三軸立式TMR攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)及有限元分析

鄭永安,王 龍,甄建民,邢劍飛

(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)

0 引言

伴隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人民生活水平日益提高,牛奶的攝入量也逐年增長,奶業(yè)已成為我國畜牧業(yè)的主要產(chǎn)業(yè)之一,我國已經(jīng)成為奶類制品的生產(chǎn)大國。牛奶類制品都來源于奶牛,奶牛的質(zhì)量直接決定了奶類制品的質(zhì)量,而全混合日糧(TMR)飼養(yǎng)技術(shù)將精粗飼料按一定配方的比例混合攪拌均勻,可以提高飼料的適口性及營養(yǎng)均衡性,進(jìn)而提高奶類制品的品質(zhì)和價(jià)值[1]。目前,該技術(shù)在我國已有廣泛應(yīng)用,TMR攪拌機(jī)可以將各種物料直接投入,無需進(jìn)行其他加工工序,且具有裝料、混合、卸料周期短的特點(diǎn)[2]。因此,促進(jìn)我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展,對滿足乳制品市場需求增加養(yǎng)殖企業(yè)及散戶收益,并進(jìn)一步優(yōu)化我國畜牧產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)具有重要意義。

TMR混合攪拌機(jī)械已在畜牧業(yè)發(fā)達(dá)國家廣泛使用,在亞洲TMR攪拌機(jī)的使用也已經(jīng)達(dá)到50%以上。目前,我國TMR混合設(shè)備處于對國外飼料攪拌機(jī)的仿制過程,關(guān)于TMR攪拌技術(shù)尚處于探索階段,對于TMR攪拌技術(shù)的研究匱乏,導(dǎo)致我國的機(jī)械化飼養(yǎng)技術(shù)儲(chǔ)備薄弱[3]。因此,研制適用于我國奶牛養(yǎng)殖模式的TMR攪拌機(jī),對我國奶牛機(jī)械化、自動(dòng)化飼養(yǎng)的發(fā)展具有重要促進(jìn)作用。

為此,針對新疆奶牛養(yǎng)殖模式,設(shè)計(jì)了一種三軸立式飼料混合攪拌機(jī),利用SoildWorks軟件對TMR攪拌機(jī)機(jī)械相關(guān)部件進(jìn)行三維建模,并通過對攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理及關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行理論分析及研究,旨在為立式飼料混合攪拌機(jī)械的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及混合機(jī)理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三軸立式TMR攪拌機(jī)主要由3根攪龍、動(dòng)力輸入軸、鏈條、箱體、出料口、電動(dòng)機(jī)和一體式支撐架等部分組成,如圖1所示。螺旋攪龍是攪拌機(jī)的核心裝置,工作時(shí),電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力輸入軸的主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng),再利用雙排鏈傳動(dòng)使得其余兩根軸旋轉(zhuǎn),最終使分別安裝在3個(gè)軸上的攪龍旋轉(zhuǎn)。攪龍裝置安裝有錐形葉片,弧形刀具采用模塊化設(shè)計(jì),并采用螺栓連接方式與攪龍葉片連接,便于刀具磨損后的替換。電機(jī)與傳動(dòng)軸主動(dòng)軸部分采用單排鏈傳動(dòng),工作時(shí),在料筒頂部安裝擋料端蓋,防止物料的飛濺。

攪拌裝置將混合飼料中的精、粗飼料實(shí)現(xiàn)快速、均勻混合,將飼料加工成粒狀、粉狀物料,實(shí)現(xiàn)飼料的翻轉(zhuǎn)混合、頂部與底部物料的對流混合及物料的擴(kuò)散及剪切混合,因此攪龍選擇錐形螺旋攪龍[4]?？紤]到立式攪拌機(jī)需要完成對流混合,因此三軸攪龍葉片設(shè)計(jì)為3個(gè)相同旋向的旋轉(zhuǎn)方式。

1.2 物料混合機(jī)理

三軸立式TMR攪拌機(jī)攪龍使用兩兩對稱設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了物料的垂直混合與物料的拋灑等循環(huán)運(yùn)動(dòng),混合形式是一種綜合性的混合形式?；旌闲问桨羟小α?、擴(kuò)散、沖擊及粉碎等5種混合形態(tài),立式TMR攪拌機(jī)以對流混合為主。

1.攪龍裝置 2.套筒 3.擋油環(huán) 4.推力球軸承 5.單排鏈輪 6.圓錐滾子軸承 7.電動(dòng)機(jī) 8.雙排鏈 9.弧形刀片 10.料筒圖1 三軸立式TMR攪拌機(jī)Fig.1 Three-axis vertical TMR mixer

由于螺旋葉片式攪拌機(jī)對流混合效果顯著,因此三軸立式TMR攪拌機(jī)攪龍采用錐形設(shè)計(jì),為對流混合預(yù)留足夠空間。攪拌機(jī)作業(yè)時(shí),隨著攪龍裝置的旋轉(zhuǎn),在攪龍的作用下將物料從料筒底部推送至料筒頂部拋灑;當(dāng)物料克服摩擦力在重力作用下或沿圓臺(tái)型料筒內(nèi)壁向下滑移,落下的物料與料筒底部的物料拌合。三攪龍的設(shè)計(jì)使物料在三攪龍中心及周圍形成剪切混合及擴(kuò)散混合,混合物料在攪龍葉片的拋灑運(yùn)動(dòng)下形成包括剪切混合、對流混合、擴(kuò)散混合在內(nèi)的綜合性混合,使得體積差異性較大的精、粗飼料在料箱內(nèi)充分混合,飼料在三攪龍同步轉(zhuǎn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)在料筒內(nèi)立體型重復(fù)混合攪拌運(yùn)動(dòng),在剪切、對流、擴(kuò)散等形式作用下穩(wěn)定且即時(shí)性的混合[5]。為切割長尺寸物料,螺旋葉片上安裝可拆弧形刀片,同時(shí)基于優(yōu)化切割效果考慮,刀具為長度可調(diào)式刀具。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 料筒參數(shù)的確定

料筒是飼料混合攪拌機(jī)的主要部件之一,物料混合過程受物料容重、物料休止角及物料與葉片間摩擦因數(shù)的影響顯著。根據(jù)奶牛日糧營養(yǎng)結(jié)構(gòu)對本裝置料筒進(jìn)行設(shè)計(jì),粗飼料為青貯玉米秸和苜蓿草,精飼料為玉米、麥麩、豆餅和棉粕等[6],物料休止角為58°,攪龍葉片與物料間摩擦因數(shù)為0.4。,

根據(jù)料筒體積計(jì)算公式得

式中V—料筒容積(m3);

h—料筒高度(m),本次設(shè)計(jì)取h=835mm;

R—料筒箱頂面直徑(m),本次設(shè)計(jì)取R=1 230mm;

r—料筒底面直徑(m),本次設(shè)計(jì)取r=940mm。

代入上述數(shù)據(jù),得料筒容積3.08m3,為小型TMR攪拌機(jī)。其料筒內(nèi)壁與底板夾角105°,滿足防止物料產(chǎn)生結(jié)拱現(xiàn)象的要求,即料筒內(nèi)壁與筒底夾角范圍為105°～120°,防止混合飼料無法下滑導(dǎo)致對流混合效率低下。料箱結(jié)構(gòu)簡單,料筒結(jié)構(gòu)為圓臺(tái)式設(shè)計(jì),滿足物料充分混合要求,單次混合作業(yè)后,料筒內(nèi)飼料積留量少。

2.2 螺旋葉片參數(shù)

根據(jù)奶牛對全混合日糧飼料尺寸需求為4～6mm,為保證全混合日糧的蓬松性,滿足飼料的口感和提升飼料混合空間,攪龍葉片設(shè)計(jì)為錐形螺旋葉片。由于攪拌機(jī)采用三軸攪龍?jiān)O(shè)計(jì),刀片與料箱最小間距定為15mm,單絞龍螺旋葉片最大直徑為380mm,螺旋葉片采用等螺距設(shè)計(jì),螺距為210mm。三攪龍螺旋葉片采用兩兩對稱設(shè)計(jì),錐形螺旋攪龍葉片上每個(gè)螺旋葉片安裝15個(gè)弧形刀具,對混合飼料中長尺寸物料進(jìn)行切割攪拌,充分混合飼料[7]。螺旋攪龍如圖2所示。

圖2 錐形螺旋葉片三維建模Fig.2 Three-dimensional modeling of conical spiral blades

2.3 攪龍轉(zhuǎn)速的確定

對于三軸立式TMR攪拌機(jī),工作核心部件為錐形螺旋攪龍。工作時(shí),物料不僅需要完成上下翻轉(zhuǎn),同時(shí)還要做圓周運(yùn)動(dòng)。因此,攪龍轉(zhuǎn)速不僅影響著物料的混合攪拌均勻度還決定了機(jī)器的生產(chǎn)率。

物料在混合攪拌狀態(tài)中主要受到物料與料筒內(nèi)壁間摩擦力、物料與攪龍間的摩擦力、物料間摩擦力及物料自身重力的作用,還受到攪龍葉片離心力的作用[8]。假設(shè)在錐形螺旋攪龍工作面上有一質(zhì)量為m的物料顆粒,設(shè)定本處螺距為s,螺旋半徑為r,螺旋升角為α,速度分析如圖3所示。

圖3 攪龍速度分析Fig.3 Auger speed analysis

當(dāng)動(dòng)力輸入軸帶動(dòng)攪龍以角速度ω繞中心軸旋轉(zhuǎn)時(shí),首先物料顆粒在攪龍離心力的作用下,工作面上物料顆粒產(chǎn)生圓周運(yùn)動(dòng);其次,物料沿螺旋面向攪龍軸的軸向移動(dòng)。其中,φs為物料與攪龍葉片間的摩擦角,Ve為物料絕對速度,將Ve正交分解得到物料的圓周速度Vg和軸向速度Vm。軸向速度可提升物料進(jìn)行對流混合,切向速度可使物料進(jìn)行剪切以及擴(kuò)散混合[9]。其攪龍臨界轉(zhuǎn)速nK可按以下公式求解,即

式中nK—攪龍裝置臨界轉(zhuǎn)速(r/min);

α—攪龍裝置給定位置的螺旋升角;

φs—攪龍葉片與物料間的摩擦角;

d—相應(yīng)位置螺旋直徑(m);

μf—物料摩擦因數(shù)。

螺旋升角α計(jì)算公式為

式中S—攪龍葉片螺距;

d—相應(yīng)位置螺旋直徑。

攪龍?jiān)谧龃怪鄙\(yùn)時(shí),攪龍轉(zhuǎn)速過高會(huì)導(dǎo)致摩擦損失增大使功耗增加、生產(chǎn)效率下降,攪龍轉(zhuǎn)速過低會(huì)導(dǎo)致攪拌效率下降及停止升運(yùn)物料[10]。根據(jù)攪拌裝置的相關(guān)參數(shù)：螺距S=210mm,物料和攪龍葉片摩擦角φs=22.3°,物料摩擦因數(shù)μf=0.4,物料容重γ=500kg/m3。計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速范圍如下：

攪拌裝置為變徑攪龍,其運(yùn)動(dòng)情況較為復(fù)雜,攪龍裝置臨界轉(zhuǎn)速范圍為87～172r/min?？紤]多種混合飼料配比結(jié)構(gòu),導(dǎo)致物料特性的差異性,理論臨界轉(zhuǎn)速并不等同于實(shí)際臨界轉(zhuǎn)速,實(shí)際采用轉(zhuǎn)速范圍為90～170r/min。

2.4 生產(chǎn)率計(jì)算

生產(chǎn)率可按下式計(jì)算,即

式中Q—生產(chǎn)率(kg/h);

V—攪拌機(jī)料筒容積(m3);

ψ—物料填充系數(shù)(%),一般取ψ=85%;

γ—物料容重(kg/m3);

∑t—單批次物料混合所需時(shí)間。

2.5 配套動(dòng)力的計(jì)算

混合攪拌機(jī)所需功率按以下公式計(jì)算,即

式中N—機(jī)器所需功率(kg/h);

Q—生產(chǎn)率(kg/h);

K1—物料總阻力系數(shù),一般取K1=6;

K2—功率備用系數(shù),一般取K2=1.2;

H—物料提升高度。

由于攪拌機(jī)在工作過程中與物料的摩擦消耗,刀片切割飼料的功率消耗,電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)大于所需功率,取N=9kW。

3 攪龍有限元分析

3.1 攪龍結(jié)構(gòu)及參數(shù)

以TMR攪拌機(jī)攪龍為研究對象進(jìn)行有限元分析,葉片厚度為8mm,材料為45鋼,材料屬性值如表1所示。采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分法進(jìn)行網(wǎng)格劃分,根據(jù)攪拌機(jī)各零部件的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系及葉片與螺旋套筒安裝方式為焊接,因此螺旋套筒設(shè)置為固定約束。

3.2 模型求解及分析結(jié)果

通過Abaqus軟件對三維模型進(jìn)行分析,得到振型云圖如圖4所示,前6階的固有頻率如表2所示。

表1 材料屬性值Table 1 Material property value

(a) 第1階模態(tài)振型圖

表2 螺旋攪龍前6階固有頻率Fig 2 The first 6 natural frequencies of auger Hz

弧形刀具刃部為1.105mm。由第2階模態(tài)振型可知：螺旋葉片及弧形刀具產(chǎn)生縱向振動(dòng),最大形變發(fā)生在弧形刀具刃部為1.012mm。由結(jié)果分析可知：三軸立式攪拌機(jī)攪龍裝置在工作狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生屈服,強(qiáng)度滿足使用需求。

4 試驗(yàn)

根據(jù)GB/T5918-2008《配合飼料混合均勻度測定方法》,選取變異系數(shù)、混合均勻度、投料穩(wěn)定度為樣機(jī)性能指標(biāo),以甲基紫色素作為示蹤物,試驗(yàn)前,將其與物料均勻混合,最終以比色法測定物料中甲基紫含量,為樣機(jī)性能指標(biāo)優(yōu)劣提供依據(jù)。試驗(yàn)在塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)地進(jìn)行,選取變異系數(shù)、混合均勻度及投料穩(wěn)定度為樣機(jī)性能指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The results of simulation and experiment %

根據(jù)變異系數(shù)不大于10%,混合均勻度不小于90%,穩(wěn)定度大于85%的要求,該三軸立式TMR攪拌機(jī)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,且運(yùn)行便捷、穩(wěn)定性高、操控性強(qiáng)。

5 結(jié)論

1)通過對攪拌機(jī)混合原理進(jìn)行分析,確定裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及主要零部件結(jié)構(gòu)參數(shù),并計(jì)算出攪龍的臨界轉(zhuǎn)速,為進(jìn)一步研究TMR攪拌機(jī)各機(jī)構(gòu)參數(shù)及優(yōu)化提供一定的理論支持。

2)對關(guān)鍵部件進(jìn)行了有限元分析,結(jié)果表明：攪拌機(jī)攪龍?jiān)诠ぷ鳡顟B(tài)下不會(huì)產(chǎn)生屈服變形,能滿足正常使用需求。