基于離散元法立式飼料攪拌機(jī)混合過程的模擬

■王 龍 胡 燦 賀小偉 邢劍飛 石 露 侯書林

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆阿拉爾843300；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083）

我國(guó)隨著全混合日糧（TMR）技術(shù)的引入，畜牧產(chǎn)品質(zhì)量得到大幅度提升，該技術(shù)主要是根據(jù)畜禽在不同生長(zhǎng)期的需要，把粗飼料、精飼料和一些添加劑按照一定比例進(jìn)行充分混合，得到營(yíng)養(yǎng)均衡的飼料[1]，而完全混合均勻的飼料才能最大程度上滿足畜禽的營(yíng)養(yǎng)需求[2]，因此，飼料完全混合均勻是全混合日糧技術(shù)的關(guān)鍵，混合效果主要取決于攪拌機(jī)的結(jié)構(gòu)、飼料的物性和混合運(yùn)動(dòng)特性[3]。

目前，在飼料混合方面許多專家學(xué)者都進(jìn)行了研究。甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)張偉等[4]采用試驗(yàn)的方法研究了4 種不同類型飼料混合機(jī)，并得到了不同類型飼料混合機(jī)的最佳混合時(shí)間。新疆石河子大學(xué)郭慶賀等[5]通過試驗(yàn)研究了攪龍轉(zhuǎn)速、加工時(shí)間和充滿系數(shù)等參數(shù)對(duì)混合均勻度的影響，得到了最優(yōu)的工藝參數(shù)。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)周巖民[6]研究了飼料混合均勻度對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)性能的影響，發(fā)現(xiàn)混合均勻程度對(duì)動(dòng)物幼崽期的生長(zhǎng)影響較大。寧夏農(nóng)林科學(xué)院柴君秀等[7]進(jìn)行了全混合日糧技術(shù)和傳統(tǒng)精粗分飼技術(shù)的效果對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明TMR 技術(shù)對(duì)肉羊的飼養(yǎng)效果更好。目前，對(duì)臥式飼料混合攪拌機(jī)和混合均勻度方面的研究較多，而針對(duì)立式飼料攪拌機(jī)的混合特性研究較少。

由于小型立式飼料混合攪拌機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活、成本低和占地面積小等優(yōu)點(diǎn)[8-9]，目前應(yīng)用比較廣泛，整個(gè)裝置如圖1所示。本文基于離散元法對(duì)顆粒飼料（大豆、玉米）在立式飼料攪拌機(jī)中不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)動(dòng)軌跡及混合特性進(jìn)行模擬研究。為立式飼料攪拌機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及混合工藝參數(shù)的確定提供參考。

圖1 立式飼料混合攪拌機(jī)

1 仿真參數(shù)定義

1.1 顆粒

本文模擬的顆粒為大豆和玉米，大豆呈圓球形狀，玉米呈扁平形狀。模擬中應(yīng)用EDEM中的多球產(chǎn)生不同形狀的方法，大豆顆粒由4 個(gè)球形顆粒組成，玉米顆粒由9個(gè)不同直徑的球形顆粒組成，生成的顆粒模型如圖2所示。

圖2 仿真顆粒模型

大豆和玉米顆粒的物性參數(shù)如表1所示[10-12]。

表1 顆粒的物性參數(shù)

1.2 攪拌機(jī)

本文模擬的攪拌機(jī)由錐桶形料筒和4 槳葉攪拌器組成，槳葉長(zhǎng)短不一，模型結(jié)構(gòu)如圖3 所示。攪拌機(jī)的材質(zhì)為鋼材，其物性參數(shù)為：密度為7 800 kg/m3，泊松比為0.3，剪切模量為7×103MPa[13]。

圖3 攪拌機(jī)模型

顆粒與顆粒、顆粒與攪拌機(jī)之間的碰撞參數(shù)如表2所示[14]。

表2 顆粒的碰撞參數(shù)

2 研究方法

本文采用的模型為Hertz-Mindlin（no slip）接觸力學(xué)模型。主要通過研究顆粒群中的某些顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡及顆粒之間的接觸數(shù)來分析大豆顆粒和玉米顆粒之間的混合過程和混合特性。

飼料顆粒在料筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)主要是由顆粒尺寸、料筒尺寸、攪拌器轉(zhuǎn)速以及裝載量等參數(shù)決定[15]。本文主要研究在不同攪拌器轉(zhuǎn)速下的飼料顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡及混合特性。

料筒裝載量：

式中：L——料筒裝載量(%)；

VP——料筒內(nèi)裝載顆粒飼料的體積(m3)；

V——料筒體積(m3)。

混合特性用混合指數(shù)M來表示，混合指數(shù)定義為不同飼料顆粒的接觸數(shù)占總飼料顆粒接觸數(shù)的比例[16]，表示如下：

式中：Csl——不同飼料顆粒的接觸數(shù)；

CT——總飼料顆粒的接觸數(shù)。

當(dāng)兩種飼料顆粒達(dá)到完全隨機(jī)混合時(shí)，混合指數(shù)應(yīng)為0.5[14]。

3 模擬結(jié)果分析

本文為了分析不同轉(zhuǎn)速下的立式攪拌機(jī)的混合特性，將攪拌器的轉(zhuǎn)速設(shè)為25、35 r/min 和45 r/min。大豆顆粒與玉米顆粒按質(zhì)量為1∶1 加入料筒，料筒的裝載量為15%，玉米顆粒標(biāo)記為深黃色，大豆顆粒標(biāo)記為紅色，按先玉米顆粒后大豆顆粒的順序加入，顆粒在料筒內(nèi)穩(wěn)定后攪拌器開始工作，直至混合均勻。

3.1 顆粒混合過程

目前攪拌混合機(jī)理可歸納為對(duì)流混合、擴(kuò)散混合和剪切混合?；旌线^程大致可以分為三個(gè)階段，混合初期以對(duì)流混合為主，混合中期為對(duì)流混合和擴(kuò)散混合共同作用，混合后期顆粒間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡[17]。大豆和玉米顆粒在轉(zhuǎn)速為35 r/min下的混合過程如圖4所示。在混合1.71 s時(shí)混合狀態(tài)如圖4(a)，處于混合初期，兩種顆粒在攪拌器的作用下發(fā)生對(duì)流，顆粒分層仍很明顯，混合速度快，但均勻程度差；在混合5.14 s時(shí)混合狀態(tài)如圖4(b)，處于混合中期，不同顆粒越過新的分界面逐漸離散，混合速度慢，但均勻程度逐漸增大；在混合13.72 s時(shí)混合狀態(tài)如圖4(c)，處于混合后期，顆粒間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，但物性一致的顆粒仍存在集聚現(xiàn)象。

圖4 顆?；旌线^程

3.2 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

取料筒半徑100 mm 處的部分顆粒，得到不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)4 圈過程中運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5 所示，可以看出隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的增大，徑向和軸向上顆粒的運(yùn)動(dòng)范圍均增大，表明轉(zhuǎn)速越大顆粒的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)越劇烈。分析可得由于轉(zhuǎn)速較高時(shí)，顆粒在攪拌器的作用下獲得較大的線速度和離心力，顆粒與顆粒、顆粒與筒壁碰撞力大，導(dǎo)致隨機(jī)運(yùn)動(dòng)更劇烈。

3.3 顆粒運(yùn)動(dòng)速度矢量

不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)4圈的顆粒運(yùn)動(dòng)速度矢量如圖6所示，可以看出顆粒群在攪拌器槳葉的作用下運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)槳葉和短槳葉起到的混合作用不同。短槳葉主要帶動(dòng)軸心附近的顆粒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，由于半徑小，導(dǎo)致顆粒運(yùn)動(dòng)速度小。在短槳葉端部和筒壁之間，速度矢量值最小，幾乎為零。尤其是轉(zhuǎn)速為25 r/min 時(shí)最為明顯，表明轉(zhuǎn)速低時(shí)，槳葉附近的顆粒在槳葉的作用下運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)不劇烈，隨著顆粒之間速度傳遞的損失，到遠(yuǎn)離槳葉處的顆粒時(shí)運(yùn)動(dòng)就幾乎不存在了。長(zhǎng)槳葉主要帶動(dòng)筒壁與軸之間的顆粒運(yùn)動(dòng)，槳葉半徑越大，作用的顆粒區(qū)域越大。隨著槳葉半徑的增加，顆粒群的速度不斷增大，在長(zhǎng)槳葉端部達(dá)到最大。隨著槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng)，長(zhǎng)槳葉前部的顆粒群在槳葉推動(dòng)的作用下向前堆積，堆積到一定高度后顆粒呈瀑布狀向后下落。槳葉后部產(chǎn)生局部滑動(dòng)區(qū)[18]，滑動(dòng)區(qū)周圍顆粒在自重作用下向空的區(qū)域滑移。隨著轉(zhuǎn)速的增加，長(zhǎng)槳葉端部前部堆積的顆粒越高，后部產(chǎn)生的空區(qū)也越大，引起的速度矢量值也越大。可以說明轉(zhuǎn)速越大，混合越劇烈。

3.4 顆?；旌咸匦?/h3>

在不同轉(zhuǎn)速下，顆粒的混合指數(shù)隨混合時(shí)間的變化關(guān)系如圖7所示。由圖中可知，三種轉(zhuǎn)速下的混合指數(shù)隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本相同。在0～4 s內(nèi)，混合指數(shù)與時(shí)間的變化規(guī)律近似線性關(guān)系，顆?；旌线^程在此階段混合指數(shù)增長(zhǎng)快，轉(zhuǎn)速越高斜率越大。隨后，混合指數(shù)增長(zhǎng)速度放緩，到15 s后逐漸趨于穩(wěn)定，且15 s后不同轉(zhuǎn)速下混合指數(shù)差別不大，但在后期轉(zhuǎn)速越高引起的混合指數(shù)波動(dòng)越大。表明在混合初期以對(duì)流混合作用為主，不同顆粒間不斷接觸并進(jìn)行位置交換，轉(zhuǎn)速越高引起混合越劇烈，因此在混合初期混合指數(shù)增長(zhǎng)快且轉(zhuǎn)速越高增長(zhǎng)越快。隨著兩種顆粒間接觸數(shù)的不斷增加，對(duì)流混合作用減弱，擴(kuò)散混合和剪切混合作用開始加強(qiáng)，導(dǎo)致混合指數(shù)增長(zhǎng)變緩，直到15 s后混合指數(shù)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在混合后期，在攪拌器作用下，轉(zhuǎn)速越高，物料顆粒在自重和離心力的作用下物性一致的更容易產(chǎn)生集聚現(xiàn)象，導(dǎo)致混合指數(shù)波動(dòng)較大。因此，立式攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速并不是越高越好，應(yīng)根據(jù)物料特性選擇合適的轉(zhuǎn)速。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖6 不同轉(zhuǎn)速下顆粒的運(yùn)動(dòng)速度矢量圖

圖7 不同轉(zhuǎn)速下混合指數(shù)隨時(shí)間的變化

圖8 不同時(shí)間段混合指數(shù)增量變化

不同時(shí)間段混合指數(shù)增量變化如圖8所示，在0～5 s時(shí)間段，混合指數(shù)增量最大，該時(shí)間段兩物料從有明顯分界面到無(wú)明顯分界面，混合效果較明顯，而轉(zhuǎn)速越高，混合作用越強(qiáng)烈；在5～10 s時(shí)間段，混合指數(shù)增量開始減小，而轉(zhuǎn)速越小的反而混合指數(shù)增量大，表明混合狀態(tài)在該時(shí)間段開始趨于穩(wěn)定，而由于轉(zhuǎn)速小時(shí)的初始混合指數(shù)低，反而混合指數(shù)增量大；在10～25 s時(shí)間段，混合指數(shù)增量明顯變小，但仍有增量，表明時(shí)間越長(zhǎng)混合均勻性越好，但越往后混合指數(shù)增量越小，轉(zhuǎn)速在35 r/min 下最終達(dá)到的混合指數(shù)最高，且混合指數(shù)增加較穩(wěn)定。

4 結(jié)論

①混合初期以對(duì)流混合作用為主，混合指數(shù)增長(zhǎng)較快，而轉(zhuǎn)速越高引起的對(duì)流混合作用越劇烈；

②混合中期隨著對(duì)流混合作用的減弱，混合指數(shù)增長(zhǎng)變緩，直到混合指數(shù)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，該階段轉(zhuǎn)速影響不大；

③混合后期物性一致的顆粒在高轉(zhuǎn)速作用下更容易產(chǎn)生集聚現(xiàn)象，導(dǎo)致混合指數(shù)波動(dòng)大。

因此，立式攪拌機(jī)在混合過程中轉(zhuǎn)速并非越高越好，應(yīng)根據(jù)物料特性選擇合適的轉(zhuǎn)速，要使混合效率達(dá)到最高，應(yīng)在混合初期采用高速加大對(duì)流混合作用，混合后期采用中速保證混合均勻度。