关于粉碎设备的研究

　　1秸秆物料特性的研究

　　农作物秸秆种类较多，有麦秸，稻秸，玉米秸，棉秆，麻秆等等。中国农作物秸秆资源量大面广，每年产出量多达6.4亿吨，且随着农作物单产的提高，秸秆产量也将随之增加。现阶段其用途大致可分为4个方面：①秸秆还田；②牲畜饲料；③替代能源；④工业原料，约占1217%的剩余秸秆就地焚烧或闲置。

　　不管任何植物其主要化学成分均为木质素，纤维素和半纤维素。木质素是具有三维空间结构的天然高分子化合物，由苯丙烷结构单体构成，赋予植物体高的硬度和刚度。纤维素是植物中的主要成分，赋予植物茎秆弹性和机械强度。半纤维素由多聚糖组成，在贮存过程中易水解，转变成木质素。芦苇，稻草，棉秆，高粱秆和麦秆的纤维较长，且长宽比值大，适用于造纸，造板等行业，但在破碎过程中易产生缠轴现象。

　　综合上述分析，木质素含量越高，破碎强度越大；纤维长宽比值越大，越易缠轴。破碎软质秸秆需要解决缠轴的问题，破碎硬质秸秆较软质秸秆需要更大的破碎强度。

　　对秸秆物料生理特征的研究结果表明，秸秆在轴向和径向上的结构组织不同，在不同方向上必然表现出不同的力学性质，即各向异性，因而，秸秆在切割，揉搓，压缩及粉碎等加工过程中受力而体现出各种特性，如抗拉折，弯，抗压挤和抗剪切磨，撕等。对于同一种秸秆，这些特性受秸秆成熟度，含水率以及生长位置等多种因素的影响。同时，秸秆外皮与内穰的机械强度差异较大，外皮机械强度高，内穰较低。据测定玉米秸秆的纵向抗拉强度可达90MPa，但横向抗拉强度仅为3MPa左右。另外，秸秆还具有松散，体积大，密度小的特性，不便于运输，贮存和加工处理。

　　2加工特性

　　2.1秸秆剪切，拉伸等特性的试验研究

　　由于秸秆具有各项异性的物理性质，在进行加工机具改进和新机型设计的研究中，许多学者对秸秆的力学特性进行了试验研究。李媛对玉米秸秆进行了三点弯曲，轴向剪切和径向剪切实验研究。结果表明，对秸秆进行的加工是三点弯曲，径向剪切以及轴向剪切等综合作用的结果，其中包括剪切，拉伸等作用。马素玲对玉米秸秆的揉切特性进行了试验研究，提出用能量消耗这一指标描述秸秆在其加工过程中的力学特性，并利用改装的试验台考察了影响能量消耗的主要因素。德国学者O′Dogherty等对小麦秸秆的物理机械特性进行了试验研究。通过一系列试验研究得出：麦秸的拉伸强度为2112-3112MPa，剪切强度为4191 -7126MPa，杨氏模量为4176-6158GPa，刚性模量为267-547MPa；并指出小麦秸秆的成熟度，含水率，温度等对这些基本参数都有不同程度的影响。孙骊等对往年收获的干麦秸和乳熟期的绿麦秆的压缩，剪切性能做了测试和研究，用线性回归方程式表示出茎秆在弹性范围内的力学特性。

　　秸秆的力学特性测试.生物质抗压强度普遍较小，且纤维较长，物料间自碰撞破碎的概率较小，故采用剪切力破碎方式*为有效。

　　2.2压缩流变特性的研究

　　国内外对秸秆物料压缩流变特性的研究较早且多。1938年德国学者Skalweit首次开始研究在密闭容器内低速压缩农业纤维物料，之后，英国，美国，加拿大，日本，波兰及我国的学者也都对农业纤维物料的压缩过程进行了研究。这些研究从不同角度探讨不同压缩方式下压缩力与密度，压缩力与压缩量及密度与湿度之间的关系。其中，德国，前苏联，波兰及我国的学者主要研究压捆过程，英国，美国和加拿大等国的学者主要研究压块和压饼过程，日本学者主要研究粉体农业纤维物料的模压成型过程。近年来，我国一些学者在玉米秸秆粉粒体模压成型方面取得了一定的研究进展。Rehku2 glar等尝试用流变力学的一些模型模拟研究秸秆在压缩过程中的变化规律，但仍然存在着压缩理论与工程生产脱节的倾向。杨明韶等在模拟生产条件下完成了农业物料压缩试验研究，利用高密度压捆机对揉碎的玉米秸秆进行压缩试验，探讨了压缩全过程粗纤维物料的一般流变规律，为压捆机的优化设计提供了依据。郭康权等对秸秆在模具中模压成型时的流变特性进行了研究。将粉碎的玉米秸秆，经过分级，干燥或加水调湿后放进锥形模具中进行压缩试验，结果表明，随着压缩力，模具锥度的增大和原料粒度的减小，成型物高度增高，底厚变薄。赵东等通过密闭型圆筒准静态压缩试验，推导并建立了玉米秆粉粒体压制成型的本构方程，并用有限元模型进行了模拟。

　　2.3秸秆加工特性影响因素的试验研究

　　张晋国等利用自制的秸秆切碎试验台研究了麦秸的受切特性，研究了不同含水率的麦秸在切刀同速度以及有定刀和无定刀情况下的切断率，其　　研究结果表明，秸秆含水率是影响切断率的*主要因素之一。含水率增加，所需切断速度大幅度提高。要切断高含水率的秸秆，在有定刀的情况下仍需40 m/s以上的切割线速度。另外，有无定刀和刀刃锋利程度都是影响切断率的主要因素。毛罕平等认为在无支撑状况下，要完全切碎玉米秸秆长度小于10cm，切刀的刀端线速度需达到34m/s.吴子岳等在自制的秸秆切碎试验台上对两端自由支撑条件下玉米秸秆切断速度和切断功耗进行了正交试验。结果表明，切割秸秆的方式如砍切或滑切，切断速度和受切根数对切断功耗的影响*显着。

　　3秸秆物料加工方式及设备研究现状

　　根据施力种类与方式的不同，秸秆加工的基本方式包括弯曲折断，压缩流变，剪切破坏，粉碎等。

　　研究表明，农作物秸秆具有韧性大，易变性等特点，适宜采用的加工方式一般是剪切，滑切，揉搓切，粉碎与压缩。被广泛应用于生产中的加工机具主要有铡草机，粉碎机，揉搓切机和压打捆机等。目前常见的秸秆加工机具主要有粉碎机，铡草机和揉切机等。

　　3.1秸秆粉碎机

　　秸杆粉碎机是目前品种比较多的一类秸秆加工机具，其加工方式主要是粉碎和揉搓。粉碎机具加工出的秸秆饲料因粒度细小而不利于反刍家畜的消化，因此主要作为秸秆饲料制粒和压块等工序的前处理。另外，秸秆粉碎机动力消耗较大。

　　秸秆饲料揉碎机是我国近年来研制的一种新机型，包括揉搓机和揉切机。揉搓机主要采用拉伸，揉搓和粉碎的加工方式。但这种机具也存在一定不足，如生产率较低，加工方式没有利用铡切因而功耗较大，用于多汁和韧性较大物料时容易阻塞机具等。秸秆揉切机综合利用了剪砍，滑切，揉搓和粉碎的加工方式，使秸秆在加工过程中既能受到多次铡切，又能受到不断的揉搓和粉碎，处理过的秸秆较好地满足了加工质量要求。

　　下面以应用*普遍的锤片式粉碎机发展概况进行介绍。

　　锤片式粉碎机因具有结构简单，通用性好，适应性强等优点，广泛地应用于各物料的粉碎，被称为万能粉碎机。目前，在国内外饲料加工企业中锤片式粉碎机是重要的生产设备之一，大约一半以上的物料要经过锤片式粉碎机加工。

　　锤片式粉碎机是我国主要农业机械产品之一，据统计2004年我国约有300多家饲料粉碎机的生产企业。我国从1955年开始，在从原苏联引进的技术与样机的基础上进行研究设计锤片式粉碎机，有部分省市设计生产了多种型号规格的产品。

　　1958年开始大量推广。1966年各地自己选型，设计，制造，型号杂乱，没有统一的标准。1966-1975年间，国家组织了全国科技力量对已有的各种机型进行试验，选型及系列设计。1972年在山东省红旗牌爪式饲料粉碎机的基础上，制定了NJ86272部级标准。1975年原**机械工业部机械院农机所组织了11个省市23个单位对锤片式粉碎机进行了一系列试验选型和系列设计工作，把全国几十个品种统型为一个系列六种机型，即9F232，45，55和9FQ240，50，60型，初步完成了以9F系列锤片粉碎机为主的饲料粉碎机型定型工作，使该产品提高了标准化，系列化和通用化程度，并对产品更新换代，提高行业的生产水平和产品质量起到了很大的作用。随着锤片式粉碎机产品的理论研究和对国外引进样机的分析，消化和吸收，以及一些新的国际标准的采用，该行业制定了GB6971286《饲料粉碎机试验方法》，ZBB93018289《锤片式饲料粉碎机一般技术条件》和SB/T10117292《锤片粉碎机》，JB/ T9822.1299《锤片式饲料粉碎机技术条件》等国家标准，行业标准，以指导锤片式粉碎机的研制，生产以及产品质量控制。

　　20世纪90年代以来，我国饲料机械行业中的企业江苏正昌集团和江苏牧羊集团，大胆引进国外先进技术和设备，根据当前国际上饲料粉碎机发展的潮流，先后开发生产160-200kW的水滴型粉碎机，立轴式粉碎机。如其中的水滴型粉碎机采用了有利于提高效率的水滴型粉碎室，锤筛间隙可调，实现了粗细微粉碎，还可以实现自动负荷控制等特点。上海春谷实业有限公司*新研制开发的横宽形振动筛锤片式粉碎机，它是由电动机，多层筛体（筛体分内层筛和外层筛），振动器，机体等组成。饲料的粗粉碎和超细粉碎两者可以通用，效率高，粉粒比较均匀，对水分较高的原料和含纤维的原料有较好的适应性，易损件筛片寿命长，锤片更换周期长等优点。

　　经过50多年的研究，设计，生产和改进，国产锤片式粉碎机的技术水平和性能已接近或达到国际同类产品先进水平。我国饲料粉碎机生产企业的产品品种，规格齐全，能基本满足我国畜牧，水产养殖业发展的需要，但在目前社会整体能源短缺的背景下，锤片式粉碎机还是存在功耗高的缺点显得尤为突出。特别是以高纤维性物料，即农作物秸秆类生物质物料为粉碎对象的粉碎机极少，多是通用型的粉碎设备。

　　3.2铡草机

　　铡草机是较早定型的产品，该机型主要利用切断的加工方式，具有结构简单，功耗低，生产率较高等特点。但是，铡草机在加工过程中一般无法破碎秸秆的茎节，从而影响了牲畜的采食量和消化率，存在较大浪费。

　　3.3秸秆打捆机

　　采用压缩的加工方式，将松散，密度低的秸秆压缩成高密度草捆，解决了贮存和运输的问题。对秸秆物料打捆机的开发研制起源较早。1870年左右美国人设计了**台固定式捆草机。20世纪三，四十年代，捡拾压捆机研制成功，以后得到了迅速发展。我国自20世纪50年代开始生产畜力固定式捆草机，60年代后引进国外的小方捆捡拾打捆机并进行试验研究，至今已开发研制了包括圆捆机和方捆机在内的多种秸秆，饲草打捆机和田间捡拾打捆联合作业机具。

　　4生物质粉碎设备存在的主要问题

　　4.1生产率

　　在粮食价格越来越高的今天，作为饲料来源的粮食成本的增加使得迫切需要可替代的饲料原材料。生物质农作物秸秆是*佳的替代材料。但对生物质的加工设备研究不多，往往都是用加工粮食的粉碎设备来加工生物质材料，这就没有很好的考虑农作物秸秆的物料特性和加工特性，存在过筛能力差，所以都存在效率低能耗高的特点。另一方面，专用粉碎设备往往较大，费用昂贵，使用电压要求高，对小型饲料企业和个体农户不适用。

　　4.2测试系统

　　在粉碎设备的研究中，测控系统大多无法满足工况条件。目前，对秸秆力学特性的试验研究还没有比较成熟和普遍适用的方法和设备，多采用简易手动试验装置，无法满足秸秆加工过程的工况条件。铡草机一般切断线速度在每秒几十米以上，而且测量精度和研究效率都很低。王剑平等设计研究了一种农业物料力学试验测控系统，用来测试农业物料的力学特性，并完成了桃子糖度和坚实度的相关性研究，以及梨的各向机械特性差异的试验研究。该装置是在平稳加载和卸载的前提下进行的，速度较慢，用于研究秸秆的力学特性无论测量精度还是试验条件还不能完全满足要求。

　　雷得天等研究了农业物料力学流变学性质测试装置，配置了电子计算机数据采集及处理测试系统。

　　该系统可以完成物料拉伸，压缩，剪切，弯曲等常规力学试验，并能进行典型流变学特性测量，其局限性是加载速度较低。李媛，马素玲对玉米秸秆力学特性的研究也是在缓慢加载的条件下进行的，这与秸秆加工的实际工况条件相差较大。定性研究多，定量研究较少，在设计研究秸秆物料加工机械，包括铡草机，粉碎机或者揉碎机的过程中，对秸秆力学特性的研究必不可少。由于加工机械作业速度较快，工况复杂，定量测试秸秆力学特性的难度较大，所以大多数研究限于定性分析。

　　4.3加工过程的受力状况研究

　　加工过程中秸秆受力状况的研究不足。对新型秸秆加工机具的研究往往侧重于机械材料，结构和关键部件等方面的选择与设计；试验过程中，主要研究机具生产率的大小，主轴的受力状况，负载功耗等。对于被加工物料DDD秸秆的力学特性仅限于经验测试或理论估测，特别是秸秆在剪切，粉碎和揉搓加工过程中其应力，应变状态方面的研究较少。实际上，以剪切加工为例，秸秆在刀具刃口附近产生非常复杂的应力和应变，而应力，应变状态的分布直接影响剪切加工过程和*终结果。秸秆断裂，刀具的磨损等，都与应力和应变状态有关，因此，进一步开展这方面的试验研究具有实际意义。

　　5讨论及建议

　　通用型设备主要是加工精饲料，用来加工粗饲料存在工作效率低，因为它往往有筛片。筛片的存在对有纤维的物料来说，由于纤维的尺寸形状较大，呈针状，必然导致过筛率低的问题。研究一种适用于秸秆粉碎的高效的粉碎机是当下农机科研工作人员应该考虑的问题。针对现有机型的适用性，建议设计适用于生物质加工的小型粉碎机，满足广大小型饲料企业和个体农户需求。考虑农作物秸秆的物料特性，设计合理的粉碎机械，如缠轴问题，含水率，切割线速度，能耗等等问题。在大大开发生物质能源的今天，生物质的加工是必然要考虑的步骤，满足一定细度的生物质颗粒是后续加工的前提条件，所以，研究生物质粉碎机械具有重大的意义。