農(nóng)作物秸稈飼用化加工技術(shù)裝備研究

阿依肯?葉留拜 劉富強(qiáng) 溫寶琴

摘要秸稈飼用化設(shè)備利用農(nóng)作物秸稈資源，對豐富養(yǎng)殖業(yè)的飼料來源，促進(jìn)畜牧業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展具有重要意義。筆者通過對秸稈粉碎機(jī)設(shè)備、全混合日糧設(shè)備、制粒設(shè)備等農(nóng)作物秸稈飼用化加工技術(shù)裝備的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了深入的分析，并提出目前研究存在的問題，為農(nóng)作物秸稈飼用化技術(shù)與裝備的后續(xù)研究與發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞秸稈飼用化;畜牧養(yǎng)殖;發(fā)展現(xiàn)狀;對策

中圖分類號S226文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611（2019）01-0224-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.01.066

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

畜牧業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)之一。畜牧業(yè)產(chǎn)值超過2.9萬億元，約占農(nóng)業(yè)總值的30%，是決定現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的核心要素。畜牧業(yè)經(jīng)過多年連續(xù)發(fā)展，已成為重要的民生產(chǎn)業(yè)，畜牧產(chǎn)品已經(jīng)成為居民消費(fèi)的必需品[1]?！度珖Ｑ蛉馍a(chǎn)發(fā)展規(guī)劃》（2013—2020年）中提出要重點(diǎn)引導(dǎo)肉羊產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

飼草是養(yǎng)殖業(yè)的基礎(chǔ)。隨著規(guī)模化養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展飼草矛盾逐漸制約著養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，急需新的飼料來源。《“十三五”時期兵團(tuán)科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》的“草食家畜科技創(chuàng)新工程”中重點(diǎn)提出“飼草料高效利用技術(shù)，形成農(nóng)副產(chǎn)品、秸稈廢棄物資源化高效利用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。用于肉羊養(yǎng)殖的粗飼料資源主要是以麥秸稈、玉米秸稈、苜蓿莖稈、甘草莖稈為主[2]。但是，秸稈、莖稈中粗纖維含量高，直接飼喂適口性差、采食率低、消化吸收率低，浪費(fèi)嚴(yán)重。飼用化技術(shù)是秸稈利用的重要途徑，能充分合理的利用秸稈資源、提高適口性以及增加營養(yǎng)，飼用化技術(shù)對我國畜牧業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要意義。

1秸稈飼用化設(shè)備類型

目前秸稈養(yǎng)畜的利用方式主要有直接飼喂、長草短喂、全混合日糧（TMR）飼喂、顆粒飼喂等[3]。

1.1秸稈加工設(shè)備主要有鍘切機(jī)、揉切機(jī)、粉碎機(jī)、揉搓機(jī)等。鍘切機(jī)主要是用來切斷莖稈類飼料，如谷草、麥稈等;揉切機(jī)、揉搓機(jī)能夠使秸稈質(zhì)地細(xì)碎、柔軟，適口性好。

1.2全混合日糧（TMR，totalmixedrations）飼喂機(jī)根據(jù)反芻動物（牛、羊等）飼料配方將各原材料均勻混合而成的一種營養(yǎng)濃度均衡的飼喂模式。在生產(chǎn)制備過程中各種物料進(jìn)行剪切、揉搓和攪拌，使精粗飼料和各種添加劑按不同比例混合，營養(yǎng)均衡，可提高飼料適口性、提高動物采食量、減少飼料浪費(fèi)、提高飼料轉(zhuǎn)化效率、降低投資成本、提高生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益，以達(dá)到科學(xué)飼養(yǎng)的目的[4]。

1.3顆粒飼料機(jī)秸稈通過粉碎、制粒設(shè)備加工成顆粒飼料，制粒過程中的高溫、高壓環(huán)境還能夠減少飼料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子和殺死飼料中的有害微生物，更加有利于動物的健康。高溫的制粒環(huán)境使物料中的有機(jī)成分發(fā)生反應(yīng)，能顯著提高飼料的適口性和營養(yǎng)價值。通過加工成顆粒飼料，能使秸稈成為飼料商品，便于長途運(yùn)輸及儲存，實(shí)現(xiàn)秸稈飼料產(chǎn)品的商品化生產(chǎn)和異地消化利用，增加農(nóng)民的收益。

2飼草粉碎設(shè)備研究現(xiàn)狀

2.1飼草切碎、粉碎機(jī)械的研究國外意大利塞科公司生產(chǎn)的小型粗飼料粉碎機(jī)的粉碎刀片采用螺旋線排布方式，其優(yōu)點(diǎn)是振動小，粉碎均勻。丹麥皮里士登有限公司生產(chǎn)的皮里士登-100型錘片式飼草粉碎機(jī)，生產(chǎn)率4～5t/h[5]。M.T和M.FFinner開發(fā)了飼草切割試驗(yàn)裝置，測定不同切割速度切割含水率不同的首稽草時，刀片對切割力的響應(yīng)，建立了刀片在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動情況下對切割力響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[6]。Akritidis試制了玉米秸稈切碎試驗(yàn)臺，進(jìn)行玉米秸稈的切割試驗(yàn)，考察在線性切割條件下刀片切割玉米秸稈時刀片對切割力的響應(yīng)，得到了一個類似的二階微分方程[7]。T.gIe和M.FFImIe對于在不同速度下、不同含水率的紫花苜蓿的切割力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在切割速度較低時，莖稈會沿著切刀刃線方向滑動，而在高速時這種滑動則可以省略[8]。

國內(nèi)許多學(xué)者對秸稈切碎裝置進(jìn)行了研究，邱進(jìn)等[9]對水稻秸稈切碎還田裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計并進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出喂入轉(zhuǎn)速、動定刀間隙、動刀轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速對秸稈的切碎長度合格率、功耗影響顯著。張晉國等[10]在秸稈切碎試驗(yàn)臺上對麥秸稈剪切特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出粉碎刀片在不同切割速度下，對短稈、長稈、秸稈不同切割部位、秸稈不同含水率、不同刀刃厚度、有定刀和無定刀等情況下的切斷率曲線。姚燕等[11]自行設(shè)計的秸稈粉碎試驗(yàn)臺，以殼體包角、刀輥轉(zhuǎn)速、動定刀間隙為三個試驗(yàn)因素，以粉碎質(zhì)量、粉碎功耗為試驗(yàn)指標(biāo)，對小麥秸稈進(jìn)行了粉碎試驗(yàn)，建立了粉碎質(zhì)量和粉碎功耗的數(shù)學(xué)模型，分析了粉碎裝置結(jié)構(gòu)、運(yùn)動參數(shù)對粉碎質(zhì)量、粉碎功耗的影響規(guī)律。耿令新[12]以定刀類型、動刀類型、動定刀間隙、殼體包角、粉碎轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，在室內(nèi)試驗(yàn)臺上進(jìn)行了秸稈粉碎裝置性能試驗(yàn)。顧笑笑等[13]對谷物類物料物性的分析，提出谷物類物料的有效粉碎方式應(yīng)為剪切式切割粉碎。趙輔群[14]對聯(lián)合收割機(jī)切碎裝置進(jìn)行設(shè)計，以碎草合格率和功耗為綜合評價指標(biāo)，試驗(yàn)因素影響主次順序是作業(yè)速度、刀軸轉(zhuǎn)速、刀具類型、刀具排列。趙浩等[15]分析了農(nóng)產(chǎn)品物料的剪切粉碎機(jī)理、剪切過程中物料受到的應(yīng)力及切割速度對粉碎效果的影響，并對其核心部分的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對粉碎效果的影響進(jìn)行了探討。孫雪峰等[16]對臥式切碎裝置切碎效果的試驗(yàn)進(jìn)行研究，以割刀位置、喂入速度、割刀轉(zhuǎn)速和摘穗輥轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，以莖稈切碎合格率為評價指標(biāo)，對其影響因素進(jìn)行分析和試驗(yàn)，從而得到最佳的參數(shù)組合。

2.2秸稈揉碎機(jī)械研究

揉碎機(jī)是在粉碎機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。國外發(fā)達(dá)國家用于飼喂牲畜的玉米秸稈幾乎全部為青飼料，而作為糧食作物的玉米秸稈大多直接還田，所以在揉碎機(jī)研究方面研究較少。

國內(nèi)在秸稈揉碎機(jī)性能試驗(yàn)與改進(jìn)方面的研究工作總體偏少，較為典型的工作有：袁洪方等[17]利用自行設(shè)計的秸稈鍘切揉搓試驗(yàn)臺，以刀刃形狀、喂入速度、錘片數(shù)量和主軸轉(zhuǎn)速為變量，對含水率約為75%的玉米秸稈進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)，得出鍘切揉搓裝置的最優(yōu)組合參數(shù)。蘇宏煜[18]從運(yùn)動學(xué)、空氣動力學(xué)出發(fā)，對玉米秸稈的揉搓機(jī)理進(jìn)行了分析，得出了揉搓質(zhì)量和度電產(chǎn)量等參數(shù)受揉搓室內(nèi)有無齒條、錘片數(shù)目、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、玉米秸稈物料與內(nèi)壁的摩擦系數(shù)和氣流作用等幾個因素的影響。翟之平等[19]建立了適合不同種葉片傾角的葉片式拋送裝置功耗模型，且引入了慮氣流影響，并利用虛擬樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。王娟等[20]針對揉碎機(jī)的空氣動力性噪聲和機(jī)械噪聲，結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究對其噪聲產(chǎn)生機(jī)理和特性進(jìn)行了分析研究。劉德軍等[21]對9JST-20型秸稈絲化調(diào)質(zhì)機(jī)性能指標(biāo)進(jìn)行了正交試驗(yàn)研究，確定了影響生產(chǎn)率和度電產(chǎn)量的因素主次順序分別為錘片數(shù)目、錘片厚度和錘齒間隙。Du等[22]通過建立SFSP11230型錘片式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子的虛擬樣機(jī)模型，對不同錘片磨損情況下粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子的振動進(jìn)行了仿真。

3TMR攪拌機(jī)研究現(xiàn)狀

國外如美國、英國、澳大利亞、新西蘭等發(fā)達(dá)國家十分注重建立人工草場和改良天然草場，其肉羊養(yǎng)殖以其自然資源和資源優(yōu)勢，采用草場圍欄規(guī)劃區(qū)輪牧[23]。我國在TMR攪拌機(jī)飼草加工的研究處于起步階段，于克強(qiáng)[24]借助高速攝像對轉(zhuǎn)輪式TMR混合攪拌機(jī)的混合機(jī)理進(jìn)行分析，分析得出在混合過程中伴隨著剪切混合、對流混合和擴(kuò)散混合的過程，并以混合均勻度和單位功耗為評價指標(biāo)，分析影響混合效果的因素，但對影響切碎效果的因素沒有進(jìn)行分析。吳艷澤[25]對奶牛TMR混合機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究，以主軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子間隙、混合時間、充滿系數(shù)為試驗(yàn)因素，以混合均勻度、細(xì)粉率、卸載殘留率等多個參數(shù)為評價指標(biāo)，試驗(yàn)的轉(zhuǎn)軸為葉板式。王德福[26]對影響雙軸臥式全混合日糧混合機(jī)加工質(zhì)量的主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)動參數(shù)、物料特性及裝料順序等因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以日糧混合均勻度及粒度為試驗(yàn)評價指標(biāo)，得出攪拌機(jī)混合設(shè)備結(jié)構(gòu)與運(yùn)動參數(shù)、物料特性及裝料順序都對全混合日糧的加工質(zhì)量影響很大。郭慶賀等[27]以臥式飼料混合攪拌機(jī)混料系統(tǒng)為研究對象，通過搭建混料系統(tǒng)試驗(yàn)臺，并采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合方法設(shè)計試驗(yàn)方案，以攪龍轉(zhuǎn)速、加工時間、充滿系數(shù)和梅花刀片個數(shù)為試驗(yàn)因素，以混合均勻度、適口長度粗飼料占有比例和細(xì)粉率為評價指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)研究。劉希鋒等[28]在TMR攪拌機(jī)的性能分析與評價中指出，立式攪拌機(jī)的攪龍直徑大，可以獲得較高的切割速度，能夠迅速打開并切碎大型圓、方草捆，切碎效果比臥式好。

4飼草制粒設(shè)備研究現(xiàn)狀

自1910年英國Sizer公司研制出第一臺擠壓式顆粒機(jī)后，國外學(xué)者在制粒機(jī)的加工制造和成型理論方面進(jìn)行了大量的研究，相關(guān)理論都得到了飛速的發(fā)展。目前最常用的制粒機(jī)有環(huán)模制粒機(jī)和平模制粒機(jī)[29]。對制粒機(jī)的制粒機(jī)理、效率、能耗、生產(chǎn)質(zhì)量等問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列研究。

JensK.Holm[30]等針對生物質(zhì)粉體物料在制粒成型過程中，通過模孔時的受力情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究與理論分析，建立了各向異性物料?？讛D壓力學(xué)模型;A.Mehrdad等[31]針對以鋸屑為主要原料的制粒成型過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過研究發(fā)現(xiàn)：對生產(chǎn)工藝優(yōu)化可以在獲得高質(zhì)量的顆粒的同時較低能耗;Tabil等[32]針對制粒的工藝、條件與制粒質(zhì)量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，通過試驗(yàn)研究和理論分析建立了能耗與顆粒耐久性之間的關(guān)系模型;Blank等[33]針對制粒過程的控制部分進(jìn)行了研究，優(yōu)化了制粒工藝，在保證加工質(zhì)量的前提下提高了加工效率。

JonathanBroadshow等[34]針對制粒過程中能耗過大的問題進(jìn)行了研究，詳細(xì)闡述了功率因數(shù)校準(zhǔn)、電能、蒸汽流量等多方面降低能耗的方法，提出了關(guān)于水能、蒸汽能、電能等多個方面的能源成本降低理論。CollisonR等[35]針對不同飼料的調(diào)質(zhì)溫度參考值對淀粉糊化的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。對調(diào)制器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和調(diào)制工藝進(jìn)行入手，改變調(diào)制時間、調(diào)質(zhì)器類型、調(diào)質(zhì)溫度等方面。研究了調(diào)質(zhì)工藝對淀粉糊化的影響，根據(jù)調(diào)質(zhì)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出新的改進(jìn)調(diào)質(zhì)時間的方法。Rdnerl[36]針對影響顆粒詞料質(zhì)量的因素進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究飼料配方、環(huán)模規(guī)格、調(diào)質(zhì)時間、冷卻干燥、粉碎粒度等與顆粒飼料質(zhì)量之間的關(guān)系。

沈維軍等[37]針對如何改善飼料制粒性能進(jìn)行了研究，提出通過改變飼料配方，用糙米替代一部分玉米，從而提高飼料制粒性能。王紅英等[38]針對制粒過程中影響配合飼料質(zhì)量的因素進(jìn)行了研究，分析了飼料生產(chǎn)過程中蒸汽調(diào)質(zhì)、飼料原料、環(huán)模設(shè)備、調(diào)質(zhì)器進(jìn)料流量等影響因素對配合飼料質(zhì)量的影響，并提出了改進(jìn)工藝參數(shù)的方法。周文德[39]針對制粒過程中?？锥氯脑蜻M(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了?？组L徑比、壓模的材料、?？椎男问健狠伒葯C(jī)構(gòu)對制粒機(jī)工作過程的影響，并提出了一些相應(yīng)的改進(jìn)辦法。李在峰等[40]針對顆粒飼料成型過程中的能耗問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究表明，在玉米秸稈成型過程中粉碎工藝與制粒工藝是耗能最多的兩個工藝，且顆粒密度與電耗有著緊密的聯(lián)系;何曉峰等[41]針對影響顆粒成型率和能耗的因素進(jìn)行了研究。探究了原料粒度、環(huán)模孔長徑比、含水率等因素與顆粒成型率及電耗之間的關(guān)系，找出了生物質(zhì)燃料顆粒成型的最優(yōu)條件。

5結(jié)論

（1）飼草切碎機(jī)械主要的結(jié)構(gòu)型式為輪刀式和滾刀式，目前的研究主要集中在切割速度、殼體包角、喂入速度、動定刀間隙、轉(zhuǎn)子半徑、齒桿角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)等對秸稈的切碎效果方面。

（2）揉碎機(jī)的主要結(jié)構(gòu)型式是錘片式，目前開展的研究主要集中在錘片材料、結(jié)構(gòu)型式、布置形式、喂入速度、主軸轉(zhuǎn)速等結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)對生產(chǎn)率、揉搓質(zhì)量及工作噪聲的影響等方面。揉碎機(jī)是秸稈飼用化的關(guān)鍵機(jī)具，適用于小規(guī)模舍飼養(yǎng)殖，對規(guī)模化養(yǎng)殖模式來說存在生產(chǎn)效率低，費(fèi)工費(fèi)力等問題。

（3）TMR攪拌機(jī)目前研究主要集中在以主軸轉(zhuǎn)速、刀片布置方式、加工時間等因素對混合均勻度的影響方面的研究。全混合日糧的加工工藝為“粗飼料粉碎+混合”，工藝繁瑣，費(fèi)時費(fèi)力。能否通過優(yōu)化與改進(jìn)TMR攪拌機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，一次性實(shí)現(xiàn)對秸稈的切碎、揉碎并與精料混合，將傳統(tǒng)的單一功能、分段加工改變?yōu)橐惑w化加工，從而提高全混合日糧的加工效率和質(zhì)量，值得探索。

（4）制粒機(jī)主要分為平模和環(huán)模兩種結(jié)構(gòu)形式，目前制粒裝備研究多面向于大型飼料生產(chǎn)企業(yè)，設(shè)備昂貴，運(yùn)行成本大，工藝復(fù)雜。小型制粒機(jī)在市場已有銷售，但針對戶用型的秸桿制粒裝備基礎(chǔ)研究偏少，同時在制粒效率和制粒質(zhì)量等方面還需進(jìn)一步的提高。

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