苜蓿同向异形制备与堆存试验

余 永 贺 刚 王光辉 王德成 刘贵河

(1.中国农业大学工学院， 北京 100083； 2.中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院， 呼和浩特 010010；3.河北北方学院动物科技学院， 宣化 075100)

苜蓿同向异形制备与堆存试验

余 永1贺 刚2王光辉1王德成1刘贵河3

(1.中国农业大学工学院， 北京 100083； 2.中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院， 呼和浩特 010010；3.河北北方学院动物科技学院， 宣化 075100)

为分析牧草同向异形堆存方式的优势与合理性，进行了苜蓿同向异形制备与堆存理论分析及试验。通过苜蓿同向异形制备试验，分析了抄板高度、抄板数量以及旋转筒转速3个因素对苜蓿同向异形单元单位长度质量和产量的影响。通过分析牧草同向异性堆存的传热传质过程，建立了牧草同向异形堆存的传热传质模型；通过与散草堆存热质传递模型的对比，证明了同向异形堆存的热质传递较快，牧草的同向异形堆存有着能够改善牧草自然通风干燥品质的实际意义。通过苜蓿同向异形堆存试验，测定了堆存过程的温度变化以及腐败变质比例。结果显示：经过同向异形调制整理后的苜蓿，在堆存过程中，牧草的植物活性提高，短期内部的发热较为严重，在经过一段时间之后，苜蓿同向异形堆存的温度下降；苜蓿同向异形堆存比散草堆存的腐败变质减少23.7%～76%。

苜蓿； 同向异形； 制备； 堆存； 腐败变质

引言

牧草收获过程中，普遍面临雨季问题，降雨会导致牧草品质和蛋白质含量大大受损[1]，故刈割的牧草不适宜在田间铺放自然晾晒。因此刈割牧草面临着牧草高含水率的贮藏和加工问题。

含水率高的牧草直接贮藏、打捆、压块会导致牧草变质[2-5]。人工机械干燥是牧草调质和降低含水率的有效手段，但会受到燃料价格、机器成本等因素制约[6-8]。牧民生活居住以小范围群居为主，干燥调制装置无法适应不同地区的经济、地况等实际情况[9]。因此，很多地区(例如青藏高原等能源匮乏地区)就需要把高含水率牧草不进行机械干燥工艺就直接进行堆存。而由于较高的含水率，牧草直接堆存会出现细胞呼吸作用，释放大量热量，导致牧草大量变质腐烂。

部分地区采取的“晾草架”形式进行堆贮通风干燥能够有效解决高含水率牧草室内堆存的大量变质腐烂问题。“晾草架”的关键工艺是首先把牧草全部沿着长度方向进行异形整理，然后进行堆存；它的基本加工环节为同方向排列收获的鲜草卷绕牧草形成“麻花辫”。青藏高原牧民的长期实践证明了牧草的同向异形堆存能够在有限的室内晾晒面积情况下，最大限度地减少牧草的堆存发霉、变质。然而，目前还没有针对这种堆存方式能够减少变质和腐败的理论与实践分析。

本文设计一种机械化苜蓿同向异形制备装置并进行试验，探讨同向异形牧草的物理参数与机器参数的关系；然后进行苜蓿的同向异形堆存试验，并与普通堆存方式进行对比，分析同向异形堆存过程中不同含水率苜蓿内部温度与腐败比例的变化。

1 牧草同向异形制备试验

1.1 牧草同向异形特点

图1所示为牧草同向异形单元产品。牧民实际使用的单元产品螺距为150～250 mm，单位长度质量为0.4～1.0 kg/m，直径为100～250 mm。

图1 牧草同向异形单元产品Fig.1 Cocurrent special-shaped alfalfa unit

1.2 牧草同向异形制备装置

牧草的同向异形单元产品类似于“麻花辫”，牧草沿着长度方向不断缠绕。因此，同向异形装置必须对牧草完成直线运动与旋转运动，装置的原理如图2所示。

图2 同向异形装置原理Fig.2 Principle of forming equipment1.牧草 2.旋转筒

针对上述原理，装置采用旋转筒内部布置若干螺旋抄板的形式对牧草进行成型作业。图3所示为同向异形装置三维设计图。

图3 牧草同向异形装置三维图Fig.3 3D graph of cocurrent special-shaped alfalfa preparation equipment1.出料筒 2.旋转筒 3.机架 4.电动机 5.支撑系统 6.传动系统 7.螺旋抄板 8.支撑轮 9.固定圈

同向异形装置包括旋转筒、出料筒、螺旋抄板、传动系统、支撑系统、电动机和机架。旋转筒和出料筒通过螺栓连接，旋转筒与出料筒转速相同，出料筒的出料口直径小于旋转筒进料口直径。螺旋抄板焊接在旋转筒和出料筒的内部筒壁上，在旋转筒和出料筒内部均布。支撑轮的支撑作用确保旋转筒正常旋转；支撑系统的固定圈约束旋转筒不产生径向运动，挡轮和挡板圈约束旋转筒没有轴向窜动，保证旋转筒正常、稳定地工作。同向异形装置的设计参照文献[10]。

同向异形装置的总体结构尺寸为1 200 mm×590 mm×1 250 mm。旋转筒的大小决定了牧草同向异形单元产品的直径。设计的旋转筒出口直径为160 mm。拉伸速度与旋转速度决定了单元产品的牧草缠绕螺距。旋转筒转速为60～300 r/min可调，过低的转速会影响生产效率，过高的转速会导致牧草由于离心力而紧贴在旋转筒内壁，拉伸过程会使苜蓿同向异形单元产品断裂。旋转筒长度为1 200 mm。螺旋抄板的螺距为600 mm，螺旋抄板在旋转筒内均布1～6个，螺旋抄板高度为0～90 mm(高度是指抄板的最高点与旋转筒内壁的距离)，抄板数量和高度可根据牧草品种进行调整。

装置工作过程：启动电动机，电动机带轮的转动传递给中间带轮，中间带轮与中间齿轮同转速转动，中间齿轮与外圈齿轮啮合运动，旋转筒旋转。从旋转筒的喇叭状进料口喂入鲜草，内部螺旋抄板能使鲜草向前运动，在出料筒的出口处，人工通过均匀控制螺距的方式以一定的速度拉伸出牧草同向异形单元产品，成型作业完成。

图4所示为使用装置制备的牧草同向异形单元产品。

图4 使用装置制备的牧草同向异形单元产品Fig.4 Cocurrent special-shaped alfalfa unit prepared by using the device

1.3 制备试验与分析

制备试验的目的是探讨机器参数与牧草同向异形单元物理特性的关系。

不同的旋转筒转速、抄板数量和抄板高度都对牧草同向异形单元产品的物理特性产生影响。不同的旋转筒转速，使内部抄板对牧草的缠绕作用不同并且滑移率不一样；不同的抄板数量随着旋转筒的旋转对牧草产生不同的缠绕效果；抄板高度影响抄板对牧草的缠绕滑移率。通过预试验，得出旋转筒转速为160～220 r/min时，可以较好地得到牧草同向异形单元产品，过高转速牧草同向异形单元产品容易断裂，过低转速产率过低；过多的抄板数量以及过高的抄板高度都会阻碍牧草在旋转筒内的移动，而过少的抄板数量和过低的抄板高度，牧草同向异形单元产品的制备效率过低，因此得出抄板高度为6～80 mm，抄板数量为1～6。

对抄板高度、抄板数量以及旋转筒转速3个影响因素进行了三因素三水平的正交试验[11]，试验参数见表1。通过调节电动机转速来实现旋转筒的转速控制。抄板焊接在旋转筒内部，抄板数量和抄板高度的控制通过更换不同的抄板来实现，每次更换先把上次试验中的抄板切割下来重新焊接上新的抄板。

表1 试验因素与水平Tab.1 Experimental factors and levels

相同旋转筒转速、抄板数量和高度条件下，牧草同向异形单元的物理特性只与出料口的拉伸速度有关，只要保证牧草不间断的喂入即可。使用同向异形装置进行苜蓿同向异形制备试验，苜蓿含水率为65.3 %，生产出的样品直径为160 mm；试验过程中通过调整拉伸速度来控制牧草同向异形的螺距保持在(200±20) mm。

每次试验完毕后统计时间，并且测量成型的牧草同向异形单元的总长度；对成型的牧草同向异形单元进行称量，可以计算单位长度质量，计算产量[11]。试验结果与极差分析结果见表2。

由极差结果可知，随着抄板高度的减小，产量升高；随着抄板数量减少，产量升高；旋转筒转速在160 r/min时，产量最高。旋转筒转速对产量的影响最大。

以单位长度质量为指标考察时，当抄板高度为6 mm时，单位长度质量最大；当抄板数量为3时，单位长度质量最大为0.978 kg/m；当转速为220 r/min时，单位长度质量最大为0.892 kg/m。对单位长度质量的影响大小排序依次为抄板高度、抄板个数、旋转筒转速。表3为牧草同向异形试验的方差分析结果。

由表3可知，抄板高度、抄板数量和旋转筒转速对产量均没有显著影响。但是，可以发现抄板高度、抄板数量和旋转筒转速对单位长度质量的影响大于对产量的影响。另外，抄板高度对牧草同向异形单元的单位长度质量有显著性影响。在产量相当的情况下，牧草同向异形单元的单位长度质量才是影响堆存效果的关键因素。

2 苜蓿同向异形堆存原理分析

图5为苜蓿同向异形堆存圆周截面方向的简图。与普通的牧草堆存方式最大不同是单根牧草纤维的孔隙大小不一，普通的牧草堆存单根牧草之间的间隙相近，几乎可以认为均等。通过异形处理后，孔隙差别大。图5中的绿色框为控制单元。

图6为某异形堆存的控制单元传质分析图。

ΔM=∑Fk+∑Sk

(1)

式中 ΔM——控制单元内蒸汽质量变化率，kg/sFk——通过对流进入、流出单元的水蒸气质量流率，kg/s

Sk——控制单元内圆截面释放出来的蒸汽增加率，kg/s

表2 苜蓿同向异形制备试验安排与试验结果Tab.2 Experimental plan and results

表3 苜蓿同向异形制备试验的方差分析结果Tab.3 Variance analysis of the cocurrent special-shaped alfalfa preparation

图5 同向异形堆存原理图Fig.5 Principle of cocurrent special-shaped alfalfa storage1.单根牧草 2.同向异形堆存单体

图6 某异形堆存的控制单元传质分析图Fig.6 Mass transfer of control unit

其中非稳态项[13]

(2)

图7为某异形堆存的控制单元传热分析图。

图7 某异形堆存的控制单元传热分析图Fig.7 Heat transfer of control unit

ΔU=∑Qk+∑qk

(3)

式中 ΔU——单位时间内控制单元内热焓的变化率，J/s

Qk——单位时间内通过汽相流动带入、带出控制单元的传热量，J/s

qk——单位时间内牧草截面对控制单元的对流吸热，J/s

其中非稳态项[16]

(4)

通过上述的通风干燥过程传热传质的分析，可以得出传热传质过程都与圆截面之间的间隙相关，并且都与孔隙孔径的三次方相关。可以假设牧草同向异形堆存在横截面上满足的传热传质方程均满足

(5)

式中K——系数Ri——控制单元i的节点孔径YS——传热传质的总量

如果牧草进行普通的堆存，即可以认为所有控制单元的节点孔径相等，同等量的散草堆存与异形堆存相比，可以认为总体孔径相等，那普通堆存传热传质方程可以表达为

(6)

可知，YS>YN；故而同向异形的堆存热质传递较快。牧草的同向异形堆存有着能够改善牧草自然通风干燥品质的实际意义。但是其中有部分牧草的间隙过小，极其容易变质腐败，控制牧草同向异形单元的单位长度质量尤其重要，同时也为保证堆存过程中尽量少的牧草品质降低。

3 苜蓿同向异形堆存试验

采用不同含水率的苜蓿鲜草进行苜蓿同向异形成型作业试验，并进行堆存，记录苜蓿同向异形堆存过程中的物理参数变化，并与苜蓿散草堆存进行对比。

3.1 试验地点与材料

在河北省张家口市河北北方学院实验室内进行试验，使用的原料为河北北方学院试验用地生长的苜蓿，为第三茬苜蓿，收获时间为10月10日。初始含水率达80%。收获同一批苜蓿共计约1 000 kg。

3.2 试验过程

首先将刚收获的新鲜苜蓿，及时摊晒在通风干燥处，晾晒厚度不大于20 cm。

针对本试验，特加工制作了8个用于堆存牧草同向异形单元与散草的草框，草框全用螺栓连接。所有挡板均为薄板且薄板上紧密冲压多个大圆孔，以便通风，故可以忽略草框的侧板对堆存草的密封作用；草框底部加200 mm高立柱垫高，确保底部通风。草框总体大小1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm，牧草同向异形单元和散草堆存高度统一为800 mm。

使用本文中的牧草同向异形装置将新鲜的苜蓿即时进行苜蓿同向异形成型，装置中的旋转筒转速为190 r/min，抄板高度为40 mm，抄板数量为3。同时测定苜蓿含水率，制作70 kg左右的苜蓿同向异形样品，并进行1 m间隔的剪切，而后平行铺放在草框内，每层牧草同向异形单元平铺方向统一，铺满草框达800 mm高，命名样品YX-1；同时用同一批苜蓿不作处理堆存放入另外一个草框，堆存高度为800 mm，命名样品PT-1。

图8为苜蓿堆存现场。

图8 苜蓿堆存现场Fig.8 Alfalfa storage site

第2天使用仍然在自然通风晾晒的苜蓿进行牧草同向异形单元制备，进行含水率测定，进行重复操作，得到堆存样品，命名样品YX-2、PT-2；连续4 d进行同样的牧草同向异形单元制备并堆存，同时测定含水率[17]。第3天和第4天样品编号为：YX-3、PT-3；YX-4、PT-4。每次样品制备结束后，第2天同时刻进行温度测量，测量点在样品的上部、中部和底部。所有样品的晾晒和堆存时间共8 d。第8天后，把全部样品取出，测定腐败变质的苜蓿质量，并计算腐败变质百分比。

3.3 温度变化规律

对草框内堆存牧草同向异形单元和堆存散草的温度，经过8 d时间记录，绘制温度变化曲线[16]，如图9所示。

图9 苜蓿堆存温度变化曲线Fig.9 Temperature changing of alfalfa storage

可以得出，苜蓿同向异形堆存的温度短期内升高程度大于散草堆存的温度，但是4 d后，苜蓿同向异形堆存的温度急剧下降，而散草堆存的温度持续升高[18]，8 d后，2种堆存方式下的温度基本相当。可以得出，经过调制整理后的牧草同向异形单元堆存后，牧草的植物活性提高，短期内部的发热较为严重[19-20]，在经过一段时间之后，苜蓿同向异形堆存的温度会下降，并在后期升高到一个稳定的水平，但是散草堆存的温度会一直升高，后期的温度会高于苜蓿同向异形堆存的温度。苜蓿同向异形堆存和散草堆存过程的温度变化进行回归分析，得出如图中方程。

3.4 腐败变质规律

图10为苜蓿同向异形堆存与普通堆存后发霉变质的照片。

图10 苜蓿同向异形堆存与散草普通堆存后发霉变质情况Fig.10 Decay situation of alfalfa storage

测定8 d后苜蓿同向异形堆存与散草普通堆存的苜蓿腐败变质百分比，绘制腐败变质百分比柱状图[17]，如图11所示。

图11 腐败变质牧草比例Fig.11 Proportion of grass decay

可以看出，随着时间的延长，苜蓿同向异形堆存的腐败比例从1.34%经过5.97%、9.45%，最后到16.22%，腐败变质比例一直在升高，但是草框YX-1相比于草框PT-1，草框YX-2相比草框PT-2，草框YX-3相比草框PF-3，草框YX-4相比草框PT-4，苜蓿的腐败变质百分比一直较小；通过对比，发现散草堆存的腐败变质百分比短期升高较快，4 d左右就达到19.76%，但是3 d后还是21.26%，苜蓿同向异形堆存的草框内苜蓿腐败变质百分比变化较大，比散草堆存的腐败变质质量少23.7%～76%[17]，并且随着苜蓿含水率的下降，与散草堆存相比，苜蓿同向异形堆存的腐败变质百分比不断下降。

4 结论

(1)苜蓿同向异形装置的抄板高度、抄板数量和旋转筒转速对单位长度质量的影响大于对产量的影响。另外，抄板高度对牧草同向异形的单位长度质量有显著性影响。

(3)苜蓿同向异形堆存试验表明：经过同向异形调制整理后的牧草，在堆存过程中，牧草的植物活性提高，短期内部的发热较为严重，经过一段时间之后，苜蓿同向异形堆存的温度会下降，并在后期升高到一个稳定的水平，但是散草堆存的温度会一直升高，且后期的温度会高于苜蓿同向异形堆存的温度。苜蓿同向异形堆存比散草堆存的腐败变质质量少23.7%～76%，并且随着苜蓿含水率的下降，与散草堆存相比，苜蓿同向异形堆存的腐败变质比例不断下降。

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Preparation and Storage Experiment of Cocurrent Special-shaped Alfalfa

YU Yong1HE Gang2WANG Guanghui1WANG Decheng1LIU Guihe3

(1.CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.HuhhotBranchofChineseAcademyofAgriculturalMechanizationSciences,Huhhot010010,China3.CollegeofAnimalScienceandTechnology,HebeiNorthUniversity,Xuanhua075100,China)

With the aim to analyze and verify the advantages and rationality of cocurrent special-shaped alfalfa, the preparation and storage experiments were designed and the relative theories were analyzed. Through the preparation experiment of concurrent special-shaped alfalfa, the effects of three factors, such as the height of the flight, the number of flight and the rotation speed of the drum, on the density and yield of the cocurrent special-shaped alfalfa were analyzed.Through the analysis of heat and mass transfer process of cocurrent special-shaped alfalfa storage, a heat and mass transfer model of cocurrent special-shaped alfalfa storage was established. In contrast with the heat and mass storage transfer model of grass normal storage, it can be proved that the heat and mass transfer of cocurrent special-shaped storage was faster, the cocurrent special-shaped alfalfa storage had practically and significantly improved the quality of the grass during natural ventilation. Through the storage experiment of alfalfa, the temperature changes, moisture changes and the ratio of decay were analyzed. Results showed that the alfalfa’s plant activity was improved after the cocurrent special-shaped preparation to storage. Although in the short-term, the temperature within the alfalfa heat was increased seriously.After a period of time, the temperature of cocurrent special-shaped alfalfa storage was decreased. The alfalfa decay weight of the cocurrent special-shaped storage was reduced by 23.7%～76% compared with the scattered storage.

alfalfa； cocurrent special-shape； preparation; storage； decay

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.012

2016-09-05

2016-12-23

公益性行业(农业)科研专项(201203007)

余永(1989—)，男，博士生，主要从事畜牧机械和生物质加工机械研究，E-mail： yyeric@yeah.net

王光辉(1974—)，男，副教授，博士生导师，主要从事畜牧机械、生物质加工研究，E-mail： guanghui.wang@cau.edu.cn

S216.2

A

1000-1298(2017)03-0099-07