基于離散元的自走式家禽飼料喂料機(jī)設(shè)計(jì)及仿真

孟慶軍， 邱俊柱

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

目前我國是家禽養(yǎng)殖大國，已連續(xù)21年成為禽蛋產(chǎn)量最多的國家，伴隨著肉雞產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中國已成為繼美國之后世界第二大雞肉生產(chǎn)國。我國養(yǎng)殖企業(yè)對(duì)家禽添加飼料方式多種多樣，資金雄厚的企業(yè)都選用自動(dòng)化養(yǎng)殖設(shè)備，但很多喂料設(shè)備都是大型設(shè)備[1]，價(jià)格昂貴、維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高昂、靈活性差等不符合家庭式養(yǎng)殖模式。因此，設(shè)計(jì)一款針對(duì)于中小規(guī)模的家庭式養(yǎng)殖企業(yè)的喂料機(jī)具有十分重要的意義。

目前我國家禽喂料方式屬于多種方法并存的情況，添加飼料的方式分為人工添加和喂料機(jī)添加。我國的喂料機(jī)種類主要有手推喂料車、漏斗式喂料設(shè)備、播種式喂料機(jī)、行車式喂料機(jī)等[2]。然而，以某設(shè)備廠家行車式喂料機(jī)為例，行車喂料機(jī)高大，需有足夠高的養(yǎng)殖建筑，增加籠架間的過道寬度，從而減少等面積內(nèi)家禽的飼養(yǎng)數(shù)量；此外缺乏理論設(shè)計(jì)依據(jù)及實(shí)際場地試驗(yàn)過程，缺少飼養(yǎng)家禽數(shù)量多少、家禽的成長期等因素試驗(yàn)分析，我國現(xiàn)有喂料機(jī)出現(xiàn)了功率浪費(fèi)大[3-4]，過多浪費(fèi)電能，不能及時(shí)調(diào)整飼料輸出流量，導(dǎo)致飼料堆積形成添加飼料不均勻的現(xiàn)象[5]。因此目前適合于中小規(guī)模的喂料機(jī)都存一些缺點(diǎn)，不符合家庭式養(yǎng)殖模式的養(yǎng)殖要求，與小規(guī)模養(yǎng)殖企業(yè)資金情況和養(yǎng)殖環(huán)境等條件不匹配。

為解決中小規(guī)模家庭式養(yǎng)殖模式的喂料問題，實(shí)現(xiàn)在多層籠架添加飼料，本文詳細(xì)介紹了自走式喂料機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和填充飼料的工作原理；對(duì)其螺旋排料機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)定后計(jì)算其理論排料量；最后利用模擬仿真軟件對(duì)進(jìn)料口開口高度和前行過程的排料量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，滿足自走式家禽喂料機(jī)設(shè)計(jì)要求。

1 自走式家禽喂料機(jī)組成及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)組成

自走式家禽喂料機(jī)主要包括：驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、自走裝置、排料裝置、料斗、整體機(jī)架和控制部分等。驅(qū)動(dòng)裝置主要由伺服電動(dòng)機(jī)和蓄電池組成；傳動(dòng)裝置包括減速器、鏈條、齒形帶、錐齒輪、傳動(dòng)軸、鏈輪和帶輪等；自走裝置由主動(dòng)輪、輪軸、萬向從動(dòng)輪、輔助輪和剎車系統(tǒng)等；排料裝置包括：螺旋擠出軸、料筒、料筒安裝架、進(jìn)料口調(diào)節(jié)擋板。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 喂料整機(jī)結(jié)構(gòu)1.驅(qū)動(dòng)電機(jī)；2.蓄電池；3.驅(qū)動(dòng)鏈條；4.傳動(dòng)齒形帶；5.主動(dòng)輪；6.從動(dòng)輪；7.輔助輪；8.剎車系統(tǒng)；9.螺旋擠出軸；10.料筒；11.料斗；12.調(diào)節(jié)擋板；13.控制器；14.出料口；15.整體機(jī)架

1.2 自走式喂料機(jī)工作原理

家禽飼料由粉碎攪拌機(jī)放入自走式喂料機(jī)料斗內(nèi)，飼養(yǎng)員關(guān)閉排料裝置進(jìn)料口閥門，在進(jìn)入禽舍后調(diào)整好排料口與料槽的位置；打開進(jìn)料口閥門，啟動(dòng)喂料機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)換后帶動(dòng)皮帶輪依次帶動(dòng)排料機(jī)構(gòu)底部的第二皮帶輪，第二皮帶輪與排料機(jī)構(gòu)的螺旋攪籠軸相固定，因此通過第二皮帶輪驅(qū)動(dòng)螺旋擠出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，料斗內(nèi)的飼料在重力的作用下，由進(jìn)料口進(jìn)入螺旋擠出軸的螺旋葉片內(nèi)，螺旋擠出軸轉(zhuǎn)動(dòng)形成擠壓力，螺旋擠出軸在外殼的作用下沿料筒方向擠出，最后由排料口排出到料槽內(nèi)。與此同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸通過鏈條與減速器輸入端相連，輸出端利用鏈輪與喂料機(jī)主動(dòng)輪軸一端固定的鏈輪相配合；通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)即可驅(qū)動(dòng)喂料機(jī)前行，也可以帶動(dòng)螺旋攪籠軸進(jìn)行排料，喂料機(jī)工作過程與籠架位置擺放如圖2所示。

圖2 喂料機(jī)和籠架工作關(guān)系1.地面；2.喂料機(jī)整機(jī)；3.螺旋排料機(jī)構(gòu)；4.延長軟管；5.籠體支架；6.鐵絲籠體；7.料槽；8.排糞地溝

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 螺旋排料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

通過分析橫向螺旋排料機(jī)構(gòu)的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)排料特性，設(shè)計(jì)帶有傾斜角度螺旋擠出排料的排料機(jī)構(gòu)，通過螺旋葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)與進(jìn)料口形成周期性開合的狀態(tài)，螺旋擠出軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)沿矢量方向的推力，保證螺旋勻速穩(wěn)定的飼料填充率，實(shí)現(xiàn)飼料從料斗內(nèi)填充到家禽食槽內(nèi)的填充過程。

2.2 螺旋排料機(jī)構(gòu)工作原理

螺旋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示，螺旋排料機(jī)構(gòu)主要由螺旋機(jī)構(gòu)外殼和轉(zhuǎn)動(dòng)部件與外殼及軸承配合的螺旋擠出軸組成，其進(jìn)料口設(shè)置在料筒底部，排料口位于料筒頂部，設(shè)置成錐形變徑口，變徑口前端成直筒便于連接延長軟管。工作狀態(tài)時(shí)，料斗內(nèi)的飼料在重力的作用下不斷向進(jìn)料口填充，由進(jìn)料口進(jìn)入螺旋擠出軸的螺旋葉片內(nèi)，螺旋擠出軸轉(zhuǎn)動(dòng)形成擠壓力，螺旋擠出軸在外殼的作用下沿料筒方向擠出，將排料口的飼料排出至料槽內(nèi)。

圖3 螺旋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)1.排料口；2.頂部軸承座；3.螺旋擠出軸；4.料筒；5.緊固螺栓；6.進(jìn)料口調(diào)整閥；7.固定板；8.進(jìn)料口；9.底部軸承座

2.3 螺旋排料機(jī)構(gòu)理論排量計(jì)算

螺旋擠出軸葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)與進(jìn)料口形成周期性的開合，會(huì)導(dǎo)致螺旋排料機(jī)構(gòu)吸入飼料量不均勻，飼料在螺旋排飼器中充填率為70%～80%[6]，通過式(2)得出，剖面線B面面積與螺旋葉片螺旋升角、大徑、螺旋葉片厚度、小徑等參數(shù)有關(guān)，標(biāo)注參數(shù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 螺旋擠出軸

(1)

(2)

式中：l1為螺旋葉片厚度，mm；D為螺旋葉片大徑直徑，mm；d為螺旋葉片小徑直徑，mm；ψ為螺旋升角，°；S為導(dǎo)程，mm；SB1為螺旋葉片橫截面積，mm2；l1為螺旋葉片小徑截面弧長，mm；l2為螺旋葉片大徑截面弧長，mm。螺旋機(jī)構(gòu)排料量的理論計(jì)算充填率取值為1，可根據(jù)式(3)計(jì)算：

(3)

式中：W表示排料量，g；ρ表示飼料密度，g/mm3；ω表示排飼螺旋的填充系數(shù)(取0.75)，%；γ為螺旋擠出軸轉(zhuǎn)速，rad/s；t表示時(shí)間，s。

理論計(jì)算中d=25 mm，螺旋排肥輪外徑D=80 mm，螺旋排肥輪螺距S=45 mm，螺牙厚度為h=2 mm，排肥口直徑為D=60 mm，計(jì)算得出螺旋升角ψ為26.6°，飼料密度取1.8 g/mm3，每秒排料量500 g可以滿足家禽的次進(jìn)食量，時(shí)間t為1 s，理論計(jì)算得出螺旋擠出軸轉(zhuǎn)速48 rad/s。

3 建立仿真模型及單因素試驗(yàn)

3.1 建立仿真模型

離散元法(discrete element method，DEM)是一種分析與求解復(fù)雜離散系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與力學(xué)特性的數(shù)值分析方法[7]，可實(shí)現(xiàn)分離顆粒介質(zhì)的仿真運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)螺旋機(jī)構(gòu)排料過程的仿真，具有直觀性和顯著性的優(yōu)勢(shì)。

參考相關(guān)文獻(xiàn)確定所選用以玉米為主要材料的養(yǎng)殖禽雞飼料的相關(guān)參數(shù)，以及與排料裝置(Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼為主要材料)之間的接觸力學(xué)參數(shù)[8-11]，設(shè)置離散元仿真參數(shù)見表1。

表1 全局變量參數(shù)

利用三維軟件NX12.0對(duì)仿真機(jī)構(gòu)建立模型導(dǎo)入EDEM2018軟件中將其打開，螺旋擠出軸轉(zhuǎn)速48 rad/s，在料斗內(nèi)設(shè)置顆粒工廠，顆粒總數(shù)為150 000顆，以料槽向后0.5 m/s的速度形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在仿真開始時(shí)將排料口料槽處設(shè)置成一個(gè)觀測(cè)區(qū)，監(jiān)測(cè)排料機(jī)構(gòu)2 s行進(jìn)1 m料槽內(nèi)排出飼料顆?？傎|(zhì)量及每100 mm內(nèi)排料質(zhì)量的對(duì)比，仿真過程為5 s，記錄數(shù)據(jù)間隔0.05 s，分別對(duì)不同開口高度的進(jìn)料口的螺旋機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真。開口高度為60 mm仿真及測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖5 仿真分格測(cè)量

3.2 單因素試驗(yàn)

影響螺旋排料機(jī)構(gòu)排料流量效果的主要因素是進(jìn)料口開口高度。為分析螺旋排料機(jī)構(gòu)開口高度變化對(duì)排料流量的影響，試驗(yàn)用排料機(jī)構(gòu)進(jìn)料口開口寬度為50 mm，分別以高度20 mm，30 mm，40 mm，50 mm，60 mm，70 mm，80 mm，90 mm，100 mm的進(jìn)料口作為試驗(yàn)因素，在螺旋排料機(jī)構(gòu)穩(wěn)定排料后截取監(jiān)測(cè)區(qū)0.5 m內(nèi)飼料質(zhì)量波動(dòng)變化數(shù)據(jù)。

單因素方差分析過程如圖6所示，方差分析結(jié)果得出P<0.000 1，證明開口高度對(duì)螺旋機(jī)構(gòu)排料量有極顯著影響。成年禽雞產(chǎn)蛋期蛋雞每只禽雞日糧為100 g左右，每日三次添加飼料平均每只蛋雞每次需進(jìn)食量為34 g，籠架養(yǎng)殖蛋雞為470 mm的隔層內(nèi)養(yǎng)殖4只蛋雞，每470 mm內(nèi)飼料重量多于140 g就可以滿足蛋雞每次進(jìn)食量的需求[12]。排料量關(guān)系圖如圖7所示，通過調(diào)節(jié)進(jìn)料口高度可以滿足喂料機(jī)前行過程填充飼料。

圖6 方差分析過程

圖7 排料量關(guān)系圖

4 結(jié)論

本文通過分析家庭式養(yǎng)殖模式的特點(diǎn)，針對(duì)現(xiàn)有的喂料機(jī)進(jìn)行分析，確定自走式喂料機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，針對(duì)螺旋排料機(jī)構(gòu)中的具體參數(shù)螺旋升角和理論排料量進(jìn)行理論計(jì)算并確定具體數(shù)值。通過EDEM軟件對(duì)螺旋排料機(jī)構(gòu)仿真驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)添加飼料的功能，利用Design-expert軟件單因素試驗(yàn)方法對(duì)仿真數(shù)據(jù)分析，得到螺旋排料機(jī)構(gòu)的進(jìn)料口高度對(duì)喂料機(jī)的排料量有極顯著影響的結(jié)果。