作物秸稈壓縮集捆關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

郝秋菊

（山西農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心, 山西太原 030002）

0 引言

我國(guó)擁有非常豐富的秸稈資源, 從2014年統(tǒng)計(jì)年鑒和秸稈產(chǎn)量/經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量數(shù)據(jù)得知, 2015年我國(guó)以玉米、稻谷的秸稈為主的主要農(nóng)作物秸稈總產(chǎn)量約有10.46億t, 占總體的2/3[1-3]。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和國(guó)家一系列環(huán)保政策的頒布實(shí)施, 我國(guó)農(nóng)作物秸稈的綜合利用問(wèn)題得到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注和高度重視。

作物秸稈由于其富含多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 木質(zhì)化程度高、燃燒熱值高, 這些特質(zhì)決定了其具有多種利用價(jià)值。首先, 秸稈富含牛羊成長(zhǎng)所需的多種微量元素, 可作為牲畜的上等飼料或者發(fā)酵后成為栽培食用菌的有效基質(zhì)；其次, 由于木質(zhì)化程度高, 可將其作為木材的替代品, 用作造紙?jiān)? 制作一次性餐具、人造纖維板等建材原料；第三, 因其高燃燒熱值特性可直接充當(dāng)工業(yè)鍋爐的燃料, 也可以加工成生物質(zhì)燃料供給生物質(zhì)發(fā)電廠。

1 國(guó)外作物秸稈集捆研究進(jìn)展

1.1 集捆壓縮理論研究

1938年西德學(xué)者斯卡維特首次提出草捆的密度和壓縮力之間的關(guān)系式[4]：

式中：P——壓縮力, kg/cm；

γ——壓縮后草物料的密度, kg/cm3；

m和c——試驗(yàn)系數(shù)。

斯卡維特（Skalweit）提出的壓力密度關(guān)系式相似于氣體多變指數(shù)方程式, 以飼草低速壓縮為基礎(chǔ)條件, 為后續(xù)研究飼草料壓縮理論打下了根基。后來(lái)前西德學(xué)者薩哈特（Sachat）提出斯卡維特的關(guān)系式只有在壓縮力小于200 N/cm2時(shí)適用, 而且并沒(méi)有考慮到飼草濕度在壓縮過(guò)程中對(duì)壓縮力的影響[5]。綜合考慮濕度后, 薩哈特得出了新的數(shù)學(xué)模型。

式中：P——壓縮力, kg/cm2；

w——物料的濕度, w/d；

γ——壓縮后草物料的密度, kg/cm3；

m和c——試驗(yàn)系數(shù)。

1959年, 西德學(xué)者麥威斯（Mewes）在薩哈特的基礎(chǔ)上, 探索初始密度和壓縮力的關(guān)系后, 提出了新的數(shù)學(xué)模型[6]：

式中：γ0——壓縮草物料的初始密度, kgcm3。

前蘇聯(lián)學(xué)者赫拉帕奇發(fā)現(xiàn)飼草濕度、壓縮過(guò)程中活塞的速度及草物料壓縮后的密度都對(duì)壓縮力有重要影響, 關(guān)系式如下：

式中：P——壓縮力, kg/cm2；

γ——壓縮后草物料的密度, kg/cm3；

α——物料濕度系數(shù)；

β——壓縮過(guò)程中的壓縮速度系數(shù)；

k——草物料的強(qiáng)度系數(shù)。

在考慮被壓縮的農(nóng)業(yè)纖維的初始密度的基礎(chǔ)上, 英國(guó)學(xué)者法波若德和卡拉凡提出在壓縮過(guò)程中農(nóng)業(yè)纖維物料壓縮力與初始密度的關(guān)系式[7]：

式中：P——壓縮力, kg/cm2；

γ——壓縮后草物料的密度, kg/cm3；

γ0——壓縮草物料的初始密度, kg/cm3；

A和b——試驗(yàn)系數(shù)。

前蘇聯(lián)學(xué)者奧索波夫（Osobov）認(rèn)為活塞受到的工作阻力大小主要是由飼草的初始密度和壓縮后密度決定的[8], 提出：

式中：P——為壓縮力, kg/cm2；

γ——壓縮后草物料的密度, kg/cm3；

γ0——壓縮草物料的初始密度, kg/cm3；

a和c——試驗(yàn)系數(shù)。

后來(lái)有美國(guó)學(xué)者莫森寧（Mohsenin N）等人[9]對(duì)飼草壓縮過(guò)程中的應(yīng)力松弛過(guò)程的試驗(yàn)。日本學(xué)者主要研究農(nóng)業(yè)纖維物料粉末的模壓成型過(guò)程[10-12], 美國(guó)、英國(guó)、加拿大等國(guó)的學(xué)者主要研究秸稈壓塊和壓餅過(guò)程[13-19], 而波蘭、德國(guó)、前蘇聯(lián)等國(guó)學(xué)者主要研究牧草及部分作物秸稈的壓捆過(guò)程[20-26]。國(guó)外學(xué)者主要是在閉式壓縮實(shí)驗(yàn)裝置中研究草物料壓縮過(guò)程的流變學(xué)特性, 或?qū)蝹€(gè)植物的流變學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。這些學(xué)者的研究并沒(méi)有將理論研究同草物料實(shí)際壓縮過(guò)程聯(lián)系在一起, 因此用于指導(dǎo)草物料壓縮過(guò)程的設(shè)計(jì)不太適合。必須綜合考慮草物料壓縮流變學(xué)參數(shù), 并結(jié)合壓縮過(guò)程中的參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性分析, 才能解決壓捆機(jī)結(jié)構(gòu)龐大、生產(chǎn)率低、動(dòng)力消耗大、壓出的草捆密度低和散捆現(xiàn)象嚴(yán)重等問(wèn)題, 從而真正解決草物料壓縮過(guò)程問(wèn)題, 促進(jìn)草物料的深度開(kāi)發(fā)利用。

1.2 集捆壓縮裝備研究

在國(guó)外, 美國(guó)、印度、烏茲別克斯坦、澳大利亞、俄羅斯等農(nóng)業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家, 其棉柴收獲打捆機(jī)發(fā)展速度較快。這些國(guó)家棉花生產(chǎn)相似, 大都是地廣人稀, 土地高度集中, 農(nóng)場(chǎng)規(guī)模大, 農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化程度高。目前, 國(guó)外棉柴主要有田間粉碎還田和棉柴收獲打捆2種處理方式。田間粉碎還田的典型代表是美國(guó), 而俄羅斯等國(guó)家則是采用機(jī)械設(shè)備將棉柴收獲后進(jìn)行打捆, 這些機(jī)械設(shè)備集棉柴收獲、粉碎、打捆于一體, 代表機(jī)型為烏茲別克的KV-36A型和KV-4A型。這兩種處理棉柴方式的機(jī)械設(shè)備主要以對(duì)行式為主, 按照壓縮原理主要分為液壓式和機(jī)械式。

近年來(lái), 歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家不斷優(yōu)化壓捆設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù), 大大提高可靠性和生產(chǎn)效率, 如凱斯紐荷蘭、約翰迪爾、克拉斯等世界著名的生產(chǎn)商, 其生產(chǎn)的壓捆機(jī)技術(shù)裝備已很成熟。這些設(shè)備不僅融入了一些新的設(shè)計(jì)理念, 而且運(yùn)用了最新科研成果, 所以無(wú)論在配套動(dòng)力、液壓系統(tǒng)還是機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面, 都處理得很成功。

2 國(guó)內(nèi)作物秸稈集捆研究進(jìn)展

2.1 國(guó)內(nèi)集捆壓縮理論研究進(jìn)展

在國(guó)內(nèi), 郭康權(quán)等人[27-28]將秸稈粉粒體放置在密閉圓筒容器內(nèi)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 不僅模具的錐度、加熱溫度、壓縮力影響工作阻力的大小, 在模具中壓縮成型時(shí), 秸稈濕度、原料粒度、粉粒在模具中的流動(dòng)和填充均勻程度等因素均對(duì)工作阻力有影響。呂江南等人[29-30]研究閉式壓縮裝置內(nèi)紅麻的壓縮過(guò)程, 發(fā)現(xiàn)共有松散階段壓縮、過(guò)渡階段壓縮和壓緊階段壓縮3個(gè)階段, 并建立了相應(yīng)的模型。

盛奎川等人[31-32]研究棉桿壓縮過(guò)程時(shí)得出的結(jié)論與英國(guó)學(xué)者法波若德相同。

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的楊明韶等人[33-41]研究最與實(shí)際工況接近的開(kāi)式壓縮流變學(xué)發(fā)現(xiàn), 斯卡維特提出的壓力密度關(guān)系式僅考慮了一部分飼草的因素, 與壓捆機(jī)的實(shí)際工況差距很大, 已不適合繼續(xù)指導(dǎo)壓捆機(jī)的設(shè)計(jì)。1990年, 楊明韶課題組經(jīng)過(guò)對(duì)多種飼草進(jìn)行試驗(yàn)分析, 并研究揉碎玉米秸稈壓縮過(guò)程后, 把壓捆機(jī)壓縮過(guò)程分為散草堆積、黏彈性變形、塑性變形、滑移和蠕變5個(gè)階段, 提出了開(kāi)式壓縮的數(shù)學(xué)模型。

王春光等人[42-43]對(duì)牧草進(jìn)行壓縮后應(yīng)力松弛試驗(yàn)研究, 得到了壓縮應(yīng)力、應(yīng)變與時(shí)間的曲線, 在壓力松弛試驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 得出了壓縮過(guò)程中應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系式。

杜健民[44-46]利用KG-350型壓縮高密度壓捆機(jī)對(duì)農(nóng)作物秸稈、新鮮牧草進(jìn)行壓縮研究, 提出了整個(gè)壓縮過(guò)程在實(shí)際工況下的力松弛方程。

2.2 稻麥秸稈集捆壓縮裝備研究進(jìn)展

劉綠朋[47]研制了自走式小麥秸稈打捆機(jī), 并創(chuàng)新設(shè)計(jì)了打捆壓縮機(jī)構(gòu)、秸稈撿拾割臺(tái)等關(guān)鍵部件, 使小麥秸稈的收取更加快速高效, 還可將秸稈自動(dòng)打包成捆, 便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存。

李建兵等人[48]發(fā)明了一種彈齒滾筒式撿拾機(jī)構(gòu), 可用于稻麥秸稈打捆機(jī), 其主要特點(diǎn)是撿拾秸稈并向后拋送, 并運(yùn)用Pro/E和Adams軟件對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析。

王德福等人[49]按照稻稈青貯收獲的要求及試驗(yàn)研究, 改進(jìn)了圓捆打捆機(jī)的打捆室, 采用2組短膠帶和6個(gè)鋼輥組合結(jié)構(gòu), 并且為了對(duì)稻稈進(jìn)行調(diào)質(zhì), 在打捆室入口處安裝了噴嘴, 從而在撿拾打捆各類(lèi)稻稈的同時(shí)可以噴入液體添加劑。

張致源等人[50]創(chuàng)新性地將利用鉸桿的角度效應(yīng)實(shí)現(xiàn)力的二級(jí)放大的機(jī)械裝置串聯(lián)在傳統(tǒng)的曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)中, 設(shè)計(jì)了一種稻麥秸稈打捆機(jī)壓縮機(jī)構(gòu), 該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、增力系數(shù)大、適應(yīng)性廣, 將該機(jī)構(gòu)串聯(lián)至打捆機(jī), 不增加成本, 還可顯著提高其壓縮力。

2.3 牧草集捆壓縮裝備研究進(jìn)展

于建國(guó)等人[51]采用Simulink進(jìn)行壓捆機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真模塊在傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力分析的基礎(chǔ)上, 獲得了壓捆機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)壓捆過(guò)程中任意時(shí)刻的速度、加速度、維持曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)所需的扭矩和機(jī)構(gòu)之間的作用力, 為設(shè)計(jì)壓縮機(jī)構(gòu)提供了重要的數(shù)據(jù)。

李林等人[52]以9YFS-2.0型自帶傳動(dòng)動(dòng)力恒頻方草捆撿拾壓捆機(jī)為研究對(duì)象, 對(duì)該壓捆機(jī)的輸送喂入機(jī)構(gòu)和壓縮活塞機(jī)構(gòu)采用Solidworks軟件進(jìn)行三維建模, 并用虛擬樣機(jī)軟件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析。

羅金海等人[53]將TRIZ理論引入畜牧業(yè)裝備領(lǐng)域, 用于方草捆撿拾壓捆機(jī)喂入裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì), 提出基于不同創(chuàng)新方法的設(shè)計(jì)過(guò)程。針對(duì)牧草喂入不足的問(wèn)題建立功能模型圖, 并進(jìn)行功能分析、原因分析, 確定沖突區(qū)域, 運(yùn)用物場(chǎng)模型和物理沖突、技術(shù)進(jìn)化、裁剪等TRIZ工具進(jìn)行分析得到4種創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案, 經(jīng)過(guò)對(duì)比分析, 采用在喂入口安裝擋草爪實(shí)現(xiàn)牧草預(yù)壓縮的創(chuàng)新方案對(duì)機(jī)具進(jìn)行改進(jìn)。

2.4 玉米秸稈集捆壓縮裝備研究進(jìn)展

我國(guó)的玉米秸稈主要用來(lái)粉碎還田和制作青貯飼料?，F(xiàn)階段, 我國(guó)玉米青貯收獲技術(shù)已經(jīng)比較成熟, 共有牽引式、背負(fù)式和自走式3種類(lèi)型的玉米青貯型收獲機(jī)。

李明利[54]設(shè)計(jì)了玉米摘穗秸稈青貯打捆聯(lián)合作業(yè)機(jī), 在現(xiàn)有背負(fù)式玉米收獲機(jī)的基礎(chǔ)上增加了秸稈切碎、輸送、拋送裝置和青貯打捆裝置, 能夠在摘穗的同時(shí)將玉米秸稈粉碎壓縮后實(shí)時(shí)打捆, 并將設(shè)計(jì)的青貯打捆裝置與背負(fù)式玉米收獲機(jī)進(jìn)行功能集成和技術(shù)耦合, 完成了樣機(jī)的生產(chǎn)試制和田間試驗(yàn)。整機(jī)采用組合式配置, 有效提高了機(jī)器的利用率。

叢宏斌[55]以臥式玉米收割機(jī)割臺(tái)為基礎(chǔ), 利用秸稈飼草的壓縮特性設(shè)計(jì)了一種組合式壓捆裝置, 可以實(shí)現(xiàn)秸稈壓縮一次成型。該裝置綜合考慮整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸、應(yīng)力松弛時(shí)間和草捆大小, 設(shè)計(jì)有2個(gè)壓縮室, 左右2個(gè)壓縮室的橫向壓縮由雙向液壓缸完成, 縱向壓縮和草捆前移則由另外兩個(gè)液壓缸分別完成。通過(guò)三維建模、動(dòng)畫(huà)輸出及動(dòng)態(tài)檢驗(yàn), 其工作過(guò)程可在虛擬環(huán)境下展現(xiàn)。

劉雙源[56]對(duì)打捆機(jī)的捆繩機(jī)構(gòu)、割繩機(jī)構(gòu)中的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)和鏈傳動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算, 根據(jù)其工作環(huán)境及運(yùn)行狀況, 參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)的規(guī)定, 完成了重要參數(shù)的優(yōu)化。建立了零件的三維模型, 并進(jìn)行仿真分析。根據(jù)主要打捆部件的參數(shù), 運(yùn)用三維軟件Pro/Engineer繪制了打捆機(jī)主要部件的零件圖, 并對(duì)零件進(jìn)行了裝配, 利用軟件中的機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)行了零件的運(yùn)動(dòng)模擬與仿真分析, 為打捆機(jī)的優(yōu)化與改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

2.5 棉桿集捆壓縮裝備研究進(jìn)展

按棉柴收獲原理劃分, 目前我國(guó)國(guó)內(nèi)的棉柴收獲打捆機(jī)主要分為鏟切式、提拔式和聯(lián)合作業(yè)式。

姚祖玉等人[57]設(shè)計(jì)了一種打捆裝置, 可用于小型自走式履帶棉稈收獲機(jī), 并通過(guò)試驗(yàn)分析壓縮頻率、牽引滾筒轉(zhuǎn)速、釘齒滾筒轉(zhuǎn)速、鋸片轉(zhuǎn)速對(duì)打捆總數(shù)、成捆率、捆包密度的影響, 得出結(jié)論：壓縮頻率30次/min, 牽引滾筒轉(zhuǎn)速280 r/min, 釘齒滾筒轉(zhuǎn)速270 r/min, 鋸片轉(zhuǎn)速1100 r/min為最優(yōu)打捆參數(shù)。

張佳喜等人[58]為了合理有效地利用棉花秸稈, 研制了一種回收率高, 一次作業(yè)就可以完成棉秸稈收獲及打捆的機(jī)具。該機(jī)在現(xiàn)有方捆機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)具關(guān)鍵工作部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì), 機(jī)具工作速度≥2 km/h, 秸稈回收率≥95%, 可有效解決棉稈收獲打捆的技術(shù)難題。

安柱[59]以棉柴收獲機(jī)構(gòu)、粉碎機(jī)構(gòu)和壓縮機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象進(jìn)行了系統(tǒng)分析, 改進(jìn)了棉柴起拔機(jī)構(gòu)、壓縮機(jī)構(gòu)和粉碎機(jī)構(gòu), 設(shè)計(jì)了新式圓盤(pán)式滾刀, 對(duì)圓盤(pán)式滾刀進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。

2.6 其他秸稈集捆壓縮裝備研究進(jìn)展

張翔[60]對(duì)蘆葦粉碎清雜高密度打捆功能一體機(jī)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì), 構(gòu)建機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型, 以多體動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)建立了機(jī)械系統(tǒng)的剛性模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ? 對(duì)關(guān)鍵位置的位移、速度、運(yùn)動(dòng)軌跡及受力情況進(jìn)行了對(duì)比分析, 并基于有限元模型開(kāi)展了打捆機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵零部件的模態(tài)與諧響應(yīng)分析, 為設(shè)計(jì)研發(fā)提供參考。

王剛等人[61]參考國(guó)內(nèi)外打捆機(jī)的相關(guān)機(jī)型及研究成果, 針對(duì)小型甘蔗葉打捆機(jī)關(guān)鍵部件壓縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)與分析, 論述了甘蔗葉方捆打捆時(shí)的開(kāi)式壓縮原理, 確定了偏置式曲柄滑塊式的壓縮機(jī)構(gòu)、曲柄連桿長(zhǎng)度、壓縮頻率、喂入量和喂入口長(zhǎng)度等主要參數(shù), 為后續(xù)小型甘蔗葉方捆打捆機(jī)樣機(jī)的設(shè)計(jì)與制造奠定基礎(chǔ)。

朱建國(guó)等人[62]采用虛擬仿真技術(shù), 對(duì)灌木打捆機(jī)進(jìn)行3D建模, 通過(guò)Adams軟件對(duì)打捆機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)仿真分析, 檢驗(yàn)打捆機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程是否出現(xiàn)干涉現(xiàn)象, 得到其主要零部件相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)變化曲線。分析了打捆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與受力強(qiáng)度為整臺(tái)機(jī)器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

總體而言, 國(guó)內(nèi)秸稈壓縮成捆設(shè)備方面的研究報(bào)道不多, 主要集中在苜蓿、玉米、稻草等作物[63-73]。隨著畜牧市場(chǎng)對(duì)各種草捆需求量的增加, 國(guó)內(nèi)相關(guān)院校、科研院所及部分企業(yè)開(kāi)始研制生產(chǎn)壓捆機(jī), 并取得一定進(jìn)展, 并且一些廠家已經(jīng)在生產(chǎn)各式各樣的的壓捆機(jī), 如中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制的DK-180型紅麻莖稈打捆機(jī)、北京現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司生產(chǎn)的CK2000型飼草壓捆機(jī)等。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）國(guó)外成捆技術(shù)主要呈現(xiàn)大型、復(fù)合型的圓捆機(jī)和方捆機(jī)為主, 國(guó)內(nèi)應(yīng)向中小型化、高效率、低能耗方向設(shè)計(jì)適用于國(guó)情的集捆設(shè)備, 以適應(yīng)我國(guó)散戶(hù)作業(yè)。

（2）針對(duì)集捆設(shè)備關(guān)鍵部件之打結(jié)器開(kāi)展聯(lián)合攻關(guān)研究, 以填補(bǔ)該關(guān)鍵技術(shù)之國(guó)內(nèi)空白的現(xiàn)狀。

（3）針對(duì)不同含水率秸稈的利用模式, 開(kāi)展秸稈扎垛設(shè)備及秸稈捆集散技術(shù)與設(shè)備研發(fā), 充分提高秸稈利用率。

（4）針對(duì)秸稈機(jī)械化收儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié), 政府應(yīng)予以穩(wěn)定支持。攻關(guān)秸稈田間處理、收集、打捆及儲(chǔ)運(yùn)的裝備和技術(shù)研發(fā)。