三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)及在飼料加工中的應(yīng)用

■王進(jìn)紅 王忠文 劉定煒 羅 斌 周玉姣

（江西省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，江西南昌 330044）

混合是飼料添加劑生產(chǎn)的關(guān)鍵工序之一，混合均勻度是反映加工質(zhì)量的重要指標(biāo)，是加工工藝中的重要檢測(cè)項(xiàng)目。隨著我國(guó)飼料工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)企業(yè)越來(lái)越重視產(chǎn)品的質(zhì)量和企業(yè)的生產(chǎn)效率，加大投入引進(jìn)先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和設(shè)備[1]。添加劑混合設(shè)備從錐形混合機(jī)到腰鼓形混合機(jī)到V形混合機(jī)，產(chǎn)品質(zhì)量得到不斷的提高，對(duì)強(qiáng)化基礎(chǔ)飼料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，提高動(dòng)物生產(chǎn)性能，保證動(dòng)物健康，節(jié)省飼料成本，改善畜產(chǎn)品品質(zhì)等方面有明顯的效果。文中通過(guò)Pro/E仿真技術(shù)分析三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性及與V形混合機(jī)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，表明三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)利用空間特殊的六桿機(jī)構(gòu)學(xué)中的“三度擺動(dòng)原理”，實(shí)現(xiàn)了三維空間運(yùn)動(dòng)方式，使混合運(yùn)動(dòng)成為平移、轉(zhuǎn)動(dòng)和翻轉(zhuǎn)三種運(yùn)動(dòng)的疊加，使混合時(shí)間大大縮短，均勻度大幅提高，且不受混合時(shí)間的影響，是一種高效率、高精度的混合設(shè)備，適合于飼料添加劑的生產(chǎn)，對(duì)我國(guó)飼料工業(yè)的發(fā)展具有促進(jìn)作用。

1 三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)的結(jié)構(gòu)和混合原理

三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和空間六桿機(jī)構(gòu)組成：機(jī)架、主動(dòng)軸、主動(dòng)撥叉、料筒、從動(dòng)撥叉、從動(dòng)軸。主動(dòng)軸與從動(dòng)軸互相平行，其與相鄰轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線則相互正交，當(dāng)主動(dòng)軸以等速回轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)軸則變速反方向旋轉(zhuǎn)，從而使筒體同時(shí)具有平移、自旋和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以迫使筒體內(nèi)的物料受到連續(xù)的交替脈動(dòng)作用而產(chǎn)生沿簡(jiǎn)體環(huán)向、徑向和軸向的三向流轉(zhuǎn)，使被混物料交替地處于凝聚和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)中，達(dá)到高效的混合效果。

2 三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)的仿真分析

2.1 Pro/E機(jī)構(gòu)模型

運(yùn)用Pro/E建立三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)（容積200 L）空間六桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真模型如圖2。機(jī)構(gòu)的Pro/E模型連接特征如表1。料筒三維運(yùn)動(dòng)模擬如圖3。

圖1 三維混合機(jī)結(jié)構(gòu)

表1 Pro/E模型連接特征

圖2 三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真模型

圖3 料筒三維運(yùn)動(dòng)模擬

2.2 運(yùn)動(dòng)仿真分析

進(jìn)入Pro/E軟件的應(yīng)用程序中的機(jī)構(gòu)分析，為了研究料筒的運(yùn)動(dòng)，在料筒幾何中心線上取對(duì)稱a（被動(dòng)端）、b（主動(dòng)端）點(diǎn)作為分析點(diǎn)，設(shè)置主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速為16 r/min，則主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)周期為3.5 s。

分析測(cè)量a、b點(diǎn)在X、Y、Z方向的位移如圖4。從圖4可看出a、b點(diǎn)均作空間三維運(yùn)動(dòng)，在X、Y軸上位移的方向相反，Z軸方向相同，Y軸的位移最大，X軸位移最小。主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)一周，料筒作二次周期運(yùn)動(dòng)。分析測(cè)量a、b點(diǎn)在X、Y、Z方向的速度如圖5。從圖5可看出，a、b點(diǎn)始終作變速運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)方向相反。分析a、b點(diǎn)的位移和速度可知筒體的幾何中心線在三維空間周期性地變速改變其位置，而筒體在空間的任何位置上始終繞其回轉(zhuǎn)中心線周期性變速旋轉(zhuǎn)。正是由于三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)結(jié)構(gòu)具有這種復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng)特性，致使容器中的物料在混合中拋落顛倒、平移翻轉(zhuǎn)和交替脈動(dòng)，在三維空間進(jìn)行對(duì)流、擴(kuò)散，使物料在無(wú)離心力下進(jìn)行混合，解決了物料比重差異形成的偏析和積聚湍流等現(xiàn)象，因此它的效率和混合質(zhì)量比其他回轉(zhuǎn)型混合機(jī)都要高[2]。

圖4 a、b點(diǎn)在X、Y、Z方向的位移

圖5 a、b點(diǎn)在X、Y、Z方向的速度

3 三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)與V形混合機(jī)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

3.1 混合對(duì)比實(shí)驗(yàn)一[3-4]

實(shí)驗(yàn)裝置為三維混合機(jī)XPDl（容積0.96 L）、XPD2（容積50 L）與V型混合機(jī)（50 L）。

第一組被混合物料為α-Al203和NaCl。其重量比為α-Al203含量95%，NaCl含量5%。

混合物粒度：α-A1203為9 μm，NaCl為200目標(biāo)準(zhǔn)篩下?；旌衔锪隙驯戎兀害?Al203為1.16 g/cm3，NaCl為0.54 g/cm3。分析方法采用原子吸收光譜法。

第二組被混物料為高純度低鈉Al203和小米，其重量比為Al203含量95%，小米含量5%。混合物料堆比重：Al203為 1.169 g/cm3，小米為 0.849 g/cm3。分析方法為物理方法。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)在裝填系數(shù)為72%和12.5%的情況下均能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的混合均勻度。而且隨著時(shí)間的增加，其混合均勻度越好，不會(huì)出現(xiàn)離析的現(xiàn)象，對(duì)于比重、比例和粒徑相差較大的物料，也可迅速達(dá)到混合均勻狀態(tài),而對(duì)于V形混合機(jī)，達(dá)到理想混合狀態(tài)時(shí)間較長(zhǎng)，而且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，混合狀態(tài)不穩(wěn)定，出現(xiàn)明顯的離析狀態(tài)，混合時(shí)間點(diǎn)難以掌握[5]。

表2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)一，混合均勻度（%）

3.2 混合對(duì)比實(shí)驗(yàn)二[6]

實(shí)驗(yàn)裝置為三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)（1 L）、V形混合機(jī)（0.8 L），實(shí)驗(yàn)采用食鹽和硅粉作為實(shí)驗(yàn)物料,混合物粒度：食鹽約為0.62 mm,硅粉為0.25 mm。運(yùn)用質(zhì)量組成法分析，混合機(jī)的混合變異系數(shù)ν與時(shí)間的關(guān)系如圖6。

圖6 變異系數(shù)ν與時(shí)間的關(guān)系

從圖6可看出，三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)的ν隨時(shí)間的減少較快，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)趨于穩(wěn)定。V形混合機(jī)ν隨時(shí)間的減少較三維混合機(jī)慢得多。

3.3 混合對(duì)比實(shí)驗(yàn)三

實(shí)驗(yàn)裝置為三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)（50 L）、V形混合機(jī)(100 L)。實(shí)驗(yàn)采用甲基紫示蹤法。按GB/T 5918-2008規(guī)定進(jìn)行。分析純(Q/YSQN51-91)經(jīng)研磨,全部通過(guò)150目標(biāo)準(zhǔn)銅絲網(wǎng)篩。物料為玉米粉(2 mm篩孔)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，數(shù)據(jù)表明三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)用玉米粉作混合物實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前面實(shí)驗(yàn)有相同的結(jié)論，三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)依然具有高效穩(wěn)定的特性，同時(shí)，由于料筒形狀簡(jiǎn)單、外形流暢，物料殘留率比其它混合機(jī)要低，清理也方便，能較好的滿足飼料添加劑的生產(chǎn)要求。

表3 對(duì)比試驗(yàn)三，混合均勻度（%）

4 結(jié)語(yǔ)

①三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)具有復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng)特性，物料在三維空間進(jìn)行對(duì)流、擴(kuò)散，在無(wú)離心力下進(jìn)行混合，解決了物料比重差異形成的偏析和積聚湍流等現(xiàn)象，混合均勻度可達(dá)97%以上。

② 三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)裝填系數(shù)范圍大（10%～80%），殘留量小、混合時(shí)間短。混合時(shí)間延長(zhǎng)能保持較高的混合均勻精度。因此，三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)是一種高效、高精度的混合設(shè)備，極其適合飼料添加劑的生產(chǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。