牛其強，王保興，董和銀，范國強，吳愛兵，劉猛

(1. 山東省科學技術(shù)情報研究院，濟南市，250101； 2. 山東農(nóng)業(yè)大學機械與電子工程學院，山東泰安，271018；3. 泰安意美特機械有限公司，山東新泰，271215； 4. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

目前，我國牧場的飼料轉(zhuǎn)化率相比于發(fā)達國家要低；牧場自動化程度低，雇傭勞動工人數(shù)量較多，從而導致投入成本高。我國奶牛單產(chǎn)水平較低比發(fā)達國家低30%左右、資源利用率和勞動生產(chǎn)率也較低[1]。此外，我國奶業(yè)雖然擁有完整的產(chǎn)業(yè)鏈但沒有建立合理的利益鏈，由于乳制品加工企業(yè)處于優(yōu)勢地位，所以他們經(jīng)常壓低新鮮生牛乳的收購價格，導致奶農(nóng)利潤不高，奶農(nóng)無法為奶牛提供高品質(zhì)飼料降低了牛奶質(zhì)量[2-3]。目前我國已經(jīng)成為世界上第二大經(jīng)濟體，人均GDP也已經(jīng)突破1萬美元，隨著人們生活水平的提高，國內(nèi)的奶制品需求量會繼續(xù)加大，奶牛養(yǎng)殖業(yè)具有極大的發(fā)展?jié)摿?。但我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)與人民日益增長的美好生活需求還有一定的差距，迫切需要改進提升。

在20世紀60年代末，全混合日糧飼喂技術(shù)逐漸開始在美國、英國、以色列等國推廣，經(jīng)過50多年的發(fā)展歐美等國在全混合日糧飼喂技術(shù)方面已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，研究內(nèi)容較為全面，目前已經(jīng)研制了多種型號的全混合日糧制備機。法國研制的12.1DL自走式全混合日糧制備機，其擁有單個立式攪龍，結(jié)構(gòu)緊湊整機高度相對較低，采用后輪轉(zhuǎn)向具有最小的轉(zhuǎn)彎半徑僅為5 m。其罐體兩側(cè)各有一個出料口并且每個出料口都配備一個可伸縮的輸送帶，可以經(jīng)過相對狹窄的通道。荷蘭研制的Triotrac自走式全混合日糧制備機其輸送帶寬度達到1.85 m可實現(xiàn)無級變速控制，每分鐘可向罐體中輸送2 500 kg的青貯飼料，取料高度達到6 m，取料效率強大，罐體容積為25 m3。國內(nèi)關(guān)于全混合日糧制備機的研究起步較晚，在20世紀80年代國內(nèi)的大型牧場才開始引進全混合日糧飼喂技術(shù)。近年來，國內(nèi)科研院所、高校以及企業(yè)都取得了一些成果，東北農(nóng)業(yè)大學的于克強等[4]研制了轉(zhuǎn)輪式全混合日糧混合機，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學的李龍[5]研制了9JQL-8.0牽引型TMR飼料攪拌機，黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院研制的9JLT-10全混合日糧攪拌機[6]，國內(nèi)關(guān)于自走式全混合日糧制備機已有研究，但缺乏對取料機理、攪拌機理以及優(yōu)化方法的研究，未攻克關(guān)鍵技術(shù)且未形成產(chǎn)業(yè)化。

奶牛養(yǎng)殖的關(guān)鍵技術(shù)是全混合日糧飼喂技術(shù)，目前發(fā)達國家主要采用全混合日糧制備機，實現(xiàn)了取料、計量、攪拌和拋撒的一體化作業(yè)，技術(shù)先進，但價格昂貴，核心技術(shù)主要集中在大公司手中，相關(guān)理論研究鮮見報道。國內(nèi)大型養(yǎng)殖場主要靠采購國外自走式全混合日糧制備機，而中小型養(yǎng)殖場將取料、計量、攪拌和拋撒環(huán)節(jié)分離開，各個作業(yè)環(huán)節(jié)均采用專用機械，采用取料機+輸送帶+日糧制備機+撒料機的作業(yè)模式，自動化程度較低，機械投資成本及人工費較高，限制了我國牛羊養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展。

為了打破自走式全混合日糧制備機的技術(shù)壟斷，促進我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，本文研制了25 m3自走式全混合日糧制備機，對取料機構(gòu)進行了設計，并對取料過程進行了仿真分析和參數(shù)優(yōu)化。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

25立方自走式全混合日糧制備機主要由取料機構(gòu)、攪拌機構(gòu)、撒料機構(gòu)、傳動系統(tǒng)等組成，整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自走式全混合日糧制備機結(jié)構(gòu)示意圖

制備機行走傳動系統(tǒng)采用閉式液壓傳動技術(shù)，整機結(jié)構(gòu)得到了簡化，噪音大幅降低，車輛的舒適性增強。液壓系統(tǒng)中的油液有強大的吸振能力所以傳動十分平穩(wěn)，方便頻繁換向，與機械傳動相比在相同體積下能夠輸出更大的功率，且能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速避免了駕駛?cè)藛T頻繁換擋，減少了駕駛?cè)藛T的工作強度[7]。自走式全混合日糧制備機的取料機構(gòu)由閉式液壓傳動系統(tǒng)驅(qū)動作業(yè)，通過上料輸送帶將物料輸送到混合攪拌機構(gòu)中?；旌蠑嚢铏C構(gòu)對物料進行切割及混合攪拌，之后由撒料機構(gòu)將制備好的日糧拋撒到喂食區(qū)。綜合來看，在自走式全混合日糧制備機上，液壓傳動相對于其他傳動技術(shù)具有明顯的優(yōu)點。取料機構(gòu)設計參數(shù)如表1所示。

表1 設計參數(shù)Tab. 1 Design parameters of feed mechanism

1.2 取料機構(gòu)

自走式全混合日糧制備機的取料機構(gòu)主要包括取料部分和物料輸送部分，取料部分結(jié)構(gòu)主要包括輥筒、螺旋葉片、直刀、彎刀、主軸、液壓馬達和輥筒護罩，輥筒中心為取料主軸，液壓馬達連接取料主軸，兩段旋向相反的螺旋葉片焊接在輥筒上，直刀與彎刀相互間隔的安裝在螺旋葉片上，護罩后方中間位置開設有缺口，如圖2所示。

圖2 輥筒部分

液壓馬達帶動輥筒高速旋轉(zhuǎn)，安裝在螺旋葉片上的取料刀片(直刀和彎刀)將青貯料從青貯料堆上撥落并切割。旋向相反的螺旋葉片和呈螺旋狀排列的取料刀將青貯料沿著軸向推動到中間位置，從護罩缺口處拋送到后方的物料輸送帶上。通過調(diào)整液壓馬達的轉(zhuǎn)速，可以控制取料的效率。

物料輸送部分主要由液壓馬達、主動輥、被動輥、輸送帶、帶護罩和舉升液壓缸組成，輸送帶上安裝有擋料板，可增強對物料的輸送能力，如圖3所示，該圖為取料機構(gòu)的側(cè)面剖視圖，能夠清晰地反映出輸送部分的結(jié)構(gòu)。

由液壓馬達帶動主動輥高速旋轉(zhuǎn)，拉動輸送帶向右上方運動，將物料向右上方輸送，進而拋送到后方的罐體中。輸送帶上間隔設置的擋料板能夠防止物料下滑，提高輸送效率，通過控制液壓馬達的轉(zhuǎn)速可以控制輸送帶向罐體內(nèi)拋送物料的距離。取料機構(gòu)液壓原理圖如圖4所示。

圖3 物料輸送部分

圖4 取料機構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖

2 關(guān)鍵部件設計與參數(shù)選擇

2.1 螺旋葉片直徑

輥筒安裝的兩片旋向相反的螺旋葉片，其作用是安裝刀片實現(xiàn)扒料功能；將輥筒兩端接觸到的物料輸送到中部位置。葉片結(jié)構(gòu)對取料效率存在重要影響，根據(jù)取料效率確定螺旋葉片直徑，螺旋葉片直徑

(1)

式中：K——物料特性參數(shù)，取0.049[8]；

Iv——取料效率，取60 m3/h；

φ——填充系數(shù)，取0.25[8]；

C——傾角矯正系數(shù)，1。

計算得直徑D≥439 mm，考慮到實際情況中各因素的干擾為保證能夠達到設計的取料效率，取螺旋葉片直徑D為500 mm。取料輥筒需要將取得的物料拋向后方的輸送帶上，所以取料輥筒外徑直徑不能過小，若輥筒外徑過小會導致螺旋葉片面積較大使得取料輥筒僅具有較強的向中間輸送物料的能力而缺乏向后拋送的能力，所以根據(jù)螺旋葉片直徑同時參考國外相關(guān)結(jié)構(gòu)，確定輥筒外徑即螺旋葉片內(nèi)徑d為420 mm。

2.2 螺旋葉片螺距

參考螺旋輸送機螺距的經(jīng)驗式

S=K1D

(2)

式中：K1——物料的綜合特性系數(shù)，取值一般在0.8～1之間，但是對于流動性差的物料K1<0.8[9]。

因為青貯料顆粒細長、柔性大、流動性差，所以初選螺距S為0.23 m，螺旋升角α為9°。

2.3 輥筒轉(zhuǎn)速

輥筒轉(zhuǎn)速對取料效率有著重要影響，根據(jù)取料效率，計算輥筒要達到的最小轉(zhuǎn)速

(3)

式中：f1——青貯料摩擦系數(shù)，0.508[10]。

計算得轉(zhuǎn)速n為155 r/min，初選輥筒轉(zhuǎn)速n為160 r/min。

2.4 進給速度及每刃進給量

給速度是取料機構(gòu)進行取料工作時輥筒工進速度，該值對取料效率有重要影響。忽略取料過程中的物料飛濺，進給速度

(4)

式中：L——取料寬度，m；

Rh——取料刀回轉(zhuǎn)半徑，m。

計算得vJ為0.98 m/min，要達到目標取料效率進給速度至少為0.98 m/min。

輥筒取料示意圖如圖5所示，取料時，每刃進給量對刀具受力起著決定性的影響，取料進給速度與每圈刀具數(shù)量Z、轉(zhuǎn)速n、每刃最小進給量fJ之間關(guān)系

(5)

式中：Z——每圈刀具數(shù)量，取16。

計算得每刃最小進給量fJ為0.382 8 mm，進給量較小，刀具受力較小。

圖5 取料示意圖

2.5 輥筒驅(qū)動功率及扭矩

隨著輥筒帶動螺旋葉片上的取料刀旋轉(zhuǎn)并向前運動進行取料，產(chǎn)生了若干阻力，主要為取料刀扒料時的阻力、螺旋葉片輸送物料時的阻力、輥筒空載轉(zhuǎn)動的阻力，這就是輥筒在進行取料時所必須克服的阻力。所以工作時輥筒的驅(qū)動功率

P=Pk+Ps+Pq

(6)

式中：Pk——空載運行時所需的功率，kW；

Ps——雙螺旋葉片輸送物料時所需的功率，kW；

Pq——取料刀扒料時所需的功率，kW。

空載運行時所需的功率

(7)

式中：Ly——雙螺旋葉片長度，取1.84 m。

雙螺旋葉片輸送青貯料時所需的功率

(8)

式中：K0——修正系數(shù)，1.2；

ρv——青貯料密度，取值420 kg/m3[11]；

H1——物料提升高度，取值0.3 m；

λ——運行阻力系數(shù)，取值2[12]；

Lt——輥筒水平投影的長度，取值2 m。

輸送效率[13]

(9)

青貯料中的秸稈皮、秸稈穰、秸稈葉、秸稈苞葉等物料顆粒相互交錯、錯綜復雜、雜亂無章，并且在不同含水率下其物料特性相差較大，難以計算出在取料過程中其對取料刀產(chǎn)生的阻力，為了增強取料機構(gòu)的適應性，使其能夠在不同地區(qū)具有不同特點的青貯窖內(nèi)取料，參考文獻[14-15]為保證取料刀能夠順利地切下青貯窖上的物料，取料刀扒料時所需的功率Pq至少為9.25 kW。最終求得輥筒驅(qū)動功率P為9.690 8 kW。

驅(qū)動扭矩

(10)

求得輥筒驅(qū)動扭矩為578 N·m。

2.6 輸送帶驅(qū)動扭矩

輸送帶采用PVC工業(yè)輸送帶，厚度為3 mm，寬度為0.8 m，主動輥直徑為0.13 m。結(jié)合實際情況根據(jù)表2取帶速[16]范圍為2～4 m/s，則主動輥轉(zhuǎn)速范圍為294～588 r/min。

主動輥帶動皮帶工作時所遇到的阻力[10]

(11)

式中：G——皮帶提升的物料質(zhì)量，取60.87 kg

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

α2——皮帶傾角，取38.5°；

η2——機械傳動效率，取0.97。

求得工作時所遇到的阻力為382 N。

則所需的扭矩

T2=F2r2

(12)

式中：r2——主動輥半徑，0.065 m。

表2 帶速推薦值Tab. 2 Recommended conveyor speed

3 取料仿真分析

3.1 建立仿真模型

離散元軟件是世界范圍內(nèi)首個能夠在多領(lǐng)域使用的顆粒離散元素法軟件，例如在農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、制藥和原料處理等行業(yè)可以利用EDEM進行相關(guān)的研究與分析。此外EDEM可以與多款軟件進行耦合仿真分析以達到對復雜問題的研究。

正確顆粒模型的建立是整個仿真分析的基礎(chǔ)，決定著是否能得出符合實際情況的相關(guān)數(shù)據(jù)。為了能夠提高計算效率，減少仿真時間，仿真分析采用秸稈青貯飼料中的主要物質(zhì)玉米秸稈皮和皮瓤作為物料，統(tǒng)計實際物料的平均尺寸，然后將外形尺寸放大一倍，用球形顆粒組合模擬二者的外形。秸稈皮的顆粒模型長為91 mm，寬為10 mm，高為10 mm，密度為287 kg/m3；皮瓤的顆粒模型為長為39 mm，寬為38 mm，高為26 mm，密度為153 kg/m3。

物料特性參數(shù)如表3所示[7]。

表3 物料特性參數(shù)Tab. 3 Material properties of particles

3.2 試驗方案

根據(jù)前期單因素試驗方案選取影響取料效率和回流率的關(guān)鍵因素前進速度、輥筒轉(zhuǎn)速、螺旋葉片螺距、取料刀刃長比進行正交試驗，每個因素下具有3個水平，因此選取4因素3水平故選取L9(34)等水平正交試驗表。各因素所確定的水平如表4所示，試驗方案如表5所示。

表4 正交試驗因素和水平Tab. 4 Orthogonal test factors and levels

表5 試驗設計方案及結(jié)果Tab. 5 Test design and results

統(tǒng)計仿真時間內(nèi)取到的物料質(zhì)量，計算得出取料效率。將單位時間內(nèi)滾筒中飛濺出的物料質(zhì)量與單位時間內(nèi)吸入滾筒內(nèi)總體物料質(zhì)量相比，得到回流率。

在不同組別下的顆粒速度分布圖，如圖6所示?？汕逦从吵霾煌恢梦锪项w粒所具有的速度以及物料的分布情況?？芍?～3組取料量較少，7～9組取料量最大，故可初步判定前進速度對取料效率影響較大。

(a) 1組 (b) 2組 (c) 3組

(d) 4組 (e) 5組 (f) 6組

(g) 7組 (h) 8組 (i) 9組

3.3 仿真結(jié)果方差分析

方差分析是將因素水平變化引起的試驗指標的波動與干擾因素引起的試驗指標的波動區(qū)分開來的一種分析方法。方差分析克服了極差分析中把因素引起的指標效應與干擾因素引起的誤差效應混為一談的缺點，同時方差分析的精度要高于極差分析，并且能夠估計試驗誤差，還能夠確定試驗分析的可信度。

不同因素下2個試驗指標取料效率和回流率的偏差平方和及其計算過程數(shù)據(jù)，如表6所示，該表是針對試驗結(jié)果進行的數(shù)據(jù)處理。

為了衡量F比，需要用到F分布的臨界數(shù)值表和標準值Fa。F分布的臨界數(shù)值表是根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計學原理編制的各種可信度和自由度下的標準值Fa的數(shù)值表，可以通過查《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》[17]中的附表6得到。

因素對指標影響的顯著性等級和相應的顯著性標記為：高度顯著，標記為※※；顯著，標記為※；較顯著，標記為(※)；不顯著但有影響，標記為[※]；不顯著或者特別不顯著，不標記任何符號。對取料效率和回流率兩個試驗指標的方差分析如表7所示。

由表7可知，各項試驗指標下因素的F比，因素A的F比用FA來表示，同理，剩余因素的F比依次用FB、FC、FD表示。在取料效率這一指標下，F(xiàn)A>F0.01(2,4)，所以前進速度對取料效率的影響高度顯著，做出這個判斷的可信度為99%；FBFC>F0.1(2,4)，螺旋葉片螺距對取料效率的影響較顯著，做出這個判斷的可信度為90%；FDFC>FD>FB，因此各因素對取料效率影響的主次順序為A、C、D、B。由于取料效率為越大越好，所以根據(jù)表7中Kij的值選出各因素的優(yōu)水平，結(jié)合各因素對取料效率的影響程度得出較優(yōu)方案為A1C-1D1B0。

在回流率這一指標下，F(xiàn)AFB>F0.25(2,2)，輥筒轉(zhuǎn)速對回流率的影響不顯著但有影響，做出這個判斷的可信度為75%；F0.01(2,2)>FC>F0.05(2,2)，螺旋葉片螺距對回流率的影響顯著，做出這個判斷的可信度為95%；F0.05(2,2)>FD>F0.1(2,2)，刃長比對回流率的影響較顯著，做出這個判斷的可信度為90%。F比大小順序為FC>FD>FB>FA，因此各因素對回流率影響的主次順序為：C、D、B、A。因為回流率越小越好，所以根據(jù)表7中Kij的值選出各因素的優(yōu)水平，結(jié)合各因素對回流率的影響程度得出較優(yōu)方案為C-1D-1B0A1。

由于兩個試驗指標的重要程度依次為取料效率和回流率，故綜合考慮各個因素水平對兩個指標值的影響程度以及在各指標下的較優(yōu)方案，選取最優(yōu)方案為A1C-1D1B0，即前進速度為4 m/min、螺旋葉片螺距230 mm、取料刀刃長比1.8、取料輥筒轉(zhuǎn)速230 r/min。在最優(yōu)方案下，取料效率為82.6 m3/h，回流率為38.93%。

表6 試驗指標偏差平方和計算表Tab. 6 Calculation table of deviation square sum of test indexes

表7 方差分析表Tab. 7 Analysis of variance table

4 試驗驗證

按照螺旋葉片螺距230 mm和取料刀刃長比1.8進行樣機的試制，試制完成后在泰安意美特機械有限公司內(nèi)進行試驗測試，試驗秸稈皮長度在20～92 mm之間，皮瓤長度在8～43 mm之間，含水率為69%。在平整干凈的混凝土地面上，取青貯料碼放在取料機前方，料堆尺寸(長×寬×高)為1 000 mm×3 000 mm×800 mm。選輥筒轉(zhuǎn)速為230 r/min，取料前進速度為4 m/min，進行現(xiàn)場試驗。試驗取3次測量數(shù)據(jù)的平均值進行分析，主要測試指標：取料液壓系統(tǒng)壓力，取料寬度，取料高度，取料效率，回流率。

在進行試驗過程中，各關(guān)鍵部件工作穩(wěn)定，能夠可靠地完成青貯的取料和輸送，沒有發(fā)生堵塞、卡死和憋車現(xiàn)象，液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在17～21 MPa之間。仿真與試驗對比分析如表8所示。兩者基本吻合，證實了仿真分析的可靠性。測試指標均達了到設計目標，滿足了牧場的使用要求。

表8 仿真與試驗結(jié)果對比Tab. 8 Comparison of simulation and test results

5 結(jié)論

1) 建立了自走式全混合日糧制備機滾筒式取料機構(gòu)作業(yè)的理論模型，并對螺旋葉片螺距、螺旋葉片直徑、輥筒轉(zhuǎn)速、前進速度、每刃進給量和刀刃長比等關(guān)鍵參數(shù)進行了計算與選取。

2) 采用EDEM對取料機構(gòu)的前進速度、輥筒轉(zhuǎn)速、螺旋葉片螺距、刀刃長比進行正交試驗仿真分析。仿真過程中發(fā)現(xiàn)，大部分物料被高速旋轉(zhuǎn)的取料刀帶著隨取料滾筒轉(zhuǎn)動。對試驗結(jié)果進行方差分析，各因素對取料效率影響的主次順序為：前進速度、螺旋葉片螺距、刀刃長比、輥筒轉(zhuǎn)速，各因素對回流率影響的主次順序為：螺旋葉片螺距、刀刃長比、輥筒轉(zhuǎn)速、前進速度?？紤]各個因素水平對兩個指標值的影響程度以及在各指標下的較優(yōu)方案，選取最優(yōu)方案為A1C-1D1B0，即前進速度為4 m/min、螺旋葉片螺距 230 mm、取料刀刃長比1.8、取料輥筒轉(zhuǎn)速230 r/min。在最優(yōu)方案下，取料效率為82.6 m3/h，回流率為38.93%。

3) 根據(jù)最優(yōu)方案進行樣機的加工，并按照最優(yōu)方案中的前進速度和輥筒轉(zhuǎn)速進行取料試驗，試驗結(jié)果表明各關(guān)鍵部件工作穩(wěn)定，能夠可靠地完成青貯的取料和輸送，沒有發(fā)生堵塞、卡死和憋車現(xiàn)象，液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，實地試驗中測得取料效率為77.02 m3/h，回流率為39.76%，與仿真分析基本一致。