自走式精確飼喂車(chē)攪拌系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

季 鏵 石榮玲

（徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018）

隨著我國(guó)畜牧養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，以往傳統(tǒng)的飼喂方式已經(jīng)滿足不了現(xiàn)今的生產(chǎn)需求?，F(xiàn)階段，已經(jīng)采納規(guī)模化飼養(yǎng)方式的畜牧場(chǎng)大多數(shù)選擇了全混合日糧（Total Mixed Rations，TMR）飼喂模式。TMR飼喂模式是根據(jù)牲口不同的生長(zhǎng)階段對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需要或是不同的飼養(yǎng)目的，通過(guò)調(diào)控營(yíng)養(yǎng)和日糧配方，將精、粗飼料加入攪拌車(chē)中經(jīng)過(guò)切割、攪拌、混勻等程序之后，再投到飼料槽中進(jìn)行喂養(yǎng)的一種飼喂技術(shù)［1-2］。采用TMR飼喂技術(shù)，可以提高攪拌飼料的質(zhì)量，也可以提高生產(chǎn)效率，同時(shí)解放勞動(dòng)力，有效地解決人力運(yùn)輸飼料和喂料的問(wèn)題。鑒于此，對(duì)機(jī)械化養(yǎng)殖、飼喂裝備的研究顯得尤為迫切。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)備方案選型

本次設(shè)計(jì)的飼喂車(chē)是針對(duì)中小型牧場(chǎng)的，因此要求能夠進(jìn)入較矮牛舍，有時(shí)也會(huì)人工上料，所以設(shè)備的上料高度不能太高。另外，由于TMR配方中需要對(duì)植物的根莖及較長(zhǎng)的料草進(jìn)行處理，所以，在滿足切割、攪拌的基礎(chǔ)上還要求帶有揉搓功能。

通過(guò)估測(cè)所需料草的容量，結(jié)合牧場(chǎng)的規(guī)模、牛群量、牛舍的建筑結(jié)構(gòu)、門(mén)高、過(guò)道的寬度、允許的車(chē)輛拐彎半徑、飼料每次的飼喂量和飼喂次數(shù)等，對(duì)市場(chǎng)上普遍采用的TMR飼喂車(chē)進(jìn)行性能參數(shù)對(duì)比（見(jiàn)表1）及容積的選擇（見(jiàn)表2）［3］，最終確定選用臥式攪拌系統(tǒng)機(jī)型。

表1 立式攪拌系統(tǒng)和臥式攪拌系統(tǒng)性能指標(biāo)對(duì)比

另外，通過(guò)研究中小型牧場(chǎng)飼料的需求量，確定所設(shè)計(jì)的自走式精確飼喂車(chē)的有效處理容積為9.0 m3，以此為依據(jù)計(jì)算飼喂車(chē)的整體機(jī)構(gòu)尺寸。

表2 TMR系統(tǒng)容積的選擇

1.2 總體結(jié)構(gòu)確定

如圖1所示，自走式精確飼喂車(chē)的總體結(jié)構(gòu)主要由底盤(pán)車(chē)架和上帶的攪拌系統(tǒng)組成。其中，攪拌系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)依靠動(dòng)力箱。自走式精確飼喂車(chē)的參數(shù)詳見(jiàn)表3。

圖1 自走式精確飼喂車(chē)總體結(jié)構(gòu)

表3 自走式精確飼喂車(chē)總體參數(shù)

2 攪拌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)設(shè)計(jì)

攪拌系統(tǒng)的動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)提供，其工作較熱機(jī)更加穩(wěn)定、高效。在此先確定攪拌系統(tǒng)的主要傳動(dòng)方案：在動(dòng)力箱內(nèi)，電動(dòng)機(jī)輸出原動(dòng)力，傳遞到減速器，又經(jīng)過(guò)減速器傳遞到攪拌系統(tǒng)，作為攪龍的動(dòng)力來(lái)源。傳動(dòng)示意如圖2所示。

圖2 攪拌系統(tǒng)傳動(dòng)示意圖

2.2 混料箱的設(shè)計(jì)

查閱資料得出物料混合的摩擦角為43.0°，其休止角為59.0°。要使料草能夠順滑下落，混料箱的壁面和水平夾角設(shè)為77.5°，箱底傾角20.0°。規(guī)模化奶牛場(chǎng)牛舍的長(zhǎng)度為65.0～90.0 m，寬度2.7～3.0 m，一般中小型牧場(chǎng)能夠達(dá)到3～5欄。而且飼料的混合容重在160～200 kg/m3。計(jì)算每一批次混合料草原料的體積為7.4 m3。由于一般設(shè)備允許加料在容積的85%之內(nèi)，所以將設(shè)計(jì)的混料箱容積控制在11.0 m3左右。

如圖3所示，混料箱的長(zhǎng)寬高為5 640 mm×1 600 mm×1 500 mm?；炝舷漤敳繛檫M(jìn)料口，為達(dá)到攪拌效果，混料箱內(nèi)部設(shè)計(jì)成傾斜狀。箱體下方為支撐架?；炝舷涞牟馁|(zhì)選用耐磨鋼板，厚度為6 mm?；炝舷湎潴w前后貫穿2根傳動(dòng)軸，直徑114 mm，長(zhǎng)5 620 mm。由此可得，V=長(zhǎng)×寬×高=13.500 m3；V箱=V×體積系數(shù)=11.500 m3；V軸=π×（d/2）2×h=0.057 m3。

圖3 混料箱結(jié)構(gòu)

按照設(shè)計(jì)要求，此攪拌設(shè)備能夠?qū)α喜葸M(jìn)行粉碎揉搓的處理。由于料箱空間在處理料草時(shí)本身裝料的體積不應(yīng)超過(guò)總體積的85%，所以此設(shè)備的工作容積因控制在8.5～9.2 m3。當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)部的兩根傳動(dòng)軸對(duì)工作的影響可忽略不計(jì)。工作運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間在12～25 min，飼料混合的均勻度在97%左右。

2.3 攪龍的設(shè)計(jì)

在實(shí)際生產(chǎn)中，螺旋攪龍的設(shè)計(jì)除了要滿足生產(chǎn)實(shí)際需求外，還要具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、壽命長(zhǎng)、混合效果理想、功耗低及維護(hù)方便等特點(diǎn)。螺旋攪龍是整個(gè)攪拌系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件，一定要保證其設(shè)計(jì)的合理性。

2.3.1 攪龍軸的設(shè)計(jì)。由于料箱的整體長(zhǎng)度為5 640 mm，料箱的前后端蓋上都有鉸制孔，可以用于裝配軸承，為了便于對(duì)攪龍軸進(jìn)行安裝拆卸，將軸長(zhǎng)設(shè)計(jì)得比料箱稍短，為5 500 mm。查閱手冊(cè)，選取螺旋攪龍的葉片內(nèi)徑為d=（0.02～0.40）L，L為攪龍的軸長(zhǎng)，取值5 500 mm，d=0.027×5 500=180 mm，查得攪龍的壁厚為6 mm。

為減輕質(zhì)量，攪龍軸為空心軸，其兩端的裝配情況如圖4所示。承載段與軸尖相配合，軸肩（裝配軸承）段與球軸承相配合，兩段分別負(fù)責(zé)承重和轉(zhuǎn)矩的傳遞。

圖4 攪龍螺旋軸的裝配

2.3.2 攪龍葉片的設(shè)計(jì)。在實(shí)際的飼料攪拌過(guò)程中，由于攪龍可能由于設(shè)計(jì)的缺陷造成飼料攪拌不當(dāng)，從而降低質(zhì)量。所以，要著重對(duì)攪龍螺旋進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

攪龍葉片的螺旋角應(yīng)取適合的角度，為了避免攪拌過(guò)程的對(duì)流混合，螺旋角一般取45°+θ/2，通過(guò)查閱手冊(cè)得到料草和螺旋葉片在混合過(guò)程中的摩擦系數(shù)為μ=0.25，所以θ=arctan0.25=14.04°。所以，螺旋葉片的螺旋角為45°+14.04°/2=52.02°，取整為52°。

2.3.3 攪龍螺旋葉片的直徑和螺距參數(shù)的設(shè)計(jì)。首先，對(duì)自走式精確飼喂車(chē)的生產(chǎn)率進(jìn)行計(jì)算，檢驗(yàn)攪拌系統(tǒng)的攪拌效率。計(jì)算公式如下：

式（1）中，v為料箱的容積，μ為料箱有效容積系數(shù)，γ為原料的容重（kg/m3），Σt為混合一次需要用的時(shí)間（min）。

每一次飼料混合的時(shí)間設(shè)置為12 min?；炝舷涞挠行莘e為9 m3，待混飼草的容重為160～200 kg/m3，所以Q=9 000 kg/h。

然后，確定攪龍葉片的直徑和螺距，其是攪拌系統(tǒng)的2個(gè)重要參數(shù)，決定著攪拌系統(tǒng)的性能，一般通過(guò)生產(chǎn)率、轉(zhuǎn)速及直徑比例系數(shù)來(lái)確定。查手冊(cè)得料草的堆積重為130 kN/m3，則螺旋葉片的外徑為：

式（2）中，Q為飼喂車(chē)的生產(chǎn)率，kg/h；φ為原料充滿系數(shù)，取0.60～0.85；K為臨界轉(zhuǎn)速的取用系數(shù)（按最大臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算，實(shí)際用不到那么大）；λ為原料的堆積重；n為攪龍的轉(zhuǎn)速。

計(jì)算結(jié)果為D=0.478 m。選取螺旋葉片的直徑為500 mm，則查手冊(cè)得葉片螺距和直徑的關(guān)系為t=0.854×D［3］，所以螺距為t=427 mm。

2.3.4 攪龍葉片距離底端半圓面間隙。在出料的過(guò)程中，攪龍葉片和混料箱底部間隙愈小，則出料結(jié)束后混料箱剩余的飼料量愈少，但同時(shí)也會(huì)有加大葉片阻力的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還伴有料箱內(nèi)壁的磨損，以及噪聲和無(wú)用功的損耗增加［4］。綜合考慮各種因素，取得底部半圓面和攪龍葉片間隙δ=12 mm。

2.3.5 攪龍轉(zhuǎn)速的確定。攪龍的轉(zhuǎn)速對(duì)于臥式TMR飼料攪拌設(shè)備來(lái)說(shuō)是最重要的參數(shù)之一，其選擇是否合適直接影響飼料混合的均勻程度。

飼料在混合攪拌中，要經(jīng)歷軸向的運(yùn)動(dòng)和反復(fù)的翻滾。要想獲得較好的混合效果，就必須避免飼料的連續(xù)拋起，以及在做復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)由于離心劇烈而產(chǎn)生的離析。所以，可用的最大臨界轉(zhuǎn)速公式如下：

式（3）中，nmax危攪龍的臨界轉(zhuǎn)速；R為螺旋葉片半徑，計(jì)算出葉片直徑D=500 mm，故R=250 mm；g為重力加速度；K為料草的混料系數(shù)（臥式攪拌設(shè)備為0.5～0.6［3］），本裝置的物料綜合系數(shù)K取0.594。

計(jì)算結(jié)果為nmax=36 r/min。查閱手冊(cè)，攪龍螺旋機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速一般為20～60 r/min，由于混合的飼料以及工況有多種不確定性，實(shí)際的攪龍轉(zhuǎn)速應(yīng)取n=30～36 r/min。

2.3.6 攪拌系統(tǒng)動(dòng)力的確定。在臥式機(jī)型的攪拌作業(yè)中，由于攪龍的受力相當(dāng)復(fù)雜，對(duì)于臥式機(jī)型的動(dòng)力功率計(jì)算公式如下：

式（4）中，N為攪拌設(shè)備功率，W；Q為飼料的生產(chǎn)率，取0.75；K1為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（一般取1.1～1.5），取1.4。

計(jì)算結(jié)果為N=17 010 W。所以，可用Y2180M-4三相異步電機(jī)。其額定功率為18.5KW，額定轉(zhuǎn)速為1480 r/min，頻率為50 HZ。其通過(guò)減速器、聯(lián)軸器將轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳遞至攪龍，使其在安全轉(zhuǎn)速內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3.7 攪龍的確定。為了豐富攪龍攪拌的形式，除按照以上計(jì)算，前部設(shè)計(jì)成螺旋葉片，尾部設(shè)計(jì)成葉輪狀，如圖5所示，螺旋部分為5 033 mm，葉輪部分為467 m。

圖5 攪龍模型

2.4 攪龍上刀片設(shè)計(jì)

在料草混合過(guò)程中，臥式設(shè)備要對(duì)植物根莖進(jìn)行粉碎、揉搓處理。要想達(dá)到良好的效果，就需要在攪龍葉片上安裝可拆的鋸齒形刀片，其與料箱內(nèi)壁的定刀片相互配合構(gòu)成剪切面，從而順利完成切割工序［5］。

其中，安裝的刀片結(jié)構(gòu)提高了料草切割的效率，在刀片的每個(gè)刀齒之間都設(shè)計(jì)有凹槽，在混合過(guò)程中凹槽與料箱底部的定刀配合，能夠在切割時(shí)把莖稈較長(zhǎng)的料草夾緊。另外，由于刀片呈圓形，當(dāng)?shù)洱X的一個(gè)面磨損后，其切割功能就會(huì)下降，此時(shí)只需要翻一下刀面，新的刀面可以重新工作，有效降低了維護(hù)成本。

刀片的布置為通過(guò)研究料草下料的方式，在攪龍葉片單位導(dǎo)程之外，螺旋延伸線長(zhǎng)度。延伸螺旋線長(zhǎng)度計(jì)算公式如下：

式（5）中，L表示單位導(dǎo)程外延伸螺旋線長(zhǎng)度，mm；D表示螺旋直徑，mm；t表示螺距，mm。

計(jì)算得出L=1 627 mm。刀片的布置以一個(gè)導(dǎo)程為單元，每200 mm安裝一把動(dòng)刀片，所以攪龍葉片單位導(dǎo)程上，按照計(jì)算可以裝8把刀，如圖6所示。

圖6 刀片安裝模型

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種自走式精確飼喂車(chē)，重點(diǎn)研究其攪拌系統(tǒng)等關(guān)鍵部件，經(jīng)過(guò)分析與研究，確定了攪拌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了攪拌系統(tǒng)中攪龍等部件的參數(shù)，進(jìn)一步確保了該方案的可行性和實(shí)用性。