飼料粉碎機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計——基于自適應智能化調(diào)節(jié)的

王林生，馬　瑛

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河南 南陽　473000)

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飼料粉碎機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計——基于自適應智能化調(diào)節(jié)的

王林生，馬瑛

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河南 南陽473000)

摘要：錘片式飼料粉碎機的作業(yè)效率和飼料粉碎質(zhì)量受到諸多因素的影響，飼料的喂入量和粉碎室的工作效率是主要影響因素之一。為此，提出了一種帶加肋板的飼料粉碎機結(jié)構(gòu)，并將PID控制器引入到喂入量控制系統(tǒng)中，提高了飼料粉碎機的自適應智能化調(diào)節(jié)功能。為了提高粉碎室的工作效率和粉碎質(zhì)量，將轉(zhuǎn)子設(shè)計成了雙圓盤形式，并在錘片上添加了肋板結(jié)構(gòu)，在喂入裝置中設(shè)計了PID調(diào)節(jié)器，可以根據(jù)錘片的阻力和粉碎質(zhì)量來自適應的調(diào)節(jié)喂入量。最后，通過測試樣機對飼料粉碎機的粉碎性能進行了測試，結(jié)果表明：通過測試發(fā)現(xiàn)：使用肋板結(jié)構(gòu)可有效地縮短飼料粉碎工作時間，提高工作效率，利用PID調(diào)節(jié)器可以增強喂入系統(tǒng)的自適應性，提高響應速度，降低超調(diào)量，提高飼料的粉碎質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：飼料粉碎機；自適應調(diào)節(jié)；喂入裝置；PID控制；加肋板；閘板

0引言

飼料是畜牧業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，而飼料加工的水平和質(zhì)量決定了畜牧業(yè)發(fā)展的規(guī)模，影響農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展和綜合效益，直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)和整個國民經(jīng)濟的發(fā)展。因此，要使畜牧業(yè)發(fā)展壯大，必須解決飼料問題，而飼料的來源是解決問題的關(guān)鍵。由于我國糧食人均水平較低，不可能大量地直接使用糧食作為飼料，這就需要研究新型的飼料粉碎機，利用粗飼料豐富的優(yōu)勢，合理地利用各種飼料資源。新型飼料粉碎機設(shè)計需要解決的問題包括工作原理及性能、尺寸參數(shù)和材料等方面的問題，主要是解決高成本與低生產(chǎn)率的矛盾，提高飼料機的生成效率和加工質(zhì)量，滿足飼料的實際生產(chǎn)需求。

1新型飼料粉碎機總體設(shè)計

飼料粉碎機是飼料加工的基礎(chǔ)工具，其工作效率受諸多因素的影響，因此需要對其加工功率影響較大的因素進行分析，優(yōu)化其機械結(jié)構(gòu)，提高粉碎機的工作效率。本研究的飼料粉碎機總體設(shè)計如圖1所示。

為了提高飼料粉碎機的工作效率，本研究對飼料粉碎機的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，主要包括錘片結(jié)構(gòu)優(yōu)化、喂入裝置優(yōu)化和轉(zhuǎn)子優(yōu)化。喂入量的PID調(diào)節(jié)如圖2所示。

圖1　新型飼料粉碎機結(jié)構(gòu)總體優(yōu)化

圖2　喂入量PID調(diào)節(jié)

喂入量的調(diào)節(jié)主要通過移動閘板來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)其自適應調(diào)節(jié)功能，將閘板設(shè)計成可移動式，并使用PID控制器進行調(diào)節(jié)。PID可以反饋錘片的阻力及粉碎的合格率等信息，從而實現(xiàn)喂入量的自適應反饋調(diào)節(jié),如圖3所示。

圖3　加肋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了提高粉碎機的工作效率，對錘片結(jié)構(gòu)進行改造，將錘片設(shè)計成帶有肋板的結(jié)構(gòu)。通過肋板可以提高粉碎室的風速和風壓，利于進料效率的提高和出料的壓差，從而提高飼料粉碎機的粉碎效率。

2新型飼料粉碎機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

飼料粉碎機在工作時，粉碎室的轉(zhuǎn)軸通過電動機帶動皮帶進行高速旋轉(zhuǎn)，粉碎室的物料是利用喂料斗喂入的，中間經(jīng)過閘板，控制不同的喂入量。物料被錘片打破后，以較高的速度向篩片飛去，進一步摩擦和破碎，最后粉碎成小顆粒。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

飼料的加工粒度要求能夠通過篩孔，作業(yè)主要是利用錘片的沖擊和篩片與物料間的摩擦。粉碎機的功率可由經(jīng)驗公式初步計算，即

P=3.6·r·n·k·k1·k2·D2·B/60

(1)

其中，r為飼料的容重；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；k為飼料流成環(huán)形時的影響系數(shù)；k1為喂入量的影響系數(shù)；k2為出料的影響系數(shù)；D為轉(zhuǎn)子直徑；B為粉碎室的高度。粉碎機的配套功率為

N1=C1·P

(2)

其中，C1為調(diào)整系數(shù)；P為生產(chǎn)率。由公式(2)可以看出：飼料的粉碎功率主要與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、喂入量及粉碎室的結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此可以通過優(yōu)化這3個方面來提升飼料粉碎機的工作效率。

將轉(zhuǎn)速采用雙圓盤形式，轉(zhuǎn)子中間利用鍵和套筒進行定位。其中，錘的旋轉(zhuǎn)形成了負壓，提高了進料的速率和排料的壓差，三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.喂料斗　2.閘板　3.粉碎室　4.轉(zhuǎn)子

圖5　粉碎機三維結(jié)構(gòu)示意圖

除了轉(zhuǎn)子外，粉碎機的工作效率受錘片結(jié)構(gòu)和進料口喂入量影響較大，因此需要對這兩種結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，將錘片設(shè)計成帶有肋板的形式，如圖6所示。

圖6　有無肋板時飼料粉機錘片示意圖

增加肋板后，可以提高粉碎室轉(zhuǎn)動后的風力，從而形成更高的風壓，提高飼料的粉碎效率。喂料裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7　喂料裝置結(jié)構(gòu)示意圖

為了提高喂入的效率，將喂料裝置設(shè)計成徑向頂部喂入的形式，可以對物料的喂入起到調(diào)節(jié)的作用，提高粉碎室的風壓，增強排粉的能力。為了實現(xiàn)喂入物料的自適應調(diào)節(jié)，對閘板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，如圖8所示。

圖8　閘板結(jié)構(gòu)示意圖

圖8中利用閘板結(jié)構(gòu)可以控制進料的流量和速度。為了實現(xiàn)閘板的自適應調(diào)節(jié)，將閘板設(shè)計成可以移動式，在錘片裝有阻力傳感器，當阻力增大時，可以調(diào)節(jié)閘板的位移，從而調(diào)節(jié)飼料的流量。

圖9為喂入量的PID總體控制示意圖。其中，PID控制器可利用算法進行編程控制，而喂入量的大小調(diào)節(jié)主要通過閘板的位移來實現(xiàn)；閘板位移可以使用最簡單的線性PID控制器來控制，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖9　喂入量PID總體控制示意圖

圖10　閘板位移PID控制器設(shè)計

閘板位移的PID控制器結(jié)構(gòu)主要包括比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。假設(shè)飼料粉碎機的喂入量為Q，則其PID控制方程可以寫成

(3)

其中，kp為PID調(diào)節(jié)的比例系數(shù)；ki為PID調(diào)節(jié)的積分比例系數(shù)；kd為PID調(diào)節(jié)的微分比例系數(shù)；T為采樣周期；e為兩次流量的調(diào)節(jié)的誤差。

3飼料粉碎機功能測試

為了驗證本次研究對新型飼料粉碎機進行優(yōu)化的有效性和可靠性，根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)研制了飼料粉碎機的樣機，并對樣機進行了測試，項目包括喂入量的調(diào)節(jié)響應、工作效率和飼料粉碎質(zhì)量。測試樣機如圖11所示。

圖11中，錘片結(jié)構(gòu)和閘板結(jié)構(gòu)已經(jīng)進行優(yōu)化。為了測試其喂入量的調(diào)節(jié)響應，對喂入量隨時間變化曲線進行了統(tǒng)計，結(jié)果如圖12所示。

圖11　飼料粉碎機測試樣機示意圖

圖12　飼料粉碎機喂入量隨時間變化曲線

為了驗證PID調(diào)節(jié)的有效性，將非PID和PID調(diào)節(jié)的結(jié)果進行了對比，結(jié)果表明：PID調(diào)節(jié)器增強了系統(tǒng)的自適應性，其響應速度快、超調(diào)量較小。

為了驗證加肋板對飼料粉碎機的影響，對新型飼料粉碎機的工作效率進行了測試，得到了6組工作效率的對比結(jié)果，如表1所示。

表1　粉碎機工作效率測試

由表1可以看出：使用肋板后縮短了飼料粉碎所需時間，有效地提高了粉碎效率。

為了驗證PID調(diào)節(jié)器對飼料粉碎機粉碎質(zhì)量的影響，對新型飼料粉碎機的粉碎質(zhì)量進行了測試，得到了6組工作效率的對比結(jié)果，如表2所示。由表2可以看出：使用PID控制可以有效對喂入量進行自適應調(diào)整，從而提高飼料粉碎的質(zhì)量。

表2　粉碎機粉碎質(zhì)量測試

4結(jié)論

1)為了提高錘片式飼料粉碎機的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，設(shè)計了一種新型的飼料粉碎機。該機型電機使用雙圓盤轉(zhuǎn)子，在飼料粉碎機的錘片結(jié)構(gòu)上設(shè)計了肋板結(jié)構(gòu)，并在喂入裝置中設(shè)計了PID控制器，實現(xiàn)了飼料加工過程物料喂入量的自適應調(diào)節(jié)，從而大大提高了飼料粉碎機的工作效率和作業(yè)質(zhì)量。

2)為了驗證飼料粉碎機結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可靠性，本文研制了新型飼料粉碎機的樣機，并對樣機的飼料粉碎性能進行了測試，結(jié)果表明：使用肋板和雙圓盤轉(zhuǎn)子可以有效地提高飼料粉碎機的工作效率，使用PID控制器可以有效地提高喂入系統(tǒng)的響應速度、降低超調(diào)量，提高飼料粉碎的質(zhì)量，為新型飼料粉碎機的研究提供了較有價值的參考。

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Structural Optimization Design of Feed Mill——Based on Adaptive Intelligent Control

Wang Linsheng, Ma Ying

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China)

Abstract：Feed hammer mills operating efficiency and feed crushing quality is influenced by many factors. The feed quantity and crushing chamber work efficiency is one of the main factors.In order to solve this problem, this paper proposes a stiffened plate of feed grinder structure,and PID controller is introduced into the feed rate control system to improve the feed grinder of intelligent adaptive adjustment function. In order to improve crushing chamber work efficiency and quality of crushing, rotor is designed into double disc.And the hammer is adding ribbed slab structure, in the feeding device design PID regulator.According to hammer resistance and grinding quality from adjust feed rate,the test of the prototype of feed mill crushing performance was tested, and it was found that it can effectively relationship feed grinding time, improve work efficiency by using beam and slab structure.Using PID regulator can enhance the feeding adaptability of the system and enhance the response rate, reduce the overshoot and improve the feed grinding quality.

Key words：feed grinder; adaptive control; feeding device; PID control; ribbed plate; gate

中圖分類號：S817.12+2

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0204-05

作者簡介：王林生(1981-)，男，河南南陽人，講師，碩士。通訊作者：馬瑛(1982-)，男，河南南陽人，講師，碩士，(E-mail) maying1982@qq.com。

基金項目：河南省高校重點科研項目(15B535002，14B510011)

收稿日期：2015-08-06