基于粗精給料奶牛精確飼喂裝備給料系統(tǒng)的研究

蒙賀偉，高振江，林海，坎雜

（1石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子832003；2中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083）

實(shí)施奶牛精確飼喂技術(shù)是奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)［1－2］，國(guó)內(nèi)外已相繼開(kāi)展了相關(guān)方面的研究，國(guó)外如芬蘭的貝龍（PELLON）公司、Karel Van Den Berg、Zappavigna、Devir等針對(duì)當(dāng)前TMR飼喂技術(shù)分群過(guò)大的問(wèn)題，開(kāi)展了分群更為精細(xì)的飼喂裝備研究［3－4］，國(guó)內(nèi)花俊國(guó)等［5］、北京市飼料科學(xué)技術(shù)研究所、北京市糧食科學(xué)研究［6］、余泳昌等［7］開(kāi)發(fā)的精飼料補(bǔ)飼裝置。

在奶牛精確飼喂技術(shù)研究中，飼喂精度及飼喂效率是實(shí)施精確飼喂技術(shù)的關(guān)鍵，直接影響最終飼喂效果。實(shí)際飼喂中，要求飼喂精度不低于95%，最大投料量條件下投料時(shí)間不超過(guò)15s。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)奶牛精確飼喂裝備中的識(shí)別及控制等技術(shù)研究較多，對(duì)飼喂裝備給料系統(tǒng)研究較少，而且由于給料裝置作業(yè)物料具有流動(dòng)性差、易附著的物料特性。因此，研究適于精確飼喂技術(shù)要求的給料裝置意義重大。

針對(duì)該問(wèn)題，方小明、高雪等［8－9］對(duì)螺旋給料裝置給料精度及給料穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，本文在其研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于粗精給料的雙螺旋給料裝置，確定了不同螺距條件下螺旋主軸轉(zhuǎn)速與投料速度的關(guān)系，獲取了粗精給料速度的最優(yōu)組合，實(shí)現(xiàn)了奶牛精確飼喂給料生產(chǎn)要求。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1．1 總體結(jié)構(gòu)

給料系統(tǒng)主要由電機(jī)、料倉(cāng)、給料螺旋輸送器和機(jī)架等組成［10］，其中給料螺旋輸送器采用雙螺旋給料裝置，即粗給料螺旋和精給料螺旋，如圖1所示。

圖1 雙螺旋輸送器Fig．1Dual－spiral delivering device

1．2 工作原理

首先以粗流量和細(xì)流量同時(shí)向稱量斗給料。當(dāng)給料量達(dá)到一定量值時(shí)，粗流量給料停止，細(xì)流量給料仍繼續(xù)進(jìn)行，直至物料量達(dá)到定值時(shí)，細(xì)流量給料停止。然后卸料，進(jìn)行下次自動(dòng)給料。這種給料方式因粗給料的流量大，可用較短的時(shí)間給入絕大部分定量值的物料，從而能使整個(gè)給料時(shí)間很短。而定量值剩余部分的物料量因其量值很小，可用小流量的細(xì)給料方式繼續(xù)進(jìn)行給料。由于流量小，其空中料柱質(zhì)量的穩(wěn)定性、均勻性相對(duì)較好，因而給料誤差易于控制。所以，在奶牛精確飼喂裝置中，采用大流量粗給料以確保稱量速度，以小流量細(xì)給料來(lái)控制給料誤差。

1．3 主要技術(shù)參數(shù)

給料系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)中，粗精給料的轉(zhuǎn)速分別為120r／min和150r／min，粗精給料的速度分別為 0．4kg／s和 0．334kg／s，投料精度不 低于95%，最大投料時(shí)間12s。

2 粗精給料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2．1 理論分析

2．1．1 給料時(shí)間［11－12］

根據(jù)上述分析，粗給料的流量大小是影響給料時(shí)間的關(guān)鍵因素。粗給料流量大時(shí)，給料時(shí)間相應(yīng)就短，反之就長(zhǎng)。但是，粗給料流量也不易過(guò)大，否則在給料過(guò)程中會(huì)使空中料柱質(zhì)量過(guò)大，這樣就影響了給料的穩(wěn)定性和給料精度。細(xì)給料是帶有類似靜態(tài)稱量中增添物料的方式，要求流量要小。但流量過(guò)小，將會(huì)增長(zhǎng)稱量時(shí)間。因此，粗、細(xì)給料的流量大小的確定，以及它與給料時(shí)間的關(guān)系等等，都需要進(jìn)行分析研究［13］。

若設(shè)t為完成一次給料的時(shí)間，t1為粗細(xì)給料機(jī)構(gòu)同時(shí)給料時(shí)間，t2為粗給料結(jié)束后細(xì)給料機(jī)構(gòu)單獨(dú)給料時(shí)間，t3為系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間；S為螺旋給料器葉片的螺距，d為螺旋軸直徑，D為葉片直徑，則：

t＝t1＋t2＋t3。

再設(shè)G為給料目標(biāo)值，G1為粗給料機(jī)構(gòu)給料量，G2為細(xì)給料機(jī)構(gòu)給料量，則

螺旋給料機(jī)構(gòu)的粗、細(xì)給料量分別為：

螺旋給料機(jī)構(gòu)細(xì)給料機(jī)構(gòu)單獨(dú)給料量，即細(xì)給料機(jī)構(gòu)在t2時(shí)間內(nèi)的給料量為：

系數(shù)K可取0．6～1。粗給料螺旋直徑一般都在150mm以上，K 可取0．6～0．8；細(xì)給料螺旋直徑一般都小于100mm，這時(shí)K 可取1．0［14］。

2．1．2 粗、細(xì)給料量及給料時(shí)間的確定

理論上，在給料過(guò)程中粗給料機(jī)構(gòu)給料量要多，其流量要大，這樣可使給料時(shí)間短；細(xì)給料少且流量要小，這樣易于控制給料精度。但在調(diào)試以及實(shí)踐中表明，細(xì)給料量也不能過(guò)小。當(dāng)細(xì)給料機(jī)構(gòu)給料時(shí)間t2很短時(shí)，雖然這樣會(huì)縮短稱量時(shí)間，但由于t2時(shí)間較短會(huì)使給料的穩(wěn)定性明顯降低，致使給料誤差增大，從而降低稱量的精度。由實(shí)驗(yàn)分析可知，G粗細(xì)應(yīng)接近或略大于總給料質(zhì)量的20%。

為保證稱量時(shí)間和稱量精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，通過(guò)分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，粗細(xì)給料量一般為：

式（5）中：C為系數(shù)，可?。?．2～0．3）；當(dāng)粗給料流量大時(shí)，C可取小值；在粗給料流量相對(duì)小時(shí)，C可取大值。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在滿足給料時(shí)間和給料精度的情況下，粗、細(xì)給料量之間的關(guān)系一般為：

式（6）中：Q1為粗給料流量，Q2為細(xì)給料流量，因此按照上述各給料量之間的關(guān)系，現(xiàn)整理成下式：

式（7）至（9）中，C、G、Q1、Q2均為已知數(shù)，因此，通過(guò)單片機(jī)及延時(shí)控制電路就可控制粗細(xì)螺旋給料裝置的給料時(shí)間，從而控制其給料量。

2．2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

2．2．1 螺旋葉片直徑

螺旋直徑計(jì)算公式為：

式（10）中：Q 為輸送能力（t／h），K 為物料特性系數(shù)，Ψ為填充系數(shù)，C為傾角系數(shù)。

將輸送能力（Q＝1．8t／h）、物料填充系數(shù)（Ψ＝0．40）、物料特性系數(shù)（K＝0．0415）、物料松散密度（ρ＝0．7t／m3）和傾角系數(shù)（C＝1．0）等代入式（10）中，可得：

因此將螺旋葉片的直徑圓整為90mm。

2．2．2 螺旋軸轉(zhuǎn)速

螺旋軸的轉(zhuǎn)速對(duì)輸送量有較大的影響。螺旋軸轉(zhuǎn)速加快，輸送機(jī)械的生產(chǎn)能力提高，轉(zhuǎn)速過(guò)小則使輸送機(jī)械的輸送量下降［15］。但轉(zhuǎn)速也不宜過(guò)高，因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)一定的極限值時(shí)，物料會(huì)因?yàn)殡x心力過(guò)大而向外拋，以致無(wú)法輸送。所以需要對(duì)轉(zhuǎn)速n進(jìn)行一定的限定，不能超過(guò)某一極限值nj。式（11）中，A為物料綜合系數(shù)。

根據(jù)物料的綜合系數(shù)（A＝75）和螺旋葉片的直徑（D＝0．09m），由式（11）可知：

在實(shí)際運(yùn)行中，螺旋軸的最大轉(zhuǎn)速不能超過(guò)此極限值250r／min。

2．2．3 螺旋葉片的節(jié)距

料槽內(nèi)物料的橫截面面積F為：

式（12）中：D為螺旋葉片直徑，Ψ為物料填充系數(shù)，C為傾角系數(shù)。

一個(gè)節(jié)距內(nèi)的物料重量G為：

G＝F·S·ρ， （13）式（13）中：F 為橫截面面積，S 為節(jié)距（m），ρ為物料松散密度。

由式（12）和（13）可知，一個(gè)節(jié)距內(nèi)的物料重量G為：

該螺旋輸送裝置最大的生產(chǎn)率為1．8t／h，螺旋軸的最大轉(zhuǎn)速為250r／min，一頭奶牛的最大投料時(shí)間為10s。10s內(nèi)螺旋葉片旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)為125／3r，輸送的物料量為125／3；按螺旋輸送裝置最大的生產(chǎn)率生產(chǎn)10s的輸送量為0．005t／h。從而，125×0．00178S／3＝1．8×10／3600；最終得出S＝67．4 mm，將S圓整為70mm。

節(jié)距為70mm的螺旋葉片是在轉(zhuǎn)速為250r／min情況下確定，而本研究設(shè)計(jì)的是雙螺旋輸送裝置，一個(gè)為大節(jié)距的螺旋葉片，另一個(gè)為小節(jié)距的螺旋葉片，兩個(gè)螺旋葉片同時(shí)工作，當(dāng)完成投料的70%～80%時(shí)，停止大節(jié)距的螺旋葉片，繼續(xù)小節(jié)距的螺旋葉片，且螺旋軸工作時(shí)的轉(zhuǎn)速要低于250r／min。另一個(gè)螺旋葉片的節(jié)距設(shè)計(jì)定為40mm，用于精確投料。

2．2．4 螺旋軸的直徑

螺旋軸直徑的大小與螺距有關(guān)，因?yàn)閮烧吖餐瑳Q定了螺旋葉片的升角，也就決定了物料的滑移方向及速度分布，所以應(yīng)從考慮螺旋面與物料的摩擦關(guān)系以及速度各分量的適當(dāng)分布來(lái)確定最合理的軸徑與螺距之間的關(guān)系［16］。一般軸徑的計(jì)算公式為：

2．2．5 輸送功率

1）螺旋輸送裝置所需軸功率P0為：

式（15）中：H為螺旋輸送裝置傾斜布置時(shí)在垂直平面上的投影高度（m），L為螺旋輸送裝置水平投影長(zhǎng)度（m），ω0為物料阻力系數(shù)。

將輸送量Q取1．8t／h，物料阻力系數(shù)ω0取1．2，水平投影長(zhǎng)度L取0．9m，垂直投影高度H取0，代入式（15）中可得：P0＝5．3W。

2．2．6 電機(jī)功率

式（16）中：K1為功率備用系數(shù)，一般取值1．2～1．4，η為驅(qū)動(dòng)裝置總效率，一般取0．9～0．94。

由式（16）可知，電機(jī)功率P為8．2W。

3 試驗(yàn)研究

3．1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在對(duì)個(gè)體奶牛進(jìn)行精確飼喂時(shí)，螺旋輸送裝置（攪龍）所采用的轉(zhuǎn)速是固定的。因此在進(jìn)行牛場(chǎng)試驗(yàn)前，需測(cè)定粗精給料在各轉(zhuǎn)速下的投料速度。

本試驗(yàn)節(jié)距S為40mm和70mm，轉(zhuǎn)速水平值為：80、100、120、150、180r／min，時(shí)間水平值為10 s。分別對(duì)節(jié)距為40mm和70mm的攪龍?jiān)诟鬓D(zhuǎn)速下測(cè)量5、8、10s時(shí)投料速度，各進(jìn)行10次重復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)材料為西部牧業(yè)新疆泉牲牧業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的561－H型泌乳期奶牛精飼料，選用精度為0．002kg的天平。

試驗(yàn)測(cè)得精給料投料速度如表1所示，粗給料投料速度如表2所示，表1和表2中v為投料速度為轉(zhuǎn)速下投料速度的平均值（kg／s）。

表1 精給料投料速度Fig．1 Precising feeding rate

3．2 結(jié)果與分析

3．2．1 投料速度

70mm的攪龍?jiān)谵D(zhuǎn)速為80r／min時(shí)的投料速度為0．259kg／s，100r／min時(shí)的投料速度為0．331kg／s，120r／min時(shí)的投料速度為0．400kg／s，150r／min時(shí)的投料速度為0．496kg／s，180r／min時(shí)的投料速度為0．593kg／s，如表3所示。依據(jù)表3的攪龍轉(zhuǎn)速與投料速度的關(guān)系表，可以得出其關(guān)系圖，如圖2所示。

表3 轉(zhuǎn)速與投料速度Fig．3Rotating speed and feeding speed

圖2 轉(zhuǎn)速與投料速度關(guān)系圖Fig．2Rotating speed and feeding speed relationship

3．2．2 雙攪龍轉(zhuǎn)速設(shè)定

在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)每頭奶牛飼喂精飼料的總時(shí)間不應(yīng)超過(guò)大約10s，每頭奶牛每次飼喂的精飼料量最大為6kg。裝備工作時(shí)同時(shí)啟動(dòng)節(jié)距為40mm和70mm的攪龍，當(dāng)投料完成80%時(shí)，停止70mm攪龍的工作，繼續(xù)40mm攪龍的工作，則40mm攪龍工作的時(shí)間即為個(gè)體奶牛飼喂的總時(shí)間。雙攪龍轉(zhuǎn)速與投料時(shí)間的關(guān)系如表4所示。

表4 雙攪龍轉(zhuǎn)速與投料時(shí)間的關(guān)系Fig．4Dual－spiral speed and feeding time relationship

由于電機(jī)的啟動(dòng)和停止有加速和減速的過(guò)程，如果攪龍轉(zhuǎn)速高，飼喂時(shí)間將減少，從而影響投料的精度，如果攪龍的轉(zhuǎn)速低，飼喂時(shí)間將增加，故攪龍速度不應(yīng)過(guò)高也不應(yīng)過(guò)低。

由表5可知：當(dāng)40mm攪龍的轉(zhuǎn)速為150r／min，70mm攪龍的轉(zhuǎn)速為120r／min時(shí)，總的投料時(shí)間最大為10．1s，符合精確飼喂給料的要求。

4 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)完成的粗精給料系統(tǒng)，粗精給料螺旋節(jié)距分別為70mm和40mm，試驗(yàn)期間給料系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性良好；

2）試驗(yàn)結(jié)果顯示，螺旋轉(zhuǎn)速與投料速度間呈線性關(guān)系，并且當(dāng)粗精給料螺旋速度組合為120r／min和150r／min時(shí)，其在奶牛最大投料量程條件下投料時(shí)間為12s，投料速度滿足飼喂要求。

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