丁建華

摘 要：玉米秸稈是我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)的主要飼料原料，傳統(tǒng)的青貯、黃貯、氨化等加工方式已逐漸不適應(yīng)自動(dòng)化養(yǎng)殖企業(yè)的飼喂要求，將玉米秸稈進(jìn)行機(jī)械化制粒加工是飼料行業(yè)未來(lái)發(fā)展的大趨勢(shì)，根據(jù)玉米機(jī)械化飼料研制技術(shù)的應(yīng)用情況，總結(jié)了現(xiàn)階段玉米環(huán)模制粒技術(shù)的原理與特點(diǎn)，并給出了環(huán)模與壓輥的合理設(shè)計(jì)與優(yōu)化方向。

關(guān)鍵詞：玉米秸稈;機(jī)械化;飼料制粒;環(huán)模;壓輥;優(yōu)化

中圖分類號(hào)：S38??? ????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.09.018

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)的飼料加工行業(yè)得到了快速的發(fā)展，很多企業(yè)紛紛引進(jìn)先進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備用以制造多種用途的牲畜飼料，使我國(guó)的成品飼料生產(chǎn)能力得到了快速的提升。飼料行業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)品特點(diǎn)與我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)和畜牧業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)，隨著牲畜養(yǎng)殖的自動(dòng)化技術(shù)普及，對(duì)顆粒飼料的需求量不斷提升，促進(jìn)了飼料機(jī)械技術(shù)的發(fā)展與完善。針對(duì)玉米秸稈高產(chǎn)可再生的特點(diǎn)，利用制粒機(jī)械將其加工成為成品的顆粒飼料是秸稈資源利用的可行方向，且在先進(jìn)制粒技術(shù)的支持下，以秸稈為原材料的顆粒飼料將為養(yǎng)殖業(yè)節(jié)本增效創(chuàng)造條件，有利于飼料工業(yè)體系與養(yǎng)殖業(yè)的同步快速發(fā)展。

1 秸稈機(jī)械化飼料制粒技術(shù)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，隨著畜牧養(yǎng)殖行業(yè)逐漸向著大規(guī)模集中化發(fā)展，傳統(tǒng)的秸稈類飼料在自動(dòng)化喂養(yǎng)方面存在很多弊端，而將秸稈壓制成為飼料顆粒，是國(guó)內(nèi)外飼料生產(chǎn)的總體趨勢(shì)。玉米秸稈的制粒技術(shù)是將粉碎的秸稈進(jìn)行壓縮，并同時(shí)進(jìn)行高溫加熱，使蛋白質(zhì)和淀粉等成分趨于熟化，且顆粒飼料的適口性好，干凈衛(wèi)生，更利于牲畜的健康。根據(jù)制粒技術(shù)的不同可將玉米秸稈制粒機(jī)分為環(huán)模制粒機(jī)和平模制粒機(jī)兩類，為適應(yīng)玉米秸稈粉碎料的壓制過程，環(huán)模制粒機(jī)的適用范圍更廣，產(chǎn)品質(zhì)量更佳。且先進(jìn)的環(huán)模制粒機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高度自動(dòng)化的作業(yè)，具有方便快捷、性能穩(wěn)定、效率高、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

環(huán)模制粒機(jī)在我國(guó)的研究與應(yīng)用經(jīng)歷了較長(zhǎng)的時(shí)間，前期的應(yīng)用主要是靠引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，利用高鉻合金鋼坯料制作壓制模具，并利用真空淬火爐使模具具有較高的表面硬度，且國(guó)外先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的模具精度高，產(chǎn)品形狀統(tǒng)一，品質(zhì)好。隨著我國(guó)自主研究的逐漸深入，在國(guó)外成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)我國(guó)對(duì)玉米秸稈顆粒飼料的實(shí)際需求，我國(guó)在大直徑、高效率環(huán)模制粒機(jī)方面的理論研究也取得了顯著成效，使我國(guó)自主研發(fā)的環(huán)模制粒機(jī)的生產(chǎn)能力與使用壽命都得到了顯著增強(qiáng)，但與發(fā)達(dá)國(guó)家的成熟機(jī)型仍存在一定差距。

2 玉米秸稈環(huán)模制粒技術(shù)特點(diǎn)

2.1 工作原理與流程

玉米秸稈的環(huán)模制粒主要包括5個(gè)機(jī)械過程，分別為自動(dòng)進(jìn)料、物料壓緊、旋轉(zhuǎn)擠壓、壓縮成型、切割制粒。在制粒機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，環(huán)模通過帶傳動(dòng)獲得運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力，與壓輥配合呈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，壓輥與環(huán)模的配合關(guān)系如圖所示。在壓輥與環(huán)模旋轉(zhuǎn)過程中，由于壓輥外徑線速度與環(huán)模內(nèi)徑線速度不同，會(huì)使進(jìn)入環(huán)模內(nèi)部的秸稈碎料在壓輥的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下產(chǎn)生強(qiáng)力的擠壓，這種擠壓力在壓輥與環(huán)模近似相切位置達(dá)到最大，使秸稈碎料被擠壓到環(huán)模的?？字?，形成圓柱形高密度秸稈條，逐漸擠出環(huán)模外部，在環(huán)模運(yùn)轉(zhuǎn)中擠出的圓柱形秸稈被切刀依次切下，形成統(tǒng)一的秸稈顆粒。

2.2 重要結(jié)構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)

（1）環(huán)模結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。由于秸稈制粒的過程中，環(huán)模需要不斷受到物料的擠壓與摩擦，因此需要其具備較高的硬度與鋼性，現(xiàn)階段使用的環(huán)模多數(shù)用合金結(jié)構(gòu)鋼或不銹鋼制造而成，部分設(shè)備也有采用普通碳素鋼制造的。由于環(huán)模的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其制造過程中需經(jīng)過車削、鉆孔后對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的熱處理，通常的處理硬度在HRC50以上，且需整體淬火，使其達(dá)到足夠的強(qiáng)度。

環(huán)?？椎慕Y(jié)構(gòu)按照其功能包括了減壓孔、直孔、內(nèi)錐孔、外錐孔四種。以保證制粒過程中不同位置秸稈碎料能夠均衡的進(jìn)入壓制孔中，避免所生產(chǎn)的顆粒飼料出現(xiàn)密度不均勻等問題，且通過合理設(shè)計(jì)和布局的壓孔結(jié)構(gòu)有利于各?？椎某隽狭恳恢?，確保飼料的加工效率。環(huán)模在制粒過程中的轉(zhuǎn)速通常為5～8 m·s-1，速度與擠壓過程中的物料厚度與擠壓時(shí)間直接相關(guān)，因此應(yīng)根據(jù)飼料的用途合理調(diào)整環(huán)模轉(zhuǎn)速，以保證顆粒飼料質(zhì)量與實(shí)際產(chǎn)能的良好匹配。

（2）壓輥結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。壓輥的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，多采用圓柱型輥體做為主要的壓縮和運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，根據(jù)環(huán)模壓縮機(jī)機(jī)體尺寸的大小和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同，通?？梢詫⑤伒牟贾眯问椒譃閱屋?、雙輥和多輥組合式三大類。由于玉米秸稈的碎料是在壓輥與環(huán)模相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中經(jīng)擠壓進(jìn)入?？锥纬蓤A柱形顆粒的，在實(shí)際應(yīng)用中壓輥的直徑尺寸越大，則對(duì)物料形成的預(yù)壓縮與擠壓范圍越大，更有利于制作成高密度的玉米秸稈飼料顆粒。

3 環(huán)模壓輥技術(shù)優(yōu)化

3.1 環(huán)模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

通常情況下玉米飼料制粒機(jī)的工作效率與環(huán)模的工作面積直接相關(guān)且呈線性關(guān)系，當(dāng)制粒機(jī)的動(dòng)力確定時(shí)，為保證足夠的制粒能力，設(shè)計(jì)過程中制粒機(jī)的工作面積應(yīng)先確定，面積確定后，應(yīng)根據(jù)制粒機(jī)的工作環(huán)境確定環(huán)模的寬度與直徑，在固定面積下，寬度與直徑成反比關(guān)系，如下式所示

M=DEπ

式中 M—環(huán)模工作面積（mm2）;

D—環(huán)模直徑（mm）;

E—環(huán)模寬度（mm）。

此時(shí)，需在環(huán)模的工作面上進(jìn)行開孔，開孔按照等邊三角形的原則進(jìn)行排列，此時(shí)環(huán)模開孔率的計(jì)算公式為

α=0.9×[D/（D+t）]×2

式中 α—環(huán)模開孔率;

D—環(huán)模直徑（mm）;

t—環(huán)模壁厚（mm）。

由上式可知，開孔率與環(huán)模直徑直接相關(guān)，開孔率越高制粒過程越容易，但此時(shí)必須保持合理尺寸以保證環(huán)模強(qiáng)度。因此在設(shè)計(jì)過程中，不能夠單純考慮制粒過程的工作效率，還必須根據(jù)使用條件和工作壓力合理設(shè)計(jì)壁厚和直徑尺寸，以保證環(huán)模具有足夠的使用壽命。

3.2 壓輥技術(shù)優(yōu)化

盡管從理論上來(lái)說，壓輥的直徑越大越利于秸稈飼料的擠壓成型，且直徑越大擠壓效率高且時(shí)間短，但還需考慮到在制粒機(jī)制粒的過程中，壓力的增大同時(shí)也會(huì)使壓輥軸、軸承及支撐結(jié)構(gòu)承受較大的反作用力，同時(shí)環(huán)模的受力增大，不利于機(jī)具的合理使用壽命，且壓輥的直徑過于粗大也造成了裝配困難、與之配合零件尺寸過大、機(jī)具笨重等問題。因此，要想既實(shí)現(xiàn)工作效率的提升，又維持合理的壓輥直徑，則應(yīng)采用雙輥式布局或多輥式布局進(jìn)行設(shè)計(jì)。為保證環(huán)模的使用壽命，壓輥所采用的金屬材料和熱處理工藝相對(duì)低些。 通常情況下壓輥可通過45#鋼調(diào)質(zhì)處理，且表面硬度達(dá)到HRC35～40。為保證支撐結(jié)構(gòu)和軸承的使用壽命，根據(jù)所受到的徑向力特點(diǎn)，可選用單列向心軸承，同時(shí)壓輥直徑的設(shè)計(jì)以雙輥式布局為例，要求環(huán)模內(nèi)徑與壓輥外徑比為 2.315，既能符合作業(yè)效率要求，又使尺寸布局更為靈活。

4 結(jié)語(yǔ)

通過飼料制粒技術(shù)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行資源回收與利用，既符合國(guó)家的政策要求，又能滿足飼料機(jī)械行業(yè)的發(fā)展特點(diǎn)，就目前而言，我國(guó)的環(huán)模飼料加工技術(shù)在玉米秸稈顆粒飼料生產(chǎn)上的應(yīng)用仍相對(duì)較少，且很多機(jī)型存在環(huán)模使用壽命低、作業(yè)可靠性不高、顆粒飼料品質(zhì)不合格等問題，仍需相關(guān)的產(chǎn)品研究與生產(chǎn)企業(yè)加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)，促進(jìn)我國(guó)玉米秸稈飼料加工行業(yè)的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉興博，何堤，宋煒.秸稈資源利用及秸稈飼料加工技術(shù)[J].農(nóng)機(jī)化研究， 2007（12）：218-220.

[2] 武凱，施水娟，彭斌彬，等.環(huán)模制粒擠壓過程力學(xué)建模及影響因素分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2010， 26（12）：142-147.

[3] 施水娟，武凱，蔣愛軍.制粒過程中環(huán)模力學(xué)模型的建立及有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2011（1）：38-40.