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)
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(簡稱日糧)飼喂技術(shù)已在國內(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,國內(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、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)引入中國較晚,國內(nèi)企業(yè)通過跟蹤國外技術(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,但國內(nèi)對(duì)日糧混合機(jī)的研究主要是對(duì)國外成熟機(jī)型的改進(jìn)或試驗(yàn)。綜上,國內(nèi)外對(duì)日糧混合機(jī)理的研究較少,尤其是國內(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。
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×寬×高)為1.7 m×0.7 m×1.4 m,機(jī)體尺寸(長×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
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?;旌贤瓿珊?,打開卸料口,日糧在槳葉推力和自身重力的作用下排出機(jī)體。
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。
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度和,mm
L2——混合室長度,mm
Lj——單個(gè)槳葉長度,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,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。
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。
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??;隨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。
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,說明此時(shí)該顆粒在上升過程中,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。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
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
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。
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)字測試儀 5.扭矩傳感器
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)字測試儀,通過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,某一混合過程中,維持槳葉式日糧混合試驗(yàn)裝置、功率測控系統(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、功率測控系統(tǒng)和變頻器等運(yùn)行所需的功耗,kJ
4.3.1試驗(yàn)方案與結(jié)果
通過混合機(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;0.01
0.1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。
(1) 通過對(duì)日糧混合過程進(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。