單軸雙螺旋帶式飼料混合機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

謝佳珺

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

0 引言

畜牧業(yè)的高速發(fā)展離不開(kāi)高質(zhì)量的飼料，而如何在生產(chǎn)過(guò)程中保證飼料的營(yíng)養(yǎng)均衡、品質(zhì)穩(wěn)定和成本可控是一個(gè)重要的問(wèn)題[1]。飼料混合是解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵步驟之一，指的是將不同的飼料原料按照一定的比例、配方和程序混合在一起，形成一種營(yíng)養(yǎng)均衡、口感適宜、易于消化吸收的飼料[2-3]。飼料混合可以大幅提高飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和穩(wěn)定性，同時(shí)也能夠減少浪費(fèi)和降低成本。因此，飼料混合技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代畜牧業(yè)中不可或缺的環(huán)節(jié)[4]。

螺旋混合機(jī)是一種常見(jiàn)的飼料混合設(shè)備，也被稱(chēng)為雙軸混合機(jī)。它是由兩個(gè)相互轉(zhuǎn)動(dòng)的龍門(mén)攪拌器和一個(gè)混合桶組成的。螺旋混合機(jī)的主要作用是將不同的飼料原料按照一定的比例和配方混合在一起，形成均勻的飼料。與其他混合設(shè)備相比，螺旋混合機(jī)的混合效果更好、混合時(shí)間更短，同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。但當(dāng)前我國(guó)對(duì)于在單個(gè)軸上采用雙攪龍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鮮有研究，故本文通過(guò)不同旋向葉片的對(duì)中反向旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)飼料的連續(xù)混淆，分析了飼料混合機(jī)攪龍螺距、攪龍葉片寬度對(duì)其飼料混合性能的影響，設(shè)計(jì)了二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，結(jié)合離散元仿真對(duì)不同參數(shù)飼料混合機(jī)的秸稈混合系數(shù)、青貯混合系數(shù)進(jìn)行方差分析和優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的飼料混合機(jī)進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的仿真試驗(yàn)，以期提高單軸雙螺旋帶式飼料混合機(jī)的混合性能，為單軸雙螺旋帶式飼料混合機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考[8-9]。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

單軸雙螺旋帶式飼料混合機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由倉(cāng)蓋、攪拌倉(cāng)、單軸雙螺旋帶、出料口、機(jī)架、電機(jī)、減速器、控制器組成，工作時(shí)先將定量的秸稈飼料和青貯飼料倒入攪拌倉(cāng)中，然后在控制器中設(shè)定攪拌時(shí)間和攪拌速度，秸稈飼料和青貯飼料在單軸雙螺旋帶的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下不斷混攪，最后將混合均勻的飼料在出料口排出以供畜禽食用。

圖1 單軸雙螺旋帶式飼料混合機(jī)

2 飼料混合性能仿真與優(yōu)化

2.1 仿真參數(shù)設(shè)定

本研究試驗(yàn)需要使用的秸稈和青貯顆粒大多數(shù)類(lèi)似于球形，少量有一定不規(guī)則形狀，但考慮到不規(guī)則形狀顆粒相互接觸的作用復(fù)雜，容易導(dǎo)致EDEM中計(jì)算量巨大，仿真無(wú)法進(jìn)行下去。因此在不影響主體的情況下，將秸稈和青貯顆粒均視為球形顆粒進(jìn)行仿真，在EDEM中分別設(shè)定秸稈飼料直徑為15 mm、青貯飼料直徑為20 mm，顆粒建模采用純球體。假定飼料顆粒干燥且無(wú)結(jié)塊，則秸稈顆粒與青貯顆粒、顆粒與攪拌倉(cāng)和攪龍之間均采用Hertz-Mindlin（noslip）模型，查閱相關(guān)文獻(xiàn)[10]，仿真模型的相關(guān)參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 全局變量參數(shù)設(shè)置

2.2 仿真試驗(yàn)

利用SolidWorks 2020對(duì)不同參數(shù)的飼料混合機(jī)進(jìn)行建模，并對(duì)不必要的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將SolidWorks中的模型轉(zhuǎn)換成IGS文件導(dǎo)入EDEM中，依據(jù)表1填入各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)置工廠(chǎng)生成速率為10 000顆/s，在攪拌倉(cāng)上方分別建立秸稈顆粒工廠(chǎng)（生成顆粒5 000顆）和青貯顆粒工廠(chǎng)（生成顆粒5 000顆），所有飼料顆粒生成后攪龍?jiān)匍_(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。攪龍轉(zhuǎn)速為30 r/min，仿真步長(zhǎng)為9.25×10-6s，數(shù)據(jù)記錄間隔為0.01 s。單軸雙螺旋帶式飼料混合機(jī)的EDEM仿真模型如圖2所示。

圖2 EDEM仿真模型圖

2.3 試驗(yàn)指標(biāo)

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)離散元仿真中飼料混合機(jī)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)飼料摻混均勻程度的影響，采用網(wǎng)格法對(duì)混合均勻性進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，監(jiān)測(cè)區(qū)將攪拌倉(cāng)均分為32份，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)不同時(shí)間下的飼料數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)公式（1）～（3）得出秸稈a和青貯b的混合標(biāo)準(zhǔn)差。

式中，γi——飼料在單元網(wǎng)格中的質(zhì)量占比；ni——飼料在單元網(wǎng)格中的質(zhì)量，單位為g；nt——單元網(wǎng)格中飼料的總質(zhì)量，單位為g。

式中，φi——飼料在監(jiān)測(cè)區(qū)中的質(zhì)量占比；Ni——飼料在監(jiān)測(cè)區(qū)中的質(zhì)量，單位為g；Nt——監(jiān)測(cè)區(qū)中飼料的總質(zhì)量，單位為g。

式中，γi——飼料在單元網(wǎng)格中的質(zhì)量占比；ηi——飼料在當(dāng)前單元格中的混合偏離度。

式中，ηj——第j個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的飼料混合偏離度；n——監(jiān)測(cè)區(qū)均分網(wǎng)格單元的數(shù)量，n=10；ηa——網(wǎng)格單元內(nèi)飼料顆粒的平均混合偏離度；σi——單循環(huán)周期飼料混合系數(shù)。

飼料混合系數(shù)表示各單元格下秸稈飼料和青貯飼料的混合偏離度與總體偏離程度，混合系數(shù)越小說(shuō)明飼料混合越均勻。

2.4 響應(yīng)曲面試驗(yàn)

2.4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

查閱相關(guān)文獻(xiàn)[11]，為滿(mǎn)足作業(yè)需求選取螺旋葉片螺距范圍在550 mm～850 mm之間。為確保攪龍轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)葉片之間相互嚙合且不發(fā)生碰撞，選取攪龍葉片寬度范圍為8 mm～14 mm。采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法[12]，試驗(yàn)因素水平表如表2所示。應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

表2 試驗(yàn)因素水平表

2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同試驗(yàn)因素下的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，秸稈混合系數(shù)方差分析和青貯混合系數(shù)方差分析分別如表4、表5所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

表4 秸稈混合系數(shù)方差分析

表5 青貯混合系數(shù)方差分析

2.5 試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，秸稈混合系數(shù)、青貯混合系數(shù)的回歸模型顯著性檢驗(yàn)結(jié)果均為極顯著（P＜0.01）；秸稈混合系數(shù)、青貯混合系數(shù)的失擬項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果均為不顯著（P＞0.05），表明回歸模型在試驗(yàn)范圍的擬合程度較好。

各因素與秸稈混合系數(shù)、青貯混合系數(shù)的回歸方程為：

式中，y1為秸稈混合系數(shù)；y2為青貯混合系數(shù)。

攪龍螺距、攪龍葉片寬度對(duì)秸稈混合系數(shù)的響應(yīng)曲面如圖3所示，在攪龍葉片寬度位于低水平時(shí)，隨著攪龍螺距的增大，秸稈混合系數(shù)增大；在攪龍葉片寬度位于高水平時(shí)，隨著攪龍螺距的增大，秸稈混合系數(shù)降低；攪龍螺距在任何水平下，隨著攪龍葉片寬度的增大，秸稈混合系數(shù)先降低然后增高。

圖3 攪龍螺距、攪龍葉片寬度對(duì)秸稈混合系數(shù)的響應(yīng)曲面

攪龍螺距、攪龍葉片寬度對(duì)青貯混合系數(shù)的響應(yīng)曲面如圖4所示，在攪龍葉片寬度位于低水平時(shí)，隨著攪龍螺距的增大，青貯混合系數(shù)增大；在攪龍葉片寬度位于高水平時(shí)，隨著攪龍螺距的增大，青貯混合系數(shù)降低；攪龍螺距在任何水平下，隨著攪龍葉片寬度的增大，青貯混合系數(shù)先降低然后增高。

圖4 攪龍螺距、攪龍葉片寬度對(duì)青貯混合系數(shù)的響應(yīng)曲面

2.6 參數(shù)優(yōu)化

飼料顆粒的混合系數(shù)越小，表明飼料的混合均勻性越好，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[13]，若要使飼料混合滿(mǎn)足工作要求，則需設(shè)定秸稈和青貯的混合系數(shù)≤10%，利用Design-Expert 8.0.6多目標(biāo)優(yōu)化方法，得到優(yōu)化方程如下：

基于優(yōu)化方程式（7），得到優(yōu)化區(qū)間，如圖5所示，優(yōu)化區(qū)間分別為攪龍螺距662.5 mm～750 mm、攪龍葉片寬度10.5 mm～11.5 mm。

圖5 參數(shù)優(yōu)化分析

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的正確性，在優(yōu)化區(qū)間分別為攪龍螺距662.5 mm～750 mm、攪龍葉片寬度10.5 mm～11.5 mm中選取參數(shù)，考慮到現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中的原材料成本問(wèn)題，最后驗(yàn)證試驗(yàn)中選定攪龍螺距662.5 mm和攪龍葉片寬度10.5 mm。將參數(shù)模型導(dǎo)入EDEM中，設(shè)置顆粒工廠(chǎng)位于攪拌倉(cāng)上方20 mm，待所有秸稈飼料和青貯飼料穩(wěn)定落入攪拌倉(cāng)后，將單軸雙螺旋帶軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為30 r/min，設(shè)置攪拌時(shí)間為5 min，驗(yàn)證模型如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)驗(yàn)證圖

3.2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過(guò)EDEM后處理，采用網(wǎng)格法對(duì)飼料混合系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，將攪拌倉(cāng)均勻劃分為32個(gè)網(wǎng)格，通過(guò)公式（4）、公式（5）得出秸稈混合系數(shù)和青貯混合系數(shù)，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7所示。

圖7 網(wǎng)格劃分圖

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證飼料混合機(jī)的飼料混合性能，分別在轉(zhuǎn)速30 r/min～90 r/min下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，不同轉(zhuǎn)速下的飼料混合性能如表6所示。結(jié)果如下：在不同轉(zhuǎn)速下，秸稈混合系數(shù)和青貯混合系數(shù)均小于10%，滿(mǎn)足優(yōu)化區(qū)間要求，仿真驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期基本一致，可為單軸雙螺旋帶式飼料混合機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

4 結(jié)論

本文針對(duì)我國(guó)飼料混合機(jī)的發(fā)展需要及其混合

機(jī)理的研究現(xiàn)狀，對(duì)單軸雙螺旋帶式飼料混合機(jī)進(jìn)行了機(jī)理分析與參數(shù)優(yōu)化。利用EDEM建立了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的飼料混合機(jī)離散元仿真模型，以攪龍螺距、攪龍葉片寬度為試驗(yàn)因素，以秸稈混合系數(shù)、青貯混合系數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)，設(shè)計(jì)二因素五水平的二次通用旋轉(zhuǎn)回歸組合試驗(yàn)，根據(jù)所建立的飼料混合系數(shù)回歸模型得出試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響情況。發(fā)現(xiàn)攪龍螺距、攪龍葉片寬度對(duì)秸稈混合系數(shù)的影響分別為顯著（0.01＜P＜0.05）、極顯著（P＜0.01）；攪龍葉片寬度對(duì)青貯混合系數(shù)的影響為極顯著（P＜0.01），攪龍螺距對(duì)青貯混合系數(shù)的影響為不顯著（P＞0.05）。在秸稈混合系數(shù)≤10%、青貯混合系數(shù)≤10%，制造成本最小的假設(shè)下，優(yōu)化得到飼料混合機(jī)的最佳參數(shù)為攪龍葉片寬度10.5 mm，攪龍螺距662.5 mm。為驗(yàn)證優(yōu)化分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行仿真驗(yàn)證試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下的秸稈混合系數(shù)和青貯混合系數(shù)均小于10%，優(yōu)化后的飼料混合機(jī)混合均勻性更好，該研究可為單軸雙螺旋帶式飼料混合機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。