隨著全球化石能源的消耗殆盡、環境問題的日益突出，能源問題越來越受到人們的關注。能源是人類賴以生存發展的物質基礎，與社會的發展有著密切的關系。我國作為生物質產出大國，應將對生物質的開發與利用放在重要的位置上。
    同時，我國又是農業大國，生物質資源含量非常豐富，現在每年農村的秸稈量就有6. 50億t，到2010年達7.26億t，相當于3億t標準煤。城市垃圾和生活廢水、畜禽糞便等方面的生物質資源可達6億t標準煤以上，林業廢棄物每年可達3 700萬hm2。但是這些資源至今未被充分利用，也常常因為就地焚燒而污染環境。目前，我國對生物質利用的主要技術有沼氣工程、生物質氣化、壓縮成型燃料、與煤復合燃燒、生物質熱裂解等。而生物質原料在開發利用前期都需要進行相應的粉碎加工處理，由此可見，生物質的粉碎是生物質能源利用轉化與開發的必要前提條件。因此，對生物質秸稈粉碎機的開發與研究也是必不可少的一部分，其中以秸稈粉碎機最具有代表性。
1、秸稈粉碎機的研究意義
    農作物秸稈是一種重要的生物資源，如果處置不當，不僅會造成資源的浪費，更會對環境造成極大的破壞。因此，如何做好農作物秸稈的轉化工作，已成為亟待解決的農業問題。大部分的秸稈原料在開發利用前都需要進行相應的粉碎加工等處理，只有當生物質的粉碎顆粒符合一定的尺寸和要求時，才能為后續的生物質研究與利用做好充分的準備。所以，秸稈粉碎機的研究對生物質能的開發與利用有著重要的意義。
    雖然我國在秸稈粉碎技術方面相對較成熟，粉碎機的種類與粉碎方式也是多種多樣，但從現有的粉碎設備的能耗、產量，物料的適應性、粉碎粒度、經濟性以及機型本身的工作穩定性、操作安全性、壽命、工作性能等多方面進行綜合考慮，還是有許多不完善的地方，不能很好地滿足各類生物質粉碎的要求。因此，對對秸稈粉碎機的研究，對我國生物質能源利用的經濟化、商業化和促進農業的可持續發展都具有十分重要的意義。
2、粉碎機的研究現狀
    粉碎機的研制在國內已有幾十年的歷史，其主要集中在飼料粉碎和農作物秸稈切碎等方面b 3。粉碎技術根據粉碎方式和粉碎手段的不同可分為鍘切式、錘片式、揉切式和組合式粉碎技術。在我國，秸稈粉碎機普遍采用的是錘片式和爪齒式粉碎。
2.1鍘切式粉碎鍘切式粉碎的主要設備是鍘草機，也稱為切碎機，主要用來切斷莖稈，如谷草、稻草、麥秸、玉米秸稈等。鍘草機的主要加工原理是切斷，其結構簡單、功耗低、生產率較高。20世紀80 - 90年代，我國研制了許多機型，按規格主要分為小型、中型和大型；按切割方式可分為滾筒式和圓盤式；按作業方式可分為田間直接收獲機和固定式切碎機。
    目前，我國鍘草機的研究技術比較成熟，且種類機型也比較多，能基本滿足不同生產的需要。如新鄉市興田機械制造有限公司研制的93QS-3型鍘草機，其動力為5.5 kW，產量為1 t/h（干草）、3t/h（青草）；山西科惠農業發展有限公司生產的93ZT-O．8型鍘草機，動力為1.5 -2.2 kW，產量為500- 800 kg/h'8]。萊陽農學院研制的9QS-I型玉米飼料收獲機，與8.8 - 11.0 kW小四輪拖拉機配套，直接在田間完成收獲、切碎和收集等過程，并且采用了甩刀式切拋器，便于拋送切碎的物料，生產率為500 -2 000 kg/h，適用于小型農戶作業。固定式切碎機代表機型主要有內蒙古赤峰市喀喇沁旗農牧機械廠生產的9QS-70A、9QS-120型，配套動力分別為4.5 kW和13 kW，生產率分別為3000 kg/h和10 000 kg/h。
    同時，浙江大學的宋慧芝等人以棉稈、桑枝等農作物硬莖稈為對象，對農作物硬莖稈切碎機的主要結構進行了參數設計，設計出了能夠自動調節喂入高度的喂入機構和直刃刀切碎器，如圖1所示。試驗結果表明該機具有良好的切碎性能，且產量高、能耗低。由黑龍江省畜牧機械化研究所研究設計的9ZS20 - 40型秸稈鍘碎機，通過對該機型主要工作部件及動力性能指標的設計研究計算，進而提高了秸稈的利用率和農作物秸稈直接喂飼的適用率。
2.2錘片式粉碎錘片式粉碎機是利用高速旋轉的錘片擊碎物料的一種機械，其具有粉碎質量好、維修方便和生產效率高等優點，并且使用非常廣泛。一般情況下，大部分粉碎秸稈的機型都選用錘片式粉碎機。錘片式粉碎機的粉碎原理是：生物質秸稈由進料口喂人粉碎室，經過錘片的高速旋轉打擊，從而得到一定程度的粉碎，同時，物料以較高的速度被拋向固定在粉碎室內部的齒板和篩片上，并受到齒板的碰撞和篩片的搓擦得到進一步的粉碎。粉碎過程在粉碎室內重復進行，直到物料可通過篩孔為止。如圖2所示，錘片式粉碎機的喂人方式多為切向喂入和頂部喂入。影響粉碎機粉碎性能的主要因素包括：被粉碎物料的結構特點及物理特性、粉碎室的形狀、粉碎機的結構、錘片的數量、厚度和線速度、篩孔的形狀及其孔徑、錘片末端與篩網間的間隙、物料的喂人量及空氣流量等。
    1975年原第一機械工業部機械院農機所組織了11個省市23個單位對錘片式粉碎機進行了一系列試驗選型和系列設計工作，把全國幾十個品種統型為一個系列6種機型，即9F - 32、45、55和9FQ - 40、50、60型，初步完成了以9F系列錘片粉碎機為主的飼料粉碎機型定型工作。20世紀90年代以來全國各地相繼開展研制了不同系列的錘片式粉碎機。據統計2004年我國約有300多家飼料粉碎機的生產企業。如江蘇正昌集團和江蘇牧羊集團，引進了國外的先進技術設備，先后開發生產了水滴型粉碎機、立軸式粉碎機。其中，水滴型粉碎機采用了水滴型粉碎室，有利于提高粉碎效率，并且錘篩的間隙可調，能夠進行粗、細、微3種粉碎，同時還具有自動負荷控制等特點。由上海春谷實業有限公司研制開發的橫寬形振動篩錘片式粉碎機，是由電動機、振動器、多層篩體（篩體分內層篩和外層篩）、機體等組成。該機的生產效率高，物料的粉粒比較均勻，對含水率較高的物料和含纖維的物料都有較好的適應性，且具有篩片壽命長，錘片更換周期長等優點。
    此外，上海春谷實業有限公司最新研制開發的振篩剪式錘片式粉碎機，經設計試驗，在篩板內側的物料運動環內均勻放置定錘，使定錘和動錘有規律地均勻錯開，結果能使篩板內物料的運動速度降低，使錘片末端與物料的速度差提高，從而達到提高粉碎效率的效果。劉文廣、劉偉峰通過對粉碎室形狀的分析與研究，設計出一種新的粉碎室，如圖3所示。即將圓形篩片彎曲成梯形的粉碎室，這種梯形粉碎室能有效破壞粉碎室內的環流層，增大篩理面積，對提高粉碎機的性能有一定實質性的意義。同時還有北京市旭世盛畜牧機械公司生產的9FQ - 40B、9FQ - SOB'型粉碎機，四川省自貢市漸飛機械廠生產的9F223、29、35型粉碎機，東省諸城市粉碎機廠生產的9FQ40 - 28、9F040 -l、9FQ32 - 26型粉碎機等。
    我國經過多年的潛心研究，錘片式粉碎機的技術水平和性能指標基本上能達到國際同類產品的先進水平。我國秸稈粉碎機企業生產的產品品種多、規格齊全，基本上能夠滿足我國生產發展的需要。但是錘片式粉碎機仍然存在能耗高、效率低等問題。
2.3揉切式粉碎揉切式粉碎包括揉搓機和揉碎機。
2.3.1揉搓機。揉搓機主要由機架、喂入機構、錘片轉子、變高度齒、刀片和風機等部件機構構成。工作時，高速旋轉的錘片不斷打擊喂入的秸稈，同時機具凹板上面裝有變高度齒板和定刀，斜齒呈螺旋走向，從而保證了撞擊后產生軸向運動，秸稈碎段經過隔板空缺部分流向機器的拋送室，然后再由風機拋出。
    在我國，秸稈揉搓機大都采用螺旋排列的錘片進行揉搓，再借助風機拋送，加工的秸稈物料只能達到破碎或細碎的狀態，生產率較低、耗能高、不適于高濕或韌性大的物。圖4所示的是最新設計的機型，其采用雙螺桿螺旋揉搓推進機構，對物料進行強制揉搓與輸送，從而保證了對物料的揉搓及順暢的出料能力。為了適應秸稈等生物質的粉碎加工發展需要，國內揉搓機的代表機型有：遼寧鳳城東風機械廠生產的93RC - 40型秸稈揉搓機，配套動力為7.5- 10.0 kW．生產率為1 000 kg/h;江西紅星機械廠生產的93FC - 50型揉草機；山西省大同農牧機械廠生產的9RS - 40型揉草機；吉林省農機研究所研制的9RF - 40型揉搓粉碎機；鄭州鑫地機械設備有限公司生產的9RQ -1、9RQ -2、9RQ -3型揉切粉碎機；安徽濉溪縣農機推廣站研制的9JX- 300型秸稈揉搓機；北京燕京集團生產的9SC - 400型揉草機等。
    由中國農業大學農業工程研究院研制的9LRZ - 80型立式秸稈揉切機，采用了多動刀與定刀組合的多刀剪切，利用刀刃對物料的剪切性，并利用動刀與定刀之間的間隙對物料進行揉搓，由高速旋轉的轉子拋向揉搓室內壁，然后由轉子再進行揉搓。在降低機器能耗的同時，又保證了物料的加工質量。揉搓機的動、定刀組的設計，立式喂人的結構設計，軸向喂人設計，改進的動刀結構及其加工工藝和定刀組加裝彈簧的設計都是創新之處。
    由黑龍江八一農墾大學研制的93RJ - 40型揉搓機，其轉子轉速2 800 r/min，轉子直徑400 mm，錘片末端線速度59m/s，度電產量130 kg/kW．h（玉米秸稈）。
    由山西省長治市農機研究所開發的9RC - 400型揉搓機，其轉子轉速1 900 r/min，轉子直徑400 mm，錘片末端線速度40 m/s，度電產量110 kg/kW．h（玉米秸稈）[26]。河南農業大學研制的RC - 11型高效秸稈揉搓機，該機項目屬于國家863計劃項目( 200IAA514010)。其主要設計指標如下：生產率為3 000 kg/h，轉子轉速1 777r/min，轉子直徑430 mm，錘片末端線速度40 m/s，度電產量270 kg/kW．h（秸稈）。但該機的度電產量高出其他同類機型一倍左右。2.3.2揉碎機。揉碎機是我國近年來研制生產的一種新型的粗飼料加工機械，是一種介于鍘切和粉碎兩種機械加工方式之間的新型加工方式。揉碎機加工的秸稈為柔軟、蓬松的絲狀段，具有適宜的長度和粗細度(85%以上長度為4- 12mm，粗細度為2-6 mm)，并被切成8-10 cm的碎段。揉碎加工不僅適用于新鮮的秸稈，同時對含水率較低的秸稈仍具有較好的揉碎效果。
    揉碎機在我國出現的較晚，是20世紀90年代初提出的一種新型的粗加工的方式，所以在這方面的研究相對也比較少一些。目前主要的機型有北京市林海農牧機械廠生產的9RC -40粗飼料揉碎機，配套動力為7.5- 13.0 kW，生產率為2 000 kg/h;吉林省九臺市石河農具廠生產的9FRQ - 40B型秸稈揉碎機；陜西西安市畜牧乳品機械廠生產的93F - 45型揉碎機；陜西秦原生物有限責任公司生產的9RC - 30型揉碎機等。
    由內蒙古農業大學研制的9R -40型揉碎機可將玉米秸稈、豆秸、牧草等粗飼料揉碎成絲狀。其轉子轉速2 700 r/min，轉子直徑400 mm錘片末端線速度55m/s，度電產量100 -110 kg/kW．h（玉米秸稈）。中國農業大學的于海燕對9RZ - 60型秸稈揉切機的工作室進行了改進設計，并總結了該機型的主要技術特點。此外，還分析了動刀安裝中擋塊相對動刀的安裝尺寸對動刀應力分布的影響，為進一步改進揉切機的結構設計提供了理論基礎并開拓了設計思路。9RS - 700型莖稈揉碎機由黑龍江省八五二農場研制，其轉子轉速2 350 r/min，轉子直徑420 mm，錘片末端線速度為52 m/s，度電產量為80 kg/kW．h（玉米秸稈）。
    由山西省農業機械化科學研究院研制的懸掛式玉米秸稈揉碎機，能一次性完成秸稈的切割、輸送、揉碎和收集等多項作業，可以在田間直接將秸稈揉碎，使其直接轉化為飼料，以便于直接飼喂或做為后續加工的原料，從而使秸稈資源能夠得以充分的利用。涂建平采用力學數學的方法對揉碎機動刀片的受力和在刀軸上的排列方式進行了理論分析和總結。并在“均力免震假設”的基礎上，推導出常用刀片類型的結構參數優化方程；利用計算機高級語言程序對優化方程求解，得出了相應的刀片優化排列方式，為秸稈加工機械的設計提供了相關的理論依據。
2.4組合式粉碎組合式粉碎技術是將鍘切、粉碎和揉搓等功能組合為一體的新型粉碎技術。如生產的9FZ - 700型多功能秸稈組合粉碎機，其粉碎室內裝有高速旋轉的錘片，上機體內裝有定刀、動刀和齒板，加入的物料在錘片的強烈打擊及錘片與齒板之間的撕裂和搓擦等作用下迅速的被粉碎成粉狀，由于離心力和粉碎機下腔負壓的作用，被粉碎的物料通過篩孔落入出料口；黑龍江八一農墾大學研制的93RZ - 40型揉漿機集切斷、粉碎、揉搓功能于一體，物料在動刀、定刀、錘片和齒板的綜合作用下被粉碎，在離心力和風機作用下排出，提高了粉碎的質量與效率。目前在江西必高生物質能科技有限公司、清華大學清潔能源研究與教育中心、北京佳禾木科技有限公司、遼寧天鑫飼料有限公司、江蘇鼎元科技發展有限公司等企業均有使用該技術設備。
    由農業部南京農業機械化研究所研究設計的JF - 720型多功能秸稈粉碎機有搓揉與粉碎2個加工室，集搓揉與粉碎功能為一體，其技術性能穩定。該機主要由轉子、搓揉破碎室、粉碎室、機座、上下殼體、物料輸送料斗、傳動裝置等5大部分組成，配套動力為30 kW。機器運行時，農作物秸稈由人工輸送到搓揉破碎室，秸稈在刀片或錘片高速旋轉形成的負壓以及系統機構尾部風機的聯合作用下進入搓揉破碎室，經刀片的高速剪切或錘片的強力搓揉，以及物料之間的碰撞摩擦之后，物料則進入粉碎室，經粉碎后的物料通過篩孔進入出料口。粉碎不同農作物秸稈時其能耗均穩定在78kW．h/t左右，生產率均穩定在0.8t/h左右，如不受人工輸送原料快慢因素的影響，其生產率達到1 t/h。由于采用了負壓吸料的加工原理，人工送料勞動強度小，加工時沒有灰塵的污染，因此該機屬于一種環保型的秸稈粉碎機械。
    汪莉萍為了解決秸稈粉碎機的生產效率、降低能耗和對多種物料的適應性等問題，確定從揉切工作部件、機器喂入方式和尺寸等方面進行研究，設計了9FR - 66型秸稈粉碎機。如圖5所示的是一種組合式粉碎機，它是將鍘切、粉碎和揉搓等功能組合成一體的機型。俞佳芝研究的4Q -1.5型秸稈粉碎機，使用了不同的切碎刀，同時使用了甩刀式和錘爪式的切碎刀，聯合作業機可采用L型甩刀與錘爪型刀片配合使用，這是一種新型、實用、高效的秸稈粉碎機。在機器工作時，秸稈受到高速旋轉錘爪（甩刀）的沖擊。同時，由于錘爪高速旋轉，在喂入口處形成負壓，秸稈很容易被吸人機殼內，并且在機殼內的第一排定齒處進行第一次切割；接著切割后的秸稈流經折線型的機殼內壁，由于截面的變化導致氣流速度不斷變化，致使秸稈多次受到錘爪的撞擊，從而使秸稈進一步被粉碎，最后被氣流拋出去。該機動力配置適當，環境適應性強，生產作業效率高，運行平穩，性能穩定。
3、結語
    隨著我國對農業資源不斷開發與利用，對秸稈粉碎機的理論研究與創新顯得尤為重要。因此，需要重視對秸稈粉碎機的理論研究與創新。優化現有的粉碎設備，進一步改進和完善現有機型，使各種機型的主要工作部件實現標準化。提高秸稈粉碎機的質量，降低能耗，增強機組的安全性。發展一體化聯合加工設備，進而提高生產效率、降低勞動強度和加工成本，從而使經濟效益更加顯著。同時，根據不同地區特點及廣大農民的需求，發展功能較為全面，價格適宜的粉碎設備，從而提高農民的積極性，為今后粉碎機的研究與發展打下堅實的群眾基礎。大力開拓秸稈粉碎機的經濟市場，增加秸稈粉碎機的種類和機型，進而降低其生產成本，進一步促進秸稈粉碎機的研制和開發。


相關粉碎機揉搓機產品：
1、秸稈粉碎機
2、飼料粉碎機
3、鍘草機