斗式黑水虻處理豬糞有機(jī)肥取料機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

彭才望 賀 喜 孫松林 宋世圣 向 陽(yáng) 許道軍

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410128； 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410128；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410128)

0 引言

黑水虻處理畜禽糞便可獲得黑水虻昆蟲蛋白[1]和有機(jī)肥[2]，其轉(zhuǎn)化效率高，有效降低了畜禽糞便積累和污染，已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[3]。黑水虻兩周內(nèi)將豬糞堆積減少56%，同時(shí)，豬糞殘?jiān)械⒘?、鉀的含量分別降低了55.1%、44.1%、52.5%，也減弱了豬糞臭味[4]；黑水虻處理豬糞后的有機(jī)肥，肥效較高，富含抗植物病害的活性物質(zhì)，在牧草、果蔬種植業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[5-7]。我國(guó)畜牧養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)規(guī)?；粩嗵岣?，發(fā)展以黑水虻為中介的低碳養(yǎng)殖是實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。但是，在黑水虻養(yǎng)殖過程中，布料、取料、運(yùn)輸、篩分等機(jī)械設(shè)備落后，尤其是取料階段，無(wú)法規(guī)模化有序鏟取、轉(zhuǎn)移和輸送黑水虻處理畜禽糞便后的有機(jī)肥，影響了后期黑水虻篩分作業(yè)等環(huán)節(jié)，降低了畜牧養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在黑水虻轉(zhuǎn)化畜禽糞便效率[8]、黑水虻生長(zhǎng)變化[9]、黑水虻昆蟲蛋白[1]、有機(jī)肥應(yīng)用[2,5-7]等方面進(jìn)行了大量的研究與探索。但是，黑水虻養(yǎng)殖及有機(jī)肥取料機(jī)械的研究還處于起步階段，成熟產(chǎn)品較少。前期作者借鑒文獻(xiàn)[10-12]設(shè)計(jì)了雙向螺旋裝置，對(duì)黑水虻處理的豬糞有機(jī)肥進(jìn)行集料輸送，滿足取料輸送要求，但取料效率較低、適應(yīng)性較差[13]。

現(xiàn)有取料機(jī)械中常見的斗輪取料機(jī)用于散體物料收集與輸送[14-15]。圍繞斗輪取料，眾多學(xué)者在斗輪進(jìn)給速度[16]、鏟斗幾何結(jié)構(gòu)[17]、取料過程[18]、鏟斗挖掘軌跡[19]、鏟斗應(yīng)變規(guī)律[20]、料斗間距與填充率[21]等方面進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并獲得了對(duì)應(yīng)的最佳作業(yè)參數(shù)。但是，這些研究中的取料機(jī)構(gòu)為大型，且取料的對(duì)象主要是工業(yè)中堆積的散體物料(煤、礦石、沙土等)，因此不適應(yīng)黑水虻養(yǎng)殖環(huán)境特點(diǎn)與有機(jī)肥的特性。

基于以上背景，本文在課題組前期研究基礎(chǔ)上[22]，結(jié)合黑水虻養(yǎng)殖特點(diǎn)與黑水虻處理的豬糞有機(jī)肥物理特性，借鑒斗輪在工業(yè)散體物料方面的研究成果，設(shè)計(jì)一種斗式有機(jī)肥取料機(jī)，通過分析其工作原理，確定斗式取料機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，應(yīng)用離散元仿真試驗(yàn)確定斗輪取料機(jī)最佳的工作參數(shù)組合，并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，以期實(shí)現(xiàn)有序鏟取黑水虻處理的豬糞有機(jī)肥，從而促進(jìn)畜禽廢棄物的資源化利用。

1 黑水虻養(yǎng)殖工藝流程與有機(jī)肥物理特性

1.1 黑水虻養(yǎng)殖工藝流程

研究表明，4日齡的黑水虻幼蟲在溫度為28°～30°、新鮮畜禽糞便含水率為70%～75%、堆料厚度在10～15 cm時(shí)，生物轉(zhuǎn)化效率較高[23]，養(yǎng)殖過程中分批次添加新鮮畜禽糞便，養(yǎng)殖8～10 d，在黑水虻成蟲化蛹之前，結(jié)束黑水虻對(duì)畜禽糞便的處理。此時(shí)，可進(jìn)行有機(jī)肥取料作業(yè)，養(yǎng)殖工藝流程如圖1所示?；诤谒颠@一養(yǎng)殖特點(diǎn)，本研究采用四周邊框式料盤養(yǎng)殖黑水虻，分批次添加新鮮豬糞，便捷、可視性好，層疊式養(yǎng)殖占地面積少。料盤為鋼材，寬度1 m，四周側(cè)壁高0.15 m，取料時(shí)料盤中的有機(jī)肥層鋪厚度均值為0.1 m。

1.2 有機(jī)肥物理特性

本研究所用黑水虻處理的豬糞有機(jī)肥樣品由湖南大湘農(nóng)環(huán)境生物科技有限公司提供，通過烘干法采取兩次平行試驗(yàn)測(cè)得有機(jī)肥的含水率為44.50%，篩分測(cè)量發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥顆?；境式频那蝮w，蓬松、沙土狀，極小部分呈團(tuán)狀，粒徑分布范圍為1.6～2.6 mm，平均粒徑為2 mm，如圖2所示。文獻(xiàn)[22]標(biāo)定了有機(jī)肥其他本征參數(shù)，其中泊松比為0.11、密度為1 703 kg/m3、剪切模量為5.5×106Pa。有機(jī)肥的料蟲比為8～10，為便于后續(xù)分析，選取有機(jī)肥顆粒作為主要研究對(duì)象，對(duì)有機(jī)肥顆粒中混雜的黑水虻蟲體不予考慮。

2 斗式取料機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)黑水虻養(yǎng)殖特點(diǎn)與有機(jī)肥物理特性，設(shè)計(jì)的斗式取料機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架、料盤、攪拌疏松桿、斗輪機(jī)構(gòu)、卸料槽、絲桿升降機(jī)構(gòu)、齒輪齒條、電動(dòng)推桿等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中斗輪機(jī)構(gòu)為主要工作部件。攪拌疏松桿用于疏松有機(jī)肥，便于斗輪鏟取，降低取料阻力。自走式斗輪機(jī)構(gòu)橫向移動(dòng)，在電動(dòng)推桿作用下可越過料盤，在絲桿升降機(jī)構(gòu)輔助下，可縱向升降，完成多層料盤的有機(jī)肥取料作業(yè)。根據(jù)湖南大湘農(nóng)環(huán)境科技有限公司黑水虻養(yǎng)殖環(huán)境，整機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：料盤為3層，層疊式，料盤寬度為1 m，上下層料盤的垂直間距為1.25 m，斗輪機(jī)構(gòu)高度為1 m，料斗取料深度為0.1～0.15 m，取料幅寬為1 m，絲杠升降高度范圍為0～3.0 m，機(jī)架與料盤縱向長(zhǎng)度為50 m，斗式取料機(jī)平均取料效率為10～15 m3/h。

2.2 斗輪機(jī)構(gòu)及工作原理

斗輪機(jī)構(gòu)如圖4所示，主要由電動(dòng)推桿、卸料槽、料斗、斗輪機(jī)架、齒條、電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸等組成。斗輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)軸通過兩端的驅(qū)動(dòng)齒輪與齒條配合，實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)構(gòu)自走式橫向移動(dòng)。根據(jù)湖南大湘農(nóng)環(huán)境生物科技有限公司黑水虻養(yǎng)殖情況，料盤與斗輪寬均為1 m、斗輪直徑D為1 m，前方層鋪有機(jī)肥高度h為0.1 m，斗輪機(jī)架兩側(cè)的圓邊平行料盤側(cè)壁，其底部與料盤底面呈線接觸，料斗沿斗輪機(jī)架周向均勻分布，且料斗圓弧底壁側(cè)邊線與斗輪機(jī)架圓邊內(nèi)側(cè)邊重合，如圖4所示。料斗以角速度ω旋轉(zhuǎn)，以進(jìn)給速度v自走式驅(qū)動(dòng)前移，完成料盤中的有機(jī)肥取料、提升輸送過程，如圖5所示。卸料槽內(nèi)置傾斜于斗輪中，引導(dǎo)卸料后的有機(jī)肥滑移并輸送進(jìn)入后續(xù)篩分等作業(yè)環(huán)節(jié)。

圖中，θ為卸料槽側(cè)壁與底面的夾角，(°)；a為卸料槽底部寬度，m；b為卸料槽頂部寬度，m；c為卸料槽側(cè)壁長(zhǎng)度，m；d為卸料槽長(zhǎng)度，m。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

3.1 斗輪取料受力分析

根據(jù)圖6分析可知

FX′=F-Pesinα1-Gcosα2

(1)

FY′=Pecosα1-Gsinα2-Ff

(2)

其中

式中FX′、FY′——合力在X′、Y′方向上的分量

α1——Y′正向與離心慣性力之間的夾角，(°)

α2——重力G與X′反向之間的夾角，(°)

r——顆粒單元瞬時(shí)回轉(zhuǎn)半徑，m

m——顆粒質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

由圖6可知，在Y′方向上，若FY′=0，則顆粒單元O1處于臨界狀態(tài)；若FY′>0，則物料單元O1將沿著滑移面AB向料斗底壁方向運(yùn)動(dòng)，不符合本研究中有機(jī)肥潮濕物理特性與重力式卸料設(shè)計(jì)的要求。因此，物料單元O1在克服離心力、摩擦力后沿著滑移面AB向料斗后壁方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)重力式卸料的極限條件為：FX′≥0、FY′≤0。由式(1)、(2)分析可知，斗輪轉(zhuǎn)速越高，角速度越大，料斗內(nèi)顆粒單元所受離心力與摩擦力越大，且過高的斗輪轉(zhuǎn)速導(dǎo)致離心力過大，無(wú)法滿足重力式卸料。因此，斗輪轉(zhuǎn)速不宜過高，離心力必須小于或等于重力，當(dāng)極限情況時(shí)重力與離心力相等，則斗輪的極限速度為[24]

(3)

為了使料斗內(nèi)有機(jī)肥能夠依靠重力全部卸出，引入小于1的卸料速度系數(shù)k，使料斗的實(shí)際切向速度vc小于極限速度vmax[24]，即

(4)

(5)

本研究的斗輪為半格式斗輪[25]，而針對(duì)半格式斗輪，其卸料速度系數(shù)k取值范圍為0.35～0.45，基于有機(jī)肥物理特性，k取0.45[24]，確定斗輪轉(zhuǎn)速范圍為：n≤18.99 r/min。

3.2 料斗設(shè)計(jì)與分析

3.2.1料斗參數(shù)設(shè)計(jì)

料斗周向旋轉(zhuǎn)與直線進(jìn)給時(shí)，料斗內(nèi)有機(jī)肥受到上層有機(jī)肥顆粒的摩擦力與壓力、料斗底部的摩擦力與支撐力。取料時(shí)，需要將有機(jī)肥加速到與料斗同速，有機(jī)肥會(huì)受到內(nèi)部加速慣性阻力。同時(shí)，有機(jī)肥顆粒間存在黏附作用力。在這些合力的作用下，料斗進(jìn)給方向的有機(jī)肥物料表面將前移一定的距離，形成一個(gè)物料堆積曲線表面[17]。根據(jù)圖7、8的料斗底壁長(zhǎng)度試驗(yàn)可知：一定條件下，減少斗底圓弧長(zhǎng)度，有效降低了有機(jī)肥物料的擾動(dòng)與堆積效應(yīng)，但取料質(zhì)量低、始落料點(diǎn)與離斗輪中心遠(yuǎn)，取160 mm時(shí)，有效保證了取料質(zhì)量，始落料點(diǎn)與斗輪中心的距離比較適宜，減少落料偏擺振動(dòng)，此時(shí)物料堆積高度為7.61 mm。

基于料斗底壁長(zhǎng)度，優(yōu)化料斗后壁張角β，如圖9所示。以料斗后壁張角為試驗(yàn)因素，分析后壁張角對(duì)落料速度和始落料點(diǎn)的影響，結(jié)果如圖10所示。結(jié)果表明，同等條件下，料斗后壁張角60°時(shí)始落料點(diǎn)與斗輪中心位置適宜，避免碰到相鄰料斗或卸料槽。此時(shí)，始落料點(diǎn)位置的斗內(nèi)有機(jī)肥顆粒速度矢量沿斗輪徑向?qū)訝罘植?，速度大小沿斗輪徑向逐漸變大，表層的有機(jī)肥顆粒速度分布合理，沿滑移面無(wú)劇烈傾斜運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，如圖11所示。根據(jù)斗輪直徑、料盤寬度，設(shè)定斗底圓弧半徑R為500 mm、斗寬為1 m。結(jié)合有機(jī)肥物理特性、參考文獻(xiàn)[26]，通過修正調(diào)整，最后料斗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為淺斗型、圓弧曲面底壁、平面斗底，參數(shù)確定為：料斗寬l1為1 m，料斗后壁長(zhǎng)l2為0.165 m，料斗底長(zhǎng)l3為0.16 m，斗底圓弧半徑R為0.5 m，料斗高l4為0.3 m，料斗張角γ為65°，料斗后壁張角β為60°。

參考文獻(xiàn)[27]，料斗間距過小導(dǎo)致料斗布置過密而影響料斗的裝料，且在卸料時(shí)，導(dǎo)致物料在途中碰到前面的料斗而落不到卸料槽內(nèi)等因素，對(duì)于淺料斗有

u=(2～3.5)h1

(6)

式中u——料斗間距，即圓周方向等弧長(zhǎng)距離，mm

h1——料斗高度，mm

根據(jù)料斗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，料斗在圓周方向弧長(zhǎng)間距范圍為600～1 050 mm。料斗間距與料斗數(shù)量之間的公式為

(7)

式中Z——料斗數(shù)量，個(gè)

根據(jù)斗輪直徑D與料斗間距u取值范圍，由式(7)計(jì)算可得料斗數(shù)量理論范圍為3～5個(gè)。

3.2.2料斗運(yùn)動(dòng)軌跡分析

斗輪機(jī)架上圓周方向均勻分布的料斗取料作業(yè)過程包括：下降進(jìn)入有機(jī)肥中、有機(jī)肥中取料、取料后提升3個(gè)階段。在取料過程中，料斗運(yùn)動(dòng)軌跡與斗輪進(jìn)給速度v、料斗角速度ω以及固定的斗輪直徑有關(guān)，通過分析料斗運(yùn)動(dòng)軌跡，確定料斗運(yùn)動(dòng)的工作狀態(tài)。本研究選取卸料完的A位置某料斗為研究對(duì)象，并以該料斗圓弧底壁最先入料的某點(diǎn)P進(jìn)行分析，以斗輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸圓心為原點(diǎn)，做x軸與y軸的相交坐標(biāo)，如圖12所示，圖中A、B、D、E、F分別為料斗所處的位置點(diǎn)。

假設(shè)料斗需要完成BC段的有機(jī)肥取料過程，其中料斗沿AB段為下降進(jìn)入有機(jī)肥階段；BD段為有機(jī)肥中取料階段；DE段為取料后提升階段；EF段為卸料階段。當(dāng)斗輪機(jī)構(gòu)沿v方向勻速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，同時(shí)以ω繞O點(diǎn)順時(shí)針勻速圓周運(yùn)動(dòng)。開始時(shí)，料斗P點(diǎn)位置與x軸正向相反，因此，經(jīng)過t段時(shí)間后，料斗頂點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(8)

將運(yùn)動(dòng)軌跡方程(8)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，得料斗在x軸與y軸方向的運(yùn)動(dòng)速度分別為

(9)

對(duì)公式(9)在x軸和y軸方向的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行時(shí)間求導(dǎo)，得料斗在x軸和y軸方向上的運(yùn)動(dòng)加速度分別為

(10)

料斗頂點(diǎn)A的合速度vo和合加速度a為

(11)

式中x、y——料斗水平方向和垂直方向的位移，mm

通過斗輪機(jī)構(gòu)料斗的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可知：料斗在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，料斗在有機(jī)肥中取料過程中不會(huì)有速度上的突變，能夠保持旋轉(zhuǎn)方向的勻速運(yùn)動(dòng)，順利完成周期內(nèi)位移、速度以及加速度的轉(zhuǎn)變。

3.3 斗輪取料過程仿真分析及參數(shù)確定

為合理有效地進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，對(duì)斗輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，去除電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸、齒輪、斗輪機(jī)架等部件，根據(jù)物理樣機(jī)特點(diǎn)，應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)斗輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模，主要包括料斗、料盤、卸料槽等部件，模型中料盤和料斗寬度均為0.3 m，為物理樣機(jī)的1/3，卸料槽槽底長(zhǎng)為0.4 m，斗輪直徑為1 m，其他參數(shù)與物理樣機(jī)一致，實(shí)體三維模型以.stl文件格式導(dǎo)入EDEM軟件中。材料屬性為不銹鋼，泊松比為0.30，剪切模量7.9×1010Pa，密度為7 860 kg/m3。根據(jù)有機(jī)肥的物理特性，選取“Hertz-Mindlin with JKR”作為接觸模型，以基本球體作為有機(jī)肥的仿真顆粒模型，建立半徑為1 mm的離散元模型[22]。為真實(shí)模擬料斗取料、提升環(huán)境，在EDEM中建立長(zhǎng)×寬為1 m×0.3 mm的長(zhǎng)方形虛擬面作為顆粒工廠，以正態(tài)分布、動(dòng)態(tài)方式生成顆粒，形成長(zhǎng)×寬×高為1 m×0.3 m×0.1 m的有機(jī)肥模型。仿真設(shè)定固定步長(zhǎng)時(shí)間為Rayleigth時(shí)間步長(zhǎng)的22%，數(shù)據(jù)保持間隔為0.01 s，網(wǎng)格單元尺寸為2倍最小有機(jī)肥顆粒半徑。待斗輪機(jī)構(gòu)取料仿真過程穩(wěn)定后，利用后處理模塊Grid Bin Group，選中無(wú)撒料現(xiàn)象的料斗區(qū)域，統(tǒng)計(jì)單個(gè)料斗取料的質(zhì)量并計(jì)算料斗間取料質(zhì)量的變異系數(shù)，取料仿真過程如圖13所示。

堆積角能反映有機(jī)肥顆粒的內(nèi)摩擦性與散落性能，前期通過圓筒提升堆積物理試驗(yàn)與EDEM仿真結(jié)合的方法對(duì)含水率為43.60%有機(jī)肥顆粒進(jìn)行了仿真參數(shù)標(biāo)定。二者堆積角的相對(duì)誤差僅為1.88%，標(biāo)定的參數(shù)準(zhǔn)確可靠[22]，可用于取料仿真試驗(yàn)，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 離散元模型材料參數(shù)及與有機(jī)肥顆粒之間的接觸參數(shù)Tab.1 Material parameters and contact parameters between discrete element model and organic fertilizer particles

3.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

參考文獻(xiàn)[26,28]，斗輪取料過程中物料流應(yīng)盡可能穩(wěn)定，等量取料有利于提高斗輪取料能力和效率。為確認(rèn)斗輪取料效果的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，本次取料仿真試驗(yàn)選取單斗平均取料量與變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，重點(diǎn)研究工作參數(shù)對(duì)斗輪取料的影響規(guī)律。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)斗輪正常連續(xù)作業(yè)時(shí)單個(gè)料斗依次取料質(zhì)量，計(jì)算單斗平均取料量和變異系數(shù)，計(jì)算公式為

(12)

(13)

(14)

式中M——正常連續(xù)作業(yè)料斗依次取料質(zhì)量，kg/個(gè)

N——正常連續(xù)依次取料作業(yè)料斗數(shù)量

S——標(biāo)準(zhǔn)差，kg/個(gè)

CV——變異系數(shù)，%

4 取料試驗(yàn)與結(jié)果分析

根據(jù)文獻(xiàn)[14]，斗式取料機(jī)斗輪進(jìn)給速度、料斗數(shù)量、料斗轉(zhuǎn)速等參數(shù)均會(huì)影響斗輪取料機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)率。本次試驗(yàn)以黑水虻處理的豬糞有機(jī)肥顆粒為試驗(yàn)對(duì)象，利用斗輪取料機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行取料試驗(yàn)，料盤中有機(jī)肥顆粒模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1 m×0.3 m×0.1 m，分析斗輪進(jìn)給速度、料斗轉(zhuǎn)速、料斗數(shù)量對(duì)單斗平均取料量和變異系數(shù)的影響規(guī)律。

4.1 單因素試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1.1斗輪進(jìn)給速度

在料斗轉(zhuǎn)速為12 r/min，料斗數(shù)量為4的試驗(yàn)條件下，進(jìn)給速度對(duì)斗輪取料效果的影響如圖14所示。單斗平均取料量隨進(jìn)給速度的增大而增加，在斗輪進(jìn)給速度為60 mm/s時(shí)，料斗平均取料量達(dá)到2.670 kg/個(gè)，斗輪進(jìn)給速度過大，將造成散料自由表面線過長(zhǎng)，取料量沒有明顯增大趨勢(shì)。變異系數(shù)隨進(jìn)給速度的增加先急劇降低，然后保持平緩的較低值范圍。進(jìn)給速度20 mm/s時(shí)變異系數(shù)達(dá)到12.4%；進(jìn)給速度40～60 mm/s時(shí)，變異系數(shù)降低到2.1%～2.6%；進(jìn)給速度大于60 mm/s，料斗平均取料量增加趨勢(shì)平緩，變異系數(shù)呈小幅增大趨勢(shì)，斗輪等量取料優(yōu)勢(shì)降低。因此，選取斗輪進(jìn)給速度范圍為45～65 mm/s。

4.1.2料斗轉(zhuǎn)速

在斗輪進(jìn)給速度為30 mm/s，料斗數(shù)量為4試驗(yàn)條件下，轉(zhuǎn)速對(duì)斗輪取料效果的影響如圖15所示。料斗平均取料量隨轉(zhuǎn)速增大而逐漸降低，轉(zhuǎn)速為6 r/min時(shí)，料斗平均取料量達(dá)到2.23 kg/個(gè)，轉(zhuǎn)速低于6 r/min時(shí)，旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)轉(zhuǎn)移輸送有機(jī)肥效率低；考慮斗輪機(jī)構(gòu)重力卸料要求，轉(zhuǎn)速不宜過高。變異系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速提高先增加后降低，轉(zhuǎn)速為6 r/min時(shí)變異系數(shù)最低，為1.5%。轉(zhuǎn)速增加，取料量分布不均，變異系數(shù)增大。轉(zhuǎn)速為15 r/min時(shí)，變異系數(shù)為8.2%。但是，料斗轉(zhuǎn)速超過15 r/min時(shí)，單個(gè)料斗取料頻率增加，取料量降低，但單斗取料均勻度提高，變異系數(shù)較低。因此，選取料斗轉(zhuǎn)速范圍為6～12 r/min。

4.1.3料斗數(shù)量

在斗輪進(jìn)給速度為30 mm/s，料斗轉(zhuǎn)速為12 r/min試驗(yàn)條件下，考慮斗輪直徑、料斗尺寸、料斗間距等參數(shù)的影響，選取2～6個(gè)料斗作為試驗(yàn)因素，料斗數(shù)量對(duì)斗輪取料效果的影響如圖16所示。隨料斗數(shù)量的增加，單位時(shí)間內(nèi)料斗的單次取料量降低。料斗數(shù)量為6個(gè)時(shí)，取料量最小，為0.43 kg/個(gè)。變異系數(shù)隨著料斗數(shù)量的增加，總體呈M型曲線變化趨勢(shì)。料斗數(shù)量為偶數(shù)時(shí)，取料相對(duì)均勻度高；料斗數(shù)量為奇數(shù)時(shí)，取料量差異大，變異系數(shù)較高。料斗數(shù)量為2個(gè)，單斗處于取料狀態(tài)，易帶來偏擺振動(dòng)、不穩(wěn)定；料斗數(shù)量為5個(gè)，單位時(shí)間的取料頻率高，但單斗取料質(zhì)量不均，變異系數(shù)最大；料斗數(shù)量為6個(gè)，布局過于緊湊，導(dǎo)致兩個(gè)料斗同時(shí)卸料重疊，沖擊振動(dòng)較大?？紤]取料效率和作業(yè)穩(wěn)定，試驗(yàn)分析結(jié)果和式(7)理論計(jì)算獲得的料斗數(shù)量范圍具有很好的一致性，因此，選取料斗數(shù)量范圍為3～5個(gè)。

4.2 正交試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.2.1正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

綜合考慮單因素試驗(yàn)分析結(jié)果，確定如表2所示的各工作參數(shù)的試驗(yàn)因素編碼，以單斗平均取料量Y1和變異系數(shù)Y2為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取斗輪進(jìn)給速度、料斗轉(zhuǎn)速、料斗數(shù)量為試驗(yàn)因素，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)三因素三水平回歸正交試驗(yàn)[29-30]，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示，表3中X1、X2、X3為斗輪進(jìn)給速度、料斗轉(zhuǎn)速、料斗數(shù)量的編碼值。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Coding of test factors

4.2.2回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)樣本，利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)數(shù)據(jù)開展多元回歸擬合分析，建立單斗平均取料量、變異系數(shù)對(duì)斗輪進(jìn)給速度、料斗轉(zhuǎn)速、料斗數(shù)量3個(gè)自變量的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Experiment design and response values

(15)

(16)

對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析[31]，結(jié)果如表4所示。由表4可知，二次回歸模型P<0.001，表明回歸模型極顯著；失擬項(xiàng)P>0.05(分別為0.429 7、0.120 7)，失擬不顯著，說明模型所得二次回歸方程擬合程度高，能正確反映單斗平均取料量Y1、分離變異系數(shù)Y2與X1、X2、X3之間的關(guān)系；其決定系數(shù)R2分別為0.999 6和0.952 5，表明2個(gè)回歸模型可以很好解釋95%以上的評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，斗輪取料機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)可以用該模型來進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表4 回歸模型方差分析Tab.4 Variance analysis of regression model

在保證Y2模型顯著、失擬項(xiàng)不顯著的情況下，剔除模型不顯著的回歸項(xiàng)，對(duì)模型Y2進(jìn)行優(yōu)化，得

(17)

4.2.3單斗平均取料量與變異系數(shù)的影響因素分析

由表4中各因素F值分析可知，3個(gè)因素對(duì)單斗平均取料量與變異系數(shù)的影響顯著性順序均為料斗轉(zhuǎn)速、料斗數(shù)量、斗輪進(jìn)給速度。根據(jù)回歸方程分析結(jié)果，利用Design-Expert 8.0.6軟件分別作影響顯著的各交互因素與單斗平均取料量、變異系數(shù)之間關(guān)系的響應(yīng)面圖(圖17、18)，根據(jù)響應(yīng)曲面形狀，對(duì)單斗平均取料量、變異系數(shù)變化趨勢(shì)影響較大的試驗(yàn)因素進(jìn)行分析說明。

(1)交互因素對(duì)單斗平均取料量的影響

斗輪進(jìn)給速度、料斗轉(zhuǎn)速、料斗數(shù)量對(duì)響應(yīng)值Y1影響的響應(yīng)曲面如圖17所示。由圖17a可以看出，提高進(jìn)給速度和降低轉(zhuǎn)速有利于提高單斗平均取料量。由圖17b可以看出，提高進(jìn)給速度和降低料斗數(shù)量有利于提高單斗平均取料量。由圖17c可以看出，降低轉(zhuǎn)速和減少料斗數(shù)量有利于提高單斗平均取料量。此外，從各因素對(duì)響應(yīng)值Y1影響的響應(yīng)圖可以得知，響應(yīng)面變化規(guī)律與表4回歸方程分析結(jié)果、模型式(15)分析一致，總體影響趨勢(shì)為斗輪進(jìn)給速度越大、料斗轉(zhuǎn)速越小、料斗數(shù)量越少，單斗平均取料量越高。其主要原因在于：斗輪進(jìn)給速度增加與料斗轉(zhuǎn)速減小，單個(gè)料斗取料量明顯增多；料斗數(shù)量減少，單位時(shí)間內(nèi)取料次數(shù)降低，增加了單個(gè)料斗的取料量。

(2)交互因素對(duì)變異系數(shù)的影響

圖18為斗輪進(jìn)給速度處于中心位置(55 mm/s)時(shí)，料斗轉(zhuǎn)速和料斗數(shù)量對(duì)變異系數(shù)Y2的交互作用響應(yīng)面圖，由圖18可以看出當(dāng)料斗數(shù)量為定值時(shí)，變異系數(shù)隨料斗轉(zhuǎn)速的增加先減小后增大，存在最優(yōu)值。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，變異系數(shù)隨料斗數(shù)量的增加先減小后增大，并且變化幅度較為平緩，存在最優(yōu)值。雖然變異系數(shù)隨轉(zhuǎn)速與料斗數(shù)量變化都產(chǎn)生了改變，但響應(yīng)曲面沿料斗轉(zhuǎn)速方向的變化較料斗數(shù)量方向的變化更為明顯，在中心水平下，料斗轉(zhuǎn)速對(duì)變異系數(shù)的影響比料斗數(shù)量的影響更顯著。另外，由圖18可知，響應(yīng)面變化規(guī)律與表4分析結(jié)果及模型式(17)分析相吻合，總體影響趨勢(shì)為轉(zhuǎn)速越低、料斗數(shù)量越少，變異系數(shù)越大。其主要原因在于：斗輪進(jìn)給速度一定時(shí)，轉(zhuǎn)速降低，料斗數(shù)量減少，單位時(shí)間料斗取料次數(shù)減少，料斗間的取料量差異性增大。

5 最優(yōu)參數(shù)確定與試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 參數(shù)優(yōu)化

為達(dá)到最佳的斗式取料機(jī)工作參數(shù)，按照單斗平均取料量最大、變異系數(shù)最小的優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)斗輪進(jìn)給速度、料斗轉(zhuǎn)速、料斗數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化研究。運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)建立的2個(gè)指標(biāo)的全因子二次回歸模型進(jìn)行最優(yōu)化求解，約束目標(biāo)函數(shù)為： maxY1、minY2；約束條件為：-1≤Xj≤1(j=1,2,3)。根據(jù)2個(gè)指標(biāo)對(duì)斗輪取料過程評(píng)價(jià)與設(shè)備利用率的同等重要性[22-23,25]，設(shè)置單斗平均取料量與變異系數(shù)的權(quán)重分配均為0.5。優(yōu)化得到各因素最優(yōu)參數(shù)為：斗輪進(jìn)給速度65 mm/s，料斗轉(zhuǎn)速8.25 r/min，料斗數(shù)量3.39時(shí)，單斗平均取料量為3.924 kg/個(gè)，變異系數(shù)為2.57%，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，將料斗數(shù)量X3設(shè)置為-1，其他條件不變，再次利用軟件求優(yōu)，優(yōu)化參數(shù)結(jié)果為：斗輪進(jìn)給速度65 mm/s，料斗轉(zhuǎn)速8.25 r/min，料斗數(shù)量3，此時(shí)單斗平均取料量為4.008 kg/個(gè)，變異系數(shù)為3.19%。

5.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化工作參數(shù)模擬斗輪卸料，如圖19所示。仿真過程選取料斗內(nèi)外側(cè)8個(gè)代表顆粒點(diǎn)，得到始末落料軌跡，初步確定卸料槽結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果表明，在斗內(nèi)有機(jī)肥顆粒持續(xù)落料沖擊下，卸料槽滿足卸料要求，基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為：卸料槽向下傾斜30°，卸料槽側(cè)壁與底面的夾角θ為135°、卸料槽底部寬度a為0.31 m、卸料槽頂部寬度b為0.395 m、卸料槽側(cè)壁長(zhǎng)度c為0.055 m、卸料槽長(zhǎng)度d為0.4 m。為進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性，2020年10月12日在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)綜合實(shí)訓(xùn)中心，以湖南大湘農(nóng)環(huán)境科技有限公司提供的黑水虻處理豬糞有機(jī)肥為樣品進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。采用上述最優(yōu)斗輪參數(shù)設(shè)計(jì)料斗、料盤以及斗輪機(jī)架，料盤及料盤中的有機(jī)肥與仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)保持一致，料盤長(zhǎng)×寬為1 m×0.3 m、有機(jī)肥層鋪填充高度為0.1 m，采用兩次平行試驗(yàn)烘干法測(cè)得有機(jī)肥含水率為44.50%，略高于文獻(xiàn)[19]中測(cè)得有機(jī)肥的含水率。在斗輪進(jìn)給速度65 mm/s、料斗轉(zhuǎn)速8.25 r/min、料斗數(shù)量3個(gè)條件下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖20所示。

在斗輪進(jìn)給速度65 mm/s、料斗轉(zhuǎn)速8.25 r/min、料斗數(shù)量3個(gè)條件下，提取斗輪機(jī)構(gòu)取料時(shí)第8秒時(shí)的過程模擬圖，同時(shí)驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)通過高速攝像機(jī)拍攝第8秒時(shí)的斗輪取料圖像，對(duì)比結(jié)果如圖21所示。由圖21可知，斗輪機(jī)構(gòu)在優(yōu)化參數(shù)下工作，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)殘留鏟取水平料盤上層鋪狀態(tài)的有機(jī)肥，料斗提升有機(jī)肥時(shí)，因?yàn)樯Ⅲw物料堆積曲面前移，導(dǎo)致料盤側(cè)壁位置存在極小部分撒料，卸料槽結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足斗輪機(jī)構(gòu)重力式卸料要求，無(wú)撒料現(xiàn)象，仿真試驗(yàn)與物理試驗(yàn)規(guī)律基本一致。另外，由于試驗(yàn)時(shí)有機(jī)肥的含水率略高于前期研究試驗(yàn)所測(cè)得的含水率，但小于1個(gè)百分點(diǎn)，仿真參數(shù)可用于模擬試驗(yàn)，卸料速率略低于仿真卸料速率，有機(jī)肥質(zhì)量略高于仿真值，最后試驗(yàn)測(cè)得單斗平均取料量為4.236 kg，變異系數(shù)為3.37%，理論仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差分別為5.38%、5.34%。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)黑水虻養(yǎng)殖工藝流程和黑水虻處理的豬糞有機(jī)肥的物理特性，設(shè)計(jì)了一種斗式取料機(jī)。該機(jī)能有序鏟取料盤中層鋪放狀態(tài)的有機(jī)肥，解決了黑水虻處理的豬糞有機(jī)肥在取料與輸送過程中勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題。

(2)通過對(duì)斗式取料機(jī)中的斗輪取料工作過程進(jìn)行理論分析，確定了斗輪的主要結(jié)構(gòu)和影響取料效果的關(guān)鍵參數(shù)。應(yīng)用離散元仿真進(jìn)行單因素試驗(yàn)和三因素三水平正交試驗(yàn)，研究分析了工作參數(shù)對(duì)單斗平均取料量和變異系數(shù)的影響規(guī)律。采用多目標(biāo)多變量?jī)?yōu)化方法尋求最優(yōu)工作參數(shù)組合，為樣機(jī)制作提供參考。仿真試驗(yàn)表明，工作參數(shù)對(duì)單斗平均取料量和變異系數(shù)的影響顯著順序由大到小均為料斗轉(zhuǎn)速、料斗數(shù)量、斗輪進(jìn)給速度，最優(yōu)工作參數(shù)組合為斗輪進(jìn)給速度65 mm/s、料斗轉(zhuǎn)速8.25 r/min、料斗數(shù)量3，此時(shí)，斗輪取料效果最佳。

(3)根據(jù)仿真優(yōu)化試驗(yàn)得出的最優(yōu)工作參數(shù)組合，搭建臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，單斗平均取料量、變異系數(shù)的理論優(yōu)化值與試驗(yàn)值分別為4.008、4.236 kg和3.19%、3.37%，二者相對(duì)誤差分別為5.38%、5.34%。研究表明，借助離散元仿真優(yōu)化斗式取料機(jī)工作參數(shù)是可行的。