自走式全混合日糧制備機設計與試驗

田富洋 陳玉華 宋占華 閆銀發(fā) 李法德 王中華

(1.山東農業(yè)大學機械與電子工程學院，泰安 271018；2.山東農業(yè)大學山東省園藝機械與裝備重點實驗室，泰安 271018；3.山東農業(yè)大學山東省農業(yè)裝備智能化工程實驗室，泰安 271018；4.山東農業(yè)大學動物科技學院，泰安 271018)

0 引言

全混合日糧(Total mixed rations，TMR)是按照反芻動物(牛、羊和鹿等)不同生長階段的生理需要，根據(jù)動物營養(yǎng)專家設計的配方，把切碎(揉搓)至適當長度的粗料、精料以及各種添加劑按照一定的配比進行充分混合而得到的一種營養(yǎng)相對均衡的飼料[1-3]。TMR攪拌機能夠將多種物料進行攪拌混合，用來生產(chǎn)全混合日糧，同時結合相關TMR飼喂技術，可以確保奶牛所采食的全混合日糧的營養(yǎng)濃度一致[4]。

目前，世界上畜牧業(yè)發(fā)達的美國、加拿大、以色列、德國、挪威、法國、荷蘭、意大利等國家已經(jīng)普遍采用全混合日糧(TMR)飼喂技術[5-12]。我國推廣具有取料、攪拌和撒料等多功能的一體化TMR正處于關鍵時期，還存在著諸多制約因素，如飼養(yǎng)理念、日糧技術、精準養(yǎng)殖技術等。雖然國內有多家企業(yè)生產(chǎn)TMR機械，但一體化TMR飼喂機械設備主要依賴國外進口，而且針對TMR飼喂機械的相關研究也較少。郭英洲等[13]針對移動式青貯取料機進行了研究；萬霖等[14]設計了小型牽引式立式全混合日糧飼料攪拌車，確定了主要工作部件的結構參數(shù)，并對螺旋攪拌器主軸的受力和運動特性進行了數(shù)值模擬研究；王德福團隊[15-19]對單軸臥式TMR機、葉板式TMR機、輪轉式TMR機等進行了試驗研究，分析了混合機部分機構以及相關工藝參數(shù)的優(yōu)化組合方案，對全混合日糧混合質量評價指標的試驗方法也進行了相關探究；針對青貯包飼料取料人工勞動強度大的問題，陳玉華等[20]研究了一種上顎式青貯捆的切捆除膜裝置，可以配合TMR機實現(xiàn)青貯飼料制備作業(yè)。

目前，國內青貯飼料儲存方法主要有兩種：在青貯池內貯藏和以青貯捆包形式貯藏。國內奶牛養(yǎng)殖企業(yè)從青貯池取料再到牛場飼喂多為單機操作，機械設備只能完成其中的一項作業(yè)任務。針對青貯池飼料運輸成本高、操作工序多以及營養(yǎng)損失大等問題，本文設計通過快速掛接可實現(xiàn)青貯池取料和青貯捆包取料的自走式全混合日糧制備機整體結構，模擬人類牙齒咬合動作設計青貯捆包的抓捆、切捆、除膜裝置，設計青貯池取料和輸送機構，根據(jù)奶牛飼喂飼料特性設計青貯飼料的混合攪拌及撒料裝置。

1 主要結構與工作原理

1.1 主要結構

自走式全混合日糧制備機結構示意圖如圖1所示。

自走式全混合日糧制備機主要由取料裝置、切捆除膜裝置、輸送裝置、全混合日糧攪拌裝置、自動撒料裝置、自走式靜液壓驅動和智能控制系統(tǒng)等組成。實現(xiàn)了青貯飼料的自動取料、邊行走邊混合等功能，同時可將全混合日糧通過自動撒料裝置直接拋撒到牛場內進行飼喂，一臺設備完成牧場中取料—攪拌—輸送—撒料的全程工作。自走式全混合日糧制備機的主要技術參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

自走式全混合日糧制備機采用自走式靜液壓驅動系統(tǒng)，將智能計量取料、切捆除膜、自動計量精料、混合攪拌、牛舍自動撒料等多項功能優(yōu)化組合于一體，如圖2所示，具有兩個功能:實現(xiàn)打捆包膜青貯秸稈的自動抓捆、碎捆、除膜、取料、攪拌、撒料等作業(yè)；通過快速卸除切捆除膜裝置實現(xiàn)青貯池飼料的取料、攪拌、撒料等作業(yè)。工作時，根據(jù)全混合日糧配方按照先粗后精、先長后短、先干后濕的原則裝取各種飼料，通過智能計量器精確控制每種飼料的加載量；根據(jù)以下兩種情況快速設置自走式全混合日糧制備機取料裝置：針對打捆包膜青貯秸稈飼料取料，調整切捆除膜裝置的工作位置，啟動自走式全混合日糧制備機攪拌裝置使螺旋攪拌器旋轉后，開啟切捆除膜裝置，液壓操控叉齒穿透裹包膜插入青貯捆包內，同時割刀夾持住青貯捆包底端并向上提升，類比人的牙齒咬合動作，割刀在油缸驅動下將青貯捆包切成2塊，裹包膜解除與飼草捆的附著力，當松開割刀時，飼草物料在自重作用下落入攪拌裝置的料箱內，啟動攪拌裝置使螺旋攪拌器旋轉，旋轉的螺旋攪拌器將飼草捆破碎，此時廢膜仍阻滯在夾膜機構上，在進入下一個青貯捆抓取工序前，轉動切捆除膜裝置從料箱上方位置移開，隨后通過輔助夾持油缸縮回活塞桿，裹包廢膜隨之被釋放，最后可集中回收地上廢膜。

表1 自走式全混合日糧制備機性能參數(shù)

圖2 自走式全混合日糧制備機作業(yè)效果圖

針對青貯池飼料取料，通過模塊化快速掛接機構將切捆除膜裝置快速卸除，利用取料裝置完成青貯池飼料的破料、取料。然后，將自走式全混合日糧制備機轉移至精料倉下添加精飼料，借助智能計量系統(tǒng)自動計量，避免產(chǎn)生裝料誤差，攪拌裝置料箱內的飼料通過螺旋攪拌器充分攪拌混合后，最后進入牛舍經(jīng)自動撒料裝置按奶牛所需飼料量拋撒喂食。

2 關鍵部件設計

2.1 取料裝置

取料裝置主要由切刀、滾筒、螺旋葉片、取料頭軸和驅動液壓馬達組成，如圖3所示。在取料頭滾筒旋轉的過程中，安裝在螺旋葉片上的48片切刀將切下的青貯飼料向中間位置撥料，同時將切下的青貯飼料向后下方的轉套內區(qū)域輸送，從而可使切取的青貯飼料進一步傳送至輸送裝置，滾筒還焊接有4個導向刀片，以使沿著螺旋葉片徑向方向移動的青貯飼料加速運動至輸送帶，同時加快青貯飼料從滾筒兩端向中部快速推進，該結構能有效防止青貯飼料在滾筒中間產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。

圖3 取料裝置結構示意圖

滾筒直徑為530 mm，軸向長度為2 000 mm，確保足夠的物料接觸面積，同時可使青貯物料不拋撒到轉套外面，進而提高切料效率。BM4-390型馬達可提供697 N·m的連續(xù)扭矩，確保滾筒切刀能順利切下青貯物料，當物料阻力較大時，可低轉速大扭矩旋轉切料。BM4-390型馬達額定轉速為200 r/min，最大轉速為240 r/min，本文設計的切刀尖端與滾筒中心距離為320 mm，可計算出切刀的刀尖線速度為

(1)

同理，可得切刀最大瞬時線速度為

(2)

式中vq——切刀線速度，m/s

vqmax——切刀最大瞬時線速度，m/s

rq——切刀尖端與滾筒中心距離，mm

n——液壓馬達轉速，r/min

故取料裝置切刀線速度的作業(yè)范圍為6.7～8.0 m/s。

取料裝置螺旋輸送器物料生產(chǎn)率為

(3)

式中Ql——螺旋輸送器物料生產(chǎn)率，kg/s

Dl——螺旋輸送器葉片外徑，取500 mm

λ——螺旋輸送器葉片與轉套外殼的間隙，取8 mm

d——螺旋輸送器軸內徑，取402 mm

φl——螺旋輸送器充滿系數(shù)，取0.4

P——葉片螺距，取285 mm

ρ——青貯物料密度，取420 kg/m3

C——螺旋輸送器傾斜輸送系數(shù)，取0.75

代入數(shù)值，最終計算可得取料裝置螺旋輸送器物料生產(chǎn)率為13.7 kg/s。

2.2 切捆除膜裝置

根據(jù)人類牙齒咬合動作設計青貯捆包的抓取、切捆、除膜裝置，如圖4所示，裝置主要由支撐叉齒、割刀、夾膜機構以及液壓油缸驅動裝置等部分組成。

圖4 切捆除膜裝置結構示意圖

切捆作業(yè)時，首先調整下顎式切捆除膜裝置的工作位置，操控主液壓缸使割刀繞樞軸向上轉動與青貯秸稈捆相接觸，當割刀緊緊咬合住青貯捆時，主液壓缸中急劇上升的液壓力使割刀切入青貯捆；此時可操作輔助液壓缸使活塞桿伸出，從而向下轉動的夾膜機構抓鉤擠壓住青貯捆裹包膜，類似人的牙齒咬合動作，當割刀向上運動到幾乎完全切過青貯捆時，將圓捆(或方捆)青貯捆包切成2塊，包裹在裹包膜內的秸稈草料在自重作用下落入攪拌裝置料箱內；隨后再由輔助液壓缸驅動夾持抓鉤使其縮回，同時裹包膜被釋放至地面上，以便于廢膜的集中回收與利用，隨即完成青貯捆的切捆除膜作業(yè)過程。

2.3 輸送裝置

輸送裝置主要由下輥輪組合件、液壓馬達、輸送筒、環(huán)形輸送帶以及上輥輪組合件等組成。輸送裝置結構示意圖如圖5所示。

圖5 輸送裝置結構示意圖

輸送裝置的物料輸送量公式為

Qc=3.6Bhvsρφkq×10-6

(4)

式中Qc——物料輸送量，t/h

B——輸送帶導料槽寬度，取500 mm

h——輸送帶導料槽高度，取30 mm

vs——輸送帶升運速度，取3.5 m/s

φ——輸送效率，取0.88

kq——傾斜輸送系數(shù)，取0.6

經(jīng)過計算得到輸送裝置物料輸送量為53 t/h(14.7 kg/s)，大于前述取料裝置螺旋輸送器物料生產(chǎn)率13.7 kg/s，因此在青貯物料輸送過程中能夠有效防止物料堵塞問題，表明該結構參數(shù)設計合理。

輸送裝置傳動輥筒軸的功率計算公式為

Nc=(KkLv+KzLQc+0.002 73QcH)Kf×10-3

(5)

式中Nc——傳動輥筒軸功率，kW

Kk——空載運行功率系數(shù)，取0.01

L——輸送帶水平投影長度，取2 500 mm

Kz——水平滿載運行功率系數(shù)，取8.17×10-5

H——輸送帶垂直輸送高度，取2 320 mm

Kf——附加功率系數(shù)，取8.5

代入數(shù)據(jù)經(jīng)過計算可得輸送裝置傳動輥筒軸的功率消耗為3.69 kW。

為了精確控制攪拌裝置料箱的青貯進料量，支撐料箱的機架上安裝有3個稱量傳感器，當智能稱量系統(tǒng)產(chǎn)生與所需特定飼料質量對應的數(shù)值信號時，取料裝置刀輥的旋切速度隨著輸送帶減速也逐漸降低，當智能稱量系統(tǒng)針對某一種飼料產(chǎn)生已經(jīng)全部裝載完畢時的指示信號時，取料刀輥停止轉動不再繼續(xù)切割取料。

2.4 青貯包切捆除膜機械臂

青貯包切捆除膜機械臂由液壓缸、動臂、回轉支承等組成。機械臂結構示意圖如圖6所示。

圖6 切捆除膜裝置裝配體

將自走式全混合日糧制備機三維模型導入ADAMS軟件中，進行青貯包抓捆、舉捆、切捆、裝料等過程的仿真。假定青貯捆模型為圓柱體，整體尺寸設為Φ1 200 mm×1 100 mm，青貯捆密度取420 kg/m3，泊松比為0.3[21]，仿真如圖7所示，仿真模擬抓捆—切捆—裝料等作業(yè)步驟，可知切捆除膜裝置設計方案滿足作業(yè)要求，不存在機體干涉問題。

2.5 攪拌裝置

根據(jù)育成牛和泌乳階段奶牛的營養(yǎng)需要和飼養(yǎng)方案，按照營養(yǎng)專家提供的全混合日糧配方，用特制的全混合日糧攪拌機對日糧各組分進行充分混合，為奶牛24 h自由采食創(chuàng)造反芻胃的消化環(huán)境，使日糧能達到營養(yǎng)均衡的要求[8]。自走式全混合日糧制備機攪拌裝置主要由料箱、螺旋攪拌器、卸料閘門、驅動馬達等組成。攪拌裝置結構示意圖如圖8所示。

圖7 切捆機構作業(yè)過程仿真

圖8 攪拌裝置結構示意圖

螺旋攪拌器作為攪拌裝置的核心部件，其設計外觀呈錐形，如圖9所示。螺旋攪拌器在攪拌作業(yè)時需要對多種物料進行剪切、揉搓以及混合，實際受力情況較為復雜，其受力不但與螺旋攪拌器設計結構相關，而且還與所混合的各種物料本身的物理特性有關。螺旋攪拌器葉片的平均壓力計算公式為

(6)

式中Pk——螺距長度改變系數(shù)，取1

MC——混合物料的含水率

DJ——螺旋攪拌器螺旋葉片末端直徑，mm

螺旋攪拌器3個螺旋葉片直徑設計值分別為2 470、1 730、1 220 mm，代入式(6)最終計算得到3個螺旋葉片的平均壓力分別為19 325、15 968、14 343 Pa。

圖9 螺旋攪拌器結構示意圖

2.6 自動撒料裝置

自動撒料裝置由強磁除鐵器、液壓馬達以及傳動鏈輪等組成。采用寬大卸料閘門，加裝額外的強磁除鐵器，可實現(xiàn)全混合日糧均勻撒料和安全飼喂的功能；利用卸料螺旋攪拌器配備雙側門撒料裝置和拋撒寬度自動調整裝置，以調節(jié)撒料范圍和提高撒料均勻度，可實現(xiàn)自走式全混合日糧制備機左右兩側同時撒料。此外，可以利用雙向液壓控制裝置自動調整撒料寬度的放料斗，以適應不同規(guī)模牛舍的飼喂要求，自動撒料裝置具有節(jié)約時間、操作簡單以及降低飼喂成本等優(yōu)點，通過該裝置可實現(xiàn)牛場喂食奶牛的目的。撒料裝置結構示意圖如圖10所示。

圖10 撒料裝置結構示意圖

本文采用的鏈輪半徑為46.5 mm，配備BMP-160型擺線馬達，額定轉速為310 r/min，得出全混合日糧撒料傳送速度為

(7)

式中rl——鏈輪半徑，mm

為確保每頭奶牛獲得最佳的采食量，從卸料閘門撒出的全混合日糧要均勻一致。牧場飼養(yǎng)員可根據(jù)實際需要來調節(jié)卸料閘門開啟的大小，當不需要繼續(xù)撒料時，可隨時關閉卸料閘門，確保料箱里的物料不再被拋撒，避免造成TMR物料的浪費。

3 試驗

3.1 試驗材料

本樣機試驗地點選在山東省肥城市忠利奶牛養(yǎng)殖專業(yè)合作社，合作社奶牛存欄量2 000頭，日消耗青貯飼料40 t，能滿足自走式全混合日糧制備機性能試驗的條件。

試驗用儀器、儀表和量具包括干燥箱、磅秤、秒表、賓州篩、點溫計、電子秤、米尺、標準砝碼、天平(感量0.5級)、轉速表、成套測功儀表(精度1級)、取樣袋和樣品鋁盒等。試驗用物料采用統(tǒng)一全混合日糧配方，精飼料和粗飼料的混合比為3∶7，且粗、精飼料不能含有與示蹤劑相同的物料，其中，粗飼料中的苜蓿草比例為15%～20%，堿草(羊草)比例為15%～20%，含水率應小于或等于15%；青貯飼料比例為60%～70%，含水率為60%～70%；精飼料的配比可根據(jù)牧場現(xiàn)有情況選取，而且每次試驗物料量應不少于本樣機料箱設計容量的70%[22]。

測定試驗物料相對含水率時，可從每一種待測物料不同位置處取樣3次，每點取樣約50 g，將樣品分別放入鋁盒內立即稱量，然后在105℃恒溫下把物料干燥至質量不變，再稱量干燥后的質量。物料相對含水率為

(8)

式中MCH——物料相對含水率，%

ms——干燥前樣品質量，kg

mg——干燥后樣品質量，kg

3.2 評價指標

應用自走式全混合日糧制備機加工青貯料，要因地制宜地合理選擇飼料攪拌加工設備[5,9]。本機器柴油發(fā)動機推薦工作轉速為1 300～1 500 r/min，從取料、攪拌再到撒料作業(yè)連續(xù)作業(yè)時長為15～25 min。牛嘴的寬度為12～15 cm，可消化的秸稈纖維長度在3～10 cm，如果纖維太長，奶牛拒絕采食；如果纖維太短，則很快就會通過消化道而不能被充分吸收[10]。參考文獻[3,5,6,8,10,15,18]，選定全混合日糧混合均勻度、全混合日糧撒料均勻度、全混合日糧物料自然殘留率、全混合日糧生產(chǎn)率、青貯秸稈捆破膜清除率作為自走式全混合日糧制備機試驗評價指標。

3.2.1全混合日糧混合均勻度

測定全混合日糧混合均勻度的示蹤物為水稻顆粒，水稻示蹤物在添加精飼料期間與物料同時加入，添加量為物料總量的5%[23]。待各試驗物料充分混合后，隨著卸料閘門口物料不斷排出，等間隔抽取不少于50個樣品，并且每個樣品的質量不少于2 000 g，作為混合均勻度測試樣本，然后分別挑揀出每個樣品中的全部示蹤物并稱量，計算每份樣品的示蹤物質量與樣品質量的百分比。計算樣本標準差和混合均勻度

(9)

(10)

式中Sh——混合樣本標準差

N——樣本數(shù)量

Xi——樣本中示蹤物質量與樣品質量百分比，%

Mh——全混合日糧混合均勻度，%

對于全混合日糧混合效果評價，當混合均勻度大于90%時表示混合質量優(yōu)，混合均勻度大于80%且小于90%時表示混合質量可以接受，但仍需進一步改善。全混合日糧混合均勻度越高表示攪拌越均勻，營養(yǎng)成分也更均衡，實際生產(chǎn)中要求不同車次的全混合日糧制備機所制備的全混合日糧混合均勻度大于90%。

3.2.2全混合日糧撒料均勻度

選取一個長度不小于200 m且寬度不小于5 m的平直而寬闊的撒料場地，每間隔10 m做一個標記，即：0、1、2、…、20共21個標記；然后模擬自走式全混合日糧制備機在牛舍實際喂料的作業(yè)情況，從標記0處開始撒料，直到超過標記的第20點為止；在標記2～19處，取不少于15個樣品，在每點挑取相同長度的物料，稱量并編號。計算樣本標準差和撒料均勻度

(11)

(12)

式中SX——撒料樣本標準差

mi——第i個樣品質量，kg

MX——撒料均勻度，%

3.2.3全混合日糧物料自然殘留率

在每批次全混合日糧充分混合結束并自然卸料后,對自走式全混合日糧制備機料箱內部進行徹底清理，同時對收集的殘留物料稱量，該質量與每批次全混合日糧的質量之比就是全混合日糧物料自然殘留率。物料自然殘留率計算式為

(13)

式中R——全混合日糧物料自然殘留率，%

Δm——料箱內殘留物料質量，kg

mc——料箱額定批次物料質量，kg

3.2.4全混合日糧生產(chǎn)率

全混合日糧生產(chǎn)率計算公式為

(14)

式中 ∑Vi——日糧生產(chǎn)試驗期間車次取料和裝料體積，m3

∑ti——日糧生產(chǎn)試驗期間車次純工作時間，h

3.2.5青貯秸稈捆破膜清除率

首先安裝切捆除膜裝置，利用青貯包切捆除膜機械臂調整切捆除膜裝置的工作位置，啟動切捆液壓缸將青貯秸稈捆包切成2塊，草捆在自重作用下落入攪拌裝置料箱內，夾膜機構夾住裹包膜防止掉入攪拌裝置；當裹包膜內秸稈物料排凈之后，轉動切捆除膜機構從料箱上方位置移開，隨后通過輔助夾持油缸控制夾膜機構，裹包廢膜則被釋放。收集地上廢膜，記錄收集的廢膜質量，同時挑揀出摻雜進攪拌裝置料箱內的全部裹包膜并稱量。相同工況下切割5個秸稈捆包，計算每個捆包的破膜清除率并最終取其算術平均值。

(15)

式中S——破膜清除率，%

Δms——地上收集的廢膜質量，g

mt——摻雜進料箱內的裹包膜質量，g

3.3 樣機試驗

2018年12月29日，山東省農業(yè)機械科學研究院產(chǎn)品質量檢測中心對9JZL-16型自走式全混合日糧制備機進行了檢驗鑒定。檢測地點在山東省肥城市忠利奶牛養(yǎng)殖專業(yè)合作社，該奶牛場的青貯池屬于半地下結構，寬度為3 000 mm，飼料深度為4 500 mm；青貯飼料為全株玉米切碎2～3 cm制成，含水率64.8%，發(fā)酵60 d后開始取料；制作的全混合日糧青貯飼料占70%，精飼料占30%，精飼料含水率13.7%。試驗選用5個圓柱青貯捆為試驗對象，其整體尺寸為Φ(1 200±6)×(1 100±6)mm，青貯捆密度(420±10)kg/m3，青貯專用拉伸膜裹包4層。經(jīng)試驗檢測，樣機取料高度為5 000 mm，取料寬度為2 000 mm，全混合日糧總制備時間為23.7 min，得到全混合日糧混合均勻度為91.1%，全混合日糧生產(chǎn)率為29.6 m3/h，卸料自然殘留率為0.7%，青貯秸稈捆破膜清除率達98.4%。檢驗結果均符合JB/T 11438—2013《全混日糧攪拌機》國家標準和Q/XFNM 001—2018《自走式全混合日糧制備機》企業(yè)標準。

取料試驗包括青貯捆的切捆取料和青貯池內取料。切捆取料試驗如圖11，青貯池內取料如圖12，攪拌試驗如圖13，撒料試驗如圖14所示。該樣機可完成青貯捆抓捆機、青貯飼料取料機、皮帶輸送機、TMR飼料攪拌機及撒料車等多種單一畜牧機械設備的全部作業(yè)功能。

圖11 切捆試驗

圖12 青貯池取料

圖13 攪拌試驗

4 結論

(1)設計了自走式全混合日糧制備機，該機采用輪式行走底盤，整機采用全液壓驅動，集青貯池飼料的取料與輸送、粗精飼料攪拌、物料運輸和自動撒料飼喂等作業(yè)于一體。針對目前國內通過人工手動或借助多功能單一機械移除青貯圓捆(方捆)裹包膜而造成費時、費力、高成本的問題，研制出一種集抓捆、切捆、除膜和裝料等功能于一體的切捆除膜裝置，通過快速掛接裝置，更換青貯池飼料取料裝置和切捆除膜裝置，實現(xiàn)了牛場不同類型青貯物料的高效飼喂一體化作業(yè)。

圖14 撒料試驗

(2)自走式全混合日糧制備機的取料裝置為滾筒切割形式，設計切刀線速度為6.7～8.0 m/s，可滿足青貯池青貯料的切取要求和16 m3料箱容量飼料的制備進度，撒料裝置傳送速度控制在1.5 m/s，可使卸料更均勻。經(jīng)試驗檢測，樣機取料高度為5 000 mm，取料寬度為2 000 mm，全混合日糧總制備時間為23.7 min，得到全混合日糧混合均勻度為91.1%，全混合日糧生產(chǎn)率為29.6 m3/h，卸料自然殘留率為0.7%，青貯秸稈捆破膜清除率達98.4%。該機滿足全混合日糧制備機相關的國家標準。