分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

溫寶琴，王凱飛，坎 雜，李景彬，李利橋，劉雙印,3,4

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化·

分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

溫寶琴1,2，王凱飛1，坎 雜1,2※，李景彬1,2，李利橋1,2，劉雙印1,3,4

（1. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832000；2. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子 832000；3. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣州 510225；4. 廣東省高校智慧農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣州 510225）

針對(duì)全混合日糧飼草料揉切需求，該研究設(shè)計(jì)了一種分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置，對(duì)分段螺旋葉片的主體結(jié)構(gòu)和攪龍結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立了刃口曲線方程，分析了裝置揉切機(jī)理，并試制了分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置試驗(yàn)臺(tái)。以攪龍轉(zhuǎn)速、加工時(shí)間、填充系數(shù)、刀片與底殼間隙為因素，以粒度、破節(jié)率、單位質(zhì)量能耗為指標(biāo)，開展四因素三水平Box-Behnken試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析和二次回歸擬合，得出各因素對(duì)粒度影響顯著性由大到小為加工時(shí)間、攪龍轉(zhuǎn)速、填充系數(shù)、刀片與底殼間隙；對(duì)破節(jié)率的影響顯著性由大到小為加工時(shí)間、填充系數(shù)、攪龍轉(zhuǎn)速、刀片與底殼間隙；對(duì)單位質(zhì)量能耗的影響顯著性由大到小為填充系數(shù)、加工時(shí)間、攪龍轉(zhuǎn)速、刀片與底殼間隙。對(duì)交互影響因素進(jìn)行響應(yīng)曲面分析并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)攪龍轉(zhuǎn)速為25 r/min、加工時(shí)間為12 min、填充系數(shù)為0.46、刀片與底殼間隙為15 mm時(shí)，甘草莖稈的揉切粉碎粒度為11.76 mm，破節(jié)率為83.27%，此時(shí)單位質(zhì)量能耗為9 959.82 J/kg，試驗(yàn)值與模型理論值誤差不超過(guò)7%，參數(shù)優(yōu)化模型合理，滿足作業(yè)要求。研究結(jié)果可為全混合日糧攪拌機(jī)的研發(fā)提供理論依據(jù)。

設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；莖稈；揉搓；切碎；分段螺旋

0 引 言

新疆是中國(guó)的主要牧區(qū)，隨著畜牧業(yè)的逐年發(fā)展，放牧草場(chǎng)環(huán)境日益惡化，飼草資源匱乏已經(jīng)制約了新疆畜牧業(yè)的發(fā)展[1]。甘草屬灌木狀多年生草本植物，地上莖稈部分是優(yōu)良的豆科牧草[2-4]。新疆是甘草的主產(chǎn)區(qū)，其甘草資源占全國(guó)的50%以上[5]，甘草莖稈用于牛羊飼喂，可有效緩解新疆飼草資源匱乏的現(xiàn)狀。全混合日糧（Total Mixed Ration，TMR）[6-7]可以提高采食量和飼料轉(zhuǎn)化率的同時(shí)節(jié)省飼料成本和勞動(dòng)力，已經(jīng)在牛羊養(yǎng)殖生產(chǎn)中成為主流。TMR攪拌機(jī)是一種對(duì)秸稈切碎、揉搓并與精料混合攪拌后制成TMR的機(jī)械，是TMR飼喂的關(guān)鍵支撐[8-9]。將甘草莖稈利用TMR攪拌機(jī)高效揉切是將甘草莖稈引入TMR飼喂的關(guān)鍵所在。

現(xiàn)有的TMR攪拌機(jī)研究多集中在結(jié)構(gòu)形式、主軸轉(zhuǎn)速、加工時(shí)間等因素對(duì)飼草料混合均勻度影響[10-16]。對(duì)秸稈的切割、揉碎研究主要集中在粉碎機(jī)、揉絲機(jī)等設(shè)備上。如Chitoiu等[17]針對(duì)傳統(tǒng)粉碎機(jī)械耗能大的問題，以玉米秸稈、穗為試驗(yàn)對(duì)象，使用4種不同形狀的轉(zhuǎn)子對(duì)秸稈進(jìn)行切碎試驗(yàn)，對(duì)能耗問題展開研究；鄭智旗等[18]基于支撐滑切原理利用等滑切角理論設(shè)計(jì)了一種動(dòng)定刀支撐的秸稈粉碎裝置，試驗(yàn)表明其秸稈粉碎長(zhǎng)度合格率達(dá)91.5%，同時(shí)相對(duì)無(wú)支撐切割降低功耗17.4%。麻乾等[19]從喂入、切碎、揉搓3方面對(duì)揉碎機(jī)錘片結(jié)構(gòu)對(duì)揉碎機(jī)制的影響展開研究，設(shè)計(jì)了有傾角的錘片結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備內(nèi)部氣流場(chǎng)的調(diào)節(jié)，達(dá)到了更高能效揉碎的效果。

為提升TMR攪拌機(jī)揉切性能，提高養(yǎng)殖場(chǎng)飼草利用率，本文設(shè)計(jì)了一種分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置，并分析其揉切機(jī)理，以甘草莖稈高效揉切，降低工作過(guò)程中的能耗為目標(biāo)，以新疆羊場(chǎng)飼喂的甘草莖稈為試驗(yàn)對(duì)象，試制樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為新型TMR攪拌機(jī)的研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由分段螺旋攪龍（攪龍軸管、分段螺旋葉片、梅花刀片）、定刀、殼體、機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)等組成?？梢酝ㄟ^(guò)更換不同半徑底殼調(diào)整底殼與刀片之間的間隙，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)頻率控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制攪龍轉(zhuǎn)速的目的。

1.電源 2.變頻器 3.電機(jī) 4.減速器 5.聯(lián)軸器 6.遙測(cè)儀扭矩傳感器模塊 7.帶座軸承 8.分段螺旋葉片 9.攪龍軸管 10.梅花刀片 11.卸料門 12.定刀 13.底殼 14.料箱 15.機(jī)架 16.數(shù)據(jù)收集器 17.發(fā)射器 18.接收器 19.計(jì)算機(jī)

1.2 工作原理

分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置的主要工作目的，一是將甘草莖稈進(jìn)行切碎，使其粒度達(dá)到TMR飼喂的要求；二是將甘草莖稈進(jìn)行揉搓破節(jié)，使得加工后的莖稈柔軟蓬松易于牛羊等反芻動(dòng)物食用。工作時(shí)，動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)提供，攪龍做順時(shí)針圓周運(yùn)動(dòng)，底殼由螺栓固定，定刀固定在底殼與料箱之間，甘草莖稈由料箱上部投入，根據(jù)甘草莖稈所處的位置及狀態(tài)的不同，將裝置的工作區(qū)域分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4個(gè)區(qū)域，如圖2所示。甘草莖稈由Ⅰ區(qū)喂入，受到自身重力和攪龍摩擦力作用，由Ⅰ區(qū)運(yùn)動(dòng)至Ⅱ區(qū)，此時(shí)甘草莖稈在動(dòng)定刀作用下進(jìn)行有支撐滑切，待甘草莖稈被切碎到一定粒度后，被切碎的甘草莖稈滑落至Ⅲ區(qū)，在底殼支持力和分段螺旋攪龍揉搓力作用下，甘草莖稈破碎，進(jìn)而在分段螺旋攪龍產(chǎn)生的離心力作用下，在Ⅳ區(qū)產(chǎn)生徑向輸送；同時(shí)在軸向上，由于分段螺旋葉片呈螺旋對(duì)中排布，攪龍對(duì)甘草莖稈進(jìn)行軸向輸送，輸送至中部時(shí)，形成堆積，超過(guò)切碎莖稈的堆積角后，上部甘草莖稈依靠重力沿堆積角滑落至兩側(cè)，如此反復(fù)實(shí)現(xiàn)對(duì)甘草莖稈的揉切。裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置主要參數(shù)

1.分段螺旋攪龍 2.甘草莖稈 3.料箱 4.定刀 5.底殼

1.Segmented helical auger 2.Licorice straw 3.Workbin 4.Fixed blade 5.Bottom case

注：為甘草莖稈受到的重力，N；F1為分段螺旋攪龍對(duì)甘草莖稈的支持力，N；1為分段螺旋攪龍對(duì)甘草莖稈的摩擦力，N；2為甘草莖稈與甘草莖稈之間的摩擦力，N；F2為梅花刀片作用在甘草莖稈上的合力，N；F為甘草莖稈受到分段螺旋攪龍向外的推力，N；F為甘草莖稈受到的滑切力，N；為甘草莖稈受到的壓力，N；F3為底殼對(duì)甘草莖稈的支持力，N；3為底殼對(duì)甘草莖稈的摩擦力，N；4為箱體對(duì)甘草莖稈的摩擦力，N；F為分段螺旋攪龍對(duì)甘草莖稈的離心力方向上分力，N；F為分段螺旋攪龍對(duì)甘草莖稈的離心力方向上的分力，N；F4為箱體對(duì)甘草莖稈的摩擦力，N；為攪龍角速度，(rad·s-1)。

Note:is the gravity force on the licorice straw, N;F1is the supporting force of segmented helical auger and the licorice straw, N;1is the friction force of segmented helical auger and the licorice straw, N;2is the friction force between the licorice straw and the licorice straw, N;F2is the resultant force of torx blade acting on the licorice straw;Fis the thrust force of licorice straw by the segmented helical auger, N;Fis the sliding shear force on the licorice straw, N;is the pressure on the licorice straw, N;F3is the support of the bottom case to the licorice straw, N;3is the friction force between the bottom case and the licorice straw, N;4is the friction force between the workbin and the licorice straw, N;Fis thecomponent of the centrifugal force of the segmented helical auger on the licorice straw, N;Fis thecomponent of the centrifugal force of the segmented helical auger on the licorice straw, N;F4is the friction force between the workbin and the licorice straw, N;is the angular velocity of the auger, (rad·s-1).

圖2 甘草莖稈揉切過(guò)程示意圖

Fig.2 Schematic diagram of licorice straw kneading and cutting process

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 分段螺旋葉片

2.1.1 主體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)螺旋葉片如圖3a所示[20-23]，兩端對(duì)稱焊接在軸管上構(gòu)成攪龍，采用螺旋輸送原理將物料由兩端向中部輸送的同時(shí)通過(guò)固定在螺旋葉片邊緣的刀片對(duì)物料進(jìn)行揉切。物料在滿面螺旋葉片摩擦力作用下，只能沿著螺旋方向進(jìn)行軸向位移，在工作時(shí)物料還未充分切割、揉搓，就被輸送至料箱中部，在中部形成堆積，沿堆積角滑落后再次被揉切。由于刀片沿螺旋葉片外邊緣均勻分布，只能作用于外側(cè)物料，單位時(shí)間內(nèi)的切割次數(shù)較少，工作過(guò)程中需要等待物料滑落后再揉切，加工時(shí)間長(zhǎng)、功耗大。為降低物料軸向輸送速度，增加單位時(shí)間徑向切割次數(shù)，本文將滿面螺旋葉片斷開，在斷開部分采用圓角過(guò)渡的方式，設(shè)計(jì)一種分段螺旋葉片，使物料能夠在螺旋葉片間隙內(nèi)運(yùn)動(dòng)，葉片曲面為部分滿面螺旋曲面，刃口曲線為多線變螺距螺旋曲線，如圖3b所示。

注：1為螺旋葉片內(nèi)徑，mm；1為螺旋葉片外徑，mm；為螺旋葉片厚度，mm。

Note:1is the inner diameter of the helical blade, mm;1is the outer diameter of the helical blade, mm;is the thickness of the helical blade, mm.

圖3 螺旋葉片結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.3 Structural sketch of helical blade

使用卷尺測(cè)得甘草莖稈捆的平均長(zhǎng)度900 mm，擬設(shè)計(jì)攪龍長(zhǎng)度1為1 000 mm，結(jié)合文獻(xiàn)[23-24]設(shè)計(jì)分段螺旋葉片內(nèi)徑1為114 mm。

分段螺旋葉片外徑直接決定裝置的生產(chǎn)率，外徑過(guò)大，刀片線速度增大，作業(yè)生產(chǎn)率升高，但是會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力需求提升和動(dòng)不平衡因素增加；外徑過(guò)小，裝置生產(chǎn)率及能耗利用率達(dá)不到要求。本文基于前期研究基礎(chǔ)[22]設(shè)計(jì)分段螺旋葉片外徑1為380 mm。

螺距一般取外徑的80%～100%[25]，本文取較小值80%：

式中為螺旋葉片螺距，mm。

將1帶入式（1）解得=304 mm，取300 mm。

分段螺旋攪龍工作過(guò)程中由于甘草莖稈受到重力和摩擦力的作用，對(duì)甘草莖稈進(jìn)行揉切，使其具有特定長(zhǎng)度，由碰撞力學(xué)理論可知攪龍對(duì)甘草莖稈的沖擊強(qiáng)度為

式中1為沖擊強(qiáng)度，J/m2；1為裝置與物料的接觸面積，m2；1為沖擊能量損耗，J。

由式（2）可知，減小裝置與物料的接觸面積能夠有效減小沖擊能量損耗，分段螺旋葉片相較于滿面式螺旋葉片減少了葉片表面積，同時(shí)由于梅花刀片邊緣薄中間厚的結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步減少接觸面積，基于此本文采用梅花刀片固定在分段螺旋葉片邊緣的安裝形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)甘草莖稈的揉切。

2.1.2 刃口曲線

分段螺旋葉片的輪廓曲線參數(shù)直接影響物料輸送以及揉切效果，如圖4所示。根據(jù)刃口曲線不同位置的作業(yè)功能，將其分為4個(gè)部分：無(wú)支撐切割區(qū)ii（BC段）、有支撐切割區(qū)iii、iv（CD和DE段）、回落區(qū)i、v（AB和EF段）、固定區(qū)vi（AF段）。甘草莖稈切割主要依靠固定在螺旋葉片外側(cè)的梅花刀片完成，BC段和CD段是主要的切割區(qū)域。

注：i（AB段）、v（EF段）為回落區(qū)；ii（BC段）為無(wú)支撐切割區(qū)；iii（CD段）、iv（DE段）為有支撐切割區(qū)；vi（AF段）為固定區(qū)；i為圓柱面上任意一點(diǎn)；i1為i點(diǎn)在圓柱底面（xoy）上的投影；θ為oi1與ox之間的夾角，rad；r1為底面圓半徑，mm。

無(wú)支撐切割區(qū)域ii（BC段）固定1塊梅花刀片，在工作過(guò)程中主要對(duì)莖稈進(jìn)行無(wú)支撐切割，攪龍帶動(dòng)梅花刀片進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，BC段的梅花刀片回轉(zhuǎn)半徑小于CD段的2塊梅花刀片，在工作過(guò)程中線速度較小，所以處于BC段的梅花刀片依靠物料之間的擠壓力進(jìn)行無(wú)支撐切割，同時(shí)對(duì)物料產(chǎn)生擾動(dòng)，防止在攪龍軸管附近的甘草莖稈形成堵塞。有支撐切割區(qū)域iii（CD段），固定的2塊梅花刀片轉(zhuǎn)動(dòng)到定刀的梯形凹槽內(nèi)時(shí)，動(dòng)定刀相互配合實(shí)現(xiàn)有支撐滑切，梅花刀片的凹槽會(huì)卡緊若干數(shù)量的秸稈，通過(guò)與料箱底殼作用，對(duì)飼草起到揉搓作用。

選用圓柱螺旋線作為螺旋葉片的刃口曲線，建立分段螺旋葉片三維坐標(biāo)系（如圖4所示），以螺旋葉片平面與攪龍的回轉(zhuǎn)軸線的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。圓柱面上任意一點(diǎn)，沿圓柱面母線做勻速直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)又繞圓柱面軸線做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，所形成的曲線方程如式（3）所示。

結(jié)合螺旋葉片內(nèi)徑1為114 mm、分段螺旋葉片外徑1為380 mm，螺距為300 mm，BC段采用圓弧相切過(guò)渡等因素，將數(shù)值帶入式（3）進(jìn)行求解，得出CD段曲線方程為

BC段曲線方程為

物料切碎長(zhǎng)度為相鄰2塊梅花刀片在每次轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的進(jìn)給量[26-29]，梅花刀片均布在分段螺旋葉片上，由于在實(shí)際工作過(guò)程中存在甘草與裝置、甘草與甘草之間的摩擦，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，考慮到打滑系數(shù)[28]，甘草莖稈的理論切碎長(zhǎng)度為

式中為甘草莖稈的理論切碎長(zhǎng)度，mm；1為梅花刀片1的軸向高度，mm；2為梅花刀片2的軸向高度，mm；為打滑系數(shù)，取0.05[28]。

將式（4）~（5）帶入式（6）解得甘草莖稈的理論切碎長(zhǎng)度為9.55～11.70 mm，根據(jù)TMR飼料的要求[30-31]，TMR中物料長(zhǎng)度大于19 mm的比例應(yīng)為6%～10%，物料長(zhǎng)度在8～19 mm之間的比例應(yīng)為30%～50%，物料長(zhǎng)度小于8 mm的比例應(yīng)為40%～60%，理論切碎長(zhǎng)度在TMR飼料長(zhǎng)度要求區(qū)間內(nèi)，分段螺旋葉片刃口曲線設(shè)計(jì)合理。

2.2 分段螺旋攪龍?jiān)O(shè)計(jì)

分段螺旋攪龍主要包括攪龍軸管、分段螺旋葉片、梅花刀片、螺栓等部件，如圖5所示。結(jié)合分段螺旋葉片的內(nèi)徑設(shè)計(jì)及甘草莖稈捆的長(zhǎng)度，攪龍軸管采用直徑114 mm，長(zhǎng)度1 000 mm的無(wú)縫鋼管制成；梅花刀片安裝在分段螺旋葉片上，由螺栓固定，分段螺旋葉片通過(guò)焊接工藝固定在攪龍軸管上；分段螺旋葉片的排列對(duì)整個(gè)裝置的震動(dòng)及兩端軸承受力都有影響，在設(shè)計(jì)分段螺旋葉片的排列時(shí)，應(yīng)當(dāng)做到均勻分布，本設(shè)計(jì)用沿螺旋線對(duì)稱排列的方式[25]，共10組，相鄰2組分段螺旋葉片軸向距離相等，均為90 mm，徑向夾角為108°，如圖6所示。工作時(shí)攪龍整體水平安裝在裝置料箱內(nèi)。

1.分段螺旋葉片 2.梅花刀片 3.攪龍軸管 4.螺栓 5.軸

注：為分段螺旋葉片。

2.3 揉切過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析

如圖2所示，揉切過(guò)程主要依靠分段螺旋攪龍對(duì)甘草莖稈產(chǎn)生切割、擠壓和摩擦，使分段螺旋攪龍的動(dòng)能傳遞給甘草莖稈，其動(dòng)能大于甘草莖稈破碎所需能量時(shí)，甘草莖稈產(chǎn)生碎裂。根據(jù)動(dòng)量守恒定律和動(dòng)能定理[32]有：

式中為分段螺旋攪龍和甘草莖稈速度，m/s；1212分別為分段螺旋攪龍揉搓甘草莖稈前后和甘草莖稈被揉搓前后的速度，m/s，其中甘草莖稈進(jìn)入揉搓區(qū)時(shí)受到底殼的支持力作用，將1視為0；為分段螺旋攪龍半徑，mm；為分段螺旋攪龍轉(zhuǎn)速，r/min；1、2分別為揉搓前后的攪龍轉(zhuǎn)速，r/min；為分段螺旋攪龍和甘草莖稈動(dòng)能，J；Δ為揉搓甘草莖稈消耗的動(dòng)能，J；1、2分別為分段螺旋葉片揉搓甘草莖稈前后的動(dòng)能，J；3為甘草莖稈被揉搓后的動(dòng)能，J；為分段螺旋攪龍和甘草莖稈質(zhì)量，kg；1、1分別為分段螺旋葉片和甘草莖稈的質(zhì)量，kg。

根據(jù)沖量定理，甘草莖稈受到的揉切力為

式中1為甘草莖稈受到的揉切力，N；為分段螺旋葉片數(shù)量；為加工時(shí)間，s。

甘草莖稈受到的摩擦力為

式中F為甘草莖稈受到的摩擦力，N；為甘草莖稈與裝置之間的摩擦系數(shù)；為分段螺旋葉片與底殼之間的間隙，mm。

分析式（7）～（9）可知：甘草莖稈發(fā)生破碎所消耗的動(dòng)能Δ隨分段螺旋攪龍半徑、轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨分段甘草莖稈質(zhì)量的增大而減??；揉搓力也隨分段螺旋攪龍半徑的增大而增大，隨揉搓時(shí)間的增加而減??；摩擦力隨梅花刀片與底殼間隙的增大而減小。實(shí)際作業(yè)中，甘草莖稈質(zhì)量與料箱填充系數(shù)密切相關(guān)。綜上，可以通過(guò)控制攪龍轉(zhuǎn)速、加工時(shí)間、填充系數(shù)、梅花刀片與底殼間隙等參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)裝置揉切性能，提升甘草莖稈的加工質(zhì)量。

3 揉切試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

使用新疆疆南牧業(yè)養(yǎng)殖場(chǎng)飼喂用甘草莖稈為試驗(yàn)物料；采用賽多利斯MA100水分測(cè)定儀，測(cè)定10組莖稈，每組2 g，含水率平均值為16.58%；用卷尺測(cè)得草捆長(zhǎng)、寬、高為900、500和400 mm，30 kg量程電子秤測(cè)得草捆平均質(zhì)量為16 kg，結(jié)合料箱體積0.26 m3計(jì)算得出用2.31 kg莖稈來(lái)表征0.1填充系數(shù)；NJTY3農(nóng)機(jī)通用動(dòng)態(tài)遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程中的扭矩等力學(xué)特性測(cè)定；正泰NVF2G變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速；JM-85003型電子天平稱取莖稈樣品等，試驗(yàn)裝置如圖7所示。

1.料箱 2.梅花刀片 3.定刀 4.分段螺旋葉片 5.攪龍軸管

3.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)飼草加工需求[30-31,33]，試驗(yàn)以不同結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)下甘草莖稈揉切后粒度1、破節(jié)率2、單位質(zhì)量能耗3作為揉切性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1）粒度采用四分法取樣[34]，每組試樣取3份樣品，每份200 g，用孔徑分別為19、8、5和0 mm（底盤）按孔徑大小從上至下疊放組成的賓州篩進(jìn)行篩分，根據(jù)式（10）進(jìn)行計(jì)算[30-31]。

式中為甘草莖稈被揉切后粒度，mm；1、2分別為19和8 mm孔徑篩上物料質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比，%；3為5和0 mm（底盤）孔徑篩上物料質(zhì)量總和占總質(zhì)量的百分比，%。

2）破節(jié)率依據(jù)《GB/T 20788－2006飼草揉碎機(jī)》[33]進(jìn)行測(cè)定，其計(jì)算如式（11）所示。

式中S為破節(jié)率，%；G為樣品中草節(jié)被壓扁或破成2瓣以上的帶節(jié)草總質(zhì)量，g；G為樣品總質(zhì)量，g。

3）單位質(zhì)量能耗是指揉切單位質(zhì)量甘草所需的能耗，衡量裝置對(duì)單位質(zhì)量甘草揉切過(guò)程中能量消耗的大小，反映裝置的工作效率。計(jì)算公式如式（12）所示。

式中為單位質(zhì)量能耗，J/kg；為扭矩，N·m；1為甘草莖稈質(zhì)量，kg；為攪龍轉(zhuǎn)速，r/min；為單次試驗(yàn)采集扭矩?cái)?shù)據(jù)次數(shù)，次；T為第次采集到的瞬時(shí)扭矩，N·m。

根據(jù)理論分析及前期預(yù)試驗(yàn)可知攪龍轉(zhuǎn)速、加工時(shí)間、刀片與底殼間隙、填充系數(shù)對(duì)揉切效果影響較大。為保證有效揉切，提升工作效率，減少物料堆積，取攪龍轉(zhuǎn)速20～40 r/min；加工時(shí)間4～12 min；刀片與底殼間隙15～35 mm；填充系數(shù)0.3～0.7。根據(jù)Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計(jì)理論[35]，將粒度1、破節(jié)率2、單位質(zhì)量能耗3作為響應(yīng)值，開展四因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)研究，試驗(yàn)因素和水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素和水平

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

利用Design-Expert11.0軟件設(shè)計(jì)四因素三水平Box-Behnken試驗(yàn)，試驗(yàn)包括24組分析因子和5組零點(diǎn)估計(jì)誤差，共29組試驗(yàn)點(diǎn)。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。

3.3.2 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

使用Design-Expert11.0軟件對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和多元回歸擬合，方差分析結(jié)果如表4所示，建立1、2、3對(duì)1、2、3、4的回歸方程并對(duì)其顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。

表3 甘草莖稈揉切試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果

1）粒度顯著性分析

粒度方差分析結(jié)果如表4所示，1模型<0.000 1，表明此回歸模型極顯著，其絕對(duì)系數(shù)2值為0.91，表明該模型可以擬合91%以上的試驗(yàn)結(jié)果，其中123232242對(duì)粒度模型影響極顯著，413對(duì)粒度模型影響顯著，12對(duì)粒度模型影響較顯著。各變量對(duì)粒度的影響顯著性由大到小為加工時(shí)間、攪龍轉(zhuǎn)速、填充系數(shù)、刀片與底殼間隙。剔除不顯著因素，得到各變量對(duì)粒度的二次回歸方程如式（13）所示，并對(duì)其失擬性進(jìn)行檢驗(yàn)，失擬項(xiàng)>0.1，表明二次回歸方程擬合度高。

2）破節(jié)率顯著性分析

破節(jié)率方差分析結(jié)果如表4所示，2模型<0.000 1，表明此回歸模型極顯著，其絕對(duì)系數(shù)2值為0.96，表明該模型可以擬合96%以上的試驗(yàn)結(jié)果。其中1、2、3、4對(duì)破節(jié)率模型影響極顯著，12、14對(duì)破節(jié)率模型影響顯著，23、22對(duì)破節(jié)率型影響較顯著。各變量對(duì)破節(jié)率的影響顯著性由大到小為加工時(shí)間、填充系數(shù)、攪龍轉(zhuǎn)速、刀片與底殼間隙。剔除不顯著因素，得到各變量對(duì)粒度的因素值二次回歸方程如式（14）所示，并對(duì)其失擬性進(jìn)行檢驗(yàn)，失擬項(xiàng)>0.1，表明二次回歸方程擬合度高。

3）單位質(zhì)量能耗顯著性分析

能耗方差分析結(jié)果如表4所示，3模型<0.000 1，表明此回歸模型極顯著，其絕對(duì)系數(shù)2值為0.97，表明該模型可以擬合97%以上的試驗(yàn)結(jié)果。其中1、2、3、12、13、23、32對(duì)破節(jié)率模型影響極顯著，24、34對(duì)粒度模型影響顯著。各變量對(duì)單位質(zhì)量能耗模型的影響顯著性由大到小為填充系數(shù)、加工時(shí)間、攪龍轉(zhuǎn)速、刀片與底殼間隙。剔除不顯著因素，得到各變量對(duì)粒度的因素值二次回歸方程如式（15）所示，并對(duì)其失擬性進(jìn)行檢驗(yàn)，失擬項(xiàng)>0.1，表明二次回歸方程擬合度高。

3.3.3 交互因素對(duì)揉切性能的影響

利用Design-Expert11.0軟件生成模型的響應(yīng)曲面圖，如圖8所示。根據(jù)響應(yīng)曲面分析1、2、3、4的交互因素對(duì)響應(yīng)值1、2、3的影響規(guī)律。

1）粒度的影響分析

圖8a～圖8b分別為1與3、2與3對(duì)1交互作用的響應(yīng)面曲線。由圖可知：當(dāng)填充系數(shù)增大時(shí)，粒度增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時(shí)，粒度先減小后增大；當(dāng)加工時(shí)間增加，粒度減小。

其原因可能是隨著填充系數(shù)的增加，料箱內(nèi)物料增多，在時(shí)間一定的情況下，裝置作用在單位體積甘草莖稈上的作用力減少，導(dǎo)致粒度增大；當(dāng)攪龍轉(zhuǎn)速增大時(shí)，此時(shí)刀片線速度增大，刀片與定刀及殼體對(duì)莖稈的作用次數(shù)增加，對(duì)其切割次數(shù)增多，粒度隨之減??；隨著加工時(shí)間的增加，裝置作用在物料上的次數(shù)增加，對(duì)甘草莖稈的切割、揉搓次數(shù)也隨之增加，粒度減小。

2）破節(jié)率的影響分析

圖8c～圖8e分別為1與2、1與4、2與3對(duì)2交互作用的響應(yīng)面曲線。由圖可知：當(dāng)攪龍轉(zhuǎn)速逐漸增大時(shí)，破節(jié)率快速上升后趨于平穩(wěn)；當(dāng)加工時(shí)間增長(zhǎng)時(shí)，破節(jié)率上升；當(dāng)?shù)镀c底殼間隙擴(kuò)大和填充系數(shù)上升時(shí)，破節(jié)率下降。

其原因可能是隨著攪龍轉(zhuǎn)速和加工時(shí)間的增加，甘草莖稈受力次數(shù)增加，破節(jié)率隨之上升；當(dāng)?shù)镀c底殼間隙擴(kuò)大時(shí)，依靠底殼與刀片及螺旋葉片的作用對(duì)物料進(jìn)行的揉搓效果減弱，導(dǎo)致破節(jié)率隨之下降；當(dāng)填充系數(shù)增加時(shí)，料箱內(nèi)物料隨之增多，單位時(shí)間內(nèi)對(duì)物料的平均作用次數(shù)隨之減少，造成破節(jié)率下降。

3）單位質(zhì)量能耗的影響分析

圖8f～圖8j分別為1與2、1與3、2與3、2與4、3與4對(duì)3交互作用的響應(yīng)面曲線。由圖可知：當(dāng)攪龍轉(zhuǎn)速和加工時(shí)間增大時(shí)，單位質(zhì)量能耗上升；在攪龍轉(zhuǎn)速為較低水平時(shí)，當(dāng)填充系數(shù)增大，單位質(zhì)量能耗呈先下降后上升趨勢(shì)，當(dāng)攪龍轉(zhuǎn)速為較高水平時(shí)，當(dāng)填充系數(shù)增大，單位質(zhì)量能耗呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；當(dāng)?shù)镀c底殼間隙逐漸增大，加工時(shí)間處于較低水平時(shí)，單位質(zhì)量能耗上升，加工時(shí)間處于較高水平時(shí)，單位質(zhì)量能耗下降。

表4 回歸方程方差分析

注：＜0.01（極顯著）；0.01≤＜0.05（顯著）；0.05≤＜0.1（較顯著）。

Note:<0.01 (extremely significant); 0.01≤＜0.05 (significant); 0.05≤＜0.1 (more significant).

圖8 交互因素對(duì)粒度Y1、破節(jié)率Y2和單位質(zhì)量能耗Y3的交互影響

其原因可能是隨著攪龍轉(zhuǎn)速的增大，刀片切割甘草莖稈過(guò)程中的力隨之增大，造成單位質(zhì)量能耗增加；物料加工質(zhì)量不變的情況下，隨著加工時(shí)間的增加，能耗隨之增加，粒度迅速下降，破節(jié)率上升，物料單位體積密度上升，攪龍作用在物料上對(duì)其進(jìn)行切割揉搓所需的能耗也隨之上升，單位質(zhì)量能耗也增加；攪龍轉(zhuǎn)速較低時(shí)，填充系數(shù)增大，物料質(zhì)量也隨之增大，填充系數(shù)還未增加到一定數(shù)值前，加工增加物料所需增加的能耗增長(zhǎng)率沒有超過(guò)填充系數(shù)的增長(zhǎng)率，造成單位質(zhì)量能耗的下降，待填充系數(shù)超過(guò)一定數(shù)值，使得加工物料所需增加的能耗的增長(zhǎng)率超過(guò)填充系數(shù)的增長(zhǎng)率，造成單位質(zhì)量能耗的增加，呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；在加工時(shí)間處于較低水平時(shí)，此時(shí)大部分時(shí)間用于對(duì)整捆甘草莖稈進(jìn)行破捆，物料粒度還較大，刀片與底殼間隙越大所能進(jìn)入的刀片與底殼作用區(qū)域的物料越多，所需能耗隨著刀片與底殼間隙的增加而增加，當(dāng)加工時(shí)間處于較高水平時(shí)，此時(shí)物料有充足的時(shí)間進(jìn)行加工，粒度較小，間隙中處于物料填充狀態(tài)，間隙越小，攪龍作用在底殼上的力越大，所需能耗也增大，故隨著刀片與底殼間隙的增大，單位質(zhì)量能耗呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3.4 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

為使分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置性能達(dá)到最佳，對(duì)樣機(jī)試驗(yàn)中的影響因子進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)工作條件、性能要求和上述分析結(jié)果，利用DesignExpert11.0軟件對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化分析，約束條件為

求解結(jié)果為攪龍轉(zhuǎn)速25.23 r/min、加工時(shí)間11.92 min、填充系數(shù)0.46、刀片與底殼間隙16.04 mm，此時(shí)粒度為12.62 mm；破節(jié)率為85.66%；單位質(zhì)量能耗為9 633.23 J/kg，裝置作業(yè)性能達(dá)到最優(yōu)。為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，基于試驗(yàn)條件，圓整轉(zhuǎn)速為25 r/min，加工時(shí)間12 min，填充系數(shù)0.46，刀片與底殼間隙15 mm，進(jìn)行3次試驗(yàn)驗(yàn)證，取平均值，結(jié)果如表5所示。

表5 模型優(yōu)化值與驗(yàn)證試驗(yàn)值對(duì)比

通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)值與模型理論優(yōu)化值誤差不超過(guò)7%，優(yōu)化模型合理可行，滿足作業(yè)要求。

4 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了一種甘草莖稈揉切裝置，采用分段螺旋式攪龍結(jié)構(gòu)，并分析其作業(yè)過(guò)程，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)對(duì)裝置作業(yè)效果的影響。

2）開展響應(yīng)面試驗(yàn)研究，建立了甘草莖稈粒度、破節(jié)率、單位質(zhì)量能耗對(duì)四因素三水平的二次多項(xiàng)影響模型，確定各因素對(duì)粒度影響顯著順序由大到小為加工時(shí)間、攪龍轉(zhuǎn)速、填充系數(shù)、刀片與底殼間隙；對(duì)破節(jié)率的影響顯著順序由大到小為加工時(shí)間、填充系數(shù)、攪龍轉(zhuǎn)速、刀片與底殼間隙；對(duì)單位質(zhì)量能耗的影響顯著順序由大到小為填充系數(shù)、加工時(shí)間、攪龍轉(zhuǎn)速、刀片與底殼間隙。并分析了攪龍轉(zhuǎn)速、加工時(shí)間、填充系數(shù)、刀片與底殼間隙對(duì)揉切后甘草莖稈粒度、破節(jié)率以及單位質(zhì)量能耗的影響趨勢(shì)。

3）利用Box-Behnken組合試驗(yàn)法優(yōu)化分析得出分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置最優(yōu)工作參數(shù)組合，最終采用攪龍轉(zhuǎn)速25 r/min、加工時(shí)間12 min、填充系數(shù)0.46、刀片與底殼間隙15 mm，并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，最終甘草莖稈的揉切粉碎粒度為11.76 mm；破節(jié)率為83.27%；單位質(zhì)量能耗為9 959.82 J/kg，與預(yù)測(cè)模型相對(duì)誤差不超過(guò)7%，模型可靠，滿足作業(yè)要求。

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Design and experiments of segmented helical kneading and cutting device for licorice straw

Wen Baoqin1,2, Wang Kaifei1, Kan Za1,2※, Li Jingbin1,2, Li Liqiao1,2, Liu Shuangyin1,3,4

(1.,,832000,; 2.,832000,; 3.,,510225,; 4.,510225)

Kneading and cutting the licorice stalk for the whole total mixed ration can be used to effectively improve the quality of beef and mutton products. In this study, a segmented helical device was introduced to knead and cut the licorice stalk. The segmented helical auger was placed horizontally in the material box, and rotated in a clockwise to knead and chop the licorice stalk. Meanwhile, it can be transported in the axial direction to make the material accumulate in the middle and fall back, thereby to achieve efficient knead and cut of the licorice stalk repeatedly. The structure style, blade edge curve, and auger structure parameters were designed to reduce the axial conveying speed, while improve material cutting probability. A theoretical analysis and a developed test bench were carried out in the cutting and kneading process of a licorice stalk in the device. A four factors and three levels Box-Behnken test was performed, where the factors included the rotation speed of the segmented helical auger, processing time, fill-factor, clearance between blade and bottom case, while, the particle size, breaking rate, and the energy consumption of unit mass as indexes. The test data was analyzed by variance analysis and quadratic regression fitting. The significant influence of single factors on particle size was ranked in the order from high to low: the processing time, the rotation speed of segmented helical auger, fill-factor, clearance between blade and bottom case. The results showed that the influence factors on the breaking rate were in the order from high to low: processing time, fill-factor, rotation speed of segmented helical auger, clearance between blade and bottom case. The significant influence on the energy consumption of unit mass was in the following order from high to low: fill-factor, processing time, rotation speed of segmented helical auger, clearance between blade and bottom case. Meanwhile, the analysis of response surface showed that the grain size increased as the fill-factor increased. The particle size first decreased, and then increased with the rotation speed increased. The grain size decreased as the process time increased. When the processing time was at a low level, the grain size increased with the increase of the fill-factor. While the process time was at a high level, the grain size decreased with the increase of the fill-factor. The breaking rate increased with the increase of machining time and rotation speed, and decreased with the increase of clearance and fill-factor between the blade and the bottom case. The energy consumption of unit mass increased with the increase of the rotation speed and the processing time. However, when the rotation speed was at a low level, the energy consumption of unit mass decreased first and then increased as the fill-factor increased. When the rotation speed was at a high level, the energy consumption of unit mass decreased with the increase of the fill-factor. When the clearance between the blade and the bottom case increased gradually and the processing time was at a lower level, the energy consumption of unit mass increased, while decreased when the processing time was at a higher level. At the same time, these parameters were optimized and verified through response surface technologies. The experimental results showed that when the rotation speed, processing time, the fill-factor, and the clearance between blade and bottom case were 25 r/min, 12 min, 0.46, and 15 mm, respectively, the particle size and the breaking rate of the licorice stalk were 11.76 mm, 83.27%, respectively. Currently, the energy consumption of unit mass was 9 959.82 J/kg, the error between the experimental value and the theoretical value was not more than 7%, indicating in reasonable agreement with the requirements of crushing operation. This finding can provide a theoretical basis for the research and development of TMR mixer.

design; experiments; straw; kneading; cutting; segmented helical

溫寶琴，王凱飛，坎雜，等. 分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(23)：1-11.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.001 http://www.tcsae.org

Wen Baoqin, Wang Kaifei, Kan Za, et al. Design and experiments of segmented helical kneading and cutting device for licorice straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(23): 1-11. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.001 http://www.tcsae.org

2020-08-01

2020-11-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51775358，61871475，61471133，61571444）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2017B0101260016）；廣東普通高校工程技術(shù)研究中心（2017GCZX0014）；廣東省普通高校省級(jí)重大科研項(xiàng)目（2016KZDXM0013）；廣東省教育廳特色創(chuàng)新項(xiàng)目（2017KTSCX094）；石河子大學(xué)2017年度自主資助支持校級(jí)科研項(xiàng)目（ZZZC201738B）

溫寶琴，博士生，副教授，主要從事畜牧機(jī)械研究。Email：wendy-wbq@163.com

坎雜，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械研究。Email：kz-shz@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.001

S817.12

A

1002-6819(2020)-23-0001-11