玉米秸秆机械化饲料制粒技术及环模压辊技术优化
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摘 要：玉米秸秆是我国养殖业的主要饲料原料，传统的青贮、黄贮、氨化等加工方式已逐渐不适应自动化养殖企业的饲喂要求，将玉米秸秆进行机械化制粒加工是饲料行业未来发展的大趋势，根据玉米机械化饲料研制技术的应用情况，总结了现阶段玉米环模制粒技术的原理与特点，并给出了环模与压辊的合理设计与优化方向。
关键词：玉米秸秆;机械化;饲料制粒;环模;压辊;优化
中图分类号：S38 文献标识码：A
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.09.018
0 引言
近年来，我国的饲料加工行业得到了快速的发展，很多企业纷纷引进先进的自动化生产设备用以制造多种用途的牲畜饲料，使我国的成品饲料生产能力得到了快速的提升。饲料行业的发展和产品特点与我国养殖业和畜牧业的发展息息相关，随着牲畜养殖的自动化技术普及，对颗粒饲料的需求量不断提升，促进了饲料机械技术的发展与完善。针对玉米秸秆高产可再生的特点，利用制粒机械将其加工成为成品的颗粒饲料是秸秆资源利用的可行方向，且在先进制粒技术的支持下，以秸秆为原材料的颗粒饲料将为养殖业节本增效创造条件，有利于饲料工业体系与养殖业的同步快速发展。
1 秸秆机械化饲料制粒技术研究现状
现阶段，随着畜牧养殖行业逐渐向着大规模集中化发展，传统的秸秆类饲料在自动化喂养方面存在很多弊端，而将秸秆压制成为饲料颗粒，是国内外饲料生产的总体趋势。玉米秸秆的制粒技术是将粉碎的秸秆进行压缩，并同时进行高温加热，使蛋白质和淀粉等成分趋于熟化，且颗粒饲料的适口性好，干净卫生，更利于牲畜的健康。根据制粒技术的不同可将玉米秸秆制粒机分为环模制粒机和平模制粒机两类，为适应玉米秸秆粉碎料的压制过程，环模制粒机的适用范围更广，产品质量更佳。且先进的环模制粒机能够实现高度自动化的作业，具有方便快捷、性能稳定、效率高、使用寿命长的优点。
环模制粒机在我国的研究与应用经历了较长的时间，前期的应用主要是靠引进国外的先进技术，利用高铬合金钢坯料制作压制模具，并利用真空淬火炉使模具具有较高的表面硬度，且国外先进技术生产的模具精度高，产品形状统一，品质好。随着我国自主研究的逐渐深入，在国外成熟技术的基础上，为适应我国对玉米秸秆颗粒饲料的实际需求，我国在大直径、高效率环模制粒机方面的理论研究也取得了显著成效，使我国自主研发的环模制粒机的生产能力与使用寿命都得到了显著增强，但与发达国家的成熟机型仍存在一定差距。
2 玉米秸秆环模制粒技术特点
2.1 工作原理与流程
玉米秸秆的环模制粒主要包括5个机械过程，分别为自动进料、物料压紧、旋转挤压、压缩成型、切割制粒。在制粒机运转过程中，环模通过带传动获得运转动力，与压辊配合呈顺时针转动，压辊与环模的配合关系如图所示。在压辊与环模旋转过程中，由于压辊外径线速度与环模内径线速度不同，会使进入环模内部的秸秆碎料在压辊的旋转带动下产生强力的挤压，这种挤压力在压辊与环模近似相切位置达到最大，使秸秆碎料被挤压到环模的模孔中，形成圆柱形高密度秸秆条，逐渐挤出环模外部，在环模运转中挤出的圆柱形秸秆被切刀依次切下，形成統一的秸秆颗粒。
2.2 重要结构技术特点
（1）环模结构与特点。由于秸秆制粒的过程中，环模需要不断受到物料的挤压与摩擦，因此需要其具备较高的硬度与钢性，现阶段使用的环模多数用合金结构钢或不锈钢制造而成，部分设备也有采用普通碳素钢制造的。由于环模的结构特点，其制造过程中需经过车削、钻孔后对其进行严格的热处理，通常的处理硬度在HRC50以上，且需整体淬火，使其达到足够的强度。
环模孔的结构按照其功能包括了减压孔、直孔、内锥孔、外锥孔四种。以保证制粒过程中不同位置秸秆碎料能够均衡的进入压制孔中，避免所生产的颗粒饲料出现密度不均匀等问题，且通过合理设计和布局的压孔结构有利于各模孔的出料量一致，确保饲料的加工效率。环模在制粒过程中的转速通常为5～8 m·s-1，速度与挤压过程中的物料厚度与挤压时间直接相关，因此应根据饲料的用途合理调整环模转速，以保证颗粒饲料质量与实际产能的良好匹配。
（2）压辊结构与特点。压辊的结构相对简单，多采用圆柱型辊体做为主要的压缩和运转机构，根据环模压缩机机体尺寸的大小和结构设计的不同，通常可以将辊的布置形式分为单辊、双辊和多辊组合式三大类。由于玉米秸秆的碎料是在压辊与环模相对运动过程中经挤压进入模孔而形成圆柱形颗粒的，在实际应用中压辊的直径尺寸越大，则对物料形成的预压缩与挤压范围越大，更有利于制作成高密度的玉米秸秆饲料颗粒。
3 环模压辊技术优化
3.1 环模结构设计与优化
通常情况下玉米饲料制粒机的工作效率与环模的工作面积直接相关且呈线性关系，当制粒机的动力确定时，为保证足够的制粒能力，设计过程中制粒机的工作面积应先确定，面积确定后，应根据制粒机的工作环境确定环模的宽度与直径，在固定面积下，宽度与直径成反比关系，如下式所示
M=DEπ
式中 M—环模工作面积（mm2）;
D—环模直径（mm）;
E—环模宽度（mm）。
此时，需在环模的工作面上进行开孔，开孔按照等边三角形的原则进行排列，此时环模开孔率的计算公式为
α=0.9×[D/（D+t）]×2
式中 α—环模开孔率;
D—环模直径（mm）;
t—环模壁厚（mm）。
由上式可知，开孔率与环模直径直接相关，开孔率越高制粒过程越容易，但此时必须保持合理尺寸以保证环模强度。因此在设计过程中，不能够单纯考虑制粒过程的工作效率，还必须根据使用条件和工作压力合理设计壁厚和直径尺寸，以保证环模具有足够的使用寿命。
3.2 压辊技术优化
尽管从理论上来说，压辊的直径越大越利于秸秆饲料的挤压成型，且直径越大挤压效率高且时间短，但还需考虑到在制粒机制粒的过程中，压力的增大同时也会使压辊轴、轴承及支撑结构承受较大的反作用力，同时环模的受力增大，不利于机具的合理使用寿命，且压辊的直径过于粗大也造成了装配困难、与之配合零件尺寸过大、机具笨重等问题。因此，要想既实现工作效率的提升，又维持合理的压辊直径，则应采用双辊式布局或多辊式布局进行设计。为保证环模的使用寿命，压辊所采用的金属材料和热处理工艺相对低些。 通常情况下压辊可通过45#钢调质处理，且表面硬度达到HRC35～40。为保证支撑结构和轴承的使用寿命，根据所受到的径向力特点，可选用单列向心轴承，同时压辊直径的设计以双辊式布局为例，要求环模内径与压辊外径比为 2.315，既能符合作业效率要求，又使尺寸布局更为灵活。
4 结语
通过饲料制粒技术对玉米秸秆进行资源回收与利用，既符合国家的政策要求，又能满足饲料机械行业的发展特点，就目前而言，我国的环模饲料加工技术在玉米秸秆颗粒饲料生产上的应用仍相对较少，且很多机型存在环模使用寿命低、作业可靠性不高、颗粒饲料品质不合格等问题，仍需相关的产品研究与生产企业加强技术攻关，促进我国玉米秸秆饲料加工行业的快速发展。
参考文献：
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[3] 施水娟，武凯，蒋爱军.制粒过程中环模力学模型的建立及有限元分析[J].机械设计与制造， 2011（1）：38-40.
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