槳葉式日糧混合機(jī)機(jī)理分析與參數(shù)優(yōu)化

王德福 黨春雪 黃會(huì)男 劉朝賢

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部生豬養(yǎng)殖設(shè)施工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030)

0 引言

為克服傳統(tǒng)精粗料分飼形式易使反芻動(dòng)物挑食、引發(fā)代謝性疾病的缺陷，根據(jù)反芻動(dòng)物生長(zhǎng)及生產(chǎn)需要，將粗飼料、精飼料及各種添加劑混合均勻的全混合日糧(簡(jiǎn)稱日糧)飼喂技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外得到普遍應(yīng)用。該技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵是日糧混合機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外企業(yè)及學(xué)者已對(duì)日糧混合機(jī)進(jìn)行了大量研究。國(guó)外研究起步較早，主要研發(fā)了立式攪龍日糧混合機(jī)和臥式螺旋、卷盤(pán)、鏈板、槳葉式日糧混合機(jī)，且各機(jī)型已趨于系列化、大型化、自動(dòng)化，研發(fā)工作主要由企業(yè)完成，其研究主要側(cè)重于已有機(jī)型的選型分析與性能試驗(yàn)，對(duì)日糧混合機(jī)混合機(jī)理的分析較少。如KAMMEL[2]對(duì)日糧混合機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了概括與分析，為日糧混合機(jī)的選型提供了參考；BUCKMASTER等[3]利用整粒玉米等作為示蹤劑，對(duì)兩種日糧混合機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，評(píng)價(jià)其混合性能；STKOVA等[4]研究了日糧不同組分對(duì)混合機(jī)混合性能的影響。日糧飼喂技術(shù)引入中國(guó)較晚，國(guó)內(nèi)企業(yè)通過(guò)跟蹤國(guó)外技術(shù)成熟的日糧混合機(jī)，已研制出立式攪龍、臥式螺旋等日糧混合機(jī)，同時(shí)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)日糧混合機(jī)也進(jìn)行了較多研究。文獻(xiàn)[5-8]分別對(duì)轉(zhuǎn)筒與槳葉組合式日糧混合機(jī)、轉(zhuǎn)輪式日糧混合機(jī)、臥式日糧混合機(jī)與立式日糧混合機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)混合時(shí)間、剪切刀數(shù)量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，但國(guó)內(nèi)對(duì)日糧混合機(jī)的研究主要是對(duì)國(guó)外成熟機(jī)型的改進(jìn)或試驗(yàn)。綜上，國(guó)內(nèi)外對(duì)日糧混合機(jī)理的研究較少，尤其是國(guó)內(nèi)對(duì)于槳葉式日糧混合機(jī)的機(jī)理研究欠缺。

針對(duì)所設(shè)計(jì)的槳葉式日糧混合機(jī)，本文在分區(qū)域分析該混合機(jī)內(nèi)混合方式的基礎(chǔ)上，通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析及EDEM仿真深入分析槳葉式日糧混合機(jī)的混合機(jī)理，利用設(shè)計(jì)的槳葉式日糧混合機(jī)試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)該混合機(jī)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

槳葉式日糧混合機(jī)試驗(yàn)裝置主要由機(jī)體、轉(zhuǎn)子、機(jī)架和傳動(dòng)系統(tǒng)等組成(如圖1所示)，其總體尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1.7 m×0.7 m×1.4 m，機(jī)體尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為0.7 m×0.5 m×0.65 m，總?cè)莘e0.226 m3。其中機(jī)體由上機(jī)體、下機(jī)體組成，上機(jī)體為長(zhǎng)方體，包括進(jìn)料口，下機(jī)體為半圓柱體，包括卸料口；轉(zhuǎn)子為槳葉式日糧混合機(jī)的核心部件，主要由主軸、支撐桿、槳葉組成，為強(qiáng)化混合作用，在中間4組支撐桿中部增加了加強(qiáng)槳葉。為便于對(duì)混合室內(nèi)日糧的混合過(guò)程進(jìn)行觀察，機(jī)體由透明的有機(jī)玻璃板制作。

圖1 槳葉式日糧混合機(jī)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of paddle-type ration mixing experimental equipment1.進(jìn)料口 2.轉(zhuǎn)子 3.下機(jī)體 4.卸料口 5.機(jī)架 6.減速電機(jī) 7.上機(jī)體

1.2 工作原理

工作時(shí)，日糧由進(jìn)料口進(jìn)入混合室內(nèi)，減速電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞給轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上安裝的槳葉帶動(dòng)日糧產(chǎn)生混合運(yùn)動(dòng)。槳葉在混合室下部推動(dòng)日糧產(chǎn)生較弱的剪切與對(duì)流混合；當(dāng)槳葉帶動(dòng)日糧到達(dá)混合室上部后，日糧被槳葉拋落或在重力作用下自由滑落，做不規(guī)則、無(wú)定向的運(yùn)動(dòng)，形成剪切與擴(kuò)散混合；同時(shí)，左、右側(cè)兩組槳葉分別推動(dòng)日糧從混合室兩端向中間移動(dòng)，形成對(duì)流混合，中部支撐桿上各增加的一個(gè)加強(qiáng)槳葉促進(jìn)日糧從中間移動(dòng)到兩端，強(qiáng)化了對(duì)流混合作用。因此，日糧在混合室內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一種多方向、多方位的復(fù)合運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)均勻混合。混合完成后，打開(kāi)卸料口，日糧在槳葉推力和自身重力的作用下排出機(jī)體。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子是槳葉式日糧混合機(jī)的關(guān)鍵部件。本研究設(shè)計(jì)的槳葉式日糧混合機(jī)的轉(zhuǎn)子采用臥式單軸結(jié)構(gòu)，主要由主軸、槳葉與連接兩者的支撐桿組成，在主軸上左右各設(shè)置一組槳葉，每組槳葉含3根呈螺旋排布的支撐桿(支撐桿1、2、3為一組，支撐桿4、5、6為一組)，其外層槳葉將日糧從混合機(jī)的兩側(cè)向中間推動(dòng)，如圖2所示。對(duì)于臥式單軸混合機(jī)，支撐桿數(shù)量與相鄰兩根支撐桿的相位角應(yīng)滿足[9]

360°≤kψ≤720°

(1)

式中k——主軸上支撐桿數(shù)量

ψ——相鄰兩根支撐桿間相位角，(°)

圖2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of rotor1.支撐桿2 2.加強(qiáng)槳葉 3.支撐桿1 4.主軸 5.支撐桿3 6.外層槳葉 7.支撐桿6 8.支撐桿4 9.支撐桿5

結(jié)合機(jī)體的尺寸與長(zhǎng)寬比，由公式(1)確定支撐桿的相位角為120°。為加強(qiáng)日糧從中間向兩端移動(dòng)的能力，在中間4根支撐桿中部各設(shè)置一加強(qiáng)槳葉，同時(shí)為強(qiáng)化混合機(jī)兩端槳葉對(duì)日糧的回推能力，在主軸兩端各對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)槳葉。

2.2 槳葉

為使日糧在槳葉的作用下，保證軸向運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，也為減少卸料時(shí)的殘留，相鄰兩根支撐桿上的槳葉在軸向投影應(yīng)有重疊，重疊系數(shù)計(jì)算式為

ζ=L1/L2

(2)

其中L1=kLjcosα

式中ζ——軸向重疊系數(shù)

L1——外層槳葉在軸向投影的長(zhǎng)度和，mm

L2——混合室長(zhǎng)度，mm

Lj——單個(gè)槳葉長(zhǎng)度，mm

α——槳葉安裝角，(°)

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，軸向重疊系數(shù)應(yīng)小于1.25，將其代入公式(2)得槳葉長(zhǎng)度為175 mm。

為使外層槳葉與加強(qiáng)槳葉的推料量均勻，使支撐桿受力均勻，考慮到實(shí)際混合過(guò)程中物料存在空隙，因此兩種槳葉掃掠一圈的體積比應(yīng)在0.85～1.15之間，在槳葉長(zhǎng)度相同的情況下，外層槳葉與加強(qiáng)槳葉的寬度應(yīng)滿足

(3)

式中p1——外層槳葉旋轉(zhuǎn)一圈掃掠的體積，mm3

p2——加強(qiáng)槳葉旋轉(zhuǎn)一圈掃掠的體積，mm3

l——混合機(jī)下機(jī)體內(nèi)壁半徑，mm

x——外層槳葉上邊緣到混合機(jī)下機(jī)體內(nèi)壁的距離，mm

B1——外層槳葉寬度，mm

B2——加強(qiáng)槳葉寬度，mm

l1——加強(qiáng)槳葉下邊緣到主軸軸心距離，mm

l2——加強(qiáng)槳葉與外層槳葉距離，mm

根據(jù)本設(shè)計(jì)可知混合機(jī)下機(jī)體內(nèi)壁半徑為242 mm，外層槳葉上邊緣到混合機(jī)下機(jī)體內(nèi)壁的距離為10 mm，將其代入公式(3)，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可得外層槳葉寬60 mm，加強(qiáng)槳葉寬80 mm，加強(qiáng)槳葉下邊緣到主軸軸心距離42 mm，加強(qiáng)槳葉與外層槳葉的距離30 mm。

為保證外層槳葉頂部與混合機(jī)下機(jī)體內(nèi)壁的間距均勻，按槳葉安裝角為45°設(shè)計(jì)外層槳葉頂部結(jié)構(gòu)為兩斜線一圓弧，尺寸如圖3所示。

圖3 外層槳葉結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of outer paddle

鑒于每根支撐桿上的加強(qiáng)槳葉與其外層槳葉對(duì)日糧的軸向作用力方向相反，其加強(qiáng)槳葉與外層槳葉呈交叉設(shè)置，考慮到青貯玉米濕度大、形狀細(xì)長(zhǎng)，易纏繞、拖帶、成團(tuán)，為防止外層槳葉的推料面與加強(qiáng)槳葉頂端產(chǎn)生成團(tuán)托料現(xiàn)象，避免削弱加強(qiáng)槳葉的混合能力，將每個(gè)加強(qiáng)槳葉的形狀設(shè)計(jì)為矩形沿托料側(cè)截去ε角(圖4)。

圖4 加強(qiáng)槳葉結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural diagram of strengthened paddle

其設(shè)計(jì)分析如下：在加強(qiáng)槳葉托料側(cè)沿ε角截?cái)?，日糧在加強(qiáng)槳葉頂端時(shí)受重力作用產(chǎn)生下滑力，使日糧可以及時(shí)滑落，避免日糧成團(tuán)隨著槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)；但截去一角的加強(qiáng)槳葉面積變小，降低了加強(qiáng)槳葉的推料能力。ε角與下滑力及加強(qiáng)槳葉面積的關(guān)系為

(4)

式中Fh——日糧在加強(qiáng)槳葉頂端時(shí)的下滑力，N

G——日糧重力，N

S——加強(qiáng)槳葉面積，mm2

S0——未截去ε角時(shí)矩形加強(qiáng)槳葉面積，mm2

lb——截去長(zhǎng)度，為60 mm

公式(4)中，下滑力與加強(qiáng)槳葉的面積越大，混合效果越好，因而可得ε的范圍為35°～45°，取ε=45°。經(jīng)預(yù)試驗(yàn)研究，截去45°角的加強(qiáng)槳葉可以消除成團(tuán)托料現(xiàn)象并保證推料能力。

3 混合機(jī)理分析

3.1 力學(xué)分析

為保證日糧在槳葉的作用下，既能做周向運(yùn)動(dòng)，又能做軸向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)安裝槳葉的支撐桿到達(dá)水平面時(shí)，在垂直于支撐桿的平面上，對(duì)與槳葉直接接觸的日糧顆粒質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行受力分析。如圖5所示。

圖5 與槳葉接觸的日糧顆粒質(zhì)點(diǎn)受力分析Fig.5 Force analysis of ration particle contacting with paddle

槳葉安裝角指槳葉平面與主軸軸線的夾角α(圖5)。槳葉對(duì)日糧的驅(qū)動(dòng)力FN垂直于槳葉平面向上，同時(shí)日糧受到沿著槳葉平面向上的摩擦力Ff。驅(qū)動(dòng)力FN與摩擦力Ff的合力F0與槳葉平面的垂線夾角為摩擦角θ。F為日糧所受的合力。合力F與槳葉平面的垂線夾角為β。若使日糧在槳葉的作用下在軸向有移動(dòng)，則需滿足α>β。由圖5可知θ>β，當(dāng)摩擦因數(shù)改變，摩擦角θ逐漸增大時(shí)，β也隨之增大，當(dāng)θ=α?xí)r，F(xiàn)0豎直向上，此時(shí)β=θ=α，F(xiàn)也豎直向上，日糧在槳葉的作用下只做圓周運(yùn)動(dòng)，而無(wú)軸向運(yùn)動(dòng)。因此只需滿足α>θ就可以滿足α>θ>β，使日糧有軸向運(yùn)動(dòng)。f為日糧與槳葉之間摩擦因數(shù)，則f=tanθ。因此，日糧沿著軸向運(yùn)動(dòng)的條件為α>arctanf。

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

槳葉帶動(dòng)日糧旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，日糧受到離心力作用，為保證日糧順利下落，需滿足當(dāng)槳葉到達(dá)主軸正上方時(shí)，離心力小于重力，根據(jù)公式

mg≥mω2r

(5)

式中m——日糧顆粒質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

ω——轉(zhuǎn)子角速度，rad/s

r——日糧顆粒質(zhì)點(diǎn)到主軸軸心的距離，m

圖6 與槳葉接觸的日糧顆粒質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析Fig.6 Kinematic analysis of ration particle contacting with paddle

可知轉(zhuǎn)速應(yīng)小于60 r/min。當(dāng)安裝槳葉的支撐桿到達(dá)水平面時(shí)，在垂直于支撐桿的平面上對(duì)與槳葉接觸的日糧顆粒質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，如圖6所示。當(dāng)槳葉安裝角α滿足α>arctanf時(shí)，日糧在槳葉的帶動(dòng)下，一邊做軸向運(yùn)動(dòng)，一邊做周向運(yùn)動(dòng)。ve為牽連速度，即槳葉的線速度，vr是日糧顆粒的相對(duì)速度，速度方向沿著槳葉平面向下。va是日糧顆粒的絕對(duì)速度，由于合力與槳葉平面的垂線之間存在夾角β，因此絕對(duì)速度va與槳葉平面的垂線會(huì)產(chǎn)生夾角δ，將絕對(duì)速度va向軸向和徑向投影得到日糧顆粒的軸向速度v1與周向速度v2，即

(6)

(7)

式中n——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min

由式(6)、(7)可知，日糧顆粒的軸向速度v1與周向速度v2都與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n成正比。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n增大時(shí)，牽連速度ve即槳葉運(yùn)動(dòng)的線速度也增大，因此，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈，日糧沿軸向的位移隨著增大。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)，日糧被槳葉拋起，由于玉米粉和青貯玉米的粒度、濕度、容重差距較大，易產(chǎn)生離析現(xiàn)象，進(jìn)而影響混合效果。反之，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n減小，日糧沿軸向的運(yùn)動(dòng)速度降低，日糧顆粒的軸向速度v1與周向速度v2都降低，會(huì)影響混合效率。根據(jù)有關(guān)資料[11]可知，日糧混合機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的取值范圍一般在10～50 r/min，由于青貯玉米粒度大、濕度大，玉米粉碎物粒徑小、含水率低，結(jié)合預(yù)試驗(yàn)，將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速取值范圍定為6～20 r/min。

根據(jù)公式(6)可得日糧顆粒的軸向速度v1與槳葉安裝角的關(guān)系如圖7所示。圖7顯示夾角δ的正切值分別等于0、0.2、0.4、0.6、0.8、1，槳葉安裝角α由0°到90°變化時(shí)，軸向速度v1的變化。因在槳葉安裝角為0°～90°之間時(shí)，日糧不能向反方向移動(dòng)，因此曲線在橫坐標(biāo)以上有效。由圖7可知，當(dāng)槳葉安裝角不變時(shí)，日糧與槳葉之間的摩擦因數(shù)越大，軸向運(yùn)動(dòng)速度越?。浑S著槳葉安裝角的增大，軸向速度v1先增加后減小。

圖7 槳葉安裝角對(duì)軸向速度的影響Fig.7 Effect of installation angle on axial speed

圖8 槳葉安裝角對(duì)周向速度的影響Fig.8 Effect of installation angle on circumferential speed

圖9 日糧顆粒軌跡側(cè)視圖Fig.9 Side views of ration particle trajectory

根據(jù)公式(7)可得周向速度v2與槳葉安裝角α的關(guān)系如圖8所示，圖8為夾角δ正切值分別等于0、0.2、0.4、0.6、0.8、1，槳葉安裝角α由0°到90°變化時(shí)，周向速度v2的變化。周向速度v2隨著槳葉安裝角α的增大遞減。由此可知，槳葉安裝角影響混合室內(nèi)軸向和周向的混合速度，兩者混合速度越快、越接近，越能快速地實(shí)現(xiàn)均勻混合。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n確定的情況下，當(dāng)槳葉安裝角α增大時(shí)，日糧沿槳葉表面軸向移動(dòng)速度增大，但周向速度降低，因此本試驗(yàn)中槳葉安裝角取值范圍為20°～60°。根據(jù)圖7可知，在不考慮摩擦的理想條件下，槳葉安裝角為45°時(shí)槳葉的回推能力最大，由于加強(qiáng)槳葉旋轉(zhuǎn)半徑較小，且只在中間4根支撐桿上安裝，為強(qiáng)化其軸向推動(dòng)能力，固定加強(qiáng)槳葉的安裝角為45°；兩端槳葉只將日糧從兩端回推，因此將兩端槳葉的安裝角也確定為45°。本文只討論中間外層槳葉的安裝角對(duì)混合性能的影響。

隨著混合不斷進(jìn)行，日糧的混合均勻度逐漸提高，當(dāng)混合均勻度達(dá)到最高后，如果混合仍在繼續(xù)，會(huì)出現(xiàn)過(guò)混合現(xiàn)象[12]，這時(shí)，不僅增大功耗，增加生產(chǎn)成本，同時(shí)由于日糧原料的容重、粒徑相差較大，日糧開(kāi)始離析，混合均勻度隨之下降。因此混合時(shí)間也是影響混合的重要因素。由文獻(xiàn)[13]可知，一般混合機(jī)的混合時(shí)間為4～10 min，結(jié)合預(yù)試驗(yàn)、機(jī)體大小以及實(shí)際生產(chǎn)中混合時(shí)間的范圍，確定本試驗(yàn)中混合時(shí)間范圍為2～8 min。

3.3 運(yùn)動(dòng)軌跡分析

為直觀反映出槳葉式日糧混合機(jī)的混合效果，利用EDEM軟件對(duì)日糧顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真分析。為簡(jiǎn)化仿真模型，以玉米粉(錘片式粉碎機(jī)孔徑5 mm篩片粉碎物)與青貯玉米粗飼料(平均切碎長(zhǎng)度為10 mm)代表日糧，以大米為示蹤物顆粒，建立顆粒離散元模型。依據(jù)理論分析得出的混合參數(shù)范圍，模擬一組填充率65%、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速20 r/min、槳葉安裝角45°、混合時(shí)間60 s的混合過(guò)程。利用EDEM軟件的Manual Selection功能在混合機(jī)右端標(biāo)記某一示蹤物顆粒，追蹤其不同混合時(shí)間的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析其混合運(yùn)動(dòng)特征[14-17]。

由圖9可知，從10 s到40 s，隨著混合進(jìn)行，顆粒在周向上的軌跡逐漸覆蓋整個(gè)混合室的截面，說(shuō)明加強(qiáng)槳葉的安裝并不阻礙顆粒的周向運(yùn)動(dòng)，顆?？梢缘竭_(dá)混合室的每一處；顆粒在下機(jī)體右側(cè)外層槳葉附近時(shí)，呈明顯、半徑穩(wěn)定的繞軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明顆粒在徑向上幾乎不發(fā)生改變；在下機(jī)體右側(cè)加強(qiáng)槳葉附近，日糧顆粒軌跡復(fù)雜，這是因?yàn)榧訌?qiáng)槳葉使日糧顆粒在日糧間滲透、變位、相互鑲嵌，表明加強(qiáng)槳葉促進(jìn)了混合過(guò)程；在下機(jī)體上部、下機(jī)體右側(cè)處，顆粒軌跡有一向上的拐角，說(shuō)明此時(shí)該顆粒在上升過(guò)程中，失去混合機(jī)機(jī)體的支撐，向槳葉外端滾動(dòng)并回落；顆粒在上機(jī)體右側(cè)的軌跡較平緩，在上機(jī)體左側(cè)的軌跡明顯陡峭，說(shuō)明發(fā)生的擴(kuò)散混合與剪切混合較劇烈。

由圖10可知，從10 s到40 s，顆粒軌跡大致按螺旋線沿軸向展開(kāi)。顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡可按日糧顆粒軸向運(yùn)動(dòng)的往返范圍分為兩種：大循環(huán)，從一端開(kāi)始做半徑不斷變化的螺旋運(yùn)動(dòng)到另一端，由另一端的某個(gè)外層槳葉推回；小循環(huán)，從一端做半徑不斷變化的螺旋運(yùn)動(dòng)到中間或還未到中間就被某一加強(qiáng)槳葉推回。一個(gè)日糧顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡中，大小循環(huán)都可能出現(xiàn)，并且一個(gè)大循環(huán)中可能包括若干個(gè)小循環(huán)。綜上所述，由日糧顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡可以推斷出日糧的混合運(yùn)動(dòng)：日糧在混合室內(nèi)往復(fù)做半徑不斷變化的螺旋運(yùn)動(dòng)，并隨機(jī)伴有波動(dòng)。

圖10 日糧顆粒軌跡正視圖Fig.10 Front views of ration particle trajectory

3.4 混合過(guò)程分析

根據(jù)日糧在不同區(qū)域內(nèi)發(fā)生的主要混合運(yùn)動(dòng)，將混合室按側(cè)向分為：積料區(qū)、提料區(qū)、滑落區(qū)、塌落區(qū)。

日糧在積料區(qū)時(shí)(圖11a)，由于混合機(jī)下機(jī)體的支撐作用以及日糧間的相互作用，日糧在徑向的分布幾乎不發(fā)生改變，由于同一支撐桿上加強(qiáng)槳葉與外層槳葉對(duì)日糧的軸向力相反，因此同一根支撐桿附近的日糧在外層槳葉與加強(qiáng)槳葉之間發(fā)生分別向左右兩邊移動(dòng)的層流，同時(shí)兩相位角相同的槳葉同時(shí)到達(dá)積料區(qū)時(shí)，使日糧產(chǎn)生對(duì)流，進(jìn)而產(chǎn)生較弱的剪切與對(duì)流混合。此區(qū)域內(nèi)槳葉主要起推送日糧作用。

日糧在提料區(qū)時(shí)(圖11b)，槳葉的背面不再接觸日糧。被帶動(dòng)的日糧與積料區(qū)的日糧出現(xiàn)空隙。當(dāng)槳葉帶動(dòng)日糧上升到主軸軸心高度時(shí)，少量日糧由于缺少混合機(jī)下機(jī)體外壁的支撐，在自身重力的作用下滾落回積料區(qū)，發(fā)生擴(kuò)散混合與對(duì)流混合；大部分日糧由槳葉帶入滑落區(qū)，此時(shí)支撐桿附近的日糧發(fā)生剪切混合。因此，提料區(qū)是以剪切混合與對(duì)流混合為主，并伴有擴(kuò)散混合。

日糧在滑落區(qū)時(shí)(圖11c)，由于滾動(dòng)摩擦角與槳葉安裝角的存在，部分日糧沿著槳葉面向下滑落或滾落的同時(shí)在軸向有一定位移，發(fā)生剪切混合、擴(kuò)散混合與對(duì)流混合。此時(shí)加強(qiáng)槳葉起到導(dǎo)流作用：部分頂端的日糧在外層槳葉的作用下向一側(cè)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其滾落到加強(qiáng)槳葉處被分流，一部分繼續(xù)之前的方向，一部分沿加強(qiáng)槳葉面向另一側(cè)滾落，加強(qiáng)了混合作用。

日糧在塌落區(qū)時(shí)(圖11d)，日糧脫離槳葉的作用，在自身重力及離心力作用下，日糧快速向下塌落或拋落到積料區(qū)，發(fā)生較強(qiáng)的擴(kuò)散混合與剪切混合。

圖11 日糧運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.11 Movement states of ration

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

為進(jìn)一步探究槳葉安裝角、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及混合時(shí)間對(duì)混合過(guò)程的影響，根據(jù)相關(guān)資料與預(yù)試驗(yàn)[18]，將混合機(jī)的填充率定為65%，按臥式日糧混合機(jī)先干后濕、先精后粗的裝料原則[19]，先加玉米粉碎物后加青貯玉米。以大米為示蹤物，示蹤物被拋撒在已經(jīng)裝填好日糧的混合機(jī)頂部。

4.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

參考文獻(xiàn)[3,13,20]，以干物質(zhì)質(zhì)量確定試驗(yàn)日糧精粗比40∶60，粗飼料為含水率70%的青貯玉米，精飼料為含水率9.5%的玉米粉碎物(40目篩下物、40目篩上物、1 mm篩上物質(zhì)量比為5∶3∶2)。

示蹤劑：大米(按每噸添加6 kg計(jì))。

槳葉式日糧混合試驗(yàn)裝置如圖12所示。儀器包括：BSA32025型電子天平、扭矩傳感器、TS-5F型智能數(shù)字測(cè)試儀、變頻調(diào)速控制器、攝像機(jī)(Sony FDR-AX700)、卷尺、秒表以及量角器等。

圖12 試驗(yàn)裝置Fig.12 Experimental equipment1.變頻調(diào)速控制器 2.槳葉式日糧混合試驗(yàn)裝置 3.計(jì)算機(jī) 4.TS-5F型智能數(shù)字測(cè)試儀 5.扭矩傳感器

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為探究槳葉式日糧混合機(jī)的混合性能，依據(jù)文獻(xiàn)[21-22]，選用變異系數(shù)和凈功耗作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(1)變異系數(shù)

選擇大米作為示蹤物，每次試驗(yàn)后均勻地取出10份樣品，計(jì)算每100 g樣品中的大米粒數(shù)C，去掉最高最低的兩組，計(jì)算其變異系數(shù)[23]。

變異系數(shù)計(jì)算公式為

(8)

式中Y1——變異系數(shù)，%

Sc——樣品中大米粒數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差

(2)凈功耗

利用扭矩傳感器將試驗(yàn)裝置工作時(shí)的瞬時(shí)功率以電信號(hào)的形式傳給TS-5F型智能數(shù)字測(cè)試儀，通過(guò)USB轉(zhuǎn)232串口線與計(jì)算機(jī)相連，然后利用stc-isp-15xx-v6.85H的串口助手功能將每一次混合過(guò)程中的數(shù)據(jù)收集、保存。采集到的數(shù)據(jù)是離散的，計(jì)算各個(gè)混合過(guò)程中所消耗的凈功耗

Wi=PiΔt

(9)

(10)

Y2=Wf-Wk

(11)

式中Pi——第i次采集到的瞬時(shí)功率，kW

Δt——TS-5F型智能數(shù)字測(cè)試儀采集數(shù)據(jù)間隔時(shí)間，為0.062 5 s

q——某一次混合過(guò)程采集數(shù)據(jù)次數(shù)，次

Y2——凈功耗，主要包括帶動(dòng)日糧時(shí)重心上移及克服內(nèi)摩擦所需的功耗，kJ

Wf——總功耗，某一混合過(guò)程中，維持槳葉式日糧混合試驗(yàn)裝置、功率測(cè)控系統(tǒng)和變頻器等運(yùn)行所需的功耗，kJ

Wk——空載功耗，空載時(shí)維持槳葉式日糧混合試驗(yàn)裝置、功率測(cè)控系統(tǒng)和變頻器等運(yùn)行所需的功耗，kJ

4.3 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

4.3.1試驗(yàn)方案與結(jié)果

通過(guò)混合機(jī)理分析及預(yù)試驗(yàn)，確定以混合時(shí)間、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與槳葉安裝角為試驗(yàn)因素，以變異系數(shù)Y1與凈功耗Y2為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法安排試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)影響試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的3個(gè)因素進(jìn)行顯著性分析，根據(jù)實(shí)際需求對(duì)各參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化，最終獲得較為合適的因素組合。編碼如表1所示，試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。A、B、C為因素編碼值。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Coding of experimental factors

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Experimental plan and results

4.3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

利用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，并進(jìn)行多元回歸擬合，得到以變異系數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程，并檢驗(yàn)其顯著性[24]。對(duì)表2中變異系數(shù)的方差分析結(jié)果如表3所示。

表3 變異系數(shù)方差分析Tab.3 Variance analysis of variation coefficient

注:斜線后面為剔除不顯著因素后，變異系數(shù)Y1方差分析結(jié)果；P<0.01為差異極顯著水平；0.010.1為差異不顯著水平。

由P可判斷各因素對(duì)變異系數(shù)的影響，由表3可知，各試驗(yàn)因素中，槳葉安裝角對(duì)變異系數(shù)的影響最大，其次是混合時(shí)間，最后是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。各因素的交互項(xiàng)和平方項(xiàng)對(duì)變異系數(shù)的影響由大到小依次為A2、C2、B2、AB、AC、BC。其中，BC不顯著(P>0.1)。將不顯著的交互作用項(xiàng)的回歸平方和及自由度并入殘差項(xiàng)后，再進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。得到各因素對(duì)變異系數(shù)影響的回歸方程[25]

Y1=80.293 72-14.019 31t-4.401 18n-
0.656 77α+0.345 57tn-0.052 894tα+
1.108 51t2+0.109n2+0.013 562α2

(12)

對(duì)回歸方程(12)進(jìn)行失擬性檢驗(yàn)，如表3所示，其中P=0.391 0，不顯著(P>0.1)，證明不存在其他影響評(píng)價(jià)指標(biāo)的主要因素，試驗(yàn)因素與試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)存在顯著的二次關(guān)系。

4.3.3響應(yīng)曲面分析

通過(guò)Design-Expert軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理，得出混合時(shí)間、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與槳葉安裝角之間顯著交互作用對(duì)變異系數(shù)影響的響應(yīng)曲面，如圖13所示。

圖13 變異系數(shù)的響應(yīng)曲面Fig.13 Response surfaces of variation coefficient

圖13a為槳葉安裝角為40°(中心水平值)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和混合時(shí)間對(duì)變異系數(shù)的交互作用響應(yīng)曲面。由圖可知，當(dāng)混合時(shí)間一定，混合時(shí)間在3.2～4.1 min時(shí)，變異系數(shù)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大而降低；混合時(shí)間在4.1～6.8 min時(shí)，變異系數(shù)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大而逐漸增加；最優(yōu)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍為8.8～13.0 r/min；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著混合時(shí)間的增加，變異系數(shù)先減小后增大；最優(yōu)的混合時(shí)間范圍為4.1～6.0 min。圖13b為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為13 r/min(中心水平值)時(shí)，槳葉安裝角和混合時(shí)間對(duì)變異系數(shù)的交互作用響應(yīng)曲面。由圖可知，當(dāng)混合時(shí)間一定時(shí)，變異系數(shù)隨著槳葉安裝角的增加先減小后增加；最優(yōu)的槳葉安裝角范圍為28°～45°；當(dāng)槳葉安裝角一定時(shí)，隨著混合時(shí)間的增加，變異系數(shù)先減小后增大；最優(yōu)的混合時(shí)間范圍為4.1～5.9 min。

4.3.4參數(shù)優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證

利用Design-Expert軟件中Optimization模塊進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，根據(jù)混合機(jī)的實(shí)際工作性能要求及上述相關(guān)模型分析結(jié)果，選擇優(yōu)化約束條件為

(13)

對(duì)其參數(shù)進(jìn)行求解，得到混合性能最優(yōu)時(shí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)組合為：混合時(shí)間5.3 min、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速8.6 r/min、槳葉安裝角34°，此時(shí)變異系數(shù)為6.95%，凈功耗為49.08 kJ。

根據(jù)上述試驗(yàn)條件以及獲得的優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證(各試驗(yàn)條件與4.1節(jié)相同)，得到變異系數(shù)7.01%、凈功耗51.02 kJ，優(yōu)化結(jié)果與驗(yàn)證結(jié)果基本一致，誤差在試驗(yàn)允許范圍內(nèi)，其混合性能滿足變異系數(shù)小于10%的要求[11]，凈功耗較低。

5 結(jié)論

(1) 通過(guò)對(duì)日糧混合過(guò)程進(jìn)行分析，將槳葉式日糧混合機(jī)混合室內(nèi)日糧分布區(qū)域劃分為積料區(qū)、提料區(qū)、滑落區(qū)和塌落區(qū)。積料區(qū)發(fā)生較弱的剪切混合與對(duì)流混合；提料區(qū)以剪切混合與對(duì)流混合為主，擴(kuò)散混合為輔；滑落區(qū)發(fā)生剪切混合、擴(kuò)散混合與對(duì)流混合；塌落區(qū)發(fā)生較強(qiáng)的擴(kuò)散混合與剪切混合。

(2) 通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)，本研究設(shè)計(jì)的槳葉式日糧混合機(jī)滿足日糧的混合要求。槳葉式日糧混合機(jī)在填充率為65%時(shí)的最優(yōu)參數(shù)組合為：混合時(shí)間5.3 min、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速8.6 r/min、槳葉安裝角34°，此時(shí)變異系數(shù)可達(dá)7.01%，凈功耗為51.02 kJ，其混合性能較優(yōu)，凈功耗較低。