綜合利用規(guī)?；l(fā)展。

2）有效解決多功能與專用功能之間的矛盾。針對用戶的需要，同步發(fā)展多功能設(shè)備及適合企業(yè)向集團(tuán)化、規(guī)?；l(fā)展的專用型設(shè)備。

3）有效解決智能化與低成本之間的矛盾?，F(xiàn)有的秸稈粉碎設(shè)備大多是手動進(jìn)料、人工收集整理物料，嚴(yán)重阻礙了秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此對自動化、智能化粉碎設(shè)備的研究，有助于加速秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展。

4）有效解決低能耗與高質(zhì)量之間的矛盾。節(jié)能、高效的粉碎設(shè)備一直是用戶急需的，降低設(shè)備能耗、提高粉碎質(zhì)量是生產(chǎn)企業(yè)的總目標(biāo)。

4 總結(jié)

秸稈粉碎設(shè)備是農(nóng)作物秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵。必須重視秸稈粉碎設(shè)備的理論創(chuàng)新研究，優(yōu)化現(xiàn)有的粉碎設(shè)備，完善粉碎設(shè)備的類型，加快常用零部件標(biāo)準(zhǔn)的制定，實現(xiàn)設(shè)備通用零部件的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，降低企業(yè)的生產(chǎn)制造成本。根據(jù)不同地區(qū)的農(nóng)作物秸稈特點及用戶的需求發(fā)展多功能、價格適宜的粉碎設(shè)備，以促進(jìn)秸稈的綜合利用產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展。

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四川省教育廳重點研究項目（項目編號：16ZA0382）。