自走式全混合日糧制備機(jī)取料裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳兆英 王保興 范國(guó)強(qiáng) 董和銀 王忠宇 王玉亮

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018；3.泰安意美特機(jī)械有限公司， 新泰 271215； 4.泰安市畜牧智能裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院， 新泰 271215)

0 引言

我國(guó)奶牛養(yǎng)殖業(yè)飛速發(fā)展，集約化、規(guī)?；蜆?biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖已成為持續(xù)提高牛奶產(chǎn)量、保障乳制品質(zhì)量及安全的必然選擇[1]。全混合日糧(Total mixed ration,TMR)飼養(yǎng)技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)精粗分飼方法飼喂奶牛所造成的瘤胃pH值波動(dòng)大，易產(chǎn)生酸中毒，以及瘤胃微生物合成菌體蛋白效率低的問(wèn)題，已經(jīng)被畜牧業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家奶牛飼養(yǎng)普遍采用[2-5]。

具備稱重功能，通過(guò)切割、揉搓、攪拌等方式生產(chǎn)TMR的制備機(jī)是關(guān)鍵作業(yè)機(jī)具，目前主要分為固定式、牽引式和自走式[6]。歐美國(guó)家已經(jīng)大量的采用自走式TMR制備機(jī)，該機(jī)采用先進(jìn)的機(jī)電液控制技術(shù)，把牛羊的精飼料和粗飼料的取料、加工調(diào)制、攪拌混合、送料和喂料一體化作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)不同階段牛群和羊群飼養(yǎng)的機(jī)械化、自動(dòng)化、定量化和營(yíng)養(yǎng)均衡化，是發(fā)展現(xiàn)代化畜牧養(yǎng)殖的高端機(jī)械產(chǎn)品，是實(shí)現(xiàn)集約型機(jī)械化牛場(chǎng)的先進(jìn)技術(shù)，是畜牧業(yè)實(shí)現(xiàn)低投入、高產(chǎn)出的重要途徑之一。目前歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的研究成果主要集中在企業(yè)，主要品牌有德國(guó)的斯諾金、以色列的RMH和意大利的斯達(dá)特等。

近年來(lái)，我國(guó)TMR飼養(yǎng)技術(shù)推廣取得較大的進(jìn)步，TMR制備機(jī)的制造企業(yè)逐漸增多。但將取料、攪拌和撒料集成在一起的自走式TMR制備機(jī)尚要從國(guó)外進(jìn)口，國(guó)內(nèi)未攻克關(guān)鍵技術(shù)，也未形成產(chǎn)業(yè)化。其中，青貯取料和輸送是該機(jī)關(guān)鍵的作業(yè)部件，決定取料效率和能源消耗，設(shè)計(jì)不合理的取料裝置在使用中經(jīng)常發(fā)生卡死現(xiàn)象。目前國(guó)內(nèi)有關(guān)自走式青貯取料機(jī)和自走式TMR制備機(jī)的研究已見(jiàn)報(bào)道[7-9]，但有關(guān)取料機(jī)理、防堵塞和改進(jìn)方法的研究比較缺乏。如何提高取料效率、防止卡死和降低能源損耗，成為國(guó)產(chǎn)自走式TMR制備機(jī)亟待解決的問(wèn)題。為此，本文對(duì)25 m3自走式TMR制備機(jī)的取料及輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

自走式TMR制備機(jī)主要由取料機(jī)構(gòu)、帶式輸送機(jī)構(gòu)、立式攪拌機(jī)構(gòu)、帶式撒料機(jī)構(gòu)、底盤、傳動(dòng)系統(tǒng)及操控系統(tǒng)組成，25 m3自走式TMR制備機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。內(nèi)燃機(jī)為傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，取料機(jī)構(gòu)由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行取料作業(yè)，帶式輸送機(jī)構(gòu)連接在取料機(jī)構(gòu)的后上方，將物料輸送到后方的立式攪拌機(jī)構(gòu)中。立式攪拌機(jī)構(gòu)對(duì)物料進(jìn)行混合攪拌和切割，撒料機(jī)構(gòu)將制備好的日糧拋撒到喂食區(qū)。

圖1 25 m3自走式全混合日糧制備機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of 25 m3 self-propelled TMR preparation mixer1.取料機(jī)構(gòu) 2.帶式輸送機(jī)構(gòu) 3.立式攪拌機(jī)構(gòu) 4.帶式撒料機(jī)構(gòu) 5.底盤 6.傳動(dòng)系統(tǒng) 7.操控系統(tǒng)

中型載重車輛輪距基本在2 000 mm左右，取料寬度LW設(shè)為2 000 mm。國(guó)內(nèi)青貯料堆最大高度一般低于5 000 mm，取料最大高度設(shè)為5 000 mm。取料與輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)為：取料寬度2 000 mm、取料高度5 000 mm、取料效率大于等于60 m3/h、回流率小于等于30%。

1.2 取料裝置

取料裝置包括：取料機(jī)構(gòu)、帶式輸送機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)，下面分別闡述各部件結(jié)構(gòu)和原理。

1.2.1取料機(jī)構(gòu)

取料機(jī)構(gòu)主要由滾筒、螺旋葉片、取料刀片、刮料板、主軸、液壓馬達(dá)和滾筒護(hù)罩組成，滾筒中心為取料主軸，液壓馬達(dá)連接取料主軸，兩段旋向相反的螺旋葉片焊接在滾筒上，取料刀片安裝在螺旋葉片上，護(hù)罩中間位置開(kāi)設(shè)有缺口，如圖2所示。

圖2 取料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of reclaimer1.滾筒 2.螺旋葉片 3.取料刀片 4.刮料板 5.主軸 6.液壓馬達(dá) 7.滾筒護(hù)罩

液壓馬達(dá)帶動(dòng)滾筒高速旋轉(zhuǎn)，安裝在螺旋葉片上的取料刀片將青貯料切割或撥落。旋向相反的螺旋葉片和呈螺旋狀排列的取料刀將青貯料沿著軸向推動(dòng)到中間位置，在滾筒中間位置的刮料板將物料從護(hù)罩缺口處拋送到后上方的帶式輸送機(jī)構(gòu)上。通過(guò)調(diào)整液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，可以控制取料的效率。

1.2.2帶式輸送機(jī)構(gòu)

帶式輸送機(jī)構(gòu)主要由輸送液壓馬達(dá)、主動(dòng)輥、被動(dòng)輥、輸送帶、帶護(hù)罩和舉升液壓缸組成，輸送帶上設(shè)有擋料板，如圖3所示。

圖3 帶式輸送機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of belt conveyor1.輸送液壓馬達(dá) 2.主動(dòng)輥 3.輸送帶 4.舉升液壓缸 5.被動(dòng)輥 6.帶護(hù)罩

輸送液壓馬達(dá)帶動(dòng)主動(dòng)輥高速旋轉(zhuǎn)，拉動(dòng)輸送帶向后上方移動(dòng)，將拋送到帶上的物料向后上方輸送。帶上間隔設(shè)置的擋料板能夠防止物料下滑，提高輸送效率。

1.2.3傳動(dòng)系統(tǒng)

采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)取料機(jī)構(gòu)與輸送機(jī)構(gòu)，液壓系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.4 Principle of hydraulic system1.油箱 2.過(guò)濾器 3.齒輪泵Ⅰ 4.變量泵 5.發(fā)動(dòng)機(jī) 6.齒輪泵Ⅱ 7.排量控制閥 8.補(bǔ)油閥 9.雙聯(lián)換向閥組 10.送料馬達(dá) 11.舉升液壓缸 12.沖洗閥 13.取料馬達(dá) 14.散熱器

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 取料機(jī)構(gòu)

2.1.1取料刀回轉(zhuǎn)半徑

取料效率Iv為60 m3/h，螺旋葉片直徑D為[10-11]

(1)

式中K——物料綜合系數(shù)，取0.049

φ——填充系數(shù)，取0.45[12]

C——傾角校正系數(shù)，取1

計(jì)算得D≥347 mm。取料刀的回轉(zhuǎn)半徑對(duì)取料滾筒的平衡和振動(dòng)影響較大，目前秸稈與根茬粉碎還田機(jī)的動(dòng)刀回轉(zhuǎn)半徑在240～300 mm范圍內(nèi)[13-16]?？紤]刀具末端線速度和主軸動(dòng)平衡等因素，選取取料刀的回轉(zhuǎn)半徑R為300 mm，螺旋葉片最外緣直徑D取500 mm，內(nèi)緣直徑d取420 mm。

2.1.2螺旋葉片螺距

螺旋葉片最大螺距應(yīng)滿足兩個(gè)條件[17]：

(1)物料在螺旋面軸向作用力PS>0，為了使PS>0，需滿足

(2)

式中α——螺旋葉片最小半徑處螺旋升角，(°)

ρ——物料摩擦角，為24°[18]

計(jì)算得α<66°。由此條件可知，最大許用螺距

(3)

(2)物料具有最合理的速度分量

物料應(yīng)具有盡可能大的軸向輸送速度，應(yīng)使螺旋面上各點(diǎn)的軸向輸送速度大于圓周速度。由此并根據(jù)文獻(xiàn)[17]中螺距公式推導(dǎo)得

(4)

螺距增加時(shí)軸向輸送速度增大，但圓周速度隨之增大，使得速度分量分布不恰當(dāng)。對(duì)于輸送流動(dòng)性較好物料(如小麥)的臥式螺旋輸送機(jī)，一般按S取(0.8～1)D計(jì)算螺距。青貯料顆粒細(xì)長(zhǎng)且柔性大，流動(dòng)性差，需降低螺距。自走式全TMR制備機(jī)取料機(jī)構(gòu)是一種半封閉結(jié)構(gòu)，過(guò)大的圓周速度會(huì)造成物料飛濺，降低輸送能力，因此本設(shè)計(jì)螺旋葉片的螺距S取值較小，初選S=0.5D(0.25 m)，螺旋升角為9°。

2.1.3取料刀密度

為了便于平衡，每圈螺旋安裝偶數(shù)把取料刀具，為了加大取料面積，將一半數(shù)量的刀彎折30°，另一半數(shù)量的刀為直刀。彎刀刃口在取料方向的投影長(zhǎng)度為30 mm(如圖5所示)，直刀刃口在取料方向的投影長(zhǎng)度為10 mm。

圖5 取料彎刀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Reclaiming scimitar

為衡量取料刃口的長(zhǎng)度與取料寬度之間的關(guān)系，本設(shè)計(jì)提出取料刃長(zhǎng)度比C，即

(5)

式中LD——刀刃在取料寬度方向投影長(zhǎng)度，mm

取料刃長(zhǎng)度比C大，物料回流率低，但功耗也越大。取料刃長(zhǎng)度比C小，功耗減小，但物料容易漏取。統(tǒng)計(jì)國(guó)外取料機(jī)構(gòu)刀具螺旋排列密度，取料刃長(zhǎng)度比C約為1.2，本設(shè)計(jì)取C=1.25。取料刀纏繞螺距S為250 mm，選取彎刀8把，直刀8把。

2.1.4取料轉(zhuǎn)速與每刃進(jìn)給量

取料轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了物料輸送能力與取料能力，首先確定物料螺旋輸送所需轉(zhuǎn)速，然后再確定刀具進(jìn)給量。

(1)螺旋輸送轉(zhuǎn)速

螺旋葉片所需最小轉(zhuǎn)速為[16]

(6)

計(jì)算得n1=154 r/min。

(2)每刃進(jìn)給量

進(jìn)給取料過(guò)程如圖6所示。

圖6 進(jìn)給取料示意圖Fig.6 Reclaiming diagram

忽略物料飛濺，進(jìn)給速度vf為

vf=Iv/(60RLW)

(7)

式中R——取料刀回轉(zhuǎn)半徑，mm

計(jì)算得vf為1.67 m/min。

取料時(shí)，每刃進(jìn)給量對(duì)刀具受力起著決定性的影響，取料進(jìn)給速度與每圈螺旋刀具數(shù)量Z、切削轉(zhuǎn)速n1、每刃最小進(jìn)給量之間關(guān)系為

vf=fzZn1

(8)

式中fz——每刃進(jìn)給量，mm

Z——每圈螺旋刀具數(shù)量，取16

計(jì)算得每刃進(jìn)給量fz為0.68 mm，進(jìn)給量較小，刀具受力較小。

2.1.5拋料速度與物料射入角

滾筒轉(zhuǎn)速n1為154 r/min，則物料在圓周方向的速度vt為

(9)

計(jì)算得圓周速度vt為4.84 m/s，物料以直線的運(yùn)動(dòng)方式射向上擋料板。以取料最低點(diǎn)為計(jì)算依據(jù)，物料拋送如圖7所示，輸送帶與地面夾角為β，物料拋射方向與上擋板法線之間夾角為物料射入角γ，上擋料板與輸送帶之間距離為h1。物料在輸送帶上的拋送距離L2與vt、γ、h1具有重要的關(guān)聯(lián)。

圖7 物料拋送示意圖Fig.7 Schematic of material ejection

為降低輸送帶長(zhǎng)度與減小輸送帶傾斜角，取β為45°。青貯料密度小，反彈性能差，加大物料在輸送帶上的拋送距離，對(duì)于減輕物料擁堵具有重要的意義。取物料射入角γ為54°，此時(shí)物料在輸送帶上的拋撒距離L2>500 mm。

最終確定的取料機(jī)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 取料機(jī)構(gòu)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of reclaimer

2.2 輸送機(jī)構(gòu)

輸送帶采用PVC工業(yè)輸送帶，厚度為3 mm，寬度L3為0.77 m，主動(dòng)輥直徑Ф為120 mm。由于帶速vd允許范圍為2～4 m/s[19]，得出主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速為318～636 r/min。選取液壓馬達(dá)直接帶動(dòng)滾筒，馬達(dá)轉(zhuǎn)速n2為500 r/min。物料在輸送帶隔板上的狀態(tài)如圖8所示。

圖8 物料輸送示意圖Fig.8 Schematic of material conveying

物料輸送效率為

(10)

式中T——隔板間距，為0.225 m

h2——隔板高度，m

計(jì)算得h2為0.045 m，取h2=0.05 m。

3 仿真分析

3.1 仿真模型建立與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1.1仿真模型建立與物料特性參數(shù)選擇

顆粒離散元法(Discrete element method，DEM)是模擬顆粒系統(tǒng)仿真分析的一種物體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法。為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，仿真分析采用秸稈青貯飼料中的主要物質(zhì)玉米秸稈皮和皮瓤作為物料，統(tǒng)計(jì)實(shí)際物料的平均尺寸，然后將外形尺寸放大一倍，用球形顆粒組合模擬二者的外形。秸稈皮的顆粒模型長(zhǎng)為91 mm，寬為10 mm，高為10 mm，密度為287 kg/m3；皮瓤的顆粒模型長(zhǎng)為39 mm，寬為38 mm，高為26 mm，密度為153 kg/m3。物料特性參數(shù)如表2所示[20]。

表2 物料特性參數(shù)Tab.2 Material properties of particles

在SolidWorks中建立取料機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型，以stp格式導(dǎo)入EDEM中。

3.1.2仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

青貯發(fā)酵后顆粒之間未發(fā)生明顯粘結(jié)和團(tuán)聚現(xiàn)象，研究采用Hertz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)接觸模型進(jìn)行仿真。設(shè)定秸稈皮顆粒數(shù)5 900，皮瓤顆粒數(shù)8 000，總計(jì)產(chǎn)生13 900個(gè)顆粒。顆粒工廠每秒產(chǎn)生20 000個(gè)顆粒，初始速度2 m/s。

影響取料機(jī)構(gòu)關(guān)鍵因素為取料進(jìn)給速度、取料滾筒轉(zhuǎn)速等，以取料效率、回流率和取料滾筒的驅(qū)動(dòng)扭矩為取料性能指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)取的物料質(zhì)量，計(jì)算取料效率。將單位時(shí)間內(nèi)飛濺出的物料質(zhì)量與單位時(shí)間內(nèi)取入滾筒內(nèi)總物料質(zhì)量相比，得到回流率?；亓髀试降?，說(shuō)明取料效果越好。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，單因素試驗(yàn)中所取取料滾筒進(jìn)給速度為1.0、2.5、4.0 m/min，取料滾筒轉(zhuǎn)速為160、230、300 r/min。

3.2 取料進(jìn)給速度影響取料效果的仿真分析

仿真條件：取料轉(zhuǎn)速為230 r/min，帶輸送速度為2 m/s。取料裝置在1.0、2.5、4.0 m/min進(jìn)給速度下物料速度分布如圖9所示。隨著進(jìn)給速度增大，取料效果增強(qiáng)。

圖9 不同取料進(jìn)給速度下顆粒速度分布圖Fig.9 Distribution diagrams of particle spreading speed at different feed speeds

3種取料進(jìn)給速度下取料效率和回流率如圖10所示，隨著取料進(jìn)給速度的增加，取料效率快速上升，回流率也快速上升。當(dāng)進(jìn)給速度為4 m/min時(shí)，回流率高達(dá)50.05%。此時(shí)物料飛濺嚴(yán)重，再次取料會(huì)造成物料的過(guò)度切割，難以滿足反芻動(dòng)物的需求。因此，取料進(jìn)給速度的選擇應(yīng)在滿足取料效率的前提下盡可能降低回流率，在取料進(jìn)給速度為2.5 m/min時(shí)，取料效率為66.96 m3/h，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。但回流率為33.78%，需要降低到30%以下。

圖10 不同取料進(jìn)給速度下取料效率和回流率變化曲線Fig.10 Effect of feed speed on reclaiming efficiency and reflux rate

3種取料進(jìn)給速度下取料滾筒驅(qū)動(dòng)扭矩如圖11所示，隨著取料進(jìn)給速度的增加，驅(qū)動(dòng)扭矩快速上升。由圖9c可知，在取料進(jìn)給速度過(guò)快時(shí)，進(jìn)入取料滾筒的料增多，物料回流率增大，飛濺出的物料增多，未被取的物料被快速推向前方，以上原因使得能量消耗增大，取料扭矩急劇增大。

圖11 取料滾筒扭矩變化曲線Fig.11 Curve of roller torque

3種取料進(jìn)給速度下以Stream方式顯示的秸稈顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖12所示，其中上圖為俯視圖，觀察物料在取料滾筒軸向分布和在護(hù)罩堆積情況，下圖為側(cè)視圖，觀察物料的反彈情況。

分析圖12，可以得到以下結(jié)論：

(1)無(wú)論哪種取料進(jìn)給速度，大部分的顆粒均隨著取料滾筒高速旋轉(zhuǎn)，并未被推向中間上料區(qū)域。造成這種狀況的原因在于物料被高速旋轉(zhuǎn)的取料刀甩到滾筒護(hù)罩處，由于螺旋葉片距離護(hù)罩較遠(yuǎn)且螺距較小，推料作用較小，大部分物料被高速旋轉(zhuǎn)的取料刀帶動(dòng)，隨著取料滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，而不是被快速推進(jìn)。物料反復(fù)進(jìn)入取料裝置，會(huì)造成過(guò)度切割。只有降低物料隨取料滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，加大螺距，才能加快物料向中部的推進(jìn)。

(2)隨著取料進(jìn)給速度的增加，取料頭后上方顆粒運(yùn)動(dòng)速度減慢，顆粒堆積嚴(yán)重(圖中藍(lán)色區(qū)域1、2、3逐漸增多)。物料被高速旋轉(zhuǎn)的取料刀甩到滾筒護(hù)罩處，由于螺旋葉片距離護(hù)罩較遠(yuǎn)且螺距較小，起不到推料的作用，而且護(hù)罩后部的導(dǎo)流傾角太小，因此產(chǎn)生物料堆積。只有加大護(hù)罩后部的導(dǎo)流角，才能使物料滑向中間上料區(qū)。

(3)隨著取料進(jìn)給速度的增加，推進(jìn)到輸送帶上方的顆粒射出方向基本與上擋板垂直，顆粒碰到上部擋料板后反彈回來(lái)，被取料刀高速帶走(圖中的藍(lán)色區(qū)域4、5、6逐漸增加)，這樣造成了取下來(lái)的料無(wú)法被推送到帶上料區(qū)，回流率加大。因此只有增大物料射入角γ，才能保證物料的拋送。

在本試驗(yàn)中，宜選取滾筒轉(zhuǎn)速為230 r/min。為降低物料回流率，減少能耗，并提高取料效率，需要對(duì)取料滾筒上螺旋葉片的螺距、護(hù)罩后部的導(dǎo)流傾角和物料射入角等進(jìn)行改進(jìn)。

3.3 取料轉(zhuǎn)速影響取料效果的仿真分析

仿真條件：取料進(jìn)給速度為2.5 m/min，取料轉(zhuǎn)速分別為160、230、300 r/min，3種取料轉(zhuǎn)速下物料速度分布如圖13所示。隨取料轉(zhuǎn)速增大，上料效果增強(qiáng)。

圖13 不同取料轉(zhuǎn)速的物料速度分布Fig.13 Particle velocity distributions of different rotation speeds

取料轉(zhuǎn)速對(duì)取料效率和回流率的影響如圖14所示：隨著取料轉(zhuǎn)速的增加，取料效率增大，分別為55.57、66.96、71.76 m3/h，但取料轉(zhuǎn)速為230 r/min時(shí)取料效率增幅較大；隨著取料轉(zhuǎn)速的增加，回流率降低，分別為37.79%、33.78%和30.81%，基本呈線性減小。

圖14 不同取料轉(zhuǎn)速時(shí)取料效率和回流率變化曲線Fig.14 Effect of rotation speed on reclaiming efficiency and reflux rate

取料轉(zhuǎn)速對(duì)取料滾筒驅(qū)動(dòng)扭矩的影響如圖15所示，隨著取料轉(zhuǎn)速的增加，驅(qū)動(dòng)扭矩增大。但取料轉(zhuǎn)速超過(guò)230 r/min后扭矩快速增加，功耗較大。

圖15 不同取料轉(zhuǎn)速時(shí)取料滾筒驅(qū)動(dòng)扭矩變化曲線Fig.15 Effect of rotation speed on driving torque of drum

3種取料轉(zhuǎn)速下以Stream方式顯示的秸稈顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖16所示，圖中不同顏色表示顆粒速度。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著取料轉(zhuǎn)速的增加，滾筒后部顆粒推進(jìn)運(yùn)動(dòng)速度增大，堆積現(xiàn)象減小。秸稈顆粒被拋出的距離增加，上料效果好。取料滾筒轉(zhuǎn)速較小的情況下，不利于顆粒的流動(dòng)，易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速增加使得顆粒獲得的動(dòng)能增加，顆粒的流動(dòng)性能較好，能夠降低堵塞現(xiàn)象，但是功率消耗增加。

圖16 以Stream方式顯示的不同取料轉(zhuǎn)速下顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.16 Particle trajectories displayed in Stream at different rotation speeds

綜上所述，增加取料轉(zhuǎn)速能提高取料效率并降低回流率，但超過(guò)一定轉(zhuǎn)速后，所需的取料功率急劇增大，不利于減小耗能。在本試驗(yàn)中，宜選取滾筒轉(zhuǎn)速為230 r/min。

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

4.1 取料刀安裝螺距

取料滾筒在取料過(guò)程中，物料逐漸被推向中間上料位置，需要靠近中間上料位置的螺旋葉片和刀具將物料快速推進(jìn)到上料區(qū)，因此靠近上料區(qū)的螺旋葉片應(yīng)取較大的螺距，改進(jìn)后的螺距如表3所示(左端刀具纏繞螺距逐漸向右加大，右端刀具纏繞螺距逐漸向左加大)。

表3 改進(jìn)后的取料刀安裝螺距Tab.3 Optimized installation pitch of reclaiming tool mm

最終改進(jìn)后的取料刀排列如圖17所示，為加快拋料速度，在取料滾筒中間的上料位置設(shè)置2塊刮料板，并將刮料板加長(zhǎng)為200 mm。

圖17 取料刀改進(jìn)后排列Fig.17 Optimized arrangement of reclaiming tools

4.2 滾筒護(hù)罩

如圖18所示，將護(hù)罩后部?jī)蓚?cè)的導(dǎo)流板傾角加大，左側(cè)由20°增至40°，右側(cè)由16°增至26°，均大于物料的摩擦角24°。

圖18 滾筒護(hù)罩改進(jìn)示意圖Fig.18 Optimization diagram of drum shield1.右側(cè)導(dǎo)流板 2.輸送帶外殼 3.上擋料板 4.左側(cè)導(dǎo)流板

4.3 物料射入角

將輸送輥向取料滾筒的后下方移動(dòng)(圖7)，將物料射入角γ增大為64°，降低顆粒的回彈。

進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的取料仿真分析，仿真條件：取料裝置進(jìn)給速度為2.5 m/min，取料滾筒轉(zhuǎn)速為230 r/min，帶上料速度為2 m/s。顆粒速度分布如圖19所示，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，處于上料區(qū)的顆粒比例明顯增多，回流率顯著降低。

圖19 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后顆粒速度分布圖Fig.19 Particle velocity distribution after optimization

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后以Stream方式顯示的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖20所示，通過(guò)對(duì)比相同取料運(yùn)動(dòng)參數(shù)下的仿真圖(圖12b)可以發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的取料滾筒上，隨滾筒與取料刀高速轉(zhuǎn)動(dòng)的物料明顯減少，顆粒的流動(dòng)性增加，裝置后上方未出現(xiàn)明顯的低速區(qū)域，物料不會(huì)產(chǎn)生堆積。絕大部分的物料經(jīng)過(guò)上擋料板反彈后落到輸送帶上，降低了物料回流率。

圖20 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后以Stream方式顯示的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.20 Particle trajectory displayed in Stream after structure optimization

與結(jié)構(gòu)改進(jìn)前相同運(yùn)動(dòng)參數(shù)的仿真數(shù)據(jù)相比：取料效率從66.96 m3/h增加到79.92 m3/h，增幅較大；物料回流率由33.78%快速降低到27.58%，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)；驅(qū)動(dòng)扭矩由1 191.96 N·m降低到433.95 N·m，功耗大幅降低。

5 試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件與測(cè)試指標(biāo)

試驗(yàn)在泰安意美特機(jī)械有限公司內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)秸稈皮長(zhǎng)度在20～92 mm之間，皮瓤長(zhǎng)度在8～43 mm之間，含水率為57%。在平整干凈的混凝土地面上，取青貯料碼放在取料機(jī)前方，料堆尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1 000 mm×3 000 mm×800 mm，樣機(jī)性能試驗(yàn)如圖21所示。選取料轉(zhuǎn)速為230 r/min，取料進(jìn)給速度為2.5 m/min，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)取3次測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行分析，主要測(cè)試指標(biāo)：取料液壓系統(tǒng)壓力、取料寬度、取料高度、取料效率、回流率。

圖21 樣機(jī)性能試驗(yàn)Fig.21 Performance test of prototype

5.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在未對(duì)取料裝置進(jìn)行改進(jìn)的第一代樣機(jī)試驗(yàn)中，取料裝置經(jīng)常發(fā)生卡死，取料液壓系統(tǒng)的峰值壓力為27 MPa，整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生溢流，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載增大，容易熄火。采用改進(jìn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，各關(guān)鍵部件工作穩(wěn)定，能夠可靠地完成青貯的取料和輸送，沒(méi)有發(fā)生堵塞、卡死和憋車現(xiàn)象，液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在17～21 MPa之間。仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表4所示。

表4 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison of simulation and experiment

兩者基本吻合，證實(shí)了仿真分析的可靠性。測(cè)試指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足了養(yǎng)殖場(chǎng)的使用要求。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了由滾筒式取料機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)構(gòu)成的取料裝置，建立了取料作業(yè)的理論模型，并對(duì)取料刀回轉(zhuǎn)半徑、取料刀與螺旋葉片螺距、取料刀密度、取料轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、拋料速度和物料射入角等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算。為衡量取料刃口的長(zhǎng)度與取料寬度之間的關(guān)系，本設(shè)計(jì)提出取料刃長(zhǎng)度比C的概念。

(2)采用EDEM對(duì)取料進(jìn)給速度進(jìn)行了仿真，分析表明，大部分物料被高速旋轉(zhuǎn)的取料刀帶著隨取料滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著取料進(jìn)給速度增加，取料效率快速上升，但回流率也快速上升。當(dāng)進(jìn)給速度為4 m/min時(shí)，回流率高達(dá)50.05%，造成物料過(guò)度切割，能耗加大，滾筒易卡死，因此不宜采取較大的取料進(jìn)給速度。

(3)取料轉(zhuǎn)速仿真分析表明，較小的取料轉(zhuǎn)速不利于顆粒流動(dòng)，易產(chǎn)生堵塞。隨著取料轉(zhuǎn)速增加，滾筒后部顆粒推進(jìn)速度增大，顆粒獲得的動(dòng)能增加，顆粒流動(dòng)性能較好，取料效率增大，回流率降低。但當(dāng)青貯飼料取料轉(zhuǎn)速超過(guò)230 r/min后扭矩和能耗快速增加，因此對(duì)于青貯飼料宜選取料轉(zhuǎn)速為230 r/min。

(4)對(duì)取料裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)：加大取料刀與螺旋葉片螺距；加長(zhǎng)刮料板長(zhǎng)度，采用2塊刮料板；加大護(hù)罩后部?jī)蓚?cè)的導(dǎo)流板傾角；增大物料射入角γ。仿真分析表明改進(jìn)效果顯著，功耗降低64%。取青貯料進(jìn)行試驗(yàn)，改進(jìn)后的取料裝置能夠可靠地完成青貯的取料和輸送，沒(méi)有發(fā)生堵塞和憋車現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析基本一致，取料寬度為2 000 mm，取料高度為5 050 mm，取料效率為75.02 m3/h，回流率為28.95%，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。