基于EDEM的雙螺旋奶牛飼喂裝置給料性能分析與試驗(yàn)

戚江濤，蒙賀偉，坎 雜，李成松，李亞萍

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基于EDEM的雙螺旋奶牛飼喂裝置給料性能分析與試驗(yàn)

戚江濤，蒙賀偉※，坎 雜，李成松，李亞萍

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

奶牛精確飼喂技術(shù)的實(shí)施不僅能夠促進(jìn)奶牛業(yè)健康發(fā)展，而且還能夠提高牛場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益?；谂?chǎng)現(xiàn)狀，該文在設(shè)計(jì)的等徑雙螺旋精確給料的奶牛飼喂裝置基礎(chǔ)上，理論分析了物料輸送速度與給料時(shí)間，通過Solidworks對(duì)雙螺旋給料裝置進(jìn)行了三維建模，并利用EDEM軟件分別對(duì)40 mm攪龍和70 mm攪龍不同轉(zhuǎn)速（80、100及120 r/min）的給料過程進(jìn)行了離散元仿真，分析了裝置給料穩(wěn)定性，結(jié)果表明，40 mm攪龍?jiān)谵D(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)變異系數(shù)為0.052 2，70 mm攪龍?jiān)谵D(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)變異系數(shù)為0.105 2，給料穩(wěn)定性最優(yōu)。為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果，在搭建的雙螺旋給料飼喂裝置上，對(duì)40 mm攪龍和70 mm攪龍進(jìn)行了給料試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，40 mm螺距攪龍轉(zhuǎn)速120 r/min和70 mm攪龍轉(zhuǎn)速100 r/min時(shí)給料穩(wěn)定性最優(yōu)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。在驗(yàn)證裝置給料穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，對(duì)給料精度進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果顯示：40 mm攪龍和70 mm攪龍?jiān)?0、100、120 r/min等不同工作轉(zhuǎn)速組合下，給料精度均大于95%，當(dāng)40 mm攪龍轉(zhuǎn)速為120 r/min，70 mm攪龍轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，給料時(shí)間為14.1 s，給料量為6.009 kg，裝置給料精度不低于99.835%，符合奶牛精確飼喂效率與精度要求。

控制系統(tǒng)；模型；試驗(yàn)；奶牛；雙螺旋；飼喂裝置；給料速度；穩(wěn)定性

0 引 言

在牛場(chǎng)現(xiàn)代化管理中，精細(xì)飼養(yǎng)是規(guī)模化、現(xiàn)代化牛場(chǎng)提升養(yǎng)殖效益的關(guān)鍵[1]。奶牛精細(xì)飼養(yǎng)不僅是畜牧福利養(yǎng)殖的重要體現(xiàn)，而且還是促進(jìn)奶牛健康生長(zhǎng)、提高奶牛生產(chǎn)性能的重要保障，為此，熊本海等[2-6]將電氣控制技術(shù)、無線通信及信息處理技術(shù)等相結(jié)合，開展了奶牛個(gè)體身份識(shí)別、信息采集、處理及飼料精確配比等相關(guān)精細(xì)飼喂技術(shù)研究，為奶牛智能化、科學(xué)化飼養(yǎng)提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

在奶牛精細(xì)飼養(yǎng)技術(shù)實(shí)施過程中，給料裝置是技術(shù)實(shí)施關(guān)鍵，其工作性能主要體現(xiàn)在給料穩(wěn)定性及給料精度2個(gè)方面。目前奶牛精細(xì)給料采用的螺旋攪龍輸料具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)[7-8]，對(duì)其研究主要集中在螺旋給料器結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化等方面，開展此類研究的有國(guó)外如西德學(xué)者Hans Gable，以顆粒群為對(duì)象研究了垂直輸送機(jī)小角度傾斜對(duì)物料輸送形態(tài)的影響[9]；Fernandez等[10]利用離散元法研究了不同類型螺旋鉸刀對(duì)總質(zhì)量流量、物料沉降模式、功耗的影響；Moysey等[11]基于DEM分析單螺旋擠出機(jī)的顆粒在螺桿上橫向和縱向速度分布；國(guó)內(nèi)烏蘭圖雅等[12-16]研究了螺距、螺旋軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)秸稈、果穗、飼草等物料輸送性能的影響；祝佳利等[17-21]利用離散元仿真軟件對(duì)垂直螺旋攪龍、水平螺旋攪龍等螺旋給料過程進(jìn)行了模擬仿真，并對(duì)螺旋給料結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)等進(jìn)行了優(yōu)化。本文在以上研究基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)的等徑雙螺旋精確給料奶牛飼喂裝置物料輸送速度與給料時(shí)間進(jìn)行分析，通過Solidworks對(duì)裝置進(jìn)行三維建模，利用EDEM軟件對(duì)螺旋輸送過程進(jìn)行離散元仿真，分析裝置的給料穩(wěn)定性，最后，通過搭建的雙螺旋精確給料裝置對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 雙螺旋給料裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

該裝置主要由機(jī)架、料倉(cāng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、輸料管、雙螺旋給料裝置及控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

雙螺旋給料裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

裝置工作過程中，依據(jù)奶牛個(gè)體需求確立給料量，并通過控制雙螺旋給料裝置給料時(shí)間完成奶牛個(gè)體所需飼喂物料的精確供給，為保證給料效果，給料裝置必須同時(shí)滿足給料速度與給料精度的要求。雙螺旋給料裝置分別由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)，螺旋給料器葉片在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)物料進(jìn)行推撥，物料在沿著螺旋葉片圓周方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)沿軸向方向移動(dòng)。對(duì)目標(biāo)給料量給料時(shí)，首先啟動(dòng)兩者同時(shí)進(jìn)行物料供給，當(dāng)完成80%目標(biāo)給料量供給時(shí)，停止大螺距（70 mm）給料螺旋攪龍，小螺距（40 mm）給料螺旋攪龍繼續(xù)給料，直至完成目標(biāo)給料量供給。

1.輪子 2.機(jī)架 3.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 4.料倉(cāng) 5.輸料管 6.雙螺旋給料裝置 7.控制系統(tǒng)

表1 雙螺旋給料裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 雙螺旋給料性能分析

2.1 雙螺旋給料裝置參數(shù)確定

針對(duì)奶牛精確飼喂技術(shù)要求，為保證裝置給料效率的同時(shí)滿足給料精度要求，本文采用粗給料和精給料相結(jié)合的給料方式，其中粗給料采用雙螺旋攪龍同時(shí)給料方式，給料流量較大，用于提高裝置給料效率；精給料采用小螺距螺旋攪龍給料，給料流量小，用于提高給料精度。在前期研究基礎(chǔ)上，本文給料裝置主要由螺旋葉片、螺旋軸和輸料管等組成，螺旋葉片采用實(shí)體式形狀，按照等螺距（40和70 mm）排列方式焊接在螺旋軸上（圖2），螺旋軸材料選擇45#鋼，軸徑40 mm，螺旋軸由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而帶動(dòng)螺旋葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，完成物料的推移輸送。輸料管材料選擇無縫鋼管，兩端分別設(shè)有進(jìn)料口和出料口，為保證螺旋攪龍輸送質(zhì)量，輸料管選用直徑108 mm、厚2 mm、內(nèi)壁光滑的無縫鋼管，內(nèi)徑與螺旋葉片外徑間隙設(shè)計(jì)為7 mm。

輸送物料奶牛精飼料的填充系數(shù)、特性系數(shù)、綜合系數(shù)等參數(shù)查表可得[24]，松散密度=0.7 t/m3，填充系數(shù)=0.4，特性系數(shù)=0.041 5。牛場(chǎng)調(diào)研確定高產(chǎn)奶牛單產(chǎn)飼喂所需最大精飼料量為6 kg[25]，每頭牛最大給料時(shí)間為15 s，可得裝置給料速度為0.4 kg/s，即螺旋給料裝置的輸送能力1.44 t/h。根據(jù)螺旋輸送裝置為水平放置，確定傾角=0，傾角系數(shù)=1，螺旋葉片直徑按式（1）計(jì)算。

式中為輸送能力，t/h；為物料特性系數(shù)；為填充系數(shù)；為傾角系數(shù)。

1.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 2.料倉(cāng) 3.輸料管 4. 40 mm攪龍 5. 70 mm攪龍

1.Drive motor 2.Bunker 3.Conveying pipe 4. 40 mm auger 5. 70 mm auger

圖2 雙螺旋給料裝置示意圖

Fig.2 Structure diagram of dual－spiral feeding device

計(jì)算可得：≥79.5（mm）

為保證裝置給料效率，確保裝置輸送能力具備較大余量，因此，本研究在計(jì)算螺旋葉片直徑的基礎(chǔ)上，將螺旋葉片的直徑加大并確定為90 mm。

2.2 物料輸送速度分析

螺旋攪龍工作過程中，物料在螺旋葉片的推撥作用下，沿著螺旋葉片圓周方向向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定位置時(shí)向下塌落，同時(shí)沿軸向方向流動(dòng)[22-23]。在該運(yùn)動(dòng)過程中影響物料顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡變化的因素除顆粒本身特性之外，還包括受力情況、速度分布情況等，為研究裝置給料穩(wěn)定性，對(duì)任一物料顆粒速度分布情況進(jìn)行了分析，如圖3所示。

注：O為顆粒位置；vo為牽連速度，vn為忽略摩擦力情況下的絕對(duì)速度，vf為在考慮摩擦力情況下的絕對(duì)速度，v為vf分解后軸向速度，vt為vf分解后切向速度，m×s-1；α為vn與v之間夾角，θ為vf與vn之間夾角，(°)。

在任一半徑處選取一個(gè)顆粒，其運(yùn)動(dòng)方式主要有2種，即與螺旋面發(fā)生的相對(duì)滑動(dòng)和沿著螺旋軸輸送方向的水平運(yùn)動(dòng)。其中顆粒的圓周速度（牽連速度）為v=，方向?yàn)轭w粒運(yùn)動(dòng)切線方向；在忽略摩擦力情況下的絕對(duì)速度v=vsin；在考慮摩擦力情況下的絕對(duì)速度v=v/cos，對(duì)v進(jìn)行分解得到軸向速度和切向速度v。軸向速度使物料顆粒沿著螺旋軸輸送方向運(yùn)動(dòng)，切向速度則使物料顆粒在螺旋攪龍中攪拌、翻動(dòng)等。根據(jù)速度分析，物料顆粒軸向運(yùn)動(dòng)速度為

為分析螺旋輸送過程中顆粒速度分布及運(yùn)動(dòng)情況，利用EDEM軟件對(duì)螺旋攪龍中物料運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真，并提取顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示，圖中軌跡線不同顏色代表不同速度值大小，分析軌跡線可知顆粒在落入螺旋給料器工作區(qū)域范圍內(nèi)時(shí)，顆粒與運(yùn)動(dòng)顆粒群之間產(chǎn)生作用力，出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，當(dāng)隨顆粒群一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，顆粒沿著螺旋軸切線方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)沿著軸向方向移動(dòng)，從而完成物料的運(yùn)移。

由以上分析可知，當(dāng)物料顆粒輸送方向運(yùn)動(dòng)速度>0時(shí)，物料顆?？梢匝刂斔头较蜻\(yùn)動(dòng)；反之則不能。根據(jù)個(gè)體奶牛飼喂過程需在最短的時(shí)間內(nèi)完成物料投放作業(yè)并且保證作業(yè)質(zhì)量要求，螺旋攪龍轉(zhuǎn)速設(shè)置為80、100及120 r/min，相應(yīng)可計(jì)算出輸送方向速度范圍為0.72～1.08 m/s，速度值均大于0，達(dá)到了物料顆粒運(yùn)動(dòng)條件。

2.3 雙螺旋給料時(shí)間確定

本文設(shè)計(jì)的雙螺旋精確給料裝置主要由大螺距（70 mm）螺旋攪龍和小螺距（40 mm）螺旋攪龍組成。為保證裝置給料效率和精度，采用“先快后慢，先粗后精”的給料方式，在初步試驗(yàn)不同螺距攪龍不同轉(zhuǎn)速給料速度的基礎(chǔ)上，分析了不同粗精給料比例下的給料時(shí)間，按照最大給料量給料時(shí)間不高于15 s的要求，初步確定了裝置給料實(shí)施方案。實(shí)施過程中，通過對(duì)給料技術(shù)方案給料時(shí)間和給料精度進(jìn)行試驗(yàn)，分析其是否符合精細(xì)飼喂給料時(shí)間不高于15 s、給料精度不低于95%的技術(shù)要求，最終確定具體實(shí)施方案為：在針對(duì)目標(biāo)給料量給料過程中，首先啟動(dòng)兩者同時(shí)進(jìn)行物料供給，當(dāng)完成80%目標(biāo)給料量供給時(shí)，停止大螺距（70 mm）給料螺旋攪龍，小螺距（40 mm）給料螺旋攪龍繼續(xù)給料，直至完成目標(biāo)給料量供給，該過程關(guān)系表達(dá)式如式（3）。

式中為目標(biāo)給料量，kg；1為80%目標(biāo)給料量，kg；2為20%目標(biāo)給料量，kg；1為大螺距攪龍給料流量，kg/s；2為小螺距攪龍給料流量，kg/s；1為大小螺距攪龍共同運(yùn)行時(shí)間，s；2為小螺距攪龍單獨(dú)運(yùn)行時(shí)間，s；為總運(yùn)行時(shí)間，s。

為進(jìn)一步分析裝置是否滿足給料精度與給料效率的要求，以確定裝置最優(yōu)工作參數(shù)，由式（3）可得出雙螺旋攪龍完成目標(biāo)給料量80%的時(shí)間1和小螺距攪龍完成目標(biāo)給料量20%的時(shí)間2，從而可計(jì)算出給料總時(shí)間，即=1+2，根據(jù)個(gè)體奶牛飼喂要求可得≤15 s。

3 螺旋給料過程仿真與分析

3.1 物理模型建立

螺旋給料裝置主要由料倉(cāng)、輸料管、螺旋攪龍等組成，利用Solidworks軟件對(duì)其進(jìn)行三維建模，另存為igs格式后導(dǎo)入EDEM軟件幾何體模塊中，仿真重力加速度為9.81 m/s2。在參數(shù)設(shè)定過程中，在測(cè)定物料密度為700 kg/m3基礎(chǔ)上，其他參數(shù)參考文獻(xiàn)[26-29]確定如下：剪切模量2.3×107Pa、泊松比0.3，螺旋攪龍?zhí)匦詤?shù)設(shè)置為密度7 850 kg/m3、剪切模量7×1010Pa、泊松比0.3。根據(jù)輸送物料為顆粒狀且顆粒之間和顆粒與幾何體之間無粘貼現(xiàn)象，接觸模型選用Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型，接觸參數(shù)設(shè)置參考文獻(xiàn)[26-29]，物料顆粒與物料顆粒之間接觸參數(shù)設(shè)置為恢復(fù)系數(shù)0.1、動(dòng)摩擦因數(shù)0.7、靜摩擦因數(shù)0.01，物料顆粒與螺旋攪龍之間接觸參數(shù)設(shè)置為恢復(fù)系數(shù)0.3、動(dòng)摩擦因數(shù)0.5、靜摩擦因數(shù)0.01。

3.2 仿真參數(shù)設(shè)定

在料倉(cāng)正上方設(shè)置顆粒生成平面，屬性虛擬，生成物料顆粒半徑為2 mm，在前期仿真基礎(chǔ)上，為保證仿真過程螺旋攪龍物料輸送過程連續(xù)穩(wěn)定，設(shè)置顆粒總數(shù)為60 000個(gè)，生成位置隨機(jī)，為加快顆粒生成速度，在顆粒下落方向設(shè)置顆粒速度為2 m/s。當(dāng)顆粒全部生成之后，螺旋攪龍開始旋轉(zhuǎn)輸送物料，攪龍轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為80、100及120 r/min，瑞利時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為25%[30]，顆粒生成和排出過程總仿真時(shí)間為20 s。

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

給料穩(wěn)定性利用給料速度變異系數(shù)來進(jìn)行描述，對(duì)各組不同目標(biāo)給料量和測(cè)得的實(shí)際下料量進(jìn)行比較得出變異程度。給料速度變異系數(shù)越小說明該水平組合下數(shù)據(jù)的變異程度就越小，螺旋攪龍的給料穩(wěn)定性越好。根據(jù)公式（6）計(jì)算變異系數(shù)。

式中為樣本的標(biāo)準(zhǔn)差；為樣本的均值。

給料精度指標(biāo)利用相對(duì)誤差進(jìn)行描述，通過對(duì)比實(shí)際給料質(zhì)量和目標(biāo)給料質(zhì)量之間的差異得出相對(duì)誤差。當(dāng)確定實(shí)際給料質(zhì)量和目標(biāo)給料質(zhì)量2個(gè)值后利用公式（7）對(duì)相對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算，相對(duì)誤差越小，表明裝置的給料精度越高，反之給料精度越低。

式中為相對(duì)誤差，%；為實(shí)際給料質(zhì)量，kg；0為目標(biāo)給料質(zhì)量，kg。

3.4 仿真結(jié)果分析

顆?？傎|(zhì)量在仿真總時(shí)間內(nèi)先逐漸增加（顆粒生成階段），當(dāng)達(dá)到某一穩(wěn)定值時(shí)開始逐漸減少（顆粒排出階段）。在仿真完成后，在仿真分析界面導(dǎo)出顆粒總質(zhì)量隨時(shí)間變化表，選取顆粒排出時(shí)間段中8個(gè)時(shí)間點(diǎn)（0.5～4 s，間隔為0.5 s），通過查找每個(gè)時(shí)間點(diǎn)及其上一時(shí)間點(diǎn)的顆粒質(zhì)量數(shù)值計(jì)算出每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的排出顆粒質(zhì)量，相應(yīng)得出顆粒排出速度，即給料速度。仿真主要對(duì)螺旋攪龍?jiān)谳斔臀锪线^程中給料速度的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。仿真40 mm攪龍、70 mm攪龍的給料情況如表2所示。

表2 40、70 mm攪龍不同轉(zhuǎn)速、給料時(shí)間下的給料量及給料速度

由表2可得不同攪龍轉(zhuǎn)速下40、70 mm攪龍的給料速度均值及變異系數(shù)，具體結(jié)果如表3所示。

表3 給料速度均值及變異系數(shù)表

通過表3可得，螺距為40 mm攪龍?jiān)谵D(zhuǎn)速為80、100、120 r/min時(shí)，給料速度范圍為0.041 6～0.060 6 kg/s，螺距為70 mm攪龍?jiān)谵D(zhuǎn)速為80、100、120 r/min時(shí)，給料速度范圍為0.082 6～0.125 8 kg/s，其中40 mm攪龍轉(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)變異系數(shù)為0.052 2，70 mm攪龍轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)變異系數(shù)為0.105 2，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析變異系數(shù)大于15%時(shí)數(shù)據(jù)就不正常，得出該裝置給料穩(wěn)定性較好，符合給料要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)儀器與材料

儀器：天平（精度為0.002 kg）、秒表。

試驗(yàn)材料：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

4.2 給料穩(wěn)定性試驗(yàn)

試驗(yàn)因素為攪龍螺距、轉(zhuǎn)速，其中螺距水平值為40和70 mm，轉(zhuǎn)速水平值為80、100、120 r/min。通過試驗(yàn)，測(cè)得螺距40和70 mm攪龍組合在各轉(zhuǎn)速下5、8和10 s時(shí)的給料速度，重復(fù)試驗(yàn)10次，測(cè)得給料量并計(jì)算出給料速度均值及變異系數(shù)，如表4所示。

表4 40、70 mm攪龍不同轉(zhuǎn)速、給料時(shí)間下的給料量、給料速度均值及變異系數(shù)

通過表4可得，40 mm螺距攪龍?jiān)谵D(zhuǎn)速為80、100、120 r/min時(shí)，給料速度范圍為0.124～0.222 kg/s，70 mm螺距攪龍?jiān)谵D(zhuǎn)速為80、100、120 r/min時(shí)，給料速度范圍為0.259～0.400 kg/s，其中40 mm攪龍?jiān)谵D(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)變異系數(shù)為0.022，70 mm攪龍?jiān)谵D(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)變異系數(shù)為0.005，給料穩(wěn)定性均較好，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

4.3 給料精度試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中，將精飼料給料量設(shè)置為6 kg，按照“先快后慢，先粗后精”給料方式，根據(jù)式（4）、式（5）計(jì)算各攪龍給料時(shí)間，并進(jìn)一步控制各攪龍的運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)定各攪龍轉(zhuǎn)速并進(jìn)行給料，測(cè)量實(shí)際下料量，由式（7）計(jì)算相對(duì)誤差，實(shí)際給料量及給料相對(duì)誤差如表5所示。

表5 40、70mm攪龍不同工作參數(shù)及其對(duì)應(yīng)相對(duì)誤差

由表5可得，40 mm攪龍和70 mm攪龍?jiān)?0、100、120 r/min等不同工作轉(zhuǎn)速組合下，給料精度均大于95%，根據(jù)奶牛精細(xì)養(yǎng)殖給料時(shí)間要求，確定40 mm攪龍轉(zhuǎn)速120 r/min、70 mm攪龍轉(zhuǎn)速100 r/min，裝置給料總時(shí)間14.1s，給料量6.009 kg，給料相對(duì)誤差0.165%，即裝置給料精度不低于99.835%，符合奶牛精確飼喂效率與精度要求。

5 結(jié) 論

根據(jù)個(gè)體奶牛精確養(yǎng)殖要求，在設(shè)計(jì)的等徑雙螺旋精確給料的奶牛飼喂裝置基礎(chǔ)上，理論分析了物料輸送速度與給料時(shí)間，并分別采用仿真試驗(yàn)及驗(yàn)證試驗(yàn)的方法對(duì)等徑雙螺旋精確給料裝置進(jìn)行了研究，并得到了以下結(jié)論：

1）通過Solidworks三維建模以及EDEM給料過程離散元仿真，確立了40、70 mm螺距攪龍最優(yōu)轉(zhuǎn)速組合為120、100 r/min，并在搭建的雙螺旋給料飼喂裝置上，對(duì)40 mm攪龍和70 mm攪龍進(jìn)行了給料穩(wěn)定性試驗(yàn)，結(jié)果顯示：40 mm螺距攪龍轉(zhuǎn)速120 r/min和70 mm攪龍轉(zhuǎn)速100 r/min時(shí)變異系數(shù)分別為0.022和0.005，給料穩(wěn)定性最優(yōu)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。

2）在對(duì)給料穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)上，通過搭建的雙螺旋給料飼喂裝置對(duì)裝置進(jìn)行了給料精度試驗(yàn)，結(jié)果顯示：40、70 mm攪龍轉(zhuǎn)速組合為120、100 r/min時(shí)，給料時(shí)間為14.1 s，給料量6.009 kg，給料精度不低于99.835%，符合奶牛精確飼喂效率與精度要求。

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Analysis and test of feeding performance of dual-spiral cow feeding device based on EDEM

Qi Jiangtao, Meng Hewei※, Kan Za, Li Chengsong, Li Yaping

(,832000,)

Dairy industry is an economic and efficient livestock husbandry, and it is also an important component of modern agriculture. The healthy development of dairy industry is of great significance for improving the structure of agriculture, for improving the living standards of the people and for promoting the development level of animal husbandry and breeding industry. In recent years, with the rapid development of all sectors of society, people’s living standards are improved; the demand for dairy products and quality requirements are increasing. However, the traditional way of artificial feeding has been unable to meet the needs of rapid development of large scale dairy farms, and scientization, intelligence and automation for cow feeding process have become an inevitable trend. Therefore, for the feeding status of concentrate for dairy cattle, a feeding device based on equal diameter and dual-spiral precision feeding is designed in this paper, which can achieve the accurate supply of concentrate according to the demand of individual cow feeding.The device is mainly composed of a storage bunker, a dual-spiral feeding device and a control system, and the 2 kinds of screw pitches of the dual-spiral feeding device are 40 and 70 mm, respectively. The screw auger device of 70 mm pitch is used to improve the feeding efficiency of the device. And the screw auger device of 40 mm pitch is used to improve the feeding accuracy. By combining the screw auger devices of big pitch and small pitch, the feeding of pellet feed can be quickly and accurately completed within a specified time. The specific work process is as follows: When feeding the target quantity, start both of the material supply ways at the same time; when 80% is completed, stop the screw auger device of big pitch (70 mm pitch), and the screw auger device of small pitch (40 mm pitch) continues to feed until achieving target feed delivery. In the process of design and research, the main structure parameters of the pellet feed feeding device are designed. The dual-spiral feeding device is modeled by using Solidworks software, and EDEM (enhanced discrete element method) software is used to simulate the feeding process of the screw auger devices of 40 and 70 mm at different rotating speeds (80, 100 and 120 r/min) respectively. The results showed that the variation coefficient of the screw auger device of 40 mm pitch was 0.052 2 when the rotation speed was 120 r/min, the variation coefficient of the screw auger device of 70 mm pitch was 0.105 2 when the rotation speed was 100 r/min. In order to further verify the simulation results, a cow feeding device based on equal diameter and dual-spiral precision feeding was set up. Feeding speed stability index was described by variation coefficient, relative error was used to evaluate feeding precision index, and feeding performance test of the screw auger devices of 40 and 70 mm pitch was carried out. The feeding speed was measured at 5, 8 and 10 s in different rotation speeds, and the repetition experiment was carried out 10 times. The results showed when the rotation speed of the screw auger device of 40 mm pitch was 120 r/min and that of the screw auger device of 70 mm pitch was 100 r/min, the feeding stability was the best. The experimental results are consistent with the simulation results. On the basis of the feeding stability of the verification device, the feeding accuracy was tested. The screw auger devices of 40 and 70 mm pitch cooperate in different working speeds, feeding accuracy is not less than 95%; when the rotation speed of the screw auger device of 40 and 70 mm pitch is 120 and 100 r/min, respectively, the feeding time is 14.1 s, the actual feeding quantity is 6.009 kg, and the device feeding accuracy is not less than 99.835%. The results conform to the requirements of the cow precise feeding for efficiency and precision.

control systems; models; tests; cow; dual－spiral; feeding device; feeding speed; stability

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.009

S817.12

A

1002-6819(2017)-24-0065-07

2017-08-15

2017-11-03

兵團(tuán)應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2016AG011）；兵團(tuán)工業(yè)及高新技術(shù)科技攻關(guān)與成果轉(zhuǎn)化計(jì)劃項(xiàng)目（2015AB001）；石河子大學(xué)科技項(xiàng)目（ZZZC201740B）

戚江濤，男，內(nèi)蒙古赤峰人，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化工程。Email：qjt510014078@163.com

蒙賀偉，男，新疆伊犁新源縣人，副教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化工程。Email：mhw_mac@shzu.edu.cn

戚江濤，蒙賀偉，坎 雜，李成松，李亞萍. 基于EDEM的雙螺旋奶牛飼喂裝置給料性能分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(24)：65－71. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.009 http://www.tcsae.org

Qi Jiangtao, Meng Hewei, Kan Za, Li Chengsong, Li Yaping. Analysis and test of feeding performance of dual-spiral cow feeding device based on EDEM[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 65－71. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.009 http://www.tcsae.org