Journal of Agriculture and Forestry, 65(2): (2017) 牧草圓包烘乾設備雛型機之研製 陳聖文 [1] 盧琛 [1] 廖翊丞 [1] 謝禮丞 [1] * 摘要由於台灣氣候潮濕且易下雨, 高濕度之牧草草包難以自然乾燥至可儲存之含水率

Transcription

1 Journal of Agriculture and Forestry, 65(2): (2017) 牧草圓包烘乾設備雛型機之研製 陳聖文 [1] 盧琛 [1] 廖翊丞 [1] 謝禮丞 [1] * 摘要由於台灣氣候潮濕且易下雨, 高濕度之牧草草包難以自然乾燥至可儲存之含水率 15 % 以下 本研究利用機械輔助乾燥, 研發一套牧草圓包烘乾雛型機, 包含兩個烘乾底座 風壓機 加熱器及連結裝置 為降低製造成本, 本研究設計之雛型機底座應用商業軟體 ANSYS 進行有限元素法分析, 其設備安全係數須大於 1.5, 本研究研發的第一代雛型機, 雖鋼材厚度為 20 mm, 但其設計結構不佳, 安全係數僅 1.33, 不符合安全需求, 因此改良成第二代雛型機, 此雛型機安全係數達 11.65, 使用之材料為厚度 3 mm 的 SS400 鋼板, 在加工處理上, 不會因板材過薄造成焊接不易之情形 而第二代雛型機進行試驗後, 出風口有易漏風之現象, 利用不透氣塑膠布將出風口之口徑由 0.90 m 縮小至 0.40 m, 並在入風口處增設鍋爐成為第三代試驗機, 並分別針對青貯牧草 星草以及盤固拉草進行烘乾實驗, 試驗結果顯示青貯牧草之草包不適合採用本研究開發之機械進行乾燥, 而星草及盤固拉草之草包, 烘乾效果可達業界需求之標準 關鍵詞 : 牧草圓包 乾草烘乾 有限元素法 Development of a Round Baled Hay Dryer Sheng-Wen Chen [1] Chen Lu [1] Yi-Cheng Liao [1] Li-Cheng Heish [1]* Abstract Taiwan s weather is mostly humid which is not easy to make hay dried to the storage moisture content, 15% or under. Thus, this research has developed a prototype for drying round-baled hay, including two drying bases, a blower, a heater, and several connecting devices. To reduce the cost, a commercially available software, ANSYS, was used to design and analyze the prototype in order to have a safety factor higher than 1.5. The first generation of prototype implemented 20 mm thick steel plate having safety factor of 1.3 due to poor structure and improved to have the second generation. The second one has safety factor of with 3 mm thick SS400 steel plate without welding difficulty as processed. Test results showed that the second generation of prototype had a problem of air leaking in the outlet of the base. Plastic cloth was used to reduce the outlet diameter from 0.9 m to 0.4 m and set a boiler at the inlet to develop the third generation. The drying material used in the experiment was silage, Stargrass, and Pangolagrass. The results showed that silage was not successful due to moisture content staying high and not drop to the goal. The rests, Stargrass and Pangolagrass, reached the drying goal within the test time. Hence, the fresh harvesting grass baled with lower density or having thicker stems would be able to dry successfully with this drying device. Key words:round-baled Hay, Hay drying, Finite Element Method [1] 國立中興大學生物產業機電工程學系 Dept. of Bio-industrial Mechatronics Engineering, National Chung Hsing University, Taichung Taiwan, R.O.C. * Corresponding author, [email protected]

2 陳聖文 盧琛 廖翊丞 謝禮丞 : 牧草圓包烘乾設備雛型機之研製 一 前言 台灣國產牧草草包以盤固拉草為主, 盤固拉草由 Pangolagrass 音譯而來, 學名為 Digitaria decumbens Stent, 原產於非洲國家, 目前為台灣生產乾草之主要種類之一 盤固拉草屬於熱帶禾本科牧草, 其特性為耐乾旱及抑制雜草能力佳, 具有匍匐莖且延展性強, 盤固拉草之巨大潛力, 大多為在非洲亞熱帶和熱帶氣候種植, 並作為牲畜飼料 ( 黃,2008) 鮮草含水量高易腐敗, 高莖牧草以鮮食或調製青貯草料 (Silage) 為主 ; 低莖牧草則主要調製成乾草 (Hay) 最佳可倉儲之乾草含水率需介於 15~20%, 若含水率太高, 牧草易腐敗 ; 若太低則田間損失率較高 根據中國綠野 (2005) 與佚名 (2004) 文獻指出, 牧草之乾燥方法主要有三種, 即自然乾燥法 人工乾燥法和物理化學乾燥法 自然乾燥法不需要特殊的設備 成本低, 但易受自然氣候條件之限制 目前國產乾草大多採自然乾燥法, 易因遇雨延後收割造成乾草過老且品質不佳, 而牧草收割後須放置田中曝曬 4-5 天, 使牧草達到可捆包且倉儲不發酵之含水率 ; 若牧草在曝曬期間遇降雨, 則牧草養分流失, 因此國內草食動物業對進口乾草之依賴極深, 在缺乏國產優質乾草之狀況下, 國產芻料自給率難以跨越 60% 之門檻, 使飼養成本高居不下 人工乾燥法係利用電風扇 吹風機或送風器等乾燥設備烘乾牧草之方法, 此法可克服自然乾燥法對天氣狀況的依賴, 並減少微生物生理化過程和雨淋等因素對乾草品質之影響 常溫鼓風乾燥對草堆或草垛進行不加溫乾燥之方法, 適用於牧草收穫期晝夜相對濕度低於 75% 且溫度高於 15 之地區 相對溼度高之地區, 鼓風機使用之空氣則可適當加熱, 以提高乾燥之速率, 此亦為本研究之重點所在 目前台灣尚未有捆包牧草之烘乾設備, 若進口國外之設備, 不論在能源上或維修上都是龐大的後續成本, 因此若能在地製造, 則能減少在設備維修成本, 並可設計適合台灣氣候環境所用之機台 此烘乾設備在雨季牧草搶收後, 使牧草圓包能以快速且不依靠天氣的方式達到儲存之狀態 在現有的烘乾牧草設備中, 盧與陳 (1997) 以連續進料的方式進給盤固拉草做烘乾實驗, 乾燥溫度與入風口進氣量會影響乾燥效率但不顯著 ; 而乾燥時間對乾燥效率有極顯著影響 若使用連續式烘乾機烘乾盤固草, 衡量乾燥效率 能源消耗及牧草長期安全儲藏條件等觀點, 較佳之乾燥條件為 130~135, 風量 72 m 3 /min, 牧草乾燥時間為 15 分鐘, 在此操作條件下,175 kg 的濕牧草含水率從 53.6% 降至 6.9%, 其乾燥效率為 10.2 kg 水 /kg 油, 耗油率為 0.48 kg 油 /min, 每分鐘約可排出 4.9 kg 之水分 Savoie & Joannis (2006) 研究中, 雙向乾燥為每過一段時間改變空氣流動方向, 能減少上下層乾燥不均之問題 但在轉向時溫度較高空氣易有冷凝現象, 後段加溫能減少冷凝現象發生 乾燥底座之出風口設計部分,Franz & Oliver (2014) 在研究中提到, 對於簡單 單一風口之設計其效益偏低, 主要原因為打包後之牧草密度大且分布不均, 使大部分空氣在乾燥一段時間後皆從底部流失, 導致乾燥不均 為了解決此問題, 除了可翻轉牧草草包或增加一出風口使氣流從兩端進行乾燥外, 多製造一軸向空間 ( 指將牧草草包中心穿孔 ) 使乾空氣呈現縱向流動均能提升乾燥效率, 解決乾燥不均等問題 本研究之目的係利用人工乾燥法, 設計一烘乾底座, 在天氣不佳時, 能使國產牧草採收後, 經由此設備烘乾至含水率 15 % 以下, 防止牧草發酵以利保存並降低飼養成本 二 材料與方法 本研究針對國產盤固拉草因雨延後收割造成乾草過老且品質不佳之問題, 研發一套圓包牧草烘乾設備 此設備於田間直接將盤固拉草包進行烘乾, 減少在高溼環境中曝曬之時間, 以提升品質 規劃設計圓包烘乾設備雛型機前, 需先了解牧草之基本資料, 因此需深入探討國產牧草生態 營養價值與產地氣候 此套設備參考一般國外之牧草烘乾設備為設計概念, 國內種植牧草之面積 地形 產量與氣候皆與國外不同, 故本研究研發之雛型機將針對台灣牧草現況設計 牧草烘乾雛型機研製完成後, 仍需透過實務上操作測試, 對其相關之機構位置 烘乾效率與烘乾作業效益等機械性能做出比較, 才可確保牧草圓包烘乾之可行性 為使烘乾雛型機能夠擴充增加效率與輕量化生產, 本研製烘乾雛型機就更顯其重要性 ; 唯有研製測試烘乾雛型機之可行性, 才能更進一步進行輕量化之開發與擴充設備 ( 一 ) 第一代雛型機之設計構想設計雛型機之元件分類如圖 1 所示, 牧草烘乾設備處理原理主要以風機產生之機械風力穿透圓包牧草, 並將牧草間之水分帶出, 達到可儲存之含水率 此套設備設計構想如圖 2 所示, 設計上下通氣室使機械將風力集中至中間孔洞輸出, 下通氣室亦稱為底盤氣室, 須可使用推高機進行移動 ; 連結處為連結第一與第二通氣室, 主要要求條件為方便拆卸, 由上而下卡緊, 並用軟管改善高低不一之問題 ; 當正負壓交換時, 風管可將通氣室內原本潮濕之空氣排出, 以改善冷凝現象

3 Journal of Agriculture and Forestry, 65(2): (2017) 操作時, 若下通氣室為正壓吹送機械風力時, 上通氣室則為負壓 為了避免正壓方向之牧草過度乾燥, 造成乾燥不均且效率降低, 經工作一段時間後正負壓交換 ( 圖 3), 此時風管會開啟數秒鐘, 將原本經負壓需抽走之殘留濕空氣藉由風阻較低之風管直接往負壓送出, 此動作可改善冷凝現象並避免將不必要之濕空氣再送回牧草中 圖 1 烘乾設備之元件分類 Fig.1 The elements of dryer ( 二 ) 第二代雛型機之設計構想由於第一代雛型機為一理念設計圖, 經過 ANSYS 分析後得知結構厚度雖高達 20 mm 仍然無法達到安全, 因此無實際製造 屏東種植牧草之農田在不同地方, 因此此套設備需利用公路運送至牧草草原邊 底盤氣室為本乾燥設備之最大零件, 根據道路交通安全規則第 38 條規定後懸不得超過 15 m, 全寬不得超過 2.6 m, 全高不得超過 4.2 m, 而一般貨櫃車後方裝載貨物區大約為 m 本研究未來將以 12 或 24 捆牧草圓包為單次烘乾數量, 台灣每捆牧草圓包大約為直徑 1.2 m 高為 1.2 m 之圓柱體, 若底盤氣室與上通氣室能夠堆疊運送, 則底盤氣室長須小於 2.0 m, 寬須小於 1.3 m 且大於等於 1.2 m, 高度為了方便工作須小於 0.70 m 設計方法為利用 SolidWorks 繪製表示, 並搭配有限元素 ANSYS 13.0 輔助, 以分析設計之牧草荷重對底盤氣室所造成之形變量以及受力分布, 依照各種受力情況進行尺寸或幾何上之修改, 以符合預期效果之設計 1. 底座氣室設計底座氣室設計含有前後兩開口, 分別為連接風機之入風口與連接第二底座氣室之銜接口, 設計一流線型之結構, 減少氣體流動在直角與轉彎處, 造成不必要之風力堆積, 並參考國外許多底座之外型 設計雛型機之外觀並利用 Solidworks 軟體繪出, 如圖 4 所示 若出風口之口徑過大, 易造成氣流在底層就向外散失, 而出風口之口徑過小, 易造成底部側邊無法乾燥, 因此出風口之口徑大小為設計重點所在, 根據 Arinze et al. (1996) 研究設計中, 得知風孔直徑為牧草草包直徑大小之 0.75 倍, 由於本研究之牧草草包直徑為 1.2 m, 因此風口直徑設計為 0.9 m 圖 2 盤固拉牧草圓包烘乾設備設計構想圖 Fig.2 The design conception figure of round-baled hay dryer for Pangolagrass 圖 3 正負壓交換示意圖 Fig.3 The exchange schematic view of positive (red) and negative (blue) pressure 圖 4 第二代雛型機示意圖 Fig.4 Schematic plot for the second generation of prototype

4 陳聖文 盧琛 廖翊丞 謝禮丞 : 牧草圓包烘乾設備雛型機之研製 2. 第二代雛型機連結處應用挑選連結處為連結第一與第二通氣室, 主要功能為方便拆卸以及快速安裝, 由於未來期望能在田邊進行烘乾作業, 因此中間傳送裝置選擇軟管, 利用軟管撓曲之性質改善地形高低不平造成兩氣室結合落差的問題 為減少風流動時在轉角處累績, 造成氣流之不順暢以及結構之應力集中, 因此連結處將以圓形設計為主 選用材料亦以市面上常見之 PP (Polypropylene) 材質為主要考量 雛型機中間傳送軟管定為直徑 250 mm, 而連結軟管之氣室尺寸也將以軟管為主要設計尺寸 三 結果與討論 ( 一 ) 底盤氣室受力分析結果本研究所使用 SS400 型鋼材, 並以此材質架設底座氣室進由有限元素受力分析 於結構設計之初, 結構本身必須要擁有足夠之強度, 以承受所需之負荷, 故在設計時導入安全係數之概念, 工業上安全係數介於 1.5 至 3 間, 若將安全係數設定過高, 會造成過度設計之情況, 無形中會提高製作之成本, 反之, 若將安全係數設定過低, 則導致結構物本身之破壞 因此本研究採 1.5 為設安全之底限 ( 二 ) 第一代雛型機分析與討論第一代雛型機為一底盤設備, 底盤氣室設計為承載牧草重量之主要結構, 本研究未來目標為單個底座需承受 2 捆牧草草包, 而牧草草包 1 捆最重大約為 500 kg, 因此底盤設計須承受 1000 kg 之牧草牧草草包, 材料為 SS400 鋼材, 厚度為 10 mm 與 20 mm 分別進行模擬分析 當厚度為 10 mm 時, 其變形量為 10.7 mm, 安全係數為 0.29; 而厚度為 20 mm 時, 其變形量為 1.5 mm ( 如圖 5), 安全係數為 1.33 第一代雛型機設計上為理念設計, 得知此結構厚度為 20 mm 時, 其安全係數為 1.33, 而工業上安全係數應落在 1.5 至 3 之間, 仍未達到安全範圍內, 因此重新設計並研發第二代乾燥雛型機 ( 三 ) 第二代雛型機分析與討論第二代雛型機底盤氣室設計為乘載牧草重量之主要結構, 而氣室內部需承受風機送風之靜壓, 本研究之牧草牧草草包重量高達 500 kg, 且單一底座需承受兩捆牧草牧草草包之堆疊重量, 因此承受力量為 1000 kg 內部承受風壓為 2900 Pa 經商業軟體 ANSYS 分析結果如圖 6, 本研究設計之底座氣室在鋼板厚 1 mm 的情況下其邊界條件為, 底座和地面接觸面設為固定面 (fix support), 草包和底座之接觸面設定為受力面, 其面積為 0.67 m 2, 經壓力轉換公式 P = F/A, 求得壓力值為 Pa, 內部風壓為 2900 Pa 分析結果顯示其合成應力最大值為 MPa, 變形量為 0.38 mm, 安全係數為 4.56 根據安全係數(S.F.) 之定義為 S. F. = σσ yy, 由分析結果可知 σσ σσ WW = MPa 結構 WW 鋼之降伏應力 (σσ yy ) 為 250MPa, 根據理論計算結果之安全係數為 4.56, 與 ANSYS 分析結果相同 結果顯示 1 mm 之厚度板金底座經分析後已達安全, 然考量實際作業, 焊接實務操作上易變形且不易加工, 因此本研究採用業界常用之 3 mm 板金, 經再次分析後其安全係數達 11.65, 在製造之方便性及安全性均可符合需求 圖 5 第一代雛型機分析結果圖 ( 最大變形量 1.5 mm) Fig.5 The result figures of the first prototype (maximum deformation, 1.5 mm) 圖 6 第二代雛型機分析結果圖 (a. 承受重量面積 0.67 m 2 b. 合成應力分布 MPa c. 最大變形量 0.38 mm d. 安全係數 4.56) Fig.6 The result figures of the second prototype (a. loading area 0.67 m 2 b. stresses MPa c. maximum deformation 0.38 mm d. safety factor 4.56)

5 Journal of Agriculture and Forestry, 65(2): (2017) ( 四 ) 第三代雛型機分析與討論第二代雛型機經實驗依舊無法達到倉貯需要之 15% 含水率, 以人工方式檢測, 發現底部漏風狀況嚴重, 由 Franz & Oliver (2014) 的研究中得知較大的底座風口易造成底部漏風, 因此本實驗以不透氣塑膠布將出風口之口徑由 0.90 m 縮小至 0.40 m 的圓孔 由於台灣大氣相對濕度過高 ( 約為 70 %), 第二代雛型機其乾燥空氣來源為環境大氣, 烘乾成效不佳, 為此新增一鍋爐將空氣加熱至 50, 將其相對溼度降至 15 % ( 五 ) 第三代雛型機實驗結果討論第三次雛型機試驗分別針對不同草種進行實驗, 分別為青貯牧草 星草以及盤固拉草 本實驗頂部利用膠膜 與鐵板鎖緊作為蓋子, 風機以 9.8 kw 送風, 如圖 7 所示 量測數據部分, 將溫溼度計分別放置於鍋爐入風口 風機出風口 底座氣室以及牧草草包上層外圍, 而磅秤每秒鐘擷取一筆資料並存於電腦 第三代雛型機對於青貯牧草 星草以及盤固拉草皆有做烘乾實驗, 青貯牧草因經酵母菌發酵而導致質地較為柔軟, 孔隙較為緊密 ; 星草為桿莖較粗之草種, 因此打包後孔隙較為疏鬆 ; 盤固拉草桿莖與星草相比較小, 質地沒有青貯牧草柔軟, 因此孔隙為兩者之間 三種牧草草包之乾燥結果如表 1, 由此結果顯示青貯牧草草包不適合使用本研究開發之機械進行乾燥, 而青割牧草若為孔隙較大或桿莖較粗之草種, 烘乾效果可符合需求 表 1 不同牧草草包烘乾結果 Table 1. The drying result of different round-baled hay type 草種 起始重量 (kg) 結束重量 (kg) 乾燥時間 (hr) 達標與否 (15% 含水率 ) 青貯牧草 未達標 星草 達標 盤固拉草 達標 圖 7 第三代雛型機試驗圖 Fig.7 Experiment figure of the third prototype ( 六 ) 三代雛型機比較三代雛型機比較如表 2 所示, 第一代雛型機以散熱風扇為設計理念, 其結構分析結果安全系數為 1.33, 並未達到安全之底限 1.5, 因此改良第二代雛型機, 以國外烘乾設備為設計理念, 在分析結果得知為一安全設計, 而第三代為第二代之改良, 並且從第二代實驗得知, 在風機吸入空氣為大氣空氣時 ( 夜間濕度高達 90%), 此設備無法將牧草草包烘乾至達標含水率 (15%), 因此第三代雛型機除了改良風管口徑之外, 額外增設一鍋爐設備, 在鍋爐設備使用下, 第三代雛型設備為唯一將牧草草包烘乾至達標含水率 表 2 三代雛型機之比較 Table 2. The comparison of three prototypes 第一代雛型機 ( 厚度 20 mm) 第二代雛型機 ( 厚度 3 mm) 第三代雛型機 ( 厚度 3 mm) 安全係數 出風口口徑 X 0.9 m 0.4 m 入風空氣溫度 X 常溫 ( 約 25 ) 50 入風空氣濕度 X 大氣濕度 ( 約 70%) 15 % 四 結論與建議 本研究共設計了三代雛型機, 第一代雛型機設計上為理念設計, 得知此結構厚度雖高達 20 mm, 但仍然無法達到安全之需求, 且在製造上成本亦過高, 因此無實際

6 陳聖文 盧琛 廖翊丞 謝禮丞 : 牧草圓包烘乾設備雛型機之研製 製造之可行性, 而第二代與第三代雛型機底座之板金厚度降為 3 mm, 但透過幾何形狀之改良, 安全係數達 11.65, 可承載兩顆牧草草包約 1000 kgw 風壓 2900 Pa 而不會造成破壞 在不同型態草包試驗結果顯示, 青貯牧草草包因經酵母菌發酵而導致質地較為柔軟, 孔隙較為緊密, 因此不適用本研究開發之機械進行乾燥 ; 而青割牧草製造之草包, 材料層孔隙較大或桿莖較粗之草種, 烘乾效果可達業界標準 本研究目前以鍋爐加熱降低吹入空氣之濕度, 使用瓦斯當能源, 未來應考慮使用當地其他替代熱能降低能源成本, 提高市場接受度 而目前以單顆牧草草包烘乾, 未來可依據本研究為基礎, 設計 12 或 24 顆烘乾牧草草包設備, 提高作業效率 2017 年 04 月 14 日收稿 2017 年 06 月 02 日修正 2017 年 07 月 05 日接受 五 參考文獻 [1] 中國綠野 2005 網址 : uye.com/programs/sjk/nyjs_view.jsp?bh= 上網日期: [2] 佚名 2004 牧草的乾燥方法 湖北畜牧獸醫 第 3 期 :56-57 [3] 陳嘉昇 2014 迎接國產芻料年代的來臨 嘉義: 中華民國酪農協會 [4] 黃英豪 2008 台灣牧草種原 行政院農業委員會畜產試驗所專輯第 123 號 行政院農業委員會畜產試驗所 [5] 盧福明 陳修育 1997 連續式盤固拉草乾燥機之研究 農業機械學刊第 6 卷第 4 期 :29-40 [6] Arinze, E. A., S. Sokhansanj and G. J. Schoenau Experimental Evaluation, Simulation and Optimization of Commercial Heated-Air Batch Hay Drier: Part 1,Drier Functional Performance, Product Quality, and Economic Analysis of Drying. Journal of Agricultural Engineering Research. 63: [7] Franz, D. R. and H. Oliver Numerical simulations and experimental measurements on the distribution of air and drying of round hay bales. Biosystems Engineering. 22(2014), [8] Savoie, P. and H. Joannis Bidirectional drying of baled hay with air recirculation and cooling. Canadian Biosystems Engineering. 48(3):53-59.