杨旭来，罗宏伟，李子牧，马军民*，孙步功，李晓康

(1.甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省机械科学研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730030)

近年来，随着人们生活水平的不断提高，人们对各种畜禽产品的要求也不断提高，尤其是对牛奶的质量要求。而饲料品质的好坏是影响牛奶质量的主要因素之一[1]。在众多的饲料之中，青贮饲料越来越受到人们的欢迎，而在青贮原料中，青贮玉米占据了主要地位，因为全株青贮玉米相比其他玉米以及青贮饲料具有更高的营养价值[2-4]。在“十四五”全国饲草产业发展规划中，提出要进一步扩大全株青贮玉米的生产，这也充分体现出国家对玉米青贮饲料的重视[5]。同时，随着国家“粮改饲”政策的推进和国内养殖业的大规模发展，尤其是奶牛行业的发展使得青贮饲料成为必需品[6-8]。但是，由于我国玉米青贮技术起步较晚，所以在各个环节都与世界顶尖技术有一定的差距，特别是秸秆切碎、籽粒破碎、金属检测、自动磨刀等技术环节上还需要进一步改善，进而提高生产效率和质量[9]。

籽粒破碎技术在青贮饲料的加工中起着至关重要的作用，在一定程度上不仅决定了青贮饲料的质量，还对青贮的效果产生一定的影响。破碎效果不佳一方面会使未破碎的物质随牛羊的粪便排出，造成饲料的浪费，另一方面还会导致营养成分的大量流失[10]。此外，好的破碎效果会提高青贮的发酵效果，有助于饲料的长期保存，同时，也会进一步提高大规模养殖的经济效益[11-13]。所以，为了使饲料得到充分的利用，让其中的营养得到充分的吸收，企业获得更好的效益，高效可靠的籽粒破碎装置是非常有必要的。

目前，许多国内的高校院所和企业合作进行玉米青贮饲料收获机具的研发，虽然有些机具已经应用于生产实践，但是相比国外的同类机具，我们在收割宽度、破碎效果、茎秆的利用率、生产过程中的金属检测、切刀自动磨刃技术等方面还有一定的差距[14-15]。一些大的饲料加工企业和养殖场依旧在使用国外进口的青贮机具，高端的青贮机具及其关键装置已成为被国外“卡脖子”的技术，购而不得。因此，进行青贮饲料收获机具关键技术之一的籽粒破碎技术研究，对促进青贮饲料加工，特别是玉米青贮饲料加工产业的发展具有实践应用意义。

1 籽粒破碎装置介绍及分类

籽粒破碎装置是青贮饲料收获机中的一个非常重要的装置，主要是将经切碎装置切碎后的物料进一步破碎揉丝，使得饲料更具适口性，且营养更加易于被奶牛吸收利用，提高饲料中营养的吸收率和利用率。目前在国内外青贮机具上使用的籽粒破碎装置结构有差速辊式和齿盘式两种，不同结构的装置有不同的破碎质量和效率。

1.1 差速辊式

差速辊式籽粒破碎装置是目前市面上最常见也是应用最为广泛的装置，相比齿盘式装置更具有制造简单且不易发生刀盘错位现象的优点。它主要是由两个圆周速差在10%～25%之间的辊子组成，物料经切断装置切断后被抛入相对向里运动的两辊之间，通过两辊之间的速差形成剪切和不断挤压使物料破碎[16]。为保证物料的通过性和延长辊子的寿命，通常采用单浮动辊滑动导轨或定轴摆动的变位设计，而且将破碎辊的驱动带轮设计为光面带轮[17]。破碎辊表面的齿形结构主要有径向直齿、径向锯齿、轴向直齿螺旋和轴向锯齿螺旋等。其中应用较多的为锯齿型结构，上下齿咬合成梯状，沿轴向、径向均布，梯形齿槽加大了物料径向方向的揉搓面积，在提高破碎率的同时提升了破碎质量。此外，还可以设置为螺旋槽式，其中两槽旋向相同，这样在破碎过程中可以同时受到切向和轴向的揉搓，进一步提高物料的通过性和破碎效果。

1.2 齿盘式

齿盘式籽粒破碎装置较于差速辊式有更大的接触面积，可以使物料破碎更充分，效率更高，能满足对更大颗粒的破碎，破碎效果更佳。它主要由破碎刀盘、破碎辊轴及驱动带轮组成[18]。根据不同的刀齿形状，主要有斜面齿和槽式齿两种。刀盘通常设置为锥形，刀盘两个结合为一组，两刀轴上的刀盘对称交错安装，每个刀盘上都设有多个径向分布的刃齿，刃齿两侧带有切削刃，相邻的刀盘组形成工作槽，该槽即为物料破碎的区域，这样大大提高了物料的有效破碎截面面积。一般常见的刀齿数有24齿、36齿和48齿，不同的齿数会有不同的破碎效果，齿数越多，剪切揉搓效果越好，但是齿数的增加会导致齿间距减小，从而会使一些物料粘附在齿间使刃齿对物料的剪切作用减弱，降低破碎效率且物料固接在刃齿间造成浪费[19]。同时，为了防止破碎过程造成堵塞，设置了与辊式装置相似的间隙调节装置。此外，由于刀齿加工难度大，为了保证其可靠性和耐用性，刀盘材料选用合金工具钢，以9SiCr应用最为广泛[20]。

2 籽粒破碎技术发展现状

2.1 国外发展现状

经过几十年的发展，籽粒破碎技术在国外已经有了相当高的水平，德国的克拉斯系列产品、科罗尼BIG-X、纽荷兰F650青贮机、约翰迪尔公司的John Deere8000系列等都达到了世界顶尖行列[21-23]。他们的产品不仅在籽粒破碎技术上占据优势，而且在其他各个技术领域内都处于领先地位。JAGUAR800系列青饲料收获机的籽粒破碎装置可以满足多种不同形式的收获条件，它的籽粒破碎器和加速器间隙的调节装置保证了物料流通的流畅性和作物流的质量，既保证了机器的正常运行，又提高了破碎效率。约翰迪尔新型超耐磨籽粒破碎器提供了32%～40%的转速差，而且具有更大的籽粒破碎辊直径，增加了与物料的接触面积，并设置了更小的籽粒破碎间隙，确保籽粒得到充分的剪切和挤压，大大提高了破碎效率和饲料的质量[24]。

2.2 国内发展现状

近年来，随着市场的需求以及国家对青贮饲料的重视，我国的青贮饲料机械的发展速度大大加快，越来越多的企业、科研院所和高校等都在进行对青贮机械的研发。目前，已实现商品化推广的有中机美诺、中联重科、五征、美迪、牧神等企业的青贮收获机系列产品[25]。尽管市面上有各种各样的机器，但是它们的结构跟性能相差不大，与国外先进技术相比还有很大的进步空间，尤其是籽粒破碎的质量与效率，籽粒破碎装置对青贮饲料的品质起着至关重要的作用[26]。如前所述，国内的籽粒破碎技术还处于发展初期，市面上的籽粒破碎装置主要有辊式和盘式两种结构，且大都以辊式为主[27]。虽然对国外先进的破碎装置进行了逆向研究和设计，但功能性都比较单一，破碎效果也比较一般[28]。

3 目前存在的问题

3.1 破碎效果不佳

由于国内的籽粒破碎技术还处于初步探索的阶段，基本都是在没有实验数据和实际操作的基础上依据经验进行试制，缺乏基础的理论依据，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证，营养不能被充分吸收而造成浪费。

3.2 破碎性能单一

目前国内的大部分破碎装置只能完成针对青贮玉米籽粒的破碎，不能满足针对不同品种作物的籽粒破碎作业，而国外先进的破碎装置可以根据不同作物的收获条件调整不同的破碎作业参数，完全实现了功能的多样化[29]。

3.3 破碎装置容易受损

籽粒破碎装置受损主要包括以下两个方面：一是破碎辊的损坏，由于两辊作业时辊齿与籽粒和秸秆等混合物料的相互作用造成的磨损，或者夹杂进入其他硬物造成的损坏，破碎辊的损坏会降低破碎性能，最终导致籽粒破碎率和饲料品质的下降，影响饲料的消化性和适口性；另一个则是轴承的损坏，造成轴承损坏的主要原因是上、下两破碎辊高速转动且喂入量变化导致轴承承受交变力的作用，长时间作业时产生大量热量，当然也有润滑不足，承受多种载荷等原因，轴承的损坏会导致机具停止作业的严重后果。

3.4 拆装困难，不易维修

折装困难，不易维修是一个非常棘手也是普遍存在的问题，还是一个亟待解决的问题。在高转速、高载荷、高冲击的工况下，各种零部件和材料的寿命会受到很大的影响，这也就增加了装置出故障的几率，所以装置的拆卸就变得非常普遍[30]。但由于我们在籽粒破碎装置上的技术还有所欠缺，基本都是参照国外的装置进行仿造，结构复杂，拆装也比较困难，因此造成了不易维修的状况，大大降低了破碎的效率，此外没有进行机器的整体设计，在设计的美观性及成本参考都有所欠缺[31]。

4 建议与展望

通过上面的分析我们不难看出，国内的籽粒破碎技术在近年来确实取得了较大的进步，然而在关键技术上还与国外先进技术存在一定的差距，在装置的设计上也缺乏基础的理论支撑，接下来的任务就是在加强籽粒破碎机理研究的同时对籽粒破碎关键装置及参数进行优化。此外，随着国家“粮改饲”政策的支持和近年来国内市场对青贮饲料的需求量增加，我国的籽粒破碎技术的研发接下来应有以下几个发展方向。

4.1 智能化技术的研究

国外青贮机先进性一个主要方面就是它们在智能化技术上的应用。大多数国外机器智能化控制不仅应用在籽粒破碎装置上，在自行对刀技术、自动切割技术、金属探测技术以及自行跟车技术上都得到了体现[32]。金属探测技术可以检测到金属和石块等物质，防止它们进入造成切碎、破碎等后续装置的损坏；物料的切割长度会对破碎效果产生一定的影响，约翰尔迪8000系列可以以1 mm为单位进行切割长度的控制，可以根据不同的需求满足各种切割要求，进而提高籽粒破碎的效率[33]。随着青贮机的需求量不断上升，智能化发展将是必然。

4.2 对破碎效率的研究

破碎效率的高低可以很好地衡量一个破碎装置的好坏，影响破碎效率的因素有很多，破碎装置的破碎辊的类型以及对辊间隙等都是影响破碎效率的主要因素。增大破碎辊的直径可以加大与物料的接触面积，进而来实现高效率的籽粒破碎；敏捷可靠的间隙调整装置可以使不能破碎的大颗粒物质流出而不造成堵塞，也就不会影响破碎效率。当然，影响破碎效率的不仅是破碎装置结构这一个因素。割幅宽度、喂入速度、切割长度等都会对破碎效率产生一定的影响，比如科罗尼系列产品的最大割幅可以达到10 m以上，这大大提高了机器的效率。因此，未来几年里我们应该向着高效率、低能耗、低成本的方向发展。

4.3 对破碎质量的研究

这里的质量包括两个方面的质量：一是籽粒破碎的质量，好的破碎质量不仅可以使饲料有更好的适口性，还会减少营养成分的流失[34]。影响破碎质量的因素有很多，破碎装置的两破碎辊线速度、转速差、对辊间隙等都是主要的影响因素。我们可以通过单因素试验以及正交试验来获得最佳的组合以提高破碎的质量。二是破碎装置结构的质量，破碎装置结构材料的质量也有待提高，好的材料可以延长破碎辊、轴承以及调整装置等的使用寿命，降低故障率，减少维修次数，进而提高破碎效率。比如约翰迪尔系列的产品采用了新型超耐磨籽粒破碎器，破碎辊的寿命得到了显著提升。

4.4 对破碎机理的研究

强大的理论支撑是产品发展的基础，近几年，虽然国内的一些企业和研究院所在籽粒破碎装置的研制上取得了一些突破性的进展，但目前我们对籽粒破碎基础理论的研究还相对较少，国内产品的研发缺乏相关的理论支撑，大多数装置只是在经验基础上仿制国外一些先进的产品，边生产边试验改进，并没有真正掌握破碎机理。这种缺乏深入细致的研究难以取得发展，现有的技术工艺严重影响了我们的青贮质量[35]。在未来几年中要想在籽粒破碎技术上取得突破性进展，我们必须要加强对破碎机理的深入研究。