薛雲(yún)恒，李景彬，溫寶琴，坎 雜

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

近年來，隨著我國畜牧業(yè)的迅猛發(fā)展，肉羊養(yǎng)殖業(yè)已成為新疆農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)與支柱產(chǎn)業(yè)[1]。隨著“退耕還林、退牧還草”政策的穩(wěn)步推進(jìn)，傳統(tǒng)的飼喂方式已經(jīng)不能滿足市場需求，規(guī)模化、集約化養(yǎng)殖已成為主流。全混日糧(Total mix-ed ration,TMR)飼喂技術(shù)是根據(jù)反芻動(dòng)物在不同生長發(fā)育階段的營養(yǎng)需要，按營養(yǎng)專家設(shè)計(jì)的日糧配方，保證了反芻動(dòng)物所采食的飼料營養(yǎng)均衡[2-4]。同傳統(tǒng)的飼養(yǎng)相比，TMR飼喂技術(shù)可以使肉羊養(yǎng)殖實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)到現(xiàn)代化的轉(zhuǎn)變，是羊場提高單產(chǎn)水平、獲得更佳經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑。

TMR飼喂機(jī)是集剪切、揉搓及混合加工為一體的機(jī)械。王德福[5-6]對雙軸葉板式混合機(jī)進(jìn)行研究，得出影響葉板式混合效果的參數(shù)；于克強(qiáng)[7]揭示了轉(zhuǎn)輪式混合機(jī)的混合機(jī)理；李景彬[8]得出了影響攪龍式雙軸臥式攪拌機(jī)混合效果的影響因素；馮靜安[9]對立式攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并對攪龍參數(shù)進(jìn)行了理論分析。

上述研究主要側(cè)重于全混合日糧攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)和混合機(jī)理分析，然而對目前使用較為廣泛的攪龍式全混合日糧攪拌機(jī)的揉切過程涉及較少。因此，本文設(shè)計(jì)一種攪龍式秸稈揉切裝置，并對運(yùn)動(dòng)過程研究分析，確定主要的揉切區(qū)域，探求影響揉切效果的參數(shù)，為后期全混合日糧攪拌機(jī)揉切裝置的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為自行設(shè)計(jì)的攪龍秸稈揉切裝置，該裝置主要由入料口、螺旋攪龍、梅花刀片、定刀、齒板、出料口及活動(dòng)側(cè)板等組成，如圖1所示。

螺旋攪龍為該設(shè)備的主要工作部件，其結(jié)構(gòu)采用水平布置，攪龍的套筒上焊接有螺旋葉片，每個(gè)螺旋葉片上均勻安裝有5個(gè)梅花刀片。箱體由側(cè)板和半圓弧焊接而成，箱體和半圓結(jié)合處安裝定刀，半圓弧上焊接揉搓齒板，在箱體側(cè)壁上焊接活動(dòng)側(cè)板可調(diào)節(jié)角度為60°～90°，螺旋攪龍距箱體底部最小間隙為8mm。

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)材料為新疆石河子本地農(nóng)田打捆麥秸稈，含水率約為17.86%，平均長度為15cm。

1.3 工作原理

將成捆的秸稈從入料口加入，在螺旋攪龍的轉(zhuǎn)動(dòng)下，螺旋葉片上安裝的動(dòng)刀撥動(dòng)成捆的秸稈向箱體側(cè)板轉(zhuǎn)動(dòng)，在箱體側(cè)板安裝定刀的作用下，阻止秸稈繼續(xù)做圓周運(yùn)動(dòng)[10]，轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋葉片對秸稈進(jìn)行壓縮；當(dāng)螺旋葉片上均勻分布的動(dòng)刀和箱體側(cè)板安裝的定刀形成剪切面時(shí)對秸稈進(jìn)行切割破捆，破捆的秸稈在螺旋葉片對它摩擦力和推動(dòng)力的作用下向箱體底部運(yùn)動(dòng)；在攪龍壓力作用下，箱體底部和攪龍之間形成秸稈擠壓層，齒板對秸稈產(chǎn)生的摩擦力增大，揉搓作用加強(qiáng)，秸稈在攪龍的作用下不斷地在空間上做循環(huán)運(yùn)動(dòng)，直至從出料口排出。

1.電機(jī) 2.機(jī)架 3.聯(lián)軸器 4.入料口 5.定刀 6.梅花刀片 7.齒板 8.螺旋攪龍 9.撥板 10.出料口 11.箱體 12.活動(dòng)側(cè)板 13.揉搓室

2 螺旋式攪龍揉切過程機(jī)理分析

秸稈加工的基本受力方式主要有彎曲、拉伸、折斷、剪切、沖擊和揉搓等破壞形式[11]。研究表明，由于秸稈韌性大、易變形等特點(diǎn)，適宜采用的切碎方式主要有揉切、粉碎及切割(砍切、滑切)等[12-13]。經(jīng)預(yù)試驗(yàn)可知：攪龍?jiān)谵D(zhuǎn)動(dòng)過程中，利用螺旋葉片對秸稈進(jìn)行輸送，同時(shí)螺旋葉片上均勻分布的動(dòng)刀和箱體側(cè)板上安裝的定刀相互作用對秸稈進(jìn)行切割；隨著攪龍轉(zhuǎn)動(dòng)，秸稈運(yùn)動(dòng)到底殼半圓處時(shí)，在攪龍壓力的作用下箱體底部和攪龍之間形成秸稈擠壓層，箱體對秸稈產(chǎn)生的摩擦力增大，揉搓作用加強(qiáng)，在箱體最低點(diǎn)時(shí)，攪龍對秸稈的擠壓力最大，揉搓作用最強(qiáng)；當(dāng)秸稈即將脫離底殼半圓處時(shí)，攪龍帶動(dòng)秸稈擠壓層向斜上方拋去，擠壓層破裂，其下落的秸稈隨攪龍繼續(xù)在空間上運(yùn)動(dòng)。為更好地描述秸稈在揉切過程中的運(yùn)動(dòng)，將攪龍的揉切過程在空間上均勻分為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)，用剖視圖對不同區(qū)域的秸稈進(jìn)行受力分析，如圖2所示。

圖2 秸稈揉切過程中的受力示意圖Fig.2 The force diagram of the straw cutting process

圖2中：F為攪龍對秸稈的壓力(N)；f為攪龍對秸稈的摩擦力(N)；FN為箱體對秸稈的支持力(N)；f1為箱體對秸稈的摩擦力(N)；F1為秸稈之間的作用力(N)；f2為秸稈之間的摩擦力(N),G為秸稈的重力(N)；F2為剪切合力(N)；FN1為攪龍對秸稈的支持力(N)；FN2為定刀對秸稈的支持力(N)；f3為定刀對秸稈的摩擦力(N)；β為箱體傾角(°)。

2.1 秸稈在Ⅰ區(qū)的運(yùn)動(dòng)分析

在Ⅰ區(qū)，隨著攪龍的轉(zhuǎn)動(dòng)，Ⅳ區(qū)的秸稈在螺旋攪龍對它支持力FN1、摩擦力f的作用下在空間上做曲線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)秸稈運(yùn)動(dòng)到攪龍最上方時(shí)，螺旋攪龍對秸稈的支持力FN1達(dá)到最大值。隨著攪龍繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，在離心力和重力的作用下秸稈加速向Ⅱ區(qū)運(yùn)動(dòng)，對Ⅰ區(qū)的秸稈進(jìn)行受力分析，如圖2所示。設(shè)螺旋攪龍的轉(zhuǎn)速為n、半徑為r，則秸稈在豎直方向受力分析公式為

F1=FN1+4π2n2mr

(1)

式中F1—秸稈之間的作用力(N)；

FN1—螺旋攪龍對秸稈的支持力(N)；

n—螺旋攪龍的轉(zhuǎn)速(r/min)；

r—螺旋攪龍的半徑(m)。

由式(1)可知:秸稈在作用力F1和支持力FN1的作用下，秸稈隨攪龍做圓周運(yùn)動(dòng)，攪龍轉(zhuǎn)速越高，F(xiàn)1越大，螺旋攪龍對秸稈的支持力FN1越小。由于越靠近螺旋軸秸稈的速度越大，致使支持力FN1越靠近螺旋轉(zhuǎn)軸越小，則攪龍對秸稈的摩擦力f1也逐漸減小。在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，離螺旋軸越遠(yuǎn)，其線速度越慢，使秸稈之間產(chǎn)生速度差，產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力f2，此過程形成剪切作用。由于秸稈的質(zhì)量和秸稈之間的摩擦因數(shù)較小，使得秸稈之間產(chǎn)生的摩擦力和攪龍對秸稈產(chǎn)生的摩擦力差值較小，幾乎不能使秸稈發(fā)生剪切斷裂。

在Ⅰ區(qū)，改變攪龍的轉(zhuǎn)速可以提高攪龍的沖擊力，對秸稈進(jìn)行沖擊剪切；但當(dāng)攪龍轉(zhuǎn)速無限增大到一定值時(shí)，秸稈之間的作用力加強(qiáng)，使得秸稈之間形成秸稈層，不利于對秸稈的剪切。

2.2 秸稈在Ⅱ區(qū)的運(yùn)動(dòng)分析

在Ⅱ區(qū)，秸稈在離心力和秸稈自身重力的作用下，揉切Ⅰ區(qū)的秸稈加速向揉切Ⅱ區(qū)拋灑，與其它秸稈形成擴(kuò)散作用，在兩半圓結(jié)合處安裝的定刀作用下，阻止秸稈向下運(yùn)動(dòng)，在定刀上方形成秸稈堆積層；伴隨著攪龍轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋葉片上安裝的定刀對堆積層進(jìn)行擠壓，當(dāng)動(dòng)、定刀形成剪切面時(shí)，對秸稈進(jìn)行切割；動(dòng)刀片與垂直線有一定的偏角，此切割主要以滑切為主，定刀能夠增加秸稈的抗彎能力，因此該區(qū)域在對秸稈進(jìn)行有支撐切割時(shí)不需要很大轉(zhuǎn)速就能夠?qū)⒔斩捛袛啵磺懈詈蟮慕斩捲跀圐埖淖饔孟卵刂潴w圓弧做圓周方向上的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在切割時(shí)形成的秸稈堆積層在向心力和摩擦力的作用下向Ⅲ區(qū)運(yùn)動(dòng)。

秸稈在切割時(shí)由于秸稈之間存在摩擦力的作用，秸稈之間產(chǎn)生相對滑動(dòng)，形成剪切作用；同時(shí)，伴隨著揉搓作用，在定刀支持力的作用下，秸稈之間的作用力增加，摩擦力增大，揉搓效果增強(qiáng)，但定刀對秸稈產(chǎn)生的作用力時(shí)間較短，此區(qū)域揉搓效果較弱。

2.3 秸稈在Ⅲ區(qū)的運(yùn)動(dòng)分析

Ⅱ區(qū)的秸稈在攪龍的作用下沿著箱體做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)秸稈運(yùn)動(dòng)到Ⅲ區(qū)時(shí)，在齒板的作用下，阻止秸稈在圓周方向上的運(yùn)動(dòng)，秸稈的碰撞、剪切、揉搓和摩擦作用增強(qiáng)；在攪龍的作用下，攪龍與箱體之間形成秸稈擠壓層，隨著攪龍的轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋攪龍對秸稈產(chǎn)生壓力F先變大后變小，在壓力F作用下對秸稈進(jìn)行壓縮，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到箱體最低點(diǎn)時(shí)壓縮最顯著，攪龍繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)箱體與攪龍之間的間隙逐漸變大，壓力F變小。在攪龍壓力F的作用下，箱體對秸稈產(chǎn)生的摩擦力f1先變大后減小，攪龍對秸稈的摩擦力f和箱體對秸稈的摩擦力f1產(chǎn)生大小差，致使秸稈在兩力作用下發(fā)生揉搓作用；當(dāng)差值大于秸稈的內(nèi)聚力時(shí)秸稈發(fā)生斷裂，且在螺旋攪龍達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)，揉搓效果最佳，箱體對秸稈產(chǎn)生的支持力FN最大；揉搓的同時(shí)伴隨著切割作用，由于攪龍與箱體的間隙較小，秸稈和攪龍之間產(chǎn)生的速度差較小，壓碎效果不明顯。

對箱體最低點(diǎn)進(jìn)行受力分析(見圖2)可知：秸稈在水平方向上受到攪龍對它的作用力f和箱體對它的摩擦力f1的作用。為使秸稈揉切作用加強(qiáng)，應(yīng)增大f1和f之間的差值，當(dāng)差值大于秸稈的內(nèi)聚力時(shí)，秸稈將發(fā)生斷裂。

2.4 秸稈在Ⅳ區(qū)的運(yùn)動(dòng)分析

在Ⅳ區(qū)，隨著攪龍的轉(zhuǎn)動(dòng)，Ⅲ區(qū)產(chǎn)生的擠壓層繼續(xù)做圓周方向上的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到箱體側(cè)板與半圓焊接處時(shí)，間隙突然變大；此時(shí)，攪龍拖動(dòng)的外部擠壓層秸稈由于受到離心力作用沿箱體內(nèi)壁拋起，并在箱體壁對它的支持力FN、摩擦力f1、重力G的作用下沿箱體壁向下滑動(dòng),最后融入到攪龍帶動(dòng)的秸稈中向Ⅰ區(qū)運(yùn)動(dòng)，下落的秸稈與拋灑的秸稈形成混合作用。為保證切碎均勻度，應(yīng)增強(qiáng)混合作用[11]，秸稈在與箱體接觸時(shí)受力分析公式為

(2)

式中G—秸稈的重力(N)；

f2—箱體對秸稈的摩擦力(N)；

β—箱體與水平面的夾角(°)；

m—秸稈的質(zhì)量(kg)。

由式(2)可知：為了增加混合作用，攪龍的轉(zhuǎn)速和秸稈下落的加速度均較大。β箱體與水平面的夾角β在0°～90°范圍內(nèi)時(shí)，sinβ呈遞增趨勢，所以β與加速度呈遞減趨勢；當(dāng)箱體與水平面的夾角變小時(shí)，攪龍與箱體壁的間隙也逐漸變大，間隙變大到一定值時(shí)，攪龍?jiān)谵D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)無法對秸稈提供向心力，秸稈只能在推動(dòng)力的作用下沿著箱體壁向出料口運(yùn)動(dòng)，直至秸稈排出。

綜上所述，秸稈在切碎裝置中揉切過程中不斷地在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)內(nèi)做循環(huán)運(yùn)動(dòng)，直至秸稈從出料口排出。通過對揉切過程的分析，確定箱體傾角、齒板數(shù)量、攪龍轉(zhuǎn)速(切割線速度)對秸稈的揉搓效果影響較大。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，各試驗(yàn)因素的水平編碼如表1所示。

表1 因素水平編碼表Table 1 Coding table of factors and their levels

續(xù)表1

3.2 評價(jià)指標(biāo)

參照有關(guān)資料[14-17]，肉羊全混合日糧中粗飼料的適口長度小于等于30mm，選定秸稈粉碎率為評價(jià)指標(biāo)，設(shè)定秸稈小于等于30mm為有效長度。測定方法：每組試驗(yàn)取3個(gè)樣品，在每個(gè)樣品中取出約100g物料樣品，用孔徑φ19、φ8、φ5mm和底盤組成的標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，分別挑選出每層篩上大于30mm的秸稈物料，用電子天平分別稱量余下的秸稈質(zhì)量和挑選秸稈的質(zhì)量，算出其占總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，最后計(jì)算3組的平均值作為秸稈粉碎率。秸稈粉碎率的計(jì)算公式為

式中m1—長度≤30mm的物料質(zhì)量(g)；

m2—長度>30mm的物料質(zhì)量(g)；

δ—粉碎率。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 秸稈粉碎率回歸方程的建立

應(yīng)用Design-expert軟件對試驗(yàn)結(jié)果的分析處理，得到秸稈粉碎率與試驗(yàn)參數(shù)的回歸方程為

Y=84.06+5.43A+5.65B+3.16C-2.68AB+

3.29AC+1.15BC-1.92A2-4.47B2-1.72C2

對各項(xiàng)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表2所示。失擬性不顯著，R2=0.9550，說明模型擬合程度較好，試驗(yàn)誤差小，所建立的模型是合適的。從表2可以看出：A、B、C、AB、AC、A2、B2、C2項(xiàng)對秸稈的粉碎率影響顯著，BC項(xiàng)對秸稈的粉碎率影響不顯著。

表2 粉碎率回歸模型的方差分析Table 2 Variance analysis of crushing rate regression model

續(xù)表2

3.3.2 單因素對物料粉碎率的影響分析

將其他試驗(yàn)因素固定在零水平，研究各因素對秸稈粉碎率的影響規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：當(dāng)單個(gè)因素分別作用時(shí)，隨著切割線速度、箱體傾角、齒板數(shù)量的增大，秸稈粉碎率的上升速度先快后慢。這是因?yàn)殡S著攪龍切割線速度的增加，增強(qiáng)了剪切作用，提高了動(dòng)定刀相互作用頻率，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值，剪切作用減弱，同時(shí)攪龍的輸送作用增強(qiáng)，秸稈粉碎率增大趨勢逐漸減緩；當(dāng)箱體傾角逐漸變大時(shí)，側(cè)板與攪龍的間隙逐漸減小，秸稈隨著攪龍做空間運(yùn)動(dòng)量增多，增加了秸稈的切割作用，當(dāng)傾角達(dá)到一定值時(shí)，箱體傾角影響效果趨于平緩；箱體底部安裝的齒板增大了秸稈所受的摩擦力，揉搓作用增強(qiáng)，當(dāng)齒板達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，影響效果減弱。各因素對秸稈粉碎率的影響主次順序?yàn)辇X板數(shù)量、切割線速度、箱體傾角。

圖3 單因素對秸稈粉碎率的影響Fig.3 The effect of single factor on straw crushing rate

3.3.3 雙因素影響規(guī)律分析

切割線速度和齒板數(shù)量交互作用對秸稈粉碎率的影響如圖4所示。由圖4可知：當(dāng)箱體傾角固定在零水平時(shí)，切割線速度和齒板數(shù)量對秸稈粉碎率的影響呈凸曲面變化。當(dāng)切割線速度和齒板數(shù)量都從低水平開始增加時(shí)，齒板數(shù)量增強(qiáng)了秸稈的揉搓作用，秸稈的粉碎率變大；隨著切割線速度和齒板數(shù)量的繼續(xù)增大，齒板數(shù)量對秸稈粉碎率的影響逐漸減弱，秸稈粉碎率增大趨勢逐漸減緩；切割線速度和齒板數(shù)量都取零水平附近值時(shí)，秸稈粉碎率達(dá)到最大值。

切割線速度和箱體傾角交互作用對秸稈粉碎率的影響如圖5所示。由圖5可知：當(dāng)齒板數(shù)量固定在零水平時(shí),切割線速度和箱體傾角對秸稈粉碎率的影響呈凸曲面變化。當(dāng)切割線速度和箱體角度都從低水平開始增加時(shí)，箱體傾角變大，秸稈隨攪龍?jiān)诳臻g上運(yùn)動(dòng)的總量變大，同時(shí)切割線速度增大加劇了秸稈的揉切頻率，秸稈粉碎率迅速上升；當(dāng)切割線速度和箱體傾角都取高水平時(shí)，箱體傾角對秸稈的影響作用逐漸減小，切割線速度的增加使得秸稈在箱體內(nèi)揉切效果減弱，秸稈粉碎率緩慢降低；切割線速度和箱體角度都取零水平附近值時(shí)，秸稈粉碎率最大。

圖4 切割線速度和齒板數(shù)量交互作用對秸稈粉碎率的影響Fig.4 Effects of cutting line speed and number of tooth plates on straw crushing rate

綜上所述，采用頻數(shù)分析法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，最終確定參數(shù)的取值范圍為：切割線速度22.7～25m/min，齒板數(shù)量5～8個(gè)，箱體傾角71.8°～75°。

4 結(jié)論

1) 對攪龍式秸稈切碎裝置的揉切過程進(jìn)行分析，確定了秸稈切碎過程主要發(fā)生在Ⅱ區(qū)，揉搓主要發(fā)生在Ⅲ區(qū)，明確了切割線速度、齒板數(shù)量、箱體傾角對秸稈粉碎率影響顯著。

2) 秸稈切碎試驗(yàn)表明：對全混日糧攪拌機(jī)揉切效果影響參數(shù)依次為齒板數(shù)量、切割線速度、箱體傾角。攪龍式全混合日糧攪拌機(jī)參數(shù)優(yōu)化后取值范圍為：切割線速度22.7～25m/min，齒板數(shù)量5～8個(gè)，箱體傾角71.8°～75°。此時(shí)，秸稈粉碎率88.5%～92.3%。