青貯飼料籽粒破碎技術(shù)現(xiàn)狀及研究進展

楊旭來，羅宏偉，李子牧，馬軍民*，孫步功，李曉康

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省機械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，人們對各種畜禽產(chǎn)品的要求也不斷提高，尤其是對牛奶的質(zhì)量要求。而飼料品質(zhì)的好壞是影響牛奶質(zhì)量的主要因素之一[1]。在眾多的飼料之中，青貯飼料越來越受到人們的歡迎，而在青貯原料中，青貯玉米占據(jù)了主要地位，因為全株青貯玉米相比其他玉米以及青貯飼料具有更高的營養(yǎng)價值[2-4]。在“十四五”全國飼草產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中，提出要進一步擴大全株青貯玉米的生產(chǎn)，這也充分體現(xiàn)出國家對玉米青貯飼料的重視[5]。同時，隨著國家“糧改飼”政策的推進和國內(nèi)養(yǎng)殖業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，尤其是奶牛行業(yè)的發(fā)展使得青貯飼料成為必需品[6-8]。但是，由于我國玉米青貯技術(shù)起步較晚，所以在各個環(huán)節(jié)都與世界頂尖技術(shù)有一定的差距，特別是秸稈切碎、籽粒破碎、金屬檢測、自動磨刀等技術(shù)環(huán)節(jié)上還需要進一步改善，進而提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量[9]。

籽粒破碎技術(shù)在青貯飼料的加工中起著至關(guān)重要的作用，在一定程度上不僅決定了青貯飼料的質(zhì)量，還對青貯的效果產(chǎn)生一定的影響。破碎效果不佳一方面會使未破碎的物質(zhì)隨牛羊的糞便排出，造成飼料的浪費，另一方面還會導(dǎo)致營養(yǎng)成分的大量流失[10]。此外，好的破碎效果會提高青貯的發(fā)酵效果，有助于飼料的長期保存，同時，也會進一步提高大規(guī)模養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益[11-13]。所以，為了使飼料得到充分的利用，讓其中的營養(yǎng)得到充分的吸收，企業(yè)獲得更好的效益，高效可靠的籽粒破碎裝置是非常有必要的。

目前，許多國內(nèi)的高校院所和企業(yè)合作進行玉米青貯飼料收獲機具的研發(fā)，雖然有些機具已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，但是相比國外的同類機具，我們在收割寬度、破碎效果、莖稈的利用率、生產(chǎn)過程中的金屬檢測、切刀自動磨刃技術(shù)等方面還有一定的差距[14-15]。一些大的飼料加工企業(yè)和養(yǎng)殖場依舊在使用國外進口的青貯機具，高端的青貯機具及其關(guān)鍵裝置已成為被國外“卡脖子”的技術(shù)，購而不得。因此，進行青貯飼料收獲機具關(guān)鍵技術(shù)之一的籽粒破碎技術(shù)研究，對促進青貯飼料加工，特別是玉米青貯飼料加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有實踐應(yīng)用意義。

1 籽粒破碎裝置介紹及分類

籽粒破碎裝置是青貯飼料收獲機中的一個非常重要的裝置，主要是將經(jīng)切碎裝置切碎后的物料進一步破碎揉絲，使得飼料更具適口性，且營養(yǎng)更加易于被奶牛吸收利用，提高飼料中營養(yǎng)的吸收率和利用率。目前在國內(nèi)外青貯機具上使用的籽粒破碎裝置結(jié)構(gòu)有差速輥式和齒盤式兩種，不同結(jié)構(gòu)的裝置有不同的破碎質(zhì)量和效率。

1.1 差速輥式

差速輥式籽粒破碎裝置是目前市面上最常見也是應(yīng)用最為廣泛的裝置，相比齒盤式裝置更具有制造簡單且不易發(fā)生刀盤錯位現(xiàn)象的優(yōu)點。它主要是由兩個圓周速差在10%～25%之間的輥子組成，物料經(jīng)切斷裝置切斷后被拋入相對向里運動的兩輥之間，通過兩輥之間的速差形成剪切和不斷擠壓使物料破碎[16]。為保證物料的通過性和延長輥子的壽命，通常采用單浮動輥滑動導(dǎo)軌或定軸擺動的變位設(shè)計，而且將破碎輥的驅(qū)動帶輪設(shè)計為光面帶輪[17]。破碎輥表面的齒形結(jié)構(gòu)主要有徑向直齒、徑向鋸齒、軸向直齒螺旋和軸向鋸齒螺旋等。其中應(yīng)用較多的為鋸齒型結(jié)構(gòu)，上下齒咬合成梯狀，沿軸向、徑向均布，梯形齒槽加大了物料徑向方向的揉搓面積，在提高破碎率的同時提升了破碎質(zhì)量。此外，還可以設(shè)置為螺旋槽式，其中兩槽旋向相同，這樣在破碎過程中可以同時受到切向和軸向的揉搓，進一步提高物料的通過性和破碎效果。

1.2 齒盤式

齒盤式籽粒破碎裝置較于差速輥式有更大的接觸面積，可以使物料破碎更充分，效率更高，能滿足對更大顆粒的破碎，破碎效果更佳。它主要由破碎刀盤、破碎輥軸及驅(qū)動帶輪組成[18]。根據(jù)不同的刀齒形狀，主要有斜面齒和槽式齒兩種。刀盤通常設(shè)置為錐形，刀盤兩個結(jié)合為一組，兩刀軸上的刀盤對稱交錯安裝，每個刀盤上都設(shè)有多個徑向分布的刃齒，刃齒兩側(cè)帶有切削刃，相鄰的刀盤組形成工作槽，該槽即為物料破碎的區(qū)域，這樣大大提高了物料的有效破碎截面面積。一般常見的刀齒數(shù)有24齒、36齒和48齒，不同的齒數(shù)會有不同的破碎效果，齒數(shù)越多，剪切揉搓效果越好，但是齒數(shù)的增加會導(dǎo)致齒間距減小，從而會使一些物料粘附在齒間使刃齒對物料的剪切作用減弱，降低破碎效率且物料固接在刃齒間造成浪費[19]。同時，為了防止破碎過程造成堵塞，設(shè)置了與輥式裝置相似的間隙調(diào)節(jié)裝置。此外，由于刀齒加工難度大，為了保證其可靠性和耐用性，刀盤材料選用合金工具鋼，以9SiCr應(yīng)用最為廣泛[20]。

2 籽粒破碎技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，籽粒破碎技術(shù)在國外已經(jīng)有了相當(dāng)高的水平，德國的克拉斯系列產(chǎn)品、科羅尼BIG-X、紐荷蘭F650青貯機、約翰迪爾公司的John Deere8000系列等都達到了世界頂尖行列[21-23]。他們的產(chǎn)品不僅在籽粒破碎技術(shù)上占據(jù)優(yōu)勢，而且在其他各個技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)都處于領(lǐng)先地位。JAGUAR800系列青飼料收獲機的籽粒破碎裝置可以滿足多種不同形式的收獲條件，它的籽粒破碎器和加速器間隙的調(diào)節(jié)裝置保證了物料流通的流暢性和作物流的質(zhì)量，既保證了機器的正常運行，又提高了破碎效率。約翰迪爾新型超耐磨籽粒破碎器提供了32%～40%的轉(zhuǎn)速差，而且具有更大的籽粒破碎輥直徑，增加了與物料的接觸面積，并設(shè)置了更小的籽粒破碎間隙，確保籽粒得到充分的剪切和擠壓，大大提高了破碎效率和飼料的質(zhì)量[24]。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，隨著市場的需求以及國家對青貯飼料的重視，我國的青貯飼料機械的發(fā)展速度大大加快，越來越多的企業(yè)、科研院所和高校等都在進行對青貯機械的研發(fā)。目前，已實現(xiàn)商品化推廣的有中機美諾、中聯(lián)重科、五征、美迪、牧神等企業(yè)的青貯收獲機系列產(chǎn)品[25]。盡管市面上有各種各樣的機器，但是它們的結(jié)構(gòu)跟性能相差不大，與國外先進技術(shù)相比還有很大的進步空間，尤其是籽粒破碎的質(zhì)量與效率，籽粒破碎裝置對青貯飼料的品質(zhì)起著至關(guān)重要的作用[26]。如前所述，國內(nèi)的籽粒破碎技術(shù)還處于發(fā)展初期，市面上的籽粒破碎裝置主要有輥式和盤式兩種結(jié)構(gòu)，且大都以輥式為主[27]。雖然對國外先進的破碎裝置進行了逆向研究和設(shè)計，但功能性都比較單一，破碎效果也比較一般[28]。

3 目前存在的問題

3.1 破碎效果不佳

由于國內(nèi)的籽粒破碎技術(shù)還處于初步探索的階段，基本都是在沒有實驗數(shù)據(jù)和實際操作的基礎(chǔ)上依據(jù)經(jīng)驗進行試制，缺乏基礎(chǔ)的理論依據(jù)，在破碎效果和破碎效率上都有所欠缺，而且由于一部分籽粒不能完全破碎致使淀粉的消化率和利用率都得不到保證，營養(yǎng)不能被充分吸收而造成浪費。

3.2 破碎性能單一

目前國內(nèi)的大部分破碎裝置只能完成針對青貯玉米籽粒的破碎，不能滿足針對不同品種作物的籽粒破碎作業(yè)，而國外先進的破碎裝置可以根據(jù)不同作物的收獲條件調(diào)整不同的破碎作業(yè)參數(shù)，完全實現(xiàn)了功能的多樣化[29]。

3.3 破碎裝置容易受損

籽粒破碎裝置受損主要包括以下兩個方面：一是破碎輥的損壞，由于兩輥作業(yè)時輥齒與籽粒和秸稈等混合物料的相互作用造成的磨損，或者夾雜進入其他硬物造成的損壞，破碎輥的損壞會降低破碎性能，最終導(dǎo)致籽粒破碎率和飼料品質(zhì)的下降，影響飼料的消化性和適口性；另一個則是軸承的損壞，造成軸承損壞的主要原因是上、下兩破碎輥高速轉(zhuǎn)動且喂入量變化導(dǎo)致軸承承受交變力的作用，長時間作業(yè)時產(chǎn)生大量熱量，當(dāng)然也有潤滑不足，承受多種載荷等原因，軸承的損壞會導(dǎo)致機具停止作業(yè)的嚴重后果。

3.4 拆裝困難，不易維修

折裝困難，不易維修是一個非常棘手也是普遍存在的問題，還是一個亟待解決的問題。在高轉(zhuǎn)速、高載荷、高沖擊的工況下，各種零部件和材料的壽命會受到很大的影響，這也就增加了裝置出故障的幾率，所以裝置的拆卸就變得非常普遍[30]。但由于我們在籽粒破碎裝置上的技術(shù)還有所欠缺，基本都是參照國外的裝置進行仿造，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拆裝也比較困難，因此造成了不易維修的狀況，大大降低了破碎的效率，此外沒有進行機器的整體設(shè)計，在設(shè)計的美觀性及成本參考都有所欠缺[31]。

4 建議與展望

通過上面的分析我們不難看出，國內(nèi)的籽粒破碎技術(shù)在近年來確實取得了較大的進步，然而在關(guān)鍵技術(shù)上還與國外先進技術(shù)存在一定的差距，在裝置的設(shè)計上也缺乏基礎(chǔ)的理論支撐，接下來的任務(wù)就是在加強籽粒破碎機理研究的同時對籽粒破碎關(guān)鍵裝置及參數(shù)進行優(yōu)化。此外，隨著國家“糧改飼”政策的支持和近年來國內(nèi)市場對青貯飼料的需求量增加，我國的籽粒破碎技術(shù)的研發(fā)接下來應(yīng)有以下幾個發(fā)展方向。

4.1 智能化技術(shù)的研究

國外青貯機先進性一個主要方面就是它們在智能化技術(shù)上的應(yīng)用。大多數(shù)國外機器智能化控制不僅應(yīng)用在籽粒破碎裝置上，在自行對刀技術(shù)、自動切割技術(shù)、金屬探測技術(shù)以及自行跟車技術(shù)上都得到了體現(xiàn)[32]。金屬探測技術(shù)可以檢測到金屬和石塊等物質(zhì)，防止它們進入造成切碎、破碎等后續(xù)裝置的損壞；物料的切割長度會對破碎效果產(chǎn)生一定的影響，約翰爾迪8000系列可以以1 mm為單位進行切割長度的控制，可以根據(jù)不同的需求滿足各種切割要求，進而提高籽粒破碎的效率[33]。隨著青貯機的需求量不斷上升，智能化發(fā)展將是必然。

4.2 對破碎效率的研究

破碎效率的高低可以很好地衡量一個破碎裝置的好壞，影響破碎效率的因素有很多，破碎裝置的破碎輥的類型以及對輥間隙等都是影響破碎效率的主要因素。增大破碎輥的直徑可以加大與物料的接觸面積，進而來實現(xiàn)高效率的籽粒破碎；敏捷可靠的間隙調(diào)整裝置可以使不能破碎的大顆粒物質(zhì)流出而不造成堵塞，也就不會影響破碎效率。當(dāng)然，影響破碎效率的不僅是破碎裝置結(jié)構(gòu)這一個因素。割幅寬度、喂入速度、切割長度等都會對破碎效率產(chǎn)生一定的影響，比如科羅尼系列產(chǎn)品的最大割幅可以達到10 m以上，這大大提高了機器的效率。因此，未來幾年里我們應(yīng)該向著高效率、低能耗、低成本的方向發(fā)展。

4.3 對破碎質(zhì)量的研究

這里的質(zhì)量包括兩個方面的質(zhì)量：一是籽粒破碎的質(zhì)量，好的破碎質(zhì)量不僅可以使飼料有更好的適口性，還會減少營養(yǎng)成分的流失[34]。影響破碎質(zhì)量的因素有很多，破碎裝置的兩破碎輥線速度、轉(zhuǎn)速差、對輥間隙等都是主要的影響因素。我們可以通過單因素試驗以及正交試驗來獲得最佳的組合以提高破碎的質(zhì)量。二是破碎裝置結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，破碎裝置結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量也有待提高，好的材料可以延長破碎輥、軸承以及調(diào)整裝置等的使用壽命，降低故障率，減少維修次數(shù)，進而提高破碎效率。比如約翰迪爾系列的產(chǎn)品采用了新型超耐磨籽粒破碎器，破碎輥的壽命得到了顯著提升。

4.4 對破碎機理的研究

強大的理論支撐是產(chǎn)品發(fā)展的基礎(chǔ)，近幾年，雖然國內(nèi)的一些企業(yè)和研究院所在籽粒破碎裝置的研制上取得了一些突破性的進展，但目前我們對籽粒破碎基礎(chǔ)理論的研究還相對較少，國內(nèi)產(chǎn)品的研發(fā)缺乏相關(guān)的理論支撐，大多數(shù)裝置只是在經(jīng)驗基礎(chǔ)上仿制國外一些先進的產(chǎn)品，邊生產(chǎn)邊試驗改進，并沒有真正掌握破碎機理。這種缺乏深入細致的研究難以取得發(fā)展，現(xiàn)有的技術(shù)工藝嚴重影響了我們的青貯質(zhì)量[35]。在未來幾年中要想在籽粒破碎技術(shù)上取得突破性進展，我們必須要加強對破碎機理的深入研究。