鏈盤(pán)式飼料輸送機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能分析

甘 玲，黃瑞森，羅喬軍

（廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630）

0 引言

生豬飼喂工序占總工序勞動(dòng)量的40%，國(guó)內(nèi)外學(xué)者長(zhǎng)期致力于飼喂過(guò)程自動(dòng)化、智能化研究，先后開(kāi)發(fā)了智能型飼喂站和管道式輸送設(shè)備[1-5]。管道式輸送設(shè)備通過(guò)長(zhǎng)距離輸送將飼料投放進(jìn)各飼喂站，飼喂站實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)飼喂，從而提高生豬生長(zhǎng)性能。目前市場(chǎng)應(yīng)用較多的管道式輸送設(shè)備為索盤(pán)式結(jié)構(gòu)，由封閉的管道、注塑在鋼索上的刮盤(pán)組成，鋼索牽引刮盤(pán)在管道中運(yùn)行，從而將輸送管道內(nèi)的飼料送至生豬食槽[6-8]。索盤(pán)存在的問(wèn)題主要為：①多根細(xì)小鋼繩螺旋卷在一起而制成大鋼索，制造工藝麻煩；②刮盤(pán)與鋼繩以注塑形式結(jié)合，極易滑脫，一個(gè)刮盤(pán)滑脫則整條運(yùn)輸鏈便會(huì)報(bào)廢。黃瑞森[9]等通過(guò)在鋼索上穿插釘子，再在釘子處注塑刮盤(pán)，增加了鋼索與刮盤(pán)之間的粘結(jié)力，但該結(jié)構(gòu)在釘子穿插鋼索時(shí)，給鋼索帶來(lái)了沖擊應(yīng)力，降低了鋼索抗拉能力，限制了鋼索使用壽命。本文提出一種鏈盤(pán)式結(jié)構(gòu)，用各鏈環(huán)相扣鏈接組成鏈條替代鋼索，刮盤(pán)注塑在鏈環(huán)上，提高了鏈盤(pán)之間的粘結(jié)力，提高了產(chǎn)品輸送長(zhǎng)度。當(dāng)設(shè)備輸送長(zhǎng)度增大，刮盤(pán)與管道之間阻力增大時(shí)不會(huì)出現(xiàn)滑脫現(xiàn)象[10,11]。

轉(zhuǎn)角器為輸送機(jī)中改變輸送方向的部件，由轉(zhuǎn)輪外轂與圓盤(pán)殼體形成鏈盤(pán)轉(zhuǎn)向通道，但轉(zhuǎn)輪外轂與圓盤(pán)殼體存在很大的間隙，容易讓飼料進(jìn)入輪轂中央。長(zhǎng)期充滿、滯留在輪轂中央的飼料被壓實(shí)、摩擦生熱，不但增加了整個(gè)飼喂輸送系統(tǒng)動(dòng)力能耗，也會(huì)造成飼料在轉(zhuǎn)角輪中發(fā)霉和腐爛腐蝕，嚴(yán)重影響生豬的健康生長(zhǎng)和設(shè)備的使用壽命。本文通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)角器結(jié)構(gòu)，解決了該項(xiàng)問(wèn)題。

1 鏈盤(pán)式飼料輸送機(jī)的工作原理

鏈盤(pán)式飼料輸送設(shè)備由料倉(cāng)、輸送管道、刮盤(pán)鏈條、驅(qū)動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)角器以及出料機(jī)構(gòu)組成（如圖1所示）。生豬飼料儲(chǔ)存在料倉(cāng)中，通過(guò)料斗進(jìn)入輸送管道，并分布于各個(gè)刮盤(pán)之間。驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，牽引鏈盤(pán)在管道中移動(dòng)，從而帶動(dòng)刮盤(pán)之間飼料運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飼料輸送的功能。飼料輸送至出料機(jī)構(gòu)后進(jìn)入豬舍末端食料箱，食料箱設(shè)有滿料傳感器，當(dāng)食料箱空料時(shí)，設(shè)備控制系統(tǒng)開(kāi)啟輸送模式；當(dāng)食料箱滿料后，控制系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉設(shè)備。為適應(yīng)生豬養(yǎng)殖場(chǎng)空間布局，飼料輸送管道必然會(huì)出現(xiàn)垂直交叉布置的場(chǎng)景，管道之間的轉(zhuǎn)向連接通常由轉(zhuǎn)角器完成。

圖1 鏈盤(pán)式飼料輸送設(shè)備示意圖

2 鏈盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能分析

2.1 鏈盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

飼料輸送機(jī)鏈盤(pán)由刮盤(pán)和鏈環(huán)組成（如圖2所示），刮盤(pán)注塑在鏈環(huán)中心，分為刮料部、包裹部以及包裹凸起。刮料部外徑設(shè)計(jì)應(yīng)保證輸送管道內(nèi)壁與刮盤(pán)之間留有 2～5 mm間隙，保障刮盤(pán)在管道內(nèi)運(yùn)行通暢。包裹部呈圓錐結(jié)構(gòu)，且圓錐體厚度應(yīng)大于刮盤(pán)部厚度，從而增強(qiáng)刮盤(pán)與鏈環(huán)之間的抗拉強(qiáng)度，使鏈環(huán)不受損壞，不會(huì)滑脫。包裹凸起呈圓柱體，向鏈環(huán)方向延伸，增加鏈環(huán)與刮盤(pán)之間的接觸面積，進(jìn)一步提升抗拉能力。

圖2 鏈盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)長(zhǎng)距離輸送中刮盤(pán)極易沿著鏈環(huán)方向整體滑脫的問(wèn)題，在鏈環(huán)上設(shè)計(jì)一根垂直鋼桿，與鏈環(huán)在水平、垂直方向呈均勻分布，通過(guò)焊接方式連接。鋼桿完全包裹在刮盤(pán)內(nèi)。鋼桿與鏈環(huán)垂直焊接，又與刮盤(pán)注塑聯(lián)接，有效防止了刮盤(pán)整體在鏈環(huán)方向的滑脫，也進(jìn)一步提升了刮盤(pán)與鏈環(huán)之間的抗拉能力。

2.2 鏈盤(pán)性能試驗(yàn)分析

鏈盤(pán)拉力試驗(yàn)采用ZL-5000萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，如圖3所示，設(shè)備性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 ZL-5000萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)性能參數(shù)

試驗(yàn)樣品由3節(jié)刮盤(pán)及鏈環(huán)組成，左側(cè)第一個(gè)刮盤(pán)與鏈環(huán)發(fā)生整體滑脫，如圖4所示。根據(jù)鏈環(huán)形狀配備專用夾具，夾持第1節(jié)和第3節(jié)刮盤(pán)，如圖3所示。ZL-5000萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)設(shè)定加載速度后自動(dòng)加載，設(shè)備自動(dòng)采集記錄拉力試驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生的最大拉力和最大拉力時(shí)發(fā)生的形變。鏈環(huán)與鏈環(huán)之間環(huán)環(huán)相扣，相對(duì)于刮盤(pán)與鏈環(huán)之間注塑聯(lián)接，抗拉能力強(qiáng)上幾個(gè)等級(jí)。試驗(yàn)裝置檢測(cè)到的數(shù)據(jù)為刮盤(pán)與鏈環(huán)之間的最大拉力和最大拉力時(shí)的形變。

圖3 ZL-5000萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)

圖4 傳統(tǒng)鏈盤(pán)拉力試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，加鋼桿鏈盤(pán)相對(duì)普通鏈盤(pán)抗拉能力提升了95.1%，鋼桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)顯著提升刮盤(pán)與鏈環(huán)之間的抗拉能力，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。隨著刮盤(pán)與鏈盤(pán)之間抗拉能力的提升，當(dāng)刮盤(pán)上加載最大抗拉力時(shí)，出現(xiàn)的形變也顯著增大。

表2 鏈盤(pán)拉力試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

鏈盤(pán)式飼料輸送機(jī)在溫氏集團(tuán)、東瑞集團(tuán)工程應(yīng)用表明，普通鏈盤(pán)輸送機(jī)當(dāng)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度達(dá)250 m時(shí)，3個(gè)月運(yùn)行期會(huì)出現(xiàn)刮盤(pán)脫落、破損現(xiàn)象，加鋼桿的鏈盤(pán)則不會(huì)發(fā)生。加鋼桿的鏈盤(pán)輸送機(jī)當(dāng)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度達(dá)400 m時(shí)，3個(gè)月運(yùn)行期刮盤(pán)脫落、破損現(xiàn)象也極少出現(xiàn)。由此可見(jiàn)，鏈盤(pán)設(shè)計(jì)鋼桿結(jié)構(gòu)可有效提升輸送機(jī)的輸送長(zhǎng)度。

3 轉(zhuǎn)角器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能分析

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)角器由殼體、轉(zhuǎn)輪、主軸、軸承、進(jìn)出聯(lián)結(jié)口組成，如圖5所示。轉(zhuǎn)輪由外轂、內(nèi)轂和輻條組成。轉(zhuǎn)輪外轂和前后殼體組成輸送鏈條通道，飼料輸送鏈盤(pán)在轉(zhuǎn)輪外轂的支撐下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并改變鏈盤(pán)的運(yùn)動(dòng)方向。進(jìn)聯(lián)接口與進(jìn)料管道相連，出聯(lián)接口與出料管道相連，一般管道垂直布置，進(jìn)出聯(lián)接口也垂直設(shè)計(jì)。由于轉(zhuǎn)輪外轂與圓盤(pán)殼體存在很大的間隙，造成飼料進(jìn)入轉(zhuǎn)輪容納腔，長(zhǎng)期充滿、滯留、壓實(shí)和摩擦生熱，不但增加了整個(gè)飼喂輸送系統(tǒng)動(dòng)力能耗，更會(huì)造成飼料在轉(zhuǎn)角輪中結(jié)露發(fā)霉和腐爛腐蝕，嚴(yán)重影響豬健康生長(zhǎng)和設(shè)備使用壽命。

3.1 轉(zhuǎn)角器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為減少飼料在轉(zhuǎn)輪容納腔的積壓，通過(guò)增大外轂軸向?qū)挾龋谕廨瀮蓚?cè)設(shè)計(jì)前后襯板，外轂與襯板交疊平行安裝，擋住輸送鏈條通道，減少飼料落入轉(zhuǎn)輪容納腔。此外在外轂上設(shè)計(jì)若干缺口和凸出部，襯板一端與靠近輸送鏈條通道進(jìn)口端的外轂缺口形成轉(zhuǎn)輪容納腔內(nèi)飼料出口。在輻條上設(shè)計(jì)弧形撥料結(jié)構(gòu)，當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)輪容納腔的飼料在撥料結(jié)構(gòu)的撥動(dòng)下集中在外轂凸出部，并通過(guò)周向轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入飼料出口，從而清除轉(zhuǎn)輪容納腔內(nèi)的飼料，防止飼料在容納腔內(nèi)積壓、發(fā)霉。

3.2 轉(zhuǎn)角器性能試驗(yàn)分析

設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)角器性能對(duì)比試驗(yàn)，在1套鏈盤(pán)式飼料輸送機(jī)同一轉(zhuǎn)角位置分別采用2種不同的轉(zhuǎn)角器開(kāi)展飼料輸送試驗(yàn)，每次試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)1 h。試驗(yàn)結(jié)束打開(kāi)轉(zhuǎn)角器，測(cè)定轉(zhuǎn)角器轉(zhuǎn)輪容納腔殘留的飼料質(zhì)量，計(jì)算容納腔殘留飼料填充率（殘留飼料質(zhì)量/容納腔填滿狀態(tài)飼料質(zhì)量）。

表3 轉(zhuǎn)角器容納腔飼料填充率 %

經(jīng)多組試驗(yàn)對(duì)比分析（表3），轉(zhuǎn)角器結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，轉(zhuǎn)輪容納腔飼料填充率顯著下降，由79.2%降至28%。容納腔內(nèi)飼料明顯減少，解決了大量飼料殘留發(fā)霉的問(wèn)題。

4 結(jié)論

1）鏈盤(pán)式飼料輸送機(jī)采用鏈盤(pán)取代索盤(pán)結(jié)構(gòu)，在刮盤(pán)注塑結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)包裹部以及包裹凸起，提高了刮盤(pán)與鏈條之間的粘結(jié)力，解決了索盤(pán)極易脫落的問(wèn)題。

2）鏈環(huán)上焊接1根垂直鋼桿，增大了鏈環(huán)與刮盤(pán)之間的注塑聯(lián)接面積，經(jīng)檢測(cè)，相對(duì)普通鏈盤(pán)抗拉能力提升了95.1%，輸送機(jī)的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度由此可提升至400 m。

3）通過(guò)增大轉(zhuǎn)角器外轂軸向?qū)挾?，在外轂兩?cè)設(shè)計(jì)前后襯板，有效減少了輸送鏈條通道內(nèi)飼料進(jìn)入轉(zhuǎn)輪容納腔，同時(shí)在撥料機(jī)構(gòu)和外轂凸起部作用下，可排出容納腔的飼料。經(jīng)試驗(yàn)分析表明，轉(zhuǎn)角器結(jié)構(gòu)優(yōu)化將殘留飼料填充率由79.2%下降至28%，解決了大量飼料殘留發(fā)霉的問(wèn)題。