盛凱，趙翔，張衍林，王秀之

1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070; 2.湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，武漢 430068

我國農(nóng)作物多是一季一熟，因此秋冬季就會(huì)出現(xiàn)飼草料缺乏的現(xiàn)象，特別是鮮青飼草料。農(nóng)民多數(shù)以干草飼喂牲口，這種飼喂方式極大地降低了飼草的營養(yǎng)成分和適口性。青貯是指將鮮棵植物壓實(shí)封閉起來，使貯存的青飼料與外部空氣隔絕，造成內(nèi)部缺氧導(dǎo)致其厭氧發(fā)酵，從而產(chǎn)生有機(jī)酸，可使鮮棵飼料保存經(jīng)久不壞，是一種既可減少養(yǎng)分損失又有利于動(dòng)物消化吸收的貯存技術(shù)或方法。通過青貯加工做成的青貯飼料，不僅青鮮、適口，還解決了秋冬飼草匱乏的困擾[1-3]。傳統(tǒng)的青貯飼料技術(shù)主要有塔式青貯、窖式青貯、壕式青貯、堆式青貯和袋裝青貯等。目前我國大多數(shù)地區(qū)采用的主要青貯方式之一是將含水率為65%～75%的青綠飼料粉碎后，通過傳統(tǒng)的青貯方法在密閉缺氧的條件下，通過厭氧乳酸菌的發(fā)酵作用，抑制各種雜菌的繁殖，將青綠飼料中的養(yǎng)分保存下來[4-5]。但是這種青貯方式儲(chǔ)藏的飼料壓密實(shí)度小，導(dǎo)致青貯后的秸稈厭氧程度低、氨化不足，容易腐爛變質(zhì)且打開使用后不便密封。

近些年來壓縮打包青貯技術(shù)應(yīng)用發(fā)展較快，發(fā)達(dá)國家可用于青貯的秸稈壓縮打包機(jī)械大多為圓草捆卷捆機(jī)或高密度方草捆打捆機(jī)。我國通過自主研發(fā)及技術(shù)升級(jí)，生產(chǎn)的壓縮打包機(jī)械裝備與發(fā)達(dá)國家差距逐漸縮小，如中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院、上海世達(dá)爾現(xiàn)代農(nóng)機(jī)有限公司等也可以生產(chǎn)滿足需求的機(jī)型[6]。壓縮打包青貯技術(shù)應(yīng)用方式靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)原料壓實(shí)程度的控制，以及更有效提高飼料化利用效率，在降低養(yǎng)分損失的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)青玉米秸稈均勻打包成型，減少人力物力支出，提高生產(chǎn)效率[7]。高壓狀態(tài)下的壓縮裹包方式可以使秸稈中的半纖維素和木質(zhì)素撕碎變軟，秸稈密度更大，厭氧程度提高，氨化好，更利于牲畜的消化吸收，提高了飼料的口感。

本研究設(shè)計(jì)了一種全新高壓縮比機(jī)械化秸稈打包機(jī)，并對(duì)滿足高壓縮比秸稈打包機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過整機(jī)試制運(yùn)行對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)組合的效果進(jìn)行驗(yàn)證，為該型號(hào)打包機(jī)進(jìn)一步應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 青貯秸稈壓縮比試驗(yàn)

以華中農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地玉米秸稈(圖1A)為研究對(duì)象，將新鮮玉米秸稈采收后，采用該校自行研制的多功能粉碎機(jī)(圖1B)進(jìn)行粉碎，粉碎效果如圖1C所示。以MWYJ32型四柱壓力機(jī)作為壓力試驗(yàn)裝置，進(jìn)行壓縮比試驗(yàn)。在MWYJ32型四柱壓力機(jī)上設(shè)計(jì)壓縮裝置，該裝置主要由壓縮圓筒、壓桿和圓形壓頭組成(圖1D)，其中壓縮圓筒尺寸為60 cm×30 cm×0.4 cm，壓桿長80 cm，圓形壓頭直徑為29 cm，厚度為3 cm。將粉碎后的玉米秸稈放置于壓縮圓筒并置于液壓沖機(jī)上(試驗(yàn)中機(jī)器最大壓力20 kN)，分別按不同壓縮比進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。啟動(dòng)控制開關(guān)使得壓頭與壓縮筒平齊，作為壓縮的起始點(diǎn)。以6∶1壓縮比試驗(yàn)為例，試驗(yàn)中的圓筒高度為600 mm，當(dāng)壓頭運(yùn)動(dòng)到500 mm，此時(shí)的壓縮比例接近6∶1，保壓一段時(shí)長后，壓縮桿收回，將壓縮塊取出測(cè)量壓縮塊成型高度。4∶1壓縮比例與5∶1壓縮比例試驗(yàn)過程與6∶1相同。

A:青玉米秸稈 Green corn stalks; B:多功能粉碎機(jī) Multi-function pulverizer; C:粉碎后的玉米秸稈 Crushed corn stalks; D:MWYJ32型四柱壓力機(jī)壓力試驗(yàn) MWYJ32 four column pressure test.圖1 青貯秸稈壓縮比試驗(yàn)Fig.1 Experiment on compression ratio of silage straw

1.2 打包機(jī)壓縮裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

青貯秸稈高壓縮比打包機(jī)的關(guān)鍵部件為壓縮裝置，由壓縮比試驗(yàn)可知，設(shè)計(jì)目標(biāo)是要達(dá)到6∶1的較高體積壓縮比，壓縮塊質(zhì)量達(dá)到60 kg，1 h的壓縮成型量達(dá)到6 t以上，實(shí)現(xiàn)高密度、高效率、低成本目標(biāo)。

1) 壓縮裝置總體結(jié)構(gòu)及工作過程。壓縮箱是壓縮裝置壓縮成型的主要工作部件。壓縮箱主要由壓縮室、保壓箱、左右2個(gè)主液壓油缸及壓頭、推料液壓油缸及推頭、壓縮箱活動(dòng)蓋板及2個(gè)液壓油缸等部件組成(圖2)。根據(jù)生產(chǎn)效率和出料要求，以及對(duì)運(yùn)輸儲(chǔ)存的便利綜合考慮，設(shè)計(jì)其保壓箱尺寸為600 mm×300 mm×365 mm，根據(jù)保壓箱尺寸，按壓縮比6∶1確定壓縮箱內(nèi)部有效尺寸為1 800 mm×600 mm×365 mm，考慮兩端液壓油缸的安裝及推桿的行程余量壓縮箱的總長為2 400 mm，采用Q235的5 mm厚板材和50 mm×50 mm×5 mm方鋼做加強(qiáng)筋焊接而成。保壓箱也是采用Q235的5 mm厚板材焊接而成。

圖2 壓縮箱、壓頭、推料三維圖(A)及實(shí)物圖(B)Fig.2 The sketch map of compression chamber(A) and real products(B)

壓縮裝置的工作過程：粉碎后的秸稈通過傾斜15°皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)送至料斗，料斗裝滿后皮帶運(yùn)輸機(jī)停止，左右2個(gè)主壓縮液壓油缸帶動(dòng)壓頭退至左右初始位置，同時(shí)，推料液壓油缸帶動(dòng)推頭也退至與箱體平齊位置，左右2個(gè)液壓油缸打開壓縮箱蓋板使秸稈落入壓縮箱，關(guān)閉壓縮蓋板后，左右2個(gè)主液壓油缸同時(shí)推動(dòng)壓頭將壓縮箱內(nèi)的秸稈壓至1/6的體積即與保壓箱口平齊，并保持不動(dòng)，推料液壓油缸推動(dòng)推料頭將壓縮的秸稈推入保壓箱保壓，同時(shí)，將前一周期在保壓箱中保壓的秸稈塊推出并進(jìn)入編織袋中，同時(shí)2個(gè)壓縮液壓油缸和推料液壓油缸退回原位，打開蓋板，完成一個(gè)作業(yè)周期[8-11]。

2)壓縮壓頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。壓縮壓頭與推料壓頭作為壓縮箱內(nèi)的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)的可靠性與穩(wěn)定性對(duì)秸稈高壓縮比打包機(jī)性能的優(yōu)劣起著絕對(duì)性的作用，壓縮壓頭由鋼板焊接而成，固定在液壓油缸的缸桿端部，根據(jù)壓縮室及保壓箱尺寸，設(shè)計(jì)壓縮壓頭整體尺寸為680 mm×450 mm，鋼板厚度為60 mm。推料壓頭由鋼板焊接而成，固定在推料液壓油缸的缸桿端部，推料壓頭尺寸為300 mm×350 mm，底部的鋼板厚度為60 mm。壓縮液壓缸采用法蘭盤固定于壓縮箱端口，法蘭盤采用加強(qiáng)筋配合固定[12-13]。如圖3所示為壓縮壓頭的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 壓縮壓頭的設(shè)計(jì)圖Fig.3 Design of compression head

法蘭聯(lián)接作為可拆卸的一種聯(lián)接構(gòu)件，聯(lián)接強(qiáng)度較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆卸方便，應(yīng)用廣泛。在打包機(jī)的壓縮機(jī)構(gòu)與推料機(jī)構(gòu)中各設(shè)計(jì)3個(gè)法蘭盤進(jìn)行壓縮壓頭、推料壓頭、活塞推桿等部件的聯(lián)接，根據(jù)壓縮壓頭尺寸，設(shè)計(jì)各法蘭盤的尺寸為：壓縮法蘭盤1外徑尺寸為330 mm，內(nèi)徑為90 mm，螺紋通孔直徑為20 mm；壓縮法蘭盤2外徑為200 mm，螺紋直徑為20 mm，螺紋深度為30 mm；壓縮法蘭盤3外徑為200 mm，中間凸臺(tái)直徑為100 mm，內(nèi)孔為M70×2規(guī)格的螺紋。推料法蘭盤1外徑為310 mm，內(nèi)徑為80 mm，螺紋通孔直徑為18 mm；推料法蘭盤2外徑為170 mm，螺紋孔直徑為18 mm，螺紋深度為25 mm；推料法蘭盤3外徑為170 mm，內(nèi)孔為M40×2規(guī)格的螺紋，凸臺(tái)直徑為85 mm(圖4)。液壓油缸通過法蘭盤1與支撐架焊接在廂體上的安裝座上，液壓油缸的缸桿通過螺栓與法蘭盤2和法蘭盤3聯(lián)接，壓縮壓頭利用方鋼焊接法蘭盤2，使得液壓油缸驅(qū)動(dòng)壓縮壓頭與推料壓頭運(yùn)動(dòng)，2個(gè)法蘭盤采用螺栓聯(lián)接拉緊，法蘭在安裝時(shí)需要注意保持相對(duì)水平，避免法蘭盤的密封面刮傷。

圖4 法蘭盤結(jié)構(gòu)工程圖(A)和法蘭盤結(jié)構(gòu)示意圖(B)Fig.4 Engineering drawing(A) and schematic diagram(B) of flange

2 結(jié)果與分析

2.1 壓縮性能影響因素

青貯秸稈壓縮試驗(yàn)是測(cè)定粉碎后的秸稈在軸向靜壓力作用下的力學(xué)性能試驗(yàn)，為找到對(duì)試驗(yàn)結(jié)果存在較大影響因素的最優(yōu)水平組合，壓縮試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)的方式進(jìn)行[14]，選擇壓縮比例、保壓時(shí)間、秸稈含水率為三因素，壓縮性能試驗(yàn)因素水平如表1所示。

表1 打包機(jī)壓縮裝置的壓縮性能試驗(yàn)因素水平表Table 1 Packer compression performance factor level test table

試驗(yàn)不考察交互作用影響，選用正交表L9(34)進(jìn)行試驗(yàn)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的極差分析，研究打包機(jī)壓縮比例、保壓時(shí)長和干濕度3個(gè)因素及其因素水平對(duì)壓縮性能的影響。根據(jù)極差Rj的大小確定因素的主次順序，比較各R值大小，得到RA>RB>RC，因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序是A、B、C。即秸稈壓縮比例影響最大，其次是保壓時(shí)長，最后是干濕度。試驗(yàn)方案與壓縮性能影響因素試驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示。

表2 打包機(jī)壓縮裝置三因素試驗(yàn)方案Table 2 Three factors test program of baling machine

表3 打包機(jī)壓縮裝置壓縮性能影響因素試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Baling machine compression performance test results of affecting factors mm

由試驗(yàn)方差分析及回歸分析計(jì)算各項(xiàng)平方和與自由度，其矯正數(shù)：

自由度dfT=9-1=8，dfA=dfB=dfC=3-1=2，dfe=2。

根據(jù)方差分析表(表4)，進(jìn)行F檢驗(yàn)。查表F0.05(2，2)=19，F(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果表明，壓縮比例和保壓時(shí)長對(duì)壓縮打包機(jī)壓縮性能影響顯著，而秸稈本身含水率因素影響不顯著。因此，在壓縮打包過程最終確定6∶1為打包機(jī)的最優(yōu)壓縮比例。

表4 方差分析表Table 4 Anova table

2.2 壓縮壓頭模態(tài)分析

1)壓縮壓頭靜力學(xué)分析。青貯秸稈高壓縮比打包機(jī)的壓料和推料過程是該設(shè)備的關(guān)鍵動(dòng)作，而壓縮壓頭是壓縮箱關(guān)鍵零部件之一，在靜力學(xué)仿真時(shí)，首先采用理想狀態(tài)下的受力情況，即不考慮機(jī)構(gòu)慣性與阻力的影響，壓縮壓頭與秸稈作用力與反作用力是均勻的。通過靜力學(xué)分析將整體看成有限個(gè)單元部分，注意盡量減少單元個(gè)數(shù)，然后導(dǎo)出其剛度矩陣[K]；利用結(jié)構(gòu)整體，在單位節(jié)點(diǎn)的變形平衡條件下建立機(jī)構(gòu)的矩陣方程組；最后，利用邊界條件，得出各單元節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力和應(yīng)變[15]。

[F](i)=[k](i)[δ](i)

(1)

式(1)中：[F](i)為在第i個(gè)單元的載荷矩陣；[k](i)為在第i個(gè)單元的剛度矩陣；[δ](i)為在第i個(gè)單元的位移矩陣：

(2)

式(2)中：[F]為整個(gè)機(jī)構(gòu)的載荷剛度矩陣；[k]為整個(gè)機(jī)構(gòu)的總載荷剛度矩陣；[δ]為整個(gè)機(jī)構(gòu)的位移矩陣。

壓縮裝置關(guān)鍵部件均在CATIA環(huán)境下進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分、添加約束和載荷、求解計(jì)算。在運(yùn)行計(jì)算前，應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行前處理，指定其所要求材料的屬性，在本模型中所有零部件的材料均為碳素鋼Q235，壓縮壓頭所受的推力為60 kN，材料的彈性模量E=206 GPa，密度7.85×103kg/m3，泊松比為μ=0.3。劃分網(wǎng)格是有限元分析的重要步驟之一，網(wǎng)格劃分的大小將直接影響分析結(jié)果的精準(zhǔn)度，其目的是復(fù)雜模型劃分為若干個(gè)簡(jiǎn)單模型，通過相關(guān)性將這若干個(gè)簡(jiǎn)單的模型相互約束在一起，重新構(gòu)成一個(gè)新的整體。因此，本研究設(shè)定壓縮壓頭的網(wǎng)格距離為10 mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)與元素?cái)?shù)分別為34 309個(gè)和17 754個(gè)(圖5)。由圖5B可知，壓縮壓頭的最大變形在壓頭端角位置，其變形量為0.76 mm，完全滿足設(shè)計(jì)的要求。

圖5 壓縮壓頭網(wǎng)格劃分圖(A) 和壓縮壓頭受力的變形圖(B)Fig.5 The mesh of compressing head (A) and the force deformation of compression(B)

2)壓縮壓頭動(dòng)力學(xué)分析。動(dòng)力學(xué)分析能夠準(zhǔn)確地模擬部件在受到動(dòng)載荷作用下的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，模態(tài)分析是其中的核心，可以從機(jī)構(gòu)的整體出發(fā)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)校核。因此，本研究通過對(duì)打包機(jī)壓縮壓頭部件進(jìn)行模態(tài)分析便于快速、清晰地認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)的制動(dòng)性能，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理、穩(wěn)定、安全性。在對(duì)壓縮結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，其動(dòng)力性能基本方程如下：

[M]{Dn}+(K){D}=0

(3)

式(3)中：[M]為結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量陣；(K)為結(jié)構(gòu)的整體剛度陣；{D}為結(jié)構(gòu)的整體位移向量。其中，設(shè)：

[D]={X}sinωt

(4)

式(4)中：{X}位結(jié)構(gòu)的整體最大位移向量；ω為結(jié)構(gòu)的自振圓周頻率；將式(4)代入式(3)，得到：

([K]-ω2[M]){X}=0

(5)

與靜態(tài)分析相同，對(duì)壓縮壓頭構(gòu)件進(jìn)行模態(tài)分析確定的參數(shù)有：壓縮壓頭構(gòu)件材料的彈性模量E=206 GPa，密度為7.85×103kg/m3，泊松比為μ=0.3。為了取得比較有效的分析結(jié)果，選擇前6階模態(tài)進(jìn)行分析。根據(jù)模態(tài)分析流程，完成壓縮壓頭的前六階模態(tài)分析(圖6)。

A:一階振型圖 First-order vibration of compressionram; B:二階振型圖 Second-order vibration of compressionram; C:三階振型圖 Third-order vibration of compressionram; D:四階振型圖 Fourth-order vibration of compressionram; E:五階振型圖 Fifth-order vibration of compressionram; F:六階振型圖 Sixth-order vibration of compressionram.圖6 壓縮壓頭振型圖Fig.6 Vibration of compression ram

通過對(duì)壓縮壓頭進(jìn)行模態(tài)分析，得到1～6階的模態(tài)頻率和對(duì)應(yīng)的振型。第1到第6階振型均主要表現(xiàn)為壓頭在YOZ面的彎曲振動(dòng)。第1階和第3階最大變形量位于壓縮壓頭4個(gè)邊角位置；第2階最大變形量位于壓縮壓頭左右兩端位置；第4階壓縮壓頭呈兩邊大中間小狀態(tài)；第5階壓縮壓頭呈現(xiàn)出S式變形; 第6階壓縮壓頭呈現(xiàn)出三段式變形。壓縮壓頭的前6階模態(tài)頻率值均依次增大，并且壓縮壓頭的模態(tài)頻率均大于400 Hz。因此，為了符合可靠性設(shè)計(jì)要求，避免機(jī)器發(fā)生共振，打包機(jī)工作時(shí)應(yīng)盡量避開400 Hz以下的發(fā)動(dòng)機(jī)或其他因素對(duì)壓縮壓頭機(jī)構(gòu)的激勵(lì)，保證機(jī)器運(yùn)行的穩(wěn)定、均勻，確保人機(jī)安全。

2.3 實(shí)際壓縮試驗(yàn)

按照上述關(guān)鍵壓縮裝置關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行加工，采用液壓技術(shù)及相應(yīng)的機(jī)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)其功能，并根據(jù)壓縮打包機(jī)總體結(jié)構(gòu)組裝各種液壓油缸及皮帶運(yùn)輸機(jī)和配套15 kW電機(jī)、液壓系統(tǒng)、電控箱等組成部件，試制整體樣機(jī)出圖7A所示。

圖7 打包機(jī)實(shí)物圖(A)及打包效果圖(B)Fig.7 Physical picture of packing machine(A) and packaged product (B)

該樣機(jī)壓縮箱的總長為2 400 mm，壓縮箱內(nèi)部有效尺寸1 800 mm×600 mm×365 mm，保壓箱尺寸為600 mm×300 mm×365 mm，在湖北省老河口市綠華環(huán)?？萍加邢薰驹囼?yàn)運(yùn)行成功，并在武漢市漢南區(qū)玉米生產(chǎn)基地進(jìn)行效果檢驗(yàn)，打出的壓縮包如圖7B所示，達(dá)到了6 t/h的生產(chǎn)能力及秸稈體積壓縮比6∶1等高密度、高效率、低成本的預(yù)期目標(biāo)，打包機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

3 討 論

本研究以南方青秸稈或半青秸稈為研究對(duì)象，針對(duì)其在傳統(tǒng)青貯過程中由于研壓密實(shí)度小導(dǎo)致的物料厭氧程度低以及氨化不足、容易腐爛變質(zhì)等問題，對(duì)青貯秸稈壓縮塊成型高度與壓縮比例，保壓時(shí)長與秸稈干濕狀態(tài)的關(guān)系進(jìn)行了正交試驗(yàn)分析，試驗(yàn)證明粉碎后(1～5 cm)的青秸稈或半青玉米秸稈達(dá)到6∶1高壓縮比的成型物料塊壓縮性能最優(yōu)。根據(jù)既定的設(shè)計(jì)方案對(duì)關(guān)鍵部件即秸稈打包機(jī)的壓縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行Ansys分析，得出壓縮推桿與壓縮壓頭的最大變形量分別為0.06 mm和2.68 mm，其第1至6階固有頻率和振型均大于激勵(lì)頻率，得到了打包機(jī)關(guān)鍵部分壓縮裝置的性能參數(shù)，解決了傳統(tǒng)打包機(jī)在工作過程中可能出現(xiàn)的送帶故障和粘帶故障、機(jī)械式打捆秸稈塊密度小、生產(chǎn)效率低等問題。

本研究設(shè)計(jì)了一種全新高壓縮比機(jī)械化秸稈打包機(jī)，并對(duì)滿足高壓縮比秸稈打包機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過整機(jī)試制運(yùn)行對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)組合的效果進(jìn)行驗(yàn)證，保證了打包機(jī)運(yùn)行的安全可靠。