豬用飼喂器撥片式供料裝置機理分析與參數(shù)優(yōu)化

劉朝賢， 王德福,2， 黃會男,2， 黨春雪， 張洪建

(1. 東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150030； 2. 東北農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部生豬養(yǎng)殖設施工程重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150030)

我國是生豬養(yǎng)殖及豬肉消費大國，生豬年出欄量和豬肉產(chǎn)量均位居世界首位[1].飼喂器作為生豬養(yǎng)殖的重要基礎設施[2]，其排料性能對豬只采食及生長性能起著至關(guān)重要的作用，如何提高飼喂器的工作性能一直是飼喂器研究的重點.

國外生豬養(yǎng)殖技術(shù)處于領先地位，其研發(fā)的飼喂器技術(shù)先進且趨向于智能化，如丹麥、加拿大等發(fā)達國家企業(yè)研發(fā)的緩式飼喂器、干濕飼喂器以及智能母豬群養(yǎng)飼喂系統(tǒng)等已廣泛應用[3-5]；同時國外學者進行了飼喂器使用效果及其對豬只生長性能的研究[6-7].我國對飼喂器的研究整體水平相對落后，針對傳統(tǒng)飼喂器簡陋、飼料浪費嚴重等情況，現(xiàn)已跟蹤國外成熟的飼喂技術(shù)研發(fā)了較先進的飼喂器，促進了飼喂器的應用，如文獻[8]設計了撥片排料的自動飼喂器，可實現(xiàn)準確、高效的飼喂作業(yè)，文獻[9]研究了螺旋排料的飼喂器，改善了排料精度及其飼喂性能，同時，針對料斗(倉)供料過程出現(xiàn)結(jié)拱而影響排料的現(xiàn)象，在其內(nèi)設置攪拌破拱裝置[8-9].綜上可知，國內(nèi)外相關(guān)研究逐漸聚焦于精確供料的飼喂器，但多以企業(yè)研發(fā)設計為重點，針對飼喂器工作機理研究缺乏，尤其是對排料過程分析與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計少，這限制了飼喂器的創(chuàng)新性研發(fā).

為此，文中設計一種主要由桿繩斜置式破拱單元和撥片式排料單元組成的飼喂器供料裝置，以此開展機理分析與試驗研究.以顆粒飼料實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定流動為基礎，針對該撥片式供料裝置開展理論分析及模擬仿真，確定桿繩斜置式破拱單元和撥片式排料單元的結(jié)構(gòu)，并通過排料性能試驗分析桿繩斜置式破拱單元的破拱性能和確定撥片式排料單元的關(guān)鍵參數(shù)，為飼喂器研究與開發(fā)提供參考.

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

為研究豬用飼喂器撥片式供料裝置，設計了裝置試驗臺，其主要由料斗、破拱單元、排料單元、飼槽、稱重系統(tǒng)以及驅(qū)動控制系統(tǒng)組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.其中，破拱單元包括破拱桿和鋼絲繩，破拱桿固定于轉(zhuǎn)軸上，鋼絲繩連于破拱桿外端；排料單元包括轉(zhuǎn)軸、排料撥片、承料盤和下料套筒，承料盤固定在下料套筒上，排料撥片安裝在轉(zhuǎn)軸上并位于承料盤上方；稱重系統(tǒng)由3個稱重傳感器和DY220-K1T2A2型質(zhì)量讀數(shù)顯示器組成；驅(qū)動控制系統(tǒng)包括DQ57HB112步進電動機、DM542-CROSTEP驅(qū)動器和ADVANCE-PAC可編程控制器，其中驅(qū)動器用來控制步進電動機轉(zhuǎn)動(通過轉(zhuǎn)軸驅(qū)動排料撥片)，通過可編程控制器來調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)數(shù)；在排料單元正下方的底座中心處安裝飼槽.

圖1 飼喂器撥片式供料裝置試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

當飼喂器工作時，通過驅(qū)動控制系統(tǒng)驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動，進而通過轉(zhuǎn)軸帶動排料撥片推送飼料顆粒從料斗出口與承料盤之間排出，由下料套筒導入飼槽中.料斗中的破拱單元在排料過程中隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，不斷擾動料斗中的飼料，使得飼料顆粒始終處于“活躍”狀態(tài)，防止顆粒與斗壁間壓實摩擦而產(chǎn)生結(jié)拱現(xiàn)象，從而實現(xiàn)連續(xù)的排料過程.為使飼喂器實現(xiàn)定時定量供料，在排料單元下方安裝感應裝置和料位檢測傳感器，當豬只采食時，控制電動機根據(jù)設置的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)數(shù)實現(xiàn)自動供料，從而減少飼料浪費.

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設計分析

2.1 破拱單元設計分析

根據(jù)文獻[2,10-13]及預試驗，文中設計的飼喂器供料裝置試驗臺的料斗圓柱段直徑D1=300 mm、高度l1=80 mm；圓錐段出口直徑D2=100 mm、高度l2=214 mm、半頂角α=25°，并在其內(nèi)設置桿繩斜置式破拱單元，如圖2所示.

圖2 破拱桿擾動顆粒力學分析

文中提出的破拱單元由直徑為8 mm的圓柱形破拱桿和直徑為4 mm的鋼絲繩構(gòu)成.為闡明破拱單元擾動機理，先探究破拱桿推動斗壁區(qū)域顆粒的運動特性，其受力分析如圖2所示.

由圖2a分析可知顆粒受重力G和貯料載荷N

沿斗壁方向的分力F1的作用向下流動且逐漸向料斗中心運動，垂直于斗壁方向的分力F2對斗壁產(chǎn)生壓應力，導致斗壁對顆粒形成支座反力Fk，易造成料斗內(nèi)顆粒形成拱橋.由圖2b分析顆粒受破拱桿瞬時切向推動力Fτ作用運動條件為

(1)

式中：Fn為顆粒指向軸心方向的合力，N；m為顆粒的質(zhì)量，kg；aτ為顆粒沿切線方向的瞬時加速度，m·s-2；v為顆粒運動的速度，m·s-1；r為顆粒質(zhì)心到軸心的距離，m.

其中，在瞬時推動時aτ>0和v>0，公式(1)恒成立，即顆粒受合力Ft的作用在水平橫截面上做瞬時變速圓周運動，同時受重力G和貯料載荷N作用向下運動，進而在破拱桿推動下形成復合的運動軌跡，打破了恒定的下滑流動過程，使斗壁區(qū)域顆粒受力始終處于不平衡狀態(tài).

研究表明圓錐斗l2/2高度區(qū)域為易結(jié)拱區(qū)[14]，則由圖2a可知拱橋可達圓錐斗最大高度zg為

(2)

式中：z0為拱橋支點位置高度，mm；f為拱橋矢高，mm；Dg為拱橋底面直徑，mm；φw為顆粒與斗壁之間摩擦角，(°).

通過計算和測定得Dg=200 mm和φw=22.8°，代入公式(2)中可得zg≤126 mm，則破拱桿安裝起點M的高度zM≥zgmax，進而結(jié)合預試驗確定zM=2l2/3；同時，為充分和較大范圍擾動易結(jié)拱區(qū)斗壁區(qū)域顆粒，根據(jù)文獻取破拱桿與軸線間的安裝傾角β=45°[15].

由于單層破拱桿對易結(jié)拱區(qū)擾動范圍有限，多層破拱桿結(jié)構(gòu)復雜、能耗高，文中提出在易結(jié)拱區(qū)設兩層破拱桿，并采用鋼絲繩連接，以強化對該區(qū)斗壁區(qū)域的擾動.因此，設置破拱桿1、2位于上層、破拱桿3、4位于下層，其中下層破拱桿安裝于易結(jié)拱區(qū)中部，并設置上、下兩層破拱桿間的相位角為π/2，可實現(xiàn)交錯擾動；考慮需安裝鋼絲繩，確定破拱桿末端與斗壁間距為10 mm，且下層破拱桿末端距錐斗最底端15 mm.破拱桿1、3和2、4外端分別以凸形結(jié)構(gòu)配置鋼絲繩5、6，并使其與斗壁間最小間隙為5 mm，以形成對斗壁區(qū)域顆粒多方位、多頻次全面擾動.由此構(gòu)成桿繩斜置式破拱單元，實現(xiàn)對易結(jié)拱區(qū)域飼料顆粒沿切向與軸向的立體擾動作用，而且是對錐斗下部貼近斗壁區(qū)域形成較大范圍的柔性擾動，其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 破拱單元結(jié)構(gòu)圖

2.2 排料單元設計分析

為確保排料單元按確定速率穩(wěn)定排料，料斗與排料單元間需保持合理的出口間距h(料斗直段出口與承料盤間的空隙)，則其排料速率為

(3)

式中：ρ為顆粒飼料的密度，kg·m-3；n為撥片的轉(zhuǎn)速，r·min-1；h為料斗直段出口與承料盤間的空隙，mm；φp為顆粒飼料的休止角，(°).

由公式(3)可知，排料速率主要與撥片轉(zhuǎn)速和出口間距有關(guān)，其是影響排料性能關(guān)鍵因素.依據(jù)文獻[2]，設計飼喂器排料速率Q為100～200 g·s-1，并結(jié)合預試驗，確定撥片轉(zhuǎn)速n范圍為40～70 r·min-1.將以上參數(shù)代入公式(3)可得10.6 mm≤h≤18.7 mm，根據(jù)排料速率要求及預試驗結(jié)果，文中取出口間距h范圍為10～20 mm進行優(yōu)化試驗研究.

排料撥片作為排料單元的關(guān)鍵部件，其撥料面結(jié)構(gòu)直接影響排料過程.為提高排料性能，根據(jù)文獻[2,16]、理論分析及預試驗，提出后傾斜線-弧線組合結(jié)構(gòu)撥片，其最外端旋轉(zhuǎn)半徑Rb=83 mm、最大寬度Bb=20 mm.為探究撥片推送顆粒運動規(guī)律，對顆粒進行受力和運動學分析，如圖4所示.

圖4 撥片排料過程力學與運動學分析

依據(jù)撥片排料作用特點，將其分為撥料段LDK和排料段LKH，D點為撥料段與撥片中心圓弧的切點，K點為折點，如圖4所示.撥片排料時顆粒受離心力Fl、推動力Fp和摩擦力Ff2作用沿合力F方向產(chǎn)生斜向外側(cè)的運動，其中F0為Fp與Ff2的合力.為實現(xiàn)撥料段向排料段連續(xù)快速供料，需保證合力F與軸線LOK間夾角φ較小，故撥料段LDK設計為后傾斜線結(jié)構(gòu)，同時為保證撥片各段排料作用均衡和充分，設計LOK=Rb/2，并參考文獻[16]設定撥料段LDK傾角δ=20°.

顆粒在運動過程中，為保證其絕對速度va方向沿排料段呈各向異性分布并實現(xiàn)分散排料，需滿足va與撥片邊緣垂線間的夾角γ逐漸增大，且γ+ε=π/2恒成立，使絕對速度va與相對速度vr間夾角ε逐漸減小[2]，故排料段LKH設計為后傾弧線結(jié)構(gòu)，其起始端K點與撥料段相切連接，且該段圓弧曲率半徑RKH直接影響顆粒排出效果，其與末端H點切線和撥料段LDK延長線間最大傾角θ(稱為排料段最大后傾角θ)有關(guān)，進而通過探究傾角θ來間接反映RKH對排料性能的影響.

由圖4可知，隨顆粒運動至末端H點時，其與排料段接觸點切線與該點旋轉(zhuǎn)半徑間的夾角θ0趨近于排料段最大后傾角θ，此時顆粒速度為

(4)

vr=vesinθ+vasinγ=ωR(sinθ+tanγcosθ),

(5)

式中：ve為顆粒的牽連速度，m·s-1；ω為排料撥片的角速度，rad·s-1；R為顆粒隨撥片旋轉(zhuǎn)的半徑，mm.

由公式(4)，(5)可知，顆粒運動速度與傾角θ和夾角γ有關(guān).依據(jù)公式(5)給出了夾角γ正切值分別取0.2、0.4、0.6、0.8和1.0，且傾角θ從0°到90°變化時，顆粒相對速度vr的變化曲線如圖5所示.由圖可知，vr隨傾角θ增加而先增后減，且夾角γ正切值越大變化越明顯.考慮到顆粒運動至末端H點時，夾角γ逐漸增大，則當tanγ≥0.8時，更能有效反映出vr與傾角θ之間的關(guān)系，而此過程中vr是逐漸增大的，表明傾角θ應取vr增大區(qū)域的范圍值，同時結(jié)合預試驗，文中取排料段最大后傾角θ范圍為20°～50°，并通過試驗來優(yōu)化傾角θ.

圖5 傾角θ和夾角γ對顆粒相對速度的影響

3 排料過程仿真分析

利用離散元仿真軟件EDEM分析桿繩斜置式破拱單元和后傾斜線-弧線結(jié)構(gòu)撥片工作性能.文中采用球形顆粒聚合體的方法近似表示真實的圓柱形顆粒飼料(平均直徑為2 mm，平均長度為

4 mm)，并在撥片轉(zhuǎn)速為55 r·min-1、出口間距為15 mm和排料段最大后傾角為35°的條件下，對有無破拱單元擾動顆粒流動特性和撥片排料過程進行分析，其中材料力學特性及其間接觸參數(shù)如表1所示.

表1 材料力學特性及其間接觸參數(shù)

續(xù)表

3.1 破拱單元擾動過程仿真分析

為直觀分析有無破拱單元時料斗內(nèi)顆粒流動過程，通過EDEM仿真在料斗垂直縱截面獲取y=50 mm處xOz面斗壁區(qū)域和x=0 mm處yOz面中心區(qū)域及斗壁區(qū)域顆粒運動軌跡，如圖6所示.

圖6 料斗內(nèi)顆粒流動仿真軌跡圖

由圖6可知，破拱單元擾動提高料斗內(nèi)顆粒運動“活躍”狀態(tài)；當破拱單元隨轉(zhuǎn)軸順時針旋轉(zhuǎn)擾動時，擾動斗壁區(qū)域顆粒產(chǎn)生瞬時切向移動(如圖6a中S1區(qū))；同時擾動力在料層間相互傳遞，使斗壁區(qū)域上層顆粒亦產(chǎn)生瞬時上移運動(如圖6a中S2區(qū))；顆粒又受重力和貯料載荷作用而產(chǎn)生斜向下的流動過程(如圖6a中S3區(qū))；以此使斗壁區(qū)域顆粒逐漸繞軸旋轉(zhuǎn)運動到料斗中心而流出，以此緩解了無破拱單元時顆粒保持的對稱擠壓滑動流(如圖6b所示)，擾動作用破壞了斗壁對顆粒產(chǎn)生的支座反力，可防止拱橋產(chǎn)生.

破拱單元擾動作用必然對料斗顆粒流速產(chǎn)生影響.文中采用顆粒旋轉(zhuǎn)動能ERK指標來描述料斗內(nèi)顆粒流速變化情況，其被定義為

(6)

依據(jù)無破拱單元料斗內(nèi)顆粒流動特性，將其劃分為垂直快速流區(qū)A、穩(wěn)定剪切流區(qū)B和緩慢滑動流區(qū)C[17].由于破拱單元主要對斗壁區(qū)域顆粒實現(xiàn)擾動作用，故在料斗高度z=zh=l2/3處的緩慢滑動流區(qū)C選取10 mm×10 mm×5 mm長方體單元XC，如圖6b所示，獲得有無破拱單元時斗壁處C區(qū)顆粒旋轉(zhuǎn)動能變化曲線，如圖7所示.

圖7 料斗內(nèi)C區(qū)顆粒旋轉(zhuǎn)動能變化曲線圖

由圖7可知，當設置破拱單元擾動時，在初始排料0.20～0.25 s內(nèi)C區(qū)顆粒旋轉(zhuǎn)動能增量較小且相對平穩(wěn)，是由于顆粒剛處于起始運動狀態(tài)；在0.25～0.40 s內(nèi)隨著擾動進行，C區(qū)顆粒切向運動“活躍性”增強，使顆粒旋轉(zhuǎn)動能呈增加趨勢；在0.40～0.65 s內(nèi)C區(qū)顆粒受擾動達到相對穩(wěn)定運動狀態(tài)，顆粒旋轉(zhuǎn)動能增加變化趨勢和波動差異性極顯著，表明破拱單元促使C區(qū)內(nèi)顆粒產(chǎn)生切向移動以及不規(guī)則的轉(zhuǎn)動，提高顆?！盎钴S”狀態(tài).然而，無破拱單元擾動時在初始階段顆粒旋轉(zhuǎn)動能為零，之后略有增加且波動幅度極小，說明料斗主要以A區(qū)和B區(qū)顆?？焖倭鳛橹?，C區(qū)顆?；颈３盅囟繁诜较蚧瑒?，而旋轉(zhuǎn)動能略增可能是顆粒逐漸向料斗中心靠近而產(chǎn)生滾動過程造成的.綜上可知，桿繩斜置式破拱單元擾動斗壁區(qū)域顆粒產(chǎn)生復合的“活躍流”，可防止恒定的滑動流導致斗壁處形成拱橋支點.

3.2 排料單元排料過程仿真分析

為探究后傾斜線-弧線型撥片(取δ=20°和θ=35°)對排料性能的影響，對排料時顆粒運動狀態(tài)進行分析.在穩(wěn)定排料后，隨機取撥料段區(qū)和排料段區(qū)任意顆粒Mb和Mp，通過其運動坐標獲得顆粒Mb和Mp的運動軌跡以及某一瞬時撥片推送顆粒運動矢量圖，如圖8所示.

從圖8a中可知，撥料段區(qū)內(nèi)的顆粒Mb的運動軌跡分為曲線段和直線段，這是由于撥料段先推送顆粒隨撥片旋轉(zhuǎn)運動，并逐漸向排料段區(qū)移動，而后在排料段推動下排出；排料段區(qū)內(nèi)的顆粒Mp運動軌跡基本沿著該段圓弧曲線呈各向異性發(fā)散式分布狀態(tài)離開承料盤，實現(xiàn)分散排料，與圖8b所示顆粒運動軌跡矢量圖基本一致(見虛線框內(nèi)顆粒).上述仿真結(jié)果與理論分析基本保持一致，證明該撥片結(jié)構(gòu)設計合理.

圖8 后傾斜線-弧線型撥片推動顆粒運動圖

4 排料性能試驗與分析

綜合以上分析，文中分別進行破拱單元破拱性能試驗和排料單元排料性能試驗，以驗證上述理論和仿真分析的合理性和正確性，并優(yōu)化撥片式排料單元參數(shù)組合，以提高飼喂器供料裝置的排料性能.利用設計的豬用飼喂器撥片式供料裝置試驗臺進行試驗，如圖9所示.

圖9 飼喂器撥片式供料裝置試驗臺

儀器包括： BSA32025型電子天平、稱重傳感器、DY220-K1T2A2型質(zhì)量讀數(shù)顯示器、DM542-CROSTEP驅(qū)動器、S-120-24型號變壓器ADVANCE-PAC可編程控制器以及攝像機(Sony FDR-AX700)等.

試驗材料： 豬用顆粒飼料，其粗蛋白質(zhì)量分數(shù)18%，含水率12.2%，顆粒平均直徑為2 mm、平均長度為4 mm.

4.1 破拱性能試驗

為驗證和探明破拱單元對飼喂器供料裝置實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定排料過程的影響，在撥片轉(zhuǎn)速為55 r·min-1、出口間距為15 mm和排料段最大后傾角為35°的條件下，當料斗填充率分別為50%、60%、70%、80%和90%時，通過試驗研究其排料穩(wěn)定性，文中以排料速率標準差來評價排料穩(wěn)定性(排料速率為單位時間排入飼槽的顆粒的質(zhì)量)；標準差越小，說明破拱性能越好，其被定義為

(7)

式中：σq為排料速率標準差；Qi為每次試驗所得顆粒排料速率，g·s-1；Q為每種條件下試驗所得顆粒平均排料速率，g·s-1；s為每種條件下的試驗次數(shù)，次.

測定方法：測量排料撥片旋轉(zhuǎn)5 s所排出的顆粒的質(zhì)量，并計算排料速率，每種條件下進行5次重復試驗，求取排料速率標準差.試驗過程和結(jié)果分別如圖10和表2所示.

試驗中用紅色飼料顆粒作為示蹤物捕捉顆粒運動軌跡，如圖10所示.圖10a中T點為料斗填充率為80%狀態(tài)下紅色顆粒的初始位置；圖10b為在相同時間內(nèi)有、無破拱單元作用時紅色顆粒運動到圓錐斗2l2/3高度處時的位置T1和T2點.

圖10 后傾斜線-弧線型撥片推動顆粒運動圖

由圖10b可知，有破拱單元擾動時顆粒從T點運動到T1點，表明顆粒不僅沿斗壁向下滑動，而且在料斗水平橫截面上又產(chǎn)生切向移動，打破無破拱單元時顆粒從T點到T2點沿斗壁恒定的滑動過程，顆粒產(chǎn)生的切向移動距離dT約為所在顆粒層直徑DT的1/3(約66 mm)；而且顆粒未在破拱單元作用區(qū)內(nèi)仍可切向運動，說明破拱單元可帶動其作用范圍內(nèi)上下層顆粒跟隨運動.因此，試驗獲得顆粒運動軌跡與理論和仿真分析結(jié)果基本一致，表明桿繩斜置式破拱單元可防止排料過程結(jié)拱.

由表2可知，隨著填充率增大，試驗所測得的排料速率總體略呈增加趨勢，是由于貯料載荷增大導致飼料壓實容積密度變大引起的；但當填充率一定時，每次試驗所測得排料速率變化波動范圍均小于10 g·s-1，說明存在破拱單元擾動作用時，排料速率基本保持穩(wěn)定；同時，在任意給定填充率下，試驗所得排料速率標準差均較小，表明桿繩斜置式破拱單元破拱性能較佳，其擾動作用有效地保證了排料穩(wěn)定性.

表2 破拱單元破拱性能試驗結(jié)果

4.2 排料性能優(yōu)化試驗

綜合以上分析，文中以飼喂器供料裝置在破拱單元擾動下保證連續(xù)、穩(wěn)定的排料過程為基礎進行排料性能優(yōu)化試驗.為使飼喂器實現(xiàn)連續(xù)、均勻排料，并保證排料速率要求，確定以撥片轉(zhuǎn)速n、出口間距h和排料段最大后傾角θ為影響排料性能的主要因素，并在填充率為80%條件下進行試驗.

4.2.1試驗評價指標

綜合對飼喂裝置的設計與分析，依據(jù)文獻[2]及預試驗，選用排料速率和排料均勻性為試驗評價指標.其中，排料均勻性是指顆粒在飼槽中各區(qū)域分布的均勻程度；文中將圓形飼槽以逆時針方向均分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ區(qū)域，并以變異系數(shù)來評價顆粒在飼槽中4個區(qū)域內(nèi)分布均勻性，變異系數(shù)越小表明分布越均勻，其被定義為

(8)

式中：Cv為變異系數(shù)，%；σw為飼槽中各區(qū)域顆粒質(zhì)量標準差，g；W為飼槽中各區(qū)域顆粒平均質(zhì)量，g；Wi為飼槽中各區(qū)域顆粒質(zhì)量，g；k為飼槽被劃分區(qū)域的數(shù)目，個.

4.2.2試驗設計方案

以排料速率y1和變異系數(shù)y2為評價指標，采用三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設計試驗.試驗因素x1、x2和x3編碼表如表3所示.為減小試驗誤差，每種處理重復5次試驗并取平均值，試驗方案和試驗結(jié)果如表4所示.

表3 試驗因素編碼表

表4 試驗方案與結(jié)果

4.2.3試驗結(jié)果與分析

根據(jù)表4所示的試驗結(jié)果，通過Design-Expert 8.0.6軟件對y1和y2進行回歸模型方差分析如表5所示，并分別得到y(tǒng)1和y2的回歸方程為

y1=163.93+23.89x1+32.16x2+2.45x3+2.44x1x2+

(9)

y2=4.08-0.18x1+0.20x2-0.26x3+0.39x1x2-

(10)

根據(jù)表5的方差分析結(jié)果，可知y1和y2的回歸方程(9)和(10)的顯著性P<0.01，表明其極顯著；而且其失擬項P>0.05，失擬項不顯著，說明回歸方程(9)和(10)能有效地反映出y1、y2與因素x1、x2、x3之間的關(guān)系，可從所得回歸方程中各因素對應的回歸系數(shù)大小判斷因素影響各指標的主次順序，即影響排料速率的因素主次順序為x2、x1、x3，影響排料均勻性的因素主次順序為x3、x2、x1.

表5 方差分析結(jié)果

通過Design-Expert 8.0.6軟件對模型進行多目標優(yōu)化，得到飼喂器排料性能最優(yōu)參數(shù)組合，并給出了各因素對排料性能評價指標影響的響應曲面，如圖11和圖12所示.

圖11 各因素對排料速率影響的響應曲面

圖12 各因素對排料均勻性影響的響應曲面

如圖11a所示，當排料段最大后傾角為35°時，撥片轉(zhuǎn)速與出口間距兩因素間存在交互作用，排料速率與撥片轉(zhuǎn)速和出口間距呈正相關(guān)；如圖11b所示，當出口間距為15 mm時，撥片轉(zhuǎn)速與排料段最大后傾角兩因素間存在交互作用.排料段最大后傾角增大使排料速率略有先增加后減小的趨勢；隨著撥片轉(zhuǎn)速的增大，排料速率亦增大，與圖11a所示影響一致，表明增大撥片轉(zhuǎn)速可提高排料速率.

如圖12a所示，當排料段最大后傾角為35°時，撥片轉(zhuǎn)速與出口間距兩因素間存在交互作用.隨著撥片轉(zhuǎn)速和出口間距的增大，變異系數(shù)均先減小后增加；如圖12b所示，當撥片轉(zhuǎn)速為55 r·min-1時，出口間距與排料段最大后傾角兩因素間存在交互作用.隨著排料段最大后傾角和出口間距的增大，變異系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，其中出口間距的影響與圖12a所示的一致，說明出口間距應保持適當?shù)姆秶?，不宜過大或過小.

當撥片轉(zhuǎn)速增大時，提高顆粒的絕對速度，在相同時間內(nèi)落入飼槽中顆粒數(shù)量增多，提高排料速率；撥片轉(zhuǎn)速過大時增加顆粒的動能，增大其與下料套筒的碰撞力，導致其落入飼槽各區(qū)域的隨機性增強，而撥片轉(zhuǎn)速偏小時，顆粒運動絕對速度變小，其被推送距離減小，易集中在飼槽某一區(qū)域排料，使變異系數(shù)呈先減小后增大的趨勢.當出口間距增加時，增大出口處顆粒體積，提高排料速率；隨出口間距持續(xù)增加，導致出口處顆粒堆積角逐漸接近其休止角，顆粒流動性增大，使飼槽某一區(qū)域排料過多，但出口間距較小，向飼槽排料的隨機性增加，導致變異系數(shù)先減小后增大.當排料段最大后傾角增大時，便于向外推送顆粒，提高排料速率和排料均勻性；但過大或過小的排料段最大后傾角使撥片推送顆粒能力減弱，導致排料速率先增加后減小，而變異系數(shù)產(chǎn)生先減小后增大的現(xiàn)象.

4.2.4參數(shù)優(yōu)化及驗證試驗

為提高飼喂器的排料性能，運用Design-Expert 8.0.6軟件進行多目標參數(shù)優(yōu)化，根據(jù)飼喂器的實際工作要求和飼喂性能選定優(yōu)化約束條件，建立參數(shù)化數(shù)學模型為

(11)

由公式(11)得出最佳參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為當撥片轉(zhuǎn)速為55.4 r·min-1，出口間距為14.7 mm，排料段最大后傾角為31.3°時，飼喂器排料速率為161.12 g·s-1，變異系數(shù)為4.01%.

為了驗證優(yōu)化分析的正確性和有效性，依據(jù)上述研究設計了具有撥片式排料裝置的豬用飼喂器，其中料斗采用PVC材料，其結(jié)構(gòu)尺寸為圓柱段進料口直徑為510 mm、高度為190 mm，圓錐段出料口直徑為100 mm、高度為440 mm和半頂角為25°，且配有桿繩斜置式破拱單元；排料撥片為后傾斜線-弧線型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)尺寸為撥料段斜線長為39 mm，排料段最大后傾角為31.5°(即圓弧曲率半徑為84 mm)，并在東北農(nóng)業(yè)大學畜牧機械實驗室進行了樣機驗證試驗，如圖13所示.利用同樣的試驗材料，在料斗填充率為80%、撥片轉(zhuǎn)速為55.5 r·min-1、出口間距為14.5 mm時，進行5次重復試驗后取平均值，得到排料速率和變異系數(shù)分別為166.75 g·s-1和4.39%，與優(yōu)化結(jié)果基本一致.

圖13 樣機驗證試驗

5 結(jié) 論

1) 通過理論分析設計了桿繩斜置式破拱單元和后傾斜線-弧線組合式排料撥片，并采用離散元法分析其工作性能，表明其可有效提高排料的連續(xù)性和穩(wěn)定性.

2) 進行了撥片式飼喂器排料性能試驗，驗證破拱單元能保證實現(xiàn)穩(wěn)定的排料過程，并分析確定影響其排料性能主要因素為撥片轉(zhuǎn)速、出口間距和排料段最大后傾角.通過參數(shù)優(yōu)化確定其最優(yōu)組合為撥片轉(zhuǎn)速55.5 r·min-1、出口間距14.5 mm、排料段最大后傾角31.5°，此時排料速率和變異系數(shù)分別為166.75 g·s-1和4.39%，與優(yōu)化結(jié)果基本保持一致，說明所設計的飼喂器工作性能較佳.