肉兔養(yǎng)殖用彈簧螺旋喂料機輸送性能試驗研究

陳媛媛 王紅英* 管清學(xué) 金 楠 段恩澤

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083； 2.山東四方新域農(nóng)牧設(shè)備有限公司，山東 濰坊 262200)

“十三五”以來，我國兔養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)持續(xù)增長的態(tài)勢，其中肉兔在兔養(yǎng)殖業(yè)中所占比例較大，為80%左右[1-2]。隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，自動化、機械化裝備越來越多地應(yīng)用于兔養(yǎng)殖生產(chǎn)過程。喂料是養(yǎng)殖過程中的重要環(huán)節(jié)，常見的機械喂料方式有彈簧螺旋喂料、行車式喂料和長食槽皮帶式喂料[3-4]。其中彈簧螺旋喂料機因其具有轉(zhuǎn)速低，能滿足多個卸料口、結(jié)構(gòu)簡單、輸送環(huán)境密閉、不易堵塞等優(yōu)點[5]，廣泛應(yīng)用于兔養(yǎng)殖業(yè)中顆粒飼料的輸送。彈簧螺旋喂料機是一種無軸螺旋送料機械，但在輸送過程中，由于顆粒飼料本身具有一定的脆性[6]，受到擠壓、碰撞等外部作用力容易造成顆粒破碎導(dǎo)致破碎率升高，浪費飼料的同時還易引起動物的呼吸道疾病。封閉的螺旋管道內(nèi)飼料顆粒殘留后不易清理，在高溫高濕環(huán)境下發(fā)生霉變，兔只食用后易引起腸胃疾病，給養(yǎng)殖企業(yè)帶來經(jīng)濟損失。此外，為了減少喂料過程中兔只的應(yīng)激反應(yīng)、保持體重的均勻性，保證彈簧螺旋喂料機輸送量和喂料穩(wěn)定性對于肉兔健康養(yǎng)殖很有必要。

螺旋輸送設(shè)備主要應(yīng)用于煤礦、糧食、飼料、食品加工、制藥等領(lǐng)域中粉體及散粒體物料的輸送[7-11]，其不同結(jié)構(gòu)形式、尺寸參數(shù)及選型對螺旋輸送性能均有影響[12-13]。國內(nèi)外對有軸螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計、輸送性能的研究較多，利用離散元法、試驗測量等方法對螺旋輸送結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和優(yōu)化。已有研究主要關(guān)于有軸螺旋輸送物料過程中，螺旋結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)對物料破碎率、輸送效率、排料均勻性、功率消耗等的影響，從而確定了不同因素對輸送性能的影響關(guān)系[14-16]。而關(guān)于無軸螺旋輸送性能的研究相對較少，研究內(nèi)容大多集中于螺旋體結(jié)構(gòu)參數(shù)的理論計算和分析。蔣祥等[17]為了保證螺旋輸送器實現(xiàn)粉料食品的連續(xù)殺菌，構(gòu)建了基于粒子群算法的螺旋器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型。王明峰等[18]設(shè)計了生物質(zhì)無軸螺旋送料器，針對螺旋外徑、軸徑、螺距、功率等進行了計算，并以稻殼為原料開展了冷態(tài)輸送和熱解試驗。無軸螺旋在結(jié)構(gòu)上與有軸螺旋有一定的差異。目前，在肉兔養(yǎng)殖用的無軸螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化上，關(guān)于其輸送性能的試驗與分析尚未見報道。

本研究擬采用組合正交試驗的方法，以進料口處絞龍固定連接軸的長度、螺旋間隙和螺旋轉(zhuǎn)速為因素，破碎率、殘留率、輸送量和喂料穩(wěn)定性為評價指標，分析影響彈簧螺旋喂料輸送性能指標的主要因素和運輸機理，旨在提升彈簧螺旋喂料機的輸送性能，以期為無軸螺旋的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1試驗平臺

自行設(shè)計的肉兔養(yǎng)殖彈簧螺旋喂料機試驗平臺見圖1：輸送長度為4 680 mm,彈簧螺旋葉片外徑為36.8 mm，螺距44.45 mm，螺旋葉片厚度3.85 mm，螺旋間隙選取2.6、3.6和4.6 mm，其中3.6 mm為基準間隙。采用減速比為1∶10的蝸輪蝸桿減速電機，電機轉(zhuǎn)速為1 490 r/min。在進料箱(圖1)和末端聯(lián)結(jié)裝置(圖2)處有2個短軸起到支撐和傳遞動力的作用，中間輸送段則無軸。

1.進料箱(含粉料分離裝置)；2.籠架；3.螺旋管；4.彈簧螺旋葉片；5.固定架；6.料盒；7.末端聯(lián)結(jié)裝置；8.蝸輪蝸桿減速電機；9.篩板；10.篩管；11.絞龍固定連接軸；12.進料箱箱蓋 1.Feeding box (including powder separation device); 2.Cage shelf; 3.Screw pipe; 4.Spring screw blade; 5.Fixing frame; 6.Feeding bowl; 7.Structure of ending connected device; 8.Reduction worm gear motor; 9.Screen plate; 10.Screen pipe; 11.Fixed connecting shaft for the screw; 12.Feed box cover圖1 彈簧螺旋喂料機試驗平臺示意圖Fig.1 Experimental platform of spring screw feeder

1.彈簧螺旋葉片；2.末端輸出軸；3.蝸輪蝸桿減速電機 1.Spring screw blade; 2.Terminal output shaft; 3.Reduction Worm Gear Motor圖2 末端聯(lián)結(jié)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of ending connected device

1.1.2材料與儀器

1)生長兔顆粒飼料572，由青島膠南康大飼料有限公司進行生產(chǎn)，其配方組成為：玉米、豆粕、苜蓿草、麩皮、次粉、磷酸氫鈣、石粉、氯化鈉、多種氨基酸、維生素、微量元素等。

2)GWJ-1谷物硬度計、游標卡尺、AL204分析天平(精度為0.000 1 g)、MJ33快速水分測定儀、ST-136飼料粉化率測定儀、優(yōu)利德UT371轉(zhuǎn)速表、MS300變頻器、秒表、電子秤、7目篩、10目篩等。

1.1.3試驗材料特性測定

根據(jù)顆粒飼料通用技術(shù)標準[19]，測得其顆粒特性參數(shù)見表1。

表1 生長兔顆粒飼料572的特性參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of 572 pellet feed for growing rabbits

1.2 受力分析

為研究彈簧螺旋喂料機的輸送過程，首先將螺旋升角為β的螺旋線展開為一條直線，對顆粒飼料進行受力分析。

彈簧螺旋在輸送過程中，顆粒飼料受到空間上的作用力，可以分為垂直方向和水平方向[20]。在水平方向上，顆粒飼料受到螺旋葉片法向推力FN和切向摩擦力f，二者的合力F為螺旋面集中作用于顆粒飼料O點處的載荷(圖3(a))。由于顆粒飼料與螺旋面存在摩擦，合力F與螺旋面的法向偏離了1個內(nèi)摩擦角φ。進一步分析可知，作用力F又可以分解為軸向力Fs和圓周力Ft，其中Fs與螺旋面法向力FN的夾角為螺旋升角β。圓周力為：

Ft=Fsin(β+φ)

(1)

其中：

(2)

φ=arctanμ

(3)

式中：μ為顆粒飼料與螺旋面的摩擦因數(shù)；p為螺距，mm。

螺旋喂料過程中，螺旋葉片的切向摩擦力阻礙了顆粒飼料向前運動，因此為了保證顆粒飼料軸向移動，則必須滿足：

FNcosβ≥fsinβ

(4)

f=μFN=tanφFN

(5)

代入后得：

FNcosβ≥FNtanφsinβ

(6)

即：

β<90°-φ

(7)

此時顆粒能夠克服切向摩擦力f向前運動。由式(1)可知，當(dāng)內(nèi)摩擦角φ一定時，螺旋升角β越大，顆粒飼料所受的圓周力Ft也越大，當(dāng)圓周力Ft大于一定程度，顆粒飼料自身重力與摩擦力無法平衡，顆粒飼料受到的扭轉(zhuǎn)翻滾現(xiàn)象越明顯。根據(jù)公式(2)可知，顆粒飼料在各點處的螺距一定，r越小，螺旋升角越大，故越靠近彈簧螺旋軸線處，顆粒飼料越容易翻滾。而靠近料線管壁的顆粒飼料受到沿軸向的推力，使得物料穩(wěn)定向前推送。

在垂直方向上，顆粒飼料受到力包括重力G，管壁對顆粒飼料的摩擦力Pf，管壁的支持力PN(圖3(b))。為了保證飼料穩(wěn)定運輸，則應(yīng)滿足：

PN+fsinθ=G

(8)

其中：

f=FNtanφ

(9)

(10)

式中：T為轉(zhuǎn)矩，N·m；θ為飼料顆粒所處位置和軸心連線與豎直線所偏離角度，(°)。

當(dāng)滿足式(8)時，顆粒飼料垂直方向受力平衡。由式(9)、(10)可知，當(dāng)顆粒飼料離螺旋軸線越近、偏離角度越大，即r越小，偏離角θ越大時，顆粒飼料在垂直方向上受到的分力越大，當(dāng)顆粒飼料自身重力與其無法平衡時，顆粒飼料也會出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象。根據(jù)受力分析可知，不同的螺旋間隙和轉(zhuǎn)速影響顆粒飼料在螺旋管內(nèi)的位置，從而影響喂料機的輸送性能，因此考慮間隙、轉(zhuǎn)速作為彈簧螺旋喂料機輸送性能的因素很有必要。

R為彈簧螺旋葉片半徑；r為顆粒飼料與軸線的距離；f為切向摩擦力；Ft為圓周力；F為螺旋面集中作用于顆粒飼料O點處的載荷；FN為彈簧螺旋葉片對顆粒飼料的法向推力；Fs為軸向力；β為螺旋升角；φ為內(nèi)摩擦角；PN為螺旋管壁對飼料顆粒的支撐力；Ps為螺旋管壁對顆粒飼料的摩擦力；G為顆粒飼料的重力。 R is the radius of the spring screw blade; r is the distance between feed particles and the axis; f is the tangential friction force; Ft is the circular force; F is the concentrated force of the screw surface acting on the feed particle at point O; FN is the normal force of the spring screw blade on the feed particles; Fs is the axial force; β is the helix angle; φ is the angle of internal friction; PN is the supporting force of the screw pipe wall to the feed particles; Ps is the friction of the screw pipe wall against the feed particles; G is the gravity of feed particles.圖3 彈簧喂料機輸送過程中顆粒飼料的受力分析Fig.3 Force analysis of feed particles during the delivery of spring screw feeder

1.3 因素水平的選擇

螺旋輸送物料過程中，螺旋輸送機入口處螺桿的長度、進料口的大小影響著整個螺旋輸送的性能[21]，因此本研究選用進料口處絞龍固定連接軸的長度(簡稱軸長)作為試驗因素之一。選用間隙、轉(zhuǎn)速、以及軸長作為參數(shù)優(yōu)化試驗變量，根據(jù)試驗結(jié)果對彈簧螺旋喂料結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進。綜合考慮兔顆粒飼料直徑、料盒尺寸結(jié)構(gòu)和安裝要求選擇了3個不同的螺旋間隙，分別為2.6、3.6和4.6 mm。根據(jù)螺旋轉(zhuǎn)速的計算公式：

(11)

式中：A1為物料綜合特性系數(shù)，由于兔顆粒飼料是粒狀，半磨琢性，故取A1=46[22]；Ds為彈簧螺旋直徑。

計算可得螺旋最大轉(zhuǎn)速為nmax為240 r/min，當(dāng)超過這一臨界值時，容易使得兔顆粒飼料處于高離心力、高攪拌的狀態(tài)[23]，無法正常向前輸送。而低轉(zhuǎn)速情況下，物料在輸送過程中的狀態(tài)更加穩(wěn)定。參考螺旋設(shè)計計算[20,24]公式：

(12)

所以：

(13)

其中：

(14)

(15)

式中：Qt為螺旋喂料機實際處理能力，kg/h；K為物料綜合系數(shù)，本研究取K=0.055 8；ds為螺旋軸軸徑，mm；b為螺旋絞龍厚度，mm；p為螺距，mm；Dp為料線管徑，mm；φ為最大填充系數(shù)；ρ為物料堆積密度，kg/m3；V為1個螺距的螺旋葉片體積。

為了減少物料在料箱內(nèi)的滯留，螺旋喂料機的輸送能力Q應(yīng)大于實際處理能力，因此：

(16)

(17)

式中：n為螺旋轉(zhuǎn)速，r/min；c為裝置傾斜校正系數(shù)，本研究取c=1。

根據(jù)式(16)和(17)，求得實際處理能力Qtmax=83.4 kg/h，轉(zhuǎn)速nmin=125 r/min。本試驗裝置采用的是蝸輪蝸桿減速電機直聯(lián)傳動，輸出轉(zhuǎn)速為149 r/min?？紤]到轉(zhuǎn)速過大料線晃動、電機不能穩(wěn)定等原因，通過變頻調(diào)速設(shè)計了3種轉(zhuǎn)速分別為129、149和169 r/min。具體因素水平見表2。

表2 彈簧螺旋喂料機輸送性能試驗因素水平Table 2 Experimental factors and levels of Spring screw feeder conveying performance

1.4 評價指標與試驗方法

1.4.1破碎率

在顆粒飼料的輸送過程中，破碎率是考察彈簧螺旋喂料機輸送性能的重要指標。本研究將兔顆粒飼料的破碎率定義為一定質(zhì)量的完整顆粒飼料，經(jīng)過彈簧螺旋喂料機喂料運行后，篩出來的粉末占其總質(zhì)量的百分比。

(18)

式中：φp為破碎率；Mp為篩出的粉末總質(zhì)量；M0為初始運行的兔顆粒飼料的總質(zhì)量。

1.4.2殘留率

為了避免顆粒飼料在管內(nèi)長時間存放出現(xiàn)發(fā)霉的現(xiàn)象，彈簧螺旋喂料機在一次運輸過程中應(yīng)減少管內(nèi)殘留率。本研究將飼料殘留率定義為螺旋喂料機在運行一定量的顆粒飼料后，螺旋管內(nèi)殘留顆粒飼料的質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比。

(19)

式中：φr為殘留率；Mr為料線管內(nèi)的殘留飼料總質(zhì)量。

1.4.3輸送量

在養(yǎng)殖過程中，彈簧螺旋喂料機運行時會產(chǎn)生一定的噪聲，噪聲會造成兔只的應(yīng)激反應(yīng)，不利于健康養(yǎng)殖。在螺旋喂料過程中，喂料時間越短對養(yǎng)殖狀況的影響越小。因此，輸送量Q是評價螺旋輸送效率的重要因素，輸送量是指單位時間內(nèi)輸送顆粒飼料的質(zhì)量[25]。

(20)

式中：mi為第i個料盒中飼料的質(zhì)量；t為最后一個料盒裝滿時間；t0為第一個料盒開始卸料時間。

1.4.4喂料穩(wěn)定性

喂料量穩(wěn)定性是指在連續(xù)喂料過程中，隨著時間的變化喂料量的波動量應(yīng)盡量小[26]。在肉兔養(yǎng)殖過程中，考慮到經(jīng)濟效益和肉兔的生長狀況，螺旋喂料過程中應(yīng)保證喂料量的均勻穩(wěn)定。因此，以每次運行后各個料盒落料量的標準差作為衡量螺旋喂料穩(wěn)定性的指標。標準差的大小反映了飼料喂料量的均勻度，料盒料量的標準差越小，喂料越均勻穩(wěn)定。其計算公式為：

(21)

1.4.5試驗方法

按照表2的因素水平設(shè)計了L9(34)組合正交試驗進行彈簧螺旋喂料機輸送性能的試驗，將試驗數(shù)據(jù)按上述評價指標的計算方法進行計算，采用Excel 2010和R 3.6.3軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和方差分析。

2 結(jié)果與分析

本研究共設(shè)計了9種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的試驗組合方案，各組合下破碎率、殘留率、輸送量和料盒料量標準差的測量結(jié)果平均值見表3，根據(jù)不同組合的試驗結(jié)果進行各試驗指標的方差分析和影響因素分析。

表3 彈簧螺旋喂料機輸送性能組合正交設(shè)計與試驗結(jié)果Table 3 Orthogonal design and experimental results of the spring screw feeder conveying performance

2.1 試驗因素對破碎率的影響

在螺旋喂料過程中顆粒飼料的破碎率越小，產(chǎn)生的粉末量越少，對肉兔養(yǎng)殖健康狀況影響小，顆粒飼料的損失率低，經(jīng)濟效益高。根據(jù)對破碎率的方差分析結(jié)果(表4)可知，間隙(因素B)對破碎率的影響非常顯著，轉(zhuǎn)速(因素C)和軸長(因素A)對破碎率的影響并不顯著。

各因素對破碎率的影響見表5?？梢?，間隙對破碎率的影響非常明顯，隨著間隙的增大，破碎率顯著降低。這是由于間隙增大時，螺旋管內(nèi)徑增大，筒體容積隨之增大，螺旋面上顆粒飼料的堆積高度較小，主要聚集在靠近螺旋管壁的位置，因而運動的滑移面與輸送方向平行，垂直方向的附加物流較少，顆粒飼料輸送較為平穩(wěn)，破碎率低，能量消耗少。當(dāng)間隙減小時，筒體容積減小，螺旋面上顆粒飼料的堆積高度大，滑移面變陡，靠近螺旋軸線位置的顆粒飼料數(shù)量增多，圓周運動較大，顆粒飼料在中間層發(fā)生攪拌翻滾的現(xiàn)象，軸向運動速度減小，故破碎率增大，能量消耗變大[27]。軸長雖然與破碎率沒有顯著性關(guān)系，但軸長為180 mm時，飼料的破碎率比長度為500 mm的破碎率低，主要原因是軸長減小時，絞龍固定連接軸在進料口處所占的填充空間減小，進料口處的容積增大，飼料在進料口處受到的擠壓減小，因而破碎率相對小一些。而對于低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行的彈簧螺旋喂料機，顆粒飼料在料線管內(nèi)運行時較為平穩(wěn)，其破碎率在5%左右波動變化，因而轉(zhuǎn)速對破碎率的影響并不顯著。

表4 彈簧螺旋喂料機破碎率的方差分析結(jié)果Table 4 Variance analysis result for crushing rate of spring screw feeder

表5 不同試驗因素對試驗指標的影響Table 5 Influence of different experimental factors on experiment indicator

2.2 試驗因素對殘留率的影響

螺旋喂料系統(tǒng)是一個封閉的輸送系統(tǒng)，螺旋管內(nèi)易出現(xiàn)殘留的顆粒飼料，在高溫潮濕的環(huán)境下易發(fā)霉變質(zhì)。因此，為避免兔只誤食變質(zhì)飼料，料線管內(nèi)的殘留飼料越少越好。根據(jù)對殘留率的方差分析結(jié)果(表6)可知，間隙(因素B)對殘留率的影響顯著，轉(zhuǎn)速(因素C)和軸長(因素A)對殘留率的影響并不顯著。

表6 彈簧螺旋喂料機殘留率的方差分析結(jié)果Table 6 Variance analysis results for residual rate of the spring screw feeder

間隙對螺旋喂料殘留率的影響較為明顯(表5)，隨著間隙的增大殘留率減小。這是因為當(dāng)間隙較小時，與顆粒飼料尺寸接近，在進料口處輸送狀態(tài)不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象[28]，從試驗觀察結(jié)果來看，大部分的殘留飼料存在進料口處，而穩(wěn)定推送階段的殘留幾乎沒有。主要原因是顆粒飼料在進料口處運行時，飼料在螺旋管內(nèi)翻滾明顯，部分飼料被拋送到螺旋運行的反向位置，停留在了進料口左側(cè)處(圖1)，沒有隨著整體向前推送，運行結(jié)束后殘留在進料口處。

2.3 試驗因素對輸送量的影響

輸送量是反映了彈簧螺旋喂料機的輸送效率。在一棟兔舍內(nèi)，不同位置的料盒口卸料存在著時間上的差異，因而影響兔只的吃料時間。彈簧螺旋喂料的噪聲還易引起兔只產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，不利于兔只的健康生長。因此，彈簧螺旋喂料機的輸送量大，輸送時間快，是養(yǎng)殖企業(yè)的主要需求之一。根據(jù)輸送量的方差分析結(jié)果(表7)可知，軸長(因素A)和轉(zhuǎn)速(因素C)對輸送量的影響非常顯著，間隙(因素B)對輸送量的影響比較顯著。

表7 彈簧螺旋喂料機輸送量方差分析結(jié)果Table 7 Variance analysis results for throughput of spring screw feeder

軸長、間隙和轉(zhuǎn)速對輸送量均有影響(表5)，軸長減小，間隙和轉(zhuǎn)速增大，彈簧螺旋喂料機的輸送量均顯著增大。其中軸長和轉(zhuǎn)速對輸送量的影響最為明顯。這是因為軸長減小時，絞龍固定連接軸對彈簧螺旋空間的填充減小，螺旋內(nèi)的容積增大，飼料顆粒在螺旋腔體內(nèi)通過性變好、受到的阻力變小[29]，單位時間內(nèi)進料口處通過的飼料量增多，因而整個螺旋喂料機輸送量增大，輸送效率提高。當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時，顆粒飼料從進料口進入推送段的速度增快，到達每個料盒的時間提前，單位時間內(nèi)通過的物料量增多，故輸送量增大趨勢明顯。輸送量隨著間隙的增大而增大，這主要是因為螺旋管內(nèi)徑增大時，單位長度內(nèi)容積增大，通過的顆粒飼料增多，因而輸送量增大。當(dāng)間隙較小時，管內(nèi)的容積減小，飼料易出現(xiàn)卡滯的現(xiàn)象，功率消耗波動較大[30]，通過的顆粒飼料減少，因此輸送量降低。

2.4 試驗因素對喂料穩(wěn)定性的影響

螺旋喂料機在運行過程中，螺旋絞龍旋轉(zhuǎn)到不同位置時，顆粒飼料受阻擋的情況不同，因而會出現(xiàn)喂料量的差異[26]。在養(yǎng)殖過程中，為了保證經(jīng)濟效益，同一批肉兔的體重應(yīng)在同一水平范圍內(nèi)。因此，在相同料盒的情況下，螺旋喂料會產(chǎn)生料量的差異，從而導(dǎo)致每個料盒內(nèi)的料量出現(xiàn)波動的現(xiàn)象。為了滿足養(yǎng)殖企業(yè)需求，螺旋喂料機的喂料差異性越小，穩(wěn)定性越好。根據(jù)喂料穩(wěn)定性方差分析結(jié)果(表8)可知，間隙(因素B)對喂料穩(wěn)定性的影響比較顯著，而軸長(因素A)和轉(zhuǎn)速(因素C)對喂料穩(wěn)定性的影響并不顯著。

在不同間隙條件下，料盒中料量標準差的差異最為明顯，因此對喂料穩(wěn)定性的影響最為顯著(表5)。而不同軸長、轉(zhuǎn)速條件下，料盒中料量標準差的差異較小，對喂料穩(wěn)定性的影響不顯著。這是因為間隙越大時，顆粒飼料在管內(nèi)的堆積高度減小，顆粒飼料在管內(nèi)運行平穩(wěn)，受到的阻擋較為穩(wěn)定，因而在各料盒處喂料較為均勻，料盒中料量的標準差較小，喂料穩(wěn)定性越好。

表8 彈簧螺旋喂料機喂料穩(wěn)定性方差分析結(jié)果Table 8 Variance analysis results for feed stability of spring screw feeder

2.5 輸送性能最優(yōu)方案及驗證

由影響破碎率、殘留率、輸送量和喂料穩(wěn)定性試驗因素分析確定的彈簧螺旋喂料機輸送性能最優(yōu)組合分別為，A1B3C1、A2B3C1、A1B3C3和A2B3C1。根據(jù)對養(yǎng)殖企業(yè)實際需求的調(diào)研結(jié)果可知，在4組指標中破碎率和輸送量是評價螺旋喂料機輸送性能的主要指標。因此，結(jié)合各因素顯著性分析結(jié)果和實際需求綜合評價，確定彈簧螺旋喂料機的最優(yōu)方案為A1B3C3，即：軸長為180 mm，間隙4.6 mm，轉(zhuǎn)速169 r/min時，此時彈簧螺旋喂料機的輸送性能最佳。

將優(yōu)化前后彈簧螺旋喂料機的輸送性能試驗結(jié)果分別取平均值(表9)，結(jié)果表明優(yōu)化后的彈簧螺旋喂料機破碎率、殘留率分別降低了84.7%和3.9%，輸送量和喂料穩(wěn)定性分別提高了30.7%和27.1%，其輸送性能與優(yōu)化前的相比得到了明顯的改善。

表9 彈簧螺旋喂料機優(yōu)化前與優(yōu)化后的對比試驗結(jié)果Table 9 Comparison test results of spring screw feeder before and after optimization

3 結(jié) 論

1)本研究對彈簧螺旋喂料機輸送過程中顆粒飼料的受力狀態(tài)和輸送機理進行了分析，結(jié)果表明：在彈簧螺旋喂料過程中，大部分顆粒都是受到螺旋絞龍的推力向前輸送，而越靠近軸線位置的飼料顆粒受到的圓周力越大，出現(xiàn)攪拌翻滾的現(xiàn)象越明顯，因而消耗的能量大，出現(xiàn)破碎的可能性升高。

2)基于彈簧螺旋喂料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，以絞龍固定連接軸的長度、螺旋間隙和螺旋轉(zhuǎn)速為因素，破碎率、殘留率、輸送量和喂料穩(wěn)定性為指標，進行了兩因素三水平和一因素兩水平的組合正交試驗，綜合評價彈簧螺旋喂料機的輸送性能。方差分析結(jié)果表明，間隙對破碎率、殘留率、輸送量和喂料穩(wěn)定性均有顯著性影響；軸長和轉(zhuǎn)速對輸送量有顯著性影響。綜合實際需求和方差分析結(jié)果，得到彈簧螺旋喂料機最優(yōu)方案為：絞龍固定連接軸的長度為180 mm，螺旋間隙為4.6 mm(螺旋管內(nèi)徑為46 mm)，螺旋轉(zhuǎn)速為169 r/min，此時的彈簧螺旋喂料機輸送性能最優(yōu)，與現(xiàn)有彈簧螺旋喂料機輸送性能相比，其破碎率降低了84.7%，殘留率降低了3.9%，輸送量提高了30.7%，喂料穩(wěn)定性提高了27.1%。