回轉(zhuǎn)式日糧混合機(jī)混合機(jī)理分析與性能試驗(yàn)優(yōu)化

李利橋 王德福 李 超

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

回轉(zhuǎn)式日糧混合機(jī)混合機(jī)理分析與性能試驗(yàn)優(yōu)化

李利橋 王德福 李 超

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

針對(duì)我國(guó)日糧混合機(jī)機(jī)理研究及自主設(shè)計(jì)不足的問(wèn)題，結(jié)合我國(guó)畜牧業(yè)發(fā)展的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了一種在筒體內(nèi)壁安裝抄板的回轉(zhuǎn)式日糧混合機(jī)，實(shí)現(xiàn)日糧的均勻混合。為揭示其混合機(jī)理，利用回轉(zhuǎn)式日糧混合試驗(yàn)裝置，借助高速攝像技術(shù)對(duì)其混合過(guò)程進(jìn)行了觀察和分析，結(jié)果可知：按筒體內(nèi)物料顆粒群運(yùn)動(dòng)特征可將物料分布區(qū)域劃分為提料區(qū)、拋落區(qū)、回料區(qū)，其中拋落區(qū)是主混合區(qū)，其物料以剪切混合為主、以擴(kuò)散與對(duì)流混合為輔，且各個(gè)區(qū)域的位置、大小、形狀受結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)的影響很大；同時(shí)，以筒體轉(zhuǎn)速、物料裝載率、混合時(shí)間、抄板安裝角和抄板高度為試驗(yàn)因素，以變異系數(shù)、凈功耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用五因素五水平(1/2部分實(shí)施)正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法進(jìn)行了性能優(yōu)化試驗(yàn)，并確定其最佳參數(shù)組合為：筒體轉(zhuǎn)速23.5 r/min、物料裝載率65%、混合時(shí)間4 min、抄板安裝角11°、抄板高度109 mm，此時(shí)變異系數(shù)、凈功耗分別為2.09%、33.734 kJ，比優(yōu)化前分別降低了64.4%和15.1%。

日糧混合機(jī)； 回轉(zhuǎn)式； 抄板； 混合機(jī)理； 試驗(yàn)

引言

為克服傳統(tǒng)精粗分飼方法的不足，牛場(chǎng)正在推廣應(yīng)用將營(yíng)養(yǎng)配方中粗飼料、精飼料及各種添加劑混合均勻的日糧飼養(yǎng)技術(shù)，該飼養(yǎng)技術(shù)具有營(yíng)養(yǎng)均衡、飼喂效率高、飼養(yǎng)成本低等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，而拓展其應(yīng)用的關(guān)鍵在于研制日糧混合機(jī)。

畜牧業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家研究日糧混合機(jī)起步較早，生產(chǎn)的機(jī)型主要分為立式和臥式兩大類，其中立式主要包括單輸送器日糧混合機(jī)和雙輸送器日糧混合機(jī)，臥式主要包括撥輪式、轉(zhuǎn)臂式、回轉(zhuǎn)式、單輸送器至四輸送器日糧混合機(jī)[3-4]，且各機(jī)型已趨向于系列化和自動(dòng)化；但國(guó)外日糧混合機(jī)基本由企業(yè)完成，由于企業(yè)技術(shù)保密，關(guān)于其混合機(jī)理的研究報(bào)道和文獻(xiàn)資料很少；國(guó)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行的研究主要偏重于應(yīng)用研究，如日糧混合機(jī)混合加工性能及其混合均勻度試驗(yàn)方法研究[5-6]。我國(guó)對(duì)日糧混合機(jī)的研究較晚，而且是從以引進(jìn)的立式單輸送器日糧混合機(jī)、臥式三輸送器日糧混合機(jī)等為樣機(jī)進(jìn)行改型設(shè)計(jì)開(kāi)始的[4]；加之國(guó)內(nèi)生產(chǎn)日糧混合機(jī)的企業(yè)規(guī)模較小，基于日糧混合機(jī)機(jī)理研究的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)欠缺。進(jìn)口日糧混合機(jī)價(jià)格高、配套動(dòng)力大[4]，因此在跟蹤國(guó)外技術(shù)的同時(shí)，我國(guó)急需開(kāi)展日糧混合機(jī)的機(jī)理研究及自主設(shè)計(jì)；我國(guó)學(xué)者開(kāi)展的日糧混合機(jī)研究主要是針對(duì)已有混合機(jī)的試驗(yàn)研究[2-3,7-8]，而對(duì)其混合機(jī)理、功耗的研究報(bào)道較少[4,9]。

為促進(jìn)日糧飼養(yǎng)技術(shù)在我國(guó)的推廣應(yīng)用，結(jié)合我國(guó)小規(guī)模牛場(chǎng)以及因牛舍與槽道限制而無(wú)法實(shí)現(xiàn)日糧直接投放傳統(tǒng)牛舍的實(shí)際需求和大中型混合機(jī)(尤其是固定式日糧混合機(jī))在規(guī)模化牛場(chǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，急需配套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造及使用成本低、兼具混合及喂料功能的中小型日糧混合機(jī)。因此，根據(jù)上述需求，設(shè)計(jì)一種回轉(zhuǎn)式日糧混合機(jī)，其主要混合部件為筒體，可在此基礎(chǔ)上制成自走式日糧混合機(jī)以滿足應(yīng)用需求。本文利用回轉(zhuǎn)式日糧混合試驗(yàn)裝置，借助高速攝像技術(shù)對(duì)其混合過(guò)程進(jìn)行觀察和分析，以揭示其混合機(jī)理，并對(duì)影響其混合性能的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)式日糧混合試驗(yàn)裝置主要由筒體、傳動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)架等部分組成，其外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1.93 m×0.99 m×1.43 m，如圖1所示。其中混合核心部件——筒體是由外側(cè)圍板通過(guò)支臂、環(huán)形支撐框和端側(cè)擋板等部件與傳動(dòng)軸(呈水平方向安裝)相連而成的一個(gè)整體，筒體直徑、寬度分別為806、584 mm，在筒體內(nèi)壁安裝抄板(主要工作部件)，傳動(dòng)軸一端通過(guò)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與XWD-5型擺線針輪減速電動(dòng)機(jī)連接，減速電動(dòng)機(jī)固定在機(jī)架的下部。為便于觀察筒體內(nèi)物料顆粒的運(yùn)動(dòng)情況，筒體端側(cè)擋板用透明有機(jī)玻璃板制作。

圖1 回轉(zhuǎn)式日糧混合試驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of overall structure of rotary ration mixing experimental device1.減速電動(dòng)機(jī) 2.機(jī)架 3.外側(cè)圍板 4.環(huán)形支撐框 5.端側(cè)擋板 6.抄板 7.支臂 8.傳動(dòng)軸

工作時(shí)，將各種精粗飼料及添加劑投入筒體內(nèi)，由減速電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)筒體旋轉(zhuǎn)，在抄板對(duì)物料顆粒的托帶力、物料顆粒所受的離心力、物料顆粒相互間摩擦力等的綜合作用下，筒體底部的物料顆粒將隨筒體的旋轉(zhuǎn)而向上運(yùn)動(dòng)，并在被提升到一定高度后因受自身重力、抄板拋撒力等綜合作用而下落，形成以剪切混合為主、以對(duì)流與擴(kuò)散混合為輔的混合過(guò)程，當(dāng)物料顆粒下落至底部區(qū)域后，隨著筒體的旋轉(zhuǎn)，又將重復(fù)上述混合運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并最終經(jīng)過(guò)多次循環(huán)運(yùn)動(dòng)而得到分布均勻的日糧。

2 關(guān)鍵工作部件參數(shù)分析

抄板是筒體中用來(lái)提升和拋撒物料顆粒的主要工作部件，常用的抄板結(jié)構(gòu)形式有直板、直角板、彎板，考慮到日糧中秸稈類物料顆粒(屬于典型的粘彈性物料，同時(shí)具備固體和流體的特性[10])占較大比例，并結(jié)合預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，本文將抄板設(shè)計(jì)為直板式。

由于抄板安裝角(抄板與傳動(dòng)軸軸線之間形成的銳角)和抄板高度(抄板在筒體徑向上的高度)是決定抄板在筒體內(nèi)分布情況的2個(gè)主要參數(shù)，故對(duì)其進(jìn)行研究。

抄板對(duì)與其接觸的物料顆粒A的作用情況如圖2所示。圖中，θ1為抄板作用在物料顆粒A上的推力方向與抄板法線方向的偏轉(zhuǎn)角，該角主要由物料顆粒對(duì)抄板的摩擦角決定[9]；θ2為抄板安裝角；ω為筒體角速度，下同；Ft為抄板對(duì)物料顆粒的推力，可分解為周向力Fp和軸向力Fa。其中，周向力Fp的作用是推動(dòng)物料顆粒在與傳動(dòng)軸軸線垂直的橫截面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并在到達(dá)一定高度后依靠自身重力和抄板拋撒力等綜合作用而下落，對(duì)物料顆粒相互間的剪切混合、擴(kuò)散混合作用較大；軸向力Fa的作用是推動(dòng)物料顆粒沿著傳動(dòng)軸軸線方向不斷地從一個(gè)橫截面向另一個(gè)橫截面運(yùn)動(dòng)，對(duì)物料顆粒相互間產(chǎn)生一定的對(duì)流混合作用。因此，在抄板推力的作用下，物料顆粒在筒體內(nèi)形成了一個(gè)沿周向和軸向的多方位復(fù)合運(yùn)動(dòng)，使得物料顆粒的位置重新排列，加快了物料顆粒間的變位和滲透混合。

圖2 抄板對(duì)物料顆粒的推力分解示意圖Fig.2 Thrust decomposition of shoveling plate to material particle

由圖2可知，抄板安裝角θ2越小，抄板推動(dòng)物料顆粒的周向力Fp越大，軸向力Fa越小，影響了物料顆粒在三維空間上的變位和滲透混合。當(dāng)抄板安裝角θ2增加到一定程度后物料顆粒所受的軸向力Fa也會(huì)減小，且其有效提升物料顆粒的作用減弱，即物料顆粒所受的周向力Fp減小，此時(shí)處于拋落狀態(tài)的物料顆粒數(shù)量減少，降低了混合效率。因此，抄板需與傳動(dòng)軸軸線呈一定角度安裝。為探索抄板安裝角對(duì)混合性能的影響，結(jié)合筒體尺寸及相關(guān)資料[4]，將抄板安裝角設(shè)置為0°～32°可調(diào)。

為使物料顆粒在拋落過(guò)程中產(chǎn)生交替變向(交錯(cuò))的物料顆粒剪切面，將筒體內(nèi)相鄰抄板按反向布置方式安裝，進(jìn)而強(qiáng)化物理機(jī)械特性不同的精粗飼料在三維空間上相互變位和滲透。為獲得較佳的混合效果，結(jié)合上述分析結(jié)果、筒體尺寸、相關(guān)資料[11-13]及預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，確定抄板個(gè)數(shù)為10，此時(shí)抄板間距約為253 mm，其在筒體外側(cè)圍板上安裝的平面展開(kāi)圖如圖3所示。

圖3 筒體內(nèi)抄板排列展開(kāi)圖Fig.3 Expanded diagram of arrangement of shoveling plates in drum

抄板高度較小時(shí)，抄板對(duì)物料顆粒的提升和拋撒能力較弱，混合運(yùn)動(dòng)較弱，混合效率較低。但抄板高度過(guò)大，會(huì)阻礙物料顆粒在筒體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，不利于物料顆粒之間的混合。因此，結(jié)合筒體尺寸及相關(guān)資料[4,11-13]，設(shè)計(jì)抄板高度的可調(diào)極限范圍為50～150 mm。

3 混合過(guò)程分析

為實(shí)現(xiàn)較佳的混合效果，需要研究分析回轉(zhuǎn)式日糧混合機(jī)主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)其混合過(guò)程的影響。本文在對(duì)其混合過(guò)程進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合高速攝像技術(shù)對(duì)不同結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)下的混合過(guò)程進(jìn)行觀察和分析。

3.1 混合過(guò)程中物料顆粒群的區(qū)域分布

通過(guò)混合過(guò)程觀察分析可知：在不同工況下，筒體內(nèi)物料顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，但隨著筒體的旋轉(zhuǎn)，物料顆粒群的宏觀運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出周期性的變化規(guī)律。為討論方便，根據(jù)筒體內(nèi)不同物料顆粒群的運(yùn)動(dòng)變化情況，將筒體內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)區(qū)域劃分為提料區(qū)、拋落區(qū)、回料區(qū)(見(jiàn)圖4，不同工況下各區(qū)域的位置、大小、形狀不同)。

圖4 筒體內(nèi)物料顆粒群運(yùn)動(dòng)區(qū)域分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of regional distribution of movement of material particle group in drum

(1)提料區(qū)

該區(qū)是由于物料顆粒受抄板的托帶力、物料顆粒所受的離心力、物料顆粒相互間摩擦力等的綜合作用而形成的，該區(qū)域內(nèi)物料顆粒在隨抄板旋轉(zhuǎn)和上升的過(guò)程中徑向位移變化不明顯，但由于抄板帶動(dòng)的物料顆粒群層較厚，超過(guò)抄板高度的物料顆粒層之間存在速度梯度(越靠近傳動(dòng)軸，物料顆粒層速度越低)，使得物料顆粒層之間形成摩擦剪切面，進(jìn)而發(fā)生剪切混合。該區(qū)域內(nèi)物料顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要受抄板高度、筒體轉(zhuǎn)速、物料裝載率(物料顆粒群所占容積與混合室容積之比)的影響。

(2)拋落區(qū)

該區(qū)是由于提料區(qū)內(nèi)物料顆粒被提升到一定高度后受自身重力、抄板拋撒力等的綜合作用下落而形成的，該區(qū)域內(nèi)物料顆粒在拋落過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生交錯(cuò)的物料顆粒剪切面(因相鄰抄板按反向布置方式安裝)，同時(shí)拋落的物料顆粒與提料區(qū)表層上的物料顆粒相互摩擦和碰撞，使得物料顆粒相互間形成較強(qiáng)烈的以剪切混合為主的變位和滲透混合，并產(chǎn)生一定的以擴(kuò)散與對(duì)流混合為特征的變位和滲透混合。該區(qū)物料顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要受抄板高度、抄板安裝角、筒體轉(zhuǎn)速、物料裝載率的影響。

由于拋落區(qū)是物料顆粒群進(jìn)行混合的主要區(qū)域，因此實(shí)現(xiàn)有效拋落極其重要。為此，需要對(duì)物料顆粒隨筒體旋轉(zhuǎn)的極限轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析。

設(shè)筒體內(nèi)全部物料顆粒是一群質(zhì)點(diǎn)的集合，并形成完整的質(zhì)點(diǎn)組力學(xué)體系。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，選取緊貼于筒體內(nèi)壁的單個(gè)物料顆粒(視其為質(zhì)點(diǎn))為研究對(duì)象，并將選取質(zhì)點(diǎn)與筒壁的線速度視為相同，則質(zhì)點(diǎn)在隨筒體的旋轉(zhuǎn)而上升的過(guò)程中，將受到自身重力G、筒體內(nèi)壁對(duì)質(zhì)點(diǎn)的支持力FN和摩擦力Ff的共同作用[14]，如圖5所示。

圖5 筒體內(nèi)物料顆粒的受力分析Fig.5 Force analysis of material particle in drum

質(zhì)點(diǎn)在法線上的平衡方程為

mω2r=FN+Gcosθ3

(1)

其中

G=mg

(2)

式中m——質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量，kgω——筒體角速度，rad/sr——筒體半徑，mg——重力加速度，9.8 m/s2θ3——質(zhì)點(diǎn)重力G與筒體內(nèi)壁對(duì)質(zhì)點(diǎn)的支持力FN之間的夾角，(°)

質(zhì)點(diǎn)緊貼于筒體內(nèi)壁時(shí)，其線速度等于筒壁的線速度，則有

(3)

式中v——筒壁線速度，m/sn——筒體轉(zhuǎn)速，r/min

由式(1)～(3)可得

(4)

當(dāng)物料顆粒開(kāi)始下落時(shí)，滿足FN=0，則此時(shí)滿足

(5)

由式(5)可知，夾角θ3越小，則筒體轉(zhuǎn)速n越大。當(dāng)θ3=0°時(shí)，n達(dá)到最大值47.1 r/min(臨界轉(zhuǎn)速)，此時(shí)緊貼于筒體內(nèi)壁的物料顆粒在到達(dá)筒體內(nèi)最高點(diǎn)時(shí)不下落，不利于實(shí)現(xiàn)物料顆粒的有效拋落。因此，為利于筒體提升區(qū)內(nèi)物料顆粒在拋落區(qū)內(nèi)盡快進(jìn)入拋落狀態(tài)，筒體轉(zhuǎn)速應(yīng)小于47.1 r/min。

(3)回料區(qū)

該區(qū)是拋落區(qū)內(nèi)物料顆粒下落至筒體底部后形成的，隨著筒體的旋轉(zhuǎn)，該區(qū)域內(nèi)物料顆粒因分別來(lái)自靠近提料區(qū)右側(cè)與拋落區(qū)右側(cè)而形成以對(duì)流混合為主的變位和滲透混合。該區(qū)域內(nèi)物料顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要受筒體轉(zhuǎn)速、物料裝載率的影響。

綜上所述，筒體不同分區(qū)內(nèi)物料顆粒群的運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要受筒體轉(zhuǎn)速、物料裝載率、抄板安裝角、抄板高度的影響。

3.2 混合過(guò)程的高速攝像分析

結(jié)合上述分析結(jié)果，利用Phantom V5.1型數(shù)字式高速攝像機(jī)(Vision Research Inc.，美國(guó))對(duì)不同工況下筒體內(nèi)物料的混合過(guò)程進(jìn)行研究。由預(yù)試驗(yàn)確定拍攝頻率為600 f/s，并通過(guò)筒體運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后所攝的混合過(guò)程影像逐幀分析物料顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，進(jìn)而確定物料的混合過(guò)程。

3.2.1 抄板對(duì)混合運(yùn)動(dòng)的影響

在抄板安裝角為10°、物料裝載率為35%、筒體轉(zhuǎn)速為16 r/min的情況下，從抄板高度為73、140 mm時(shí)所攝影像中分別截取物料剛進(jìn)入拋落區(qū)及之后在相同時(shí)間間隔時(shí)的特征狀態(tài)圖像，如圖6所示(圖中筒體按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，下同)。

圖6 抄板高度對(duì)筒體內(nèi)物料顆粒群運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響Fig.6 Effect of height of shoveling plate on movement state of material particle group in drum

由圖6可知，抄板高度從73 mm增大到140 mm有助于物料顆粒的提升，但由抄板帶動(dòng)的物料顆粒群層厚度增大，伴隨筒體運(yùn)動(dòng)的物料顆粒群增多，筒體內(nèi)物料提料區(qū)變大、拋落區(qū)右移，處于提升運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物料顆粒群增多，盡管物料顆粒在拋落區(qū)頂部開(kāi)始拋落的位置提高，但物料顆粒群是以物料團(tuán)的形式拋落，物料顆粒間的變位和滲透能力降低，混合作用減弱。

由預(yù)試驗(yàn)結(jié)果可知，由于相鄰抄板按反向布置方式安裝，一定大小的抄板安裝角有助于使物料顆粒在拋落過(guò)程中產(chǎn)生交錯(cuò)的物料顆粒剪切面，進(jìn)而強(qiáng)化剪切混合運(yùn)動(dòng)，同時(shí)有助于產(chǎn)生一定的擴(kuò)散和(軸向)對(duì)流混合運(yùn)動(dòng)(相對(duì)于周向混合運(yùn)動(dòng)較弱)。

3.2.2 筒體轉(zhuǎn)速對(duì)混合運(yùn)動(dòng)的影響

在抄板高度為73 mm、抄板安裝角為25°、物料裝載率為35%的情況下，從筒體轉(zhuǎn)速為16、34 r/min時(shí)所攝影像中分別截取物料剛進(jìn)入拋落區(qū)及之后在筒體旋轉(zhuǎn)相同角度時(shí)刻的特征狀態(tài)圖像，如圖7所示。

圖7 筒體轉(zhuǎn)速對(duì)筒體內(nèi)物料顆粒群運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響Fig.7 Effect of rotary speed of drum on movement state of material particle group in drum

由圖7可知，當(dāng)筒體轉(zhuǎn)速為16 r/min時(shí)，大部分物料顆粒因不能上升到足夠的高度而使物料顆粒在拋落區(qū)頂部開(kāi)始拋落的位置較低，而且處于拋落狀態(tài)的物料顆粒較少，物料顆粒以受自身重力為主(因其所受的離心力較小)下落，抄板對(duì)物料顆粒的拋撒作用較弱，筒體內(nèi)物料提料區(qū)較小，物料顆粒以剪切混合為主實(shí)現(xiàn)變位和滲透混合。當(dāng)筒體轉(zhuǎn)速為34 r/min時(shí)，物料顆粒所受到的離心力、拋撒力較大，筒體內(nèi)物料提料區(qū)變大、拋落區(qū)右移，由于物料顆粒從抄板下落時(shí)獲得的拋撒初速度增大，物料顆粒以剪切混合為主、以擴(kuò)散與對(duì)流混合為輔實(shí)現(xiàn)變位和滲透混合。

圖8 物料裝載率對(duì)筒體內(nèi)物料顆粒群運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響Fig.8 Effect of loading rate of materials on movement state of material particle group in drum

3.2.3 物料裝載率對(duì)混合運(yùn)動(dòng)的影響

在抄板高度為95 mm、抄板安裝角為16°、筒體轉(zhuǎn)速為25 r/min的情況下，從物料裝載率為25%、85%時(shí)所攝影像中分別截取物料剛進(jìn)入拋落區(qū)及之后在相同時(shí)間內(nèi)的特征狀態(tài)圖像，如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)物料裝載率為25%時(shí)，筒體內(nèi)物料提料區(qū)較小、拋落區(qū)范圍較大，有利于物料顆粒沿交錯(cuò)剪切面下落、并沿軸向產(chǎn)生橫截面之間的運(yùn)動(dòng)，也有利于不同回落方向的物料顆粒在回料區(qū)產(chǎn)生對(duì)流混合，從而實(shí)現(xiàn)物料顆粒群在筒體內(nèi)三維空間上的混合過(guò)程。當(dāng)物料裝載率為85%時(shí)，物料密實(shí)度較大，物料顆粒間的內(nèi)摩擦力較大，提料區(qū)內(nèi)伴隨筒體運(yùn)動(dòng)的物料顆粒層厚度較大，拋落區(qū)范圍較小，物料顆粒群以物料團(tuán)的形式運(yùn)動(dòng)，物料顆粒拋落運(yùn)動(dòng)不明顯，物料顆粒間的變位和滲透混合過(guò)程大幅度減弱。

綜上所述，隨著筒體轉(zhuǎn)速、物料裝載率、抄板安裝角和抄板高度的變化，筒體內(nèi)物料顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也相應(yīng)地發(fā)生不同程度的變化，且物料顆粒群在混合過(guò)程中的循環(huán)運(yùn)動(dòng)次數(shù)還受混合時(shí)間的影響。

4 混合性能試驗(yàn)

為研究關(guān)鍵參數(shù)對(duì)回轉(zhuǎn)式日糧混合機(jī)混合性能的影響規(guī)律，利用回轉(zhuǎn)式日糧混合試驗(yàn)裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

4.1 儀器設(shè)備與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)儀器與設(shè)備包括回轉(zhuǎn)式日糧混合試驗(yàn)裝置、功率測(cè)控系統(tǒng)(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院研制，結(jié)構(gòu)和工作流程如圖9所示)、FRN37G11S-4CX型變頻器(富士電機(jī)株式會(huì)社)、BSA3202S型電子天平(分辨率0.01 g，最大稱量3 200 g，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)、電子秤、秒表等。其中，功率測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)控原理為：利用多功能電力儀表提供的串行異步半雙工RS485通信接口，將電信號(hào)(由轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等物理信號(hào)轉(zhuǎn)換)以固定數(shù)據(jù)格式經(jīng)由RS485-USB型轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后傳送給計(jì)算機(jī)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件(基于LabVIEW編程開(kāi)發(fā))對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)功率消耗的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

圖9 功率測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作流程圖Fig.9 Structure and work flow diagram of power measurement and control system

參考相關(guān)資料[2,4,8-9,15]，依據(jù)精粗比35∶65(以干物質(zhì)質(zhì)量比為基礎(chǔ))選擇日糧中具有典型代表性的原料組成試驗(yàn)日糧，具體包括：55%青貯玉米(含水率70%)、10%干草(含水率11.38%)、24.5%玉米面(含水率12.35%)、10%豆粕(含水率11.09%)和0.5%鹽(含水率0.5%)，其中前2種原料為粗飼料。

4.2 試驗(yàn)方法

4.2.1 試驗(yàn)因素及水平的確定

根據(jù)相關(guān)資料[4,6,16]、筒體結(jié)構(gòu)尺寸及混合過(guò)程分析，確定影響該機(jī)混合性能的筒體轉(zhuǎn)速n、物料裝載率Lr、混合時(shí)間T、抄板安裝角θ2、抄板高度H等5個(gè)主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)為試驗(yàn)因素，根據(jù)混合過(guò)程分析、單因素預(yù)試驗(yàn)結(jié)果和生產(chǎn)實(shí)際，確定各試驗(yàn)因素取值范圍分別為：筒體轉(zhuǎn)速10～40 r/min、物料裝載率20%～80%、混合時(shí)間4～20 min、抄板安裝角0°～32°、抄板高度63～127 mm。

4.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)及測(cè)定方法

參照文獻(xiàn)[2]，選用混合均勻度作為衡量回轉(zhuǎn)式日糧混合試驗(yàn)裝置在不同工況下混合性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，并選用變異系數(shù)對(duì)其進(jìn)行考核。同時(shí)為研究不同工況下所需的功耗，并使其更具可比性和研究意義，參照文獻(xiàn)[17]，選用對(duì)筒體內(nèi)物料顆粒進(jìn)行混合時(shí)所需的凈功耗(以下簡(jiǎn)稱為凈功耗)為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

各評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法如下：

(1)變異系數(shù)

通過(guò)采用四分法對(duì)樣品中氯離子含量進(jìn)行測(cè)定[16]，其對(duì)應(yīng)變異系數(shù)的計(jì)算公式為

(6)

式中S——每次試驗(yàn)每個(gè)試樣中氯離子的質(zhì)量濃度C的標(biāo)準(zhǔn)差，g/L

(2)凈功耗

凈功耗的計(jì)算公式為

Wj=Wf-Wk

(7)

式中Wj——凈功耗，主要包括物料顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)重心上移及克服內(nèi)摩擦所需的功耗，J

Wf——機(jī)組負(fù)荷功耗，即對(duì)筒體內(nèi)物料顆粒進(jìn)行混合時(shí)，維持回轉(zhuǎn)式日糧混合試驗(yàn)裝置、功率測(cè)控系統(tǒng)和變頻器等運(yùn)行所需的功耗，J

Wk——機(jī)組空載功耗，即機(jī)組在空載狀態(tài)下維持自身運(yùn)行所需的功耗，主要包括混合試驗(yàn)裝置空載功耗、傳動(dòng)損失功耗、變頻器損失功耗等，J

功耗是由功率測(cè)控系統(tǒng)測(cè)定的功率、混合時(shí)間推導(dǎo)而得，其計(jì)算公式為

(8)

式中W——功耗，JPi——第i個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的瞬時(shí)功率，WΔt——采集瞬時(shí)功率的時(shí)間間隔，0.062 5 sN——在混合時(shí)間內(nèi)采集瞬時(shí)功率的次數(shù)

由預(yù)試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)資料可知，在混合時(shí)間一定時(shí)，機(jī)組空載功耗主要受機(jī)組空載功率的影響，而機(jī)組空載功率又主要受筒體轉(zhuǎn)速的影響，故利用功率測(cè)控系統(tǒng)檢測(cè)不同筒體轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的機(jī)組空載功率，并運(yùn)用Matlab擬合工具箱對(duì)檢測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析及曲線擬合，得到機(jī)組空載功率與筒體轉(zhuǎn)速n之間的擬合方程

Pk=4.928n+0.448 (R2=0.96)

(9)

式中Pk——機(jī)組空載功率，W

由式(9)的決定系數(shù)可知，擬合方程整體的擬合度較好，故能用于表達(dá)機(jī)組空載功率與筒體轉(zhuǎn)速之間的總體關(guān)系。

4.2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

由混合過(guò)程分析及預(yù)試驗(yàn)結(jié)果可知，各試驗(yàn)因素需要合理搭配、協(xié)同考慮。因此，經(jīng)過(guò)綜合考慮不同試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)和實(shí)施試驗(yàn)的工作量，選擇采用五因素五水平(1/2部分實(shí)施)的二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法來(lái)安排試驗(yàn)，定量分析筒體轉(zhuǎn)速n、物料裝載率Lr、混合時(shí)間T、抄板安裝角θ2和抄板高度H對(duì)變異系數(shù)Y1、凈功耗Y2的影響。試驗(yàn)因素水平編碼如表1所示，試驗(yàn)方案如表2所示。表中Z1、Z2、Z3、Z4、Z5分別表示筒體轉(zhuǎn)速、物料裝載率、混合時(shí)間、抄板安裝角、抄板高度的編碼值。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Codes of experimental factors

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Experimental plan and results

4.3.2 回歸模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

運(yùn)用Design-Expert軟件對(duì)表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(顯著水平p<0.1)，在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，保證回歸模型極顯著、失擬項(xiàng)不顯著，并逐個(gè)將最不顯著項(xiàng)的平方和與自由度并入誤差項(xiàng)再重新擬合回歸模型[18-20]，得出試驗(yàn)因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響的簡(jiǎn)化回歸模型

Y1=3.731+0.813Z1-0.686Z2-0.427Z3-0.816Z4-

0.413Z1Z2-0.795Z1Z4-0.219Z1Z5+1.039Z2Z4-

0.978Z3Z4+0.378Z4Z5

(10)

Y2=100.228+14.658Z1+9.339Z2+25.673Z3+

2.862Z1Z3+4.062Z1Z4-3.184Z2Z3+4.051Z2Z4-

2.025Z3Z4+1.975Z3Z5-1.953Z4Z5

(11)

4.3.3 試驗(yàn)因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響效應(yīng)分析

在回歸模型中，各回歸系數(shù)的絕對(duì)值決定各回歸項(xiàng)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響[21-22]。根據(jù)式(10)、(11)中一次項(xiàng)系數(shù)的絕對(duì)值可得，各試驗(yàn)因素對(duì)變異系數(shù)的影響由主到次依次為抄板安裝角、筒體轉(zhuǎn)速、物料裝載率、混合時(shí)間、抄板高度，各試驗(yàn)因素對(duì)凈功耗的影響由主到次依次為混合時(shí)間、筒體轉(zhuǎn)速、物料裝載率、抄板安裝角、抄板高度。

為了更直觀地分析抄板高度、抄板安裝角、物料裝載率、筒體轉(zhuǎn)速和混合時(shí)間對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，根據(jù)各回歸項(xiàng)顯著性順序及各試驗(yàn)因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響的主次順序，選取對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響最為重要的回歸項(xiàng)，運(yùn)用Matlab軟件繪制四維切片圖來(lái)直觀描述影響規(guī)律[23-24]，結(jié)果如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響的四維切片圖Fig.10 Four-dimensional slice diagrams of effects of experimental factors on evaluation indexes

在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)混合時(shí)間和抄板高度均為零水平時(shí)，筒體轉(zhuǎn)速、物料裝載率和抄板安裝角對(duì)變異系數(shù)的影響效應(yīng)如圖10a所示。通過(guò)觀察圖10a中顏色分布規(guī)律可知：變異系數(shù)變大的區(qū)域主要集中在同時(shí)滿足筒體轉(zhuǎn)速取值較大(接近臨界轉(zhuǎn)速)、物料裝載率和抄板安裝角取值均較小時(shí)；變異系數(shù)最大值出現(xiàn)在筒體轉(zhuǎn)速為40 r/min、物料裝載率為20%和抄板安裝角為0°時(shí)。這是因?yàn)椋涸谠囼?yàn)范圍內(nèi)，筒體轉(zhuǎn)速取值接近臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，物料顆粒所受的離心力較大，導(dǎo)致貼附于筒體內(nèi)壁而與之共轉(zhuǎn)的物料顆粒較多，筒體內(nèi)物料顆粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)減小，物料顆粒相互間變位和滲透的機(jī)率減少[2,4,8]，物料顆粒間混合運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度減弱。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，物料裝載率取值較小時(shí)，因物料顆粒下落的高度落差變大(沖擊與碰撞較大)，使因表面化學(xué)性質(zhì)而粘附在一起、但物理特性差異大的物料顆粒產(chǎn)生離析。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，抄板安裝角取值較小時(shí)，使得抄板及其周邊的物料顆粒在被帶起后，出現(xiàn)同步拋落(物料顆粒的下落方位相似度較高)，不利于物料顆粒拋落時(shí)出現(xiàn)交錯(cuò)、分散的剪切面[25]，同時(shí)因抄板對(duì)物料顆粒的軸向推動(dòng)力較小而使得物料顆粒在筒體內(nèi)的軸向?qū)α骰旌线\(yùn)動(dòng)較弱。

在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)抄板安裝角和抄板高度均為零水平時(shí)，筒體轉(zhuǎn)速、物料裝載率和混合時(shí)間對(duì)凈功耗的影響效應(yīng)如圖10b所示。通過(guò)觀察圖10b中顏色分布規(guī)律可知：凈功耗變大的區(qū)域主要集中在同時(shí)滿足筒體轉(zhuǎn)速取值較大、物料裝載率取值較大和混合時(shí)間取值較大時(shí)；在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)物料裝載率和混合時(shí)間取值一定時(shí)，凈功耗均隨著筒體轉(zhuǎn)速的增加而增大；當(dāng)筒體轉(zhuǎn)速取值較小(接近10 r/min)、混合時(shí)間取值不同時(shí)，改變物料裝載率，則對(duì)應(yīng)的凈功耗變化趨勢(shì)并不一致，隨著物料裝載率的逐漸增加，凈功耗呈先上升后緩慢下降的變化趨勢(shì)；在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)物料裝載率和筒體轉(zhuǎn)速取值一定時(shí)，凈功耗均隨著混合時(shí)間的增加而增大。這是因?yàn)椋涸谠囼?yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)物料裝載率和混合時(shí)間取值一定時(shí)，隨著筒體轉(zhuǎn)速的增加，抄板對(duì)物料顆粒的拋撒力增加，物料顆粒運(yùn)動(dòng)劇烈程度增大，物料顆粒被提升的高度及物料顆粒間的相對(duì)速度均增大，物料顆粒失去平衡的機(jī)率增大，需要更大的扭矩來(lái)支撐[26]，故所需的凈功耗增大。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)筒體轉(zhuǎn)速取值較小(接近10 r/min)時(shí)，混合時(shí)間取值不同時(shí)，隨著物料裝載率的增加，物料顆粒群質(zhì)量增加，由于混合過(guò)程中帶動(dòng)物料顆粒群旋轉(zhuǎn)所需的扭矩(由物料顆粒群質(zhì)量、質(zhì)心與筒體中心之間的水平距離共同決定)增大[4,26]，則凈功耗呈上升的變化趨勢(shì)，但隨著物料裝載率的繼續(xù)增加，物料顆粒群質(zhì)心與筒體中心之間的水平距離縮短[26]，則凈功耗呈下降的變化趨勢(shì)。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)物料裝載率和筒體轉(zhuǎn)速取值一定時(shí)，隨著混合時(shí)間的增加，物料顆粒群在筒體周向和軸向上的運(yùn)動(dòng)次數(shù)增加，勢(shì)必使凈功耗增大。

4.4 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

由上述分析可知，各試驗(yàn)因素對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響各不相同，為獲得最佳參數(shù)組合方案，需要對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的簡(jiǎn)化回歸模型進(jìn)行優(yōu)化求解。

由于變異系數(shù)CV是衡量混合性能優(yōu)劣的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)日糧混合要求，期望優(yōu)化結(jié)果滿足CV≤10%，同時(shí)為提高設(shè)備有效利用率、降低運(yùn)行成本，將物料裝載率的取值范圍設(shè)為50%～80%，在此基礎(chǔ)上，以筒體轉(zhuǎn)速10～40 r/min、混合時(shí)間4～20 min、抄板安裝角0°～32°、抄板高度63～127 mm為約束條件，以評(píng)價(jià)指標(biāo)最小為優(yōu)化目標(biāo)，以評(píng)價(jià)指標(biāo)的簡(jiǎn)化回歸模型為目標(biāo)函數(shù)，建立非線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用Design-Expert軟件的優(yōu)化模塊對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化求解，最終從多種參數(shù)優(yōu)化結(jié)果中選取最佳組合方案為：筒體轉(zhuǎn)速23.53 r/min、物料裝載率64.51%、混合時(shí)間4 min、抄板安裝角10.91°、抄板高度108.54 mm，此時(shí)對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)、凈功耗預(yù)測(cè)值分別為1.97%、33.160 kJ。

為檢驗(yàn)簡(jiǎn)化回歸模型與最佳組合方案的可靠性，對(duì)上述最佳組合方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證(與表2中各組試驗(yàn)的操作條件相同)。同時(shí)考慮到試驗(yàn)因素水平值的可操作性，將上述最佳組合方案修正為：筒體轉(zhuǎn)速23.5 r/min、物料裝載率65%、混合時(shí)間4 min、抄板安裝角11°、抄板高度109 mm，在此優(yōu)化方案下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，重復(fù)5次，結(jié)果取其平均值，得出此時(shí)變異系數(shù)、凈功耗分別為2.09%、33.734 kJ。與優(yōu)化前無(wú)抄板機(jī)型的最佳參數(shù)組合對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)、凈功耗相比，分別降低了64.4%和15.1%。通過(guò)對(duì)比分析各評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值與由簡(jiǎn)化回歸模型得出的預(yù)測(cè)值可知，兩者基本吻合，這說(shuō)明簡(jiǎn)化回歸模型與最佳組合方案均是可靠的，均具有較高的工程實(shí)用性和指導(dǎo)意義，并可用簡(jiǎn)化回歸模型對(duì)不同工況下回轉(zhuǎn)式日糧混合機(jī)的變異系數(shù)與凈功耗進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

5 結(jié)論

(1)基于日糧飼養(yǎng)技術(shù)在各種規(guī)模牛場(chǎng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種回轉(zhuǎn)式日糧混合機(jī)，其核心部件為內(nèi)壁安裝有反向配置抄板的回轉(zhuǎn)筒體。由回轉(zhuǎn)筒體關(guān)鍵參數(shù)分析及其混合過(guò)程高速攝像分析結(jié)果可知，按筒體內(nèi)物料顆粒群運(yùn)動(dòng)特征可將物料分布區(qū)域劃分為提料區(qū)、拋落區(qū)、回料區(qū)，其中提料區(qū)內(nèi)物料以剪切混合為主，拋落區(qū)(主混合區(qū))內(nèi)物料以剪切混合為主、以擴(kuò)散與對(duì)流混合為輔，回料區(qū)內(nèi)物料以對(duì)流混合為主。各個(gè)區(qū)域的位置、大小、形狀受結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)的影響很大。

(2)由混合性能試驗(yàn)可知，各試驗(yàn)因素對(duì)變異系數(shù)的影響由主到次依次為抄板安裝角、筒體轉(zhuǎn)速、物料裝載率、混合時(shí)間、抄板高度，各試驗(yàn)因素對(duì)凈功耗的影響由主到次依次為混合時(shí)間、筒體轉(zhuǎn)速、物料裝載率、抄板安裝角、抄板高度；確定最佳參數(shù)組合方案為：筒體轉(zhuǎn)速23.5 r/min、物料裝載率65%、混合時(shí)間4 min、抄板安裝角11°、抄板高度109 mm，此時(shí)變異系數(shù)、凈功耗分別為2.09%、33.734 kJ，比優(yōu)化前分別降低了64.4%和15.1%。

1 楊膺白．TMR日糧與現(xiàn)代飼養(yǎng)觀念和技術(shù)的結(jié)合[J]．中國(guó)草食動(dòng)物，2009，29(5)：54-55.

2 王德福，王吉權(quán)．單臥軸全混日糧混合機(jī)的試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(6)：205-207.

3 陳偉旭，劉希峰，李含鋒．臥式全混合日糧機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2007(4)：84-86. CHEN Weixu, LIU Xifeng, LI Hanfeng. Working device of the horizontal completed mixing ration machine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2007(4): 84-86. (in Chinese)

4 于克強(qiáng)．轉(zhuǎn)輪式全混合日糧混合機(jī)混合機(jī)理分析及試驗(yàn)研究[D]．哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015. YU Keqiang. Experimental study and mechanism analysis of paddle-wheel total mixed ration mixer[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2015. (in Chinese)

5 BUCKMASTER D R, WANG D, WANG H. Assessing uniformity of total mixed rations[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2014, 30(5): 693-698.

6 BUCKMASTER Dennis. Optimizing performance of TMR mixers[J]. Tri-State Dairy Nutrition Conference, 2009, 21(22): 105-117.

7 王德福，蔣亦元．雙軸臥式全混合日糧混合機(jī)的試驗(yàn)研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(4)：85-88. WANG Defu, JIANG Yiyuan. Experimental study on the twin-shaft horizontal total mixed ration mixer[J]. Transactions of the CSAE, 2006, 22(4): 85-88. (in Chinese)

8 劉江濤，張志杰．單軸臥式全混日糧混合機(jī)加工性能試驗(yàn)研究[J]．西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，37(7)：218-222，228. LIU Jiangtao, ZHANG Zhijie. Study on characteristics of the single-shaft horizontal total mixed ration mixer[J]. Journal of Northwest A&F University: Natural Science Edition, 2009, 37(7): 218-222, 228. (in Chinese)

9 王德福．雙軸臥式全混合日糧混合機(jī)的混合機(jī)理分析[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37(8)：178-182. WANG Defu. Analysis of mixing principle on twin-shaft horizontal total mixed ration mixer[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2006, 37(8): 178-182. (in Chinese)

10 霍麗麗，趙立欣，田宜水，等．生物質(zhì)顆粒燃料成型的黏彈性本構(gòu)模型[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(9)：200-206. HUO Lili, ZHAO Lixin, TIAN Yishui, et al. Viscoelastic constitutive model of biomass pellet[J]. Transactions of the CSAE, 2013, 29(9): 200-206. (in Chinese)

11 歐陽(yáng)鴻武，何世文，廖奇音，等．圓筒型混合器中顆?；旌线\(yùn)動(dòng)的研究[J]．中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，35(1)：26-30. OUYANG Hongwu, HE Shiwen, LIAO Qiyin, et al. Research on granular mixing in rotating drum blender[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2004, 35(1): 26-30. (in Chinese)

12 耿凡，徐大勇，袁竹林，等．滾筒干燥器中顆粒混合運(yùn)動(dòng)的三維數(shù)值模擬[J]．應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2008，25(3)：529-534. GENG Fan, XU Dayong, YUAN Zhulin, et al. Three dimensional numerical simulation of mixing process of particles in rotary dryer[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2008, 25(3): 529-534. (in Chinese)

13 朱立平，秦霞，袁竹林，等．絲狀顆粒在滾筒橫向截面中的傳熱傳質(zhì)特性[J]．東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，44(4)：756-763. ZHU Liping, QIN Xia, YUAN Zhulin, et al. Heat and mass transfer characteristics of filamentous particles in transverse section of rotary dryer[J]. Journal of Southeast University: Natural Science Edition, 2014, 44(4): 756-763. (in Chinese)

14 謝傳鋒，王琪．理論力學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2009.

15 郭冬生，彭小蘭．不同精粗比全混合日糧對(duì)奶牛產(chǎn)奶性能和牛奶品質(zhì)的影響[J]．西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，24(1)：297-300. GUO Dongsheng, PENG Xiaolan. Effects of different ratio of concentrate and roughage in total mixed ration on milk yield and quality in dairy cows[J]. Southwest China Journal of Agricultural Sciences, 2011, 24(1): 297-300. (in Chinese)

16 蔣恩臣．畜牧業(yè)機(jī)械化(第四版)[M]．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2011.

17 董欣，劉立意，李文哲，等．臥輥式玉米秸稈調(diào)質(zhì)裝置調(diào)質(zhì)功耗試驗(yàn)[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(增刊)：198-201.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=2012s39&journal_id=jcsam. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2012.S0.039. DONG Xin, LIU Liyi, LI Wenzhe, et al. Power consumption experiment of corn straw adjusting material device based on horizontal roller[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(Supp.): 198-201. (in Chinese)

18 呂金慶，尚琴琴，楊穎，等．馬鈴薯殺秧機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化與試驗(yàn)[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(5)：106-114，98.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160515&journal_id=jcsam. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2016.05.015. Lü Jinqing, SHANG Qinqin, YANG Ying, et al. Design optimization and experiment on potato haulm cutter[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(5): 106-114, 98. (in Chinese)

19 陳海濤，明向蘭，劉爽，等．廢舊棉與水稻秸稈纖維混合地膜制造工藝參數(shù)優(yōu)化[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(13)：292-300. CHEN Haitao, MING Xianglan, LIU Shuang, et al. Optimization of technical parameters for making mulch from waste cotton and rice straw fiber[J]. Transactions of the CSAE, 2015, 31(13): 292-300. (in Chinese)

20 楊然兵，楊紅光，尚書(shū)旗，等．撥輥推送式馬鈴薯收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(7)：119-126.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160717&journal_id=jcsam. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2016.07.017. YANG Ranbing, YANG Hongguang, SHANG Shuqi, et al. Design and test of poking roller shoving type potato harvester[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(7): 119-126. (in Chinese)

21 楊然兵，范玉濱，尚書(shū)旗，等．4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)復(fù)收裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(9)：115-120，107.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160917&journal_id=jcsam. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.017. YANG Ranbing, FAN Yubin, SHANG Shuqi, et al. Design and experiment of twice-receiving device on 4HBL-2 peanut combine[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(9): 115-120, 107. (in Chinese)

22 張中典，張大龍，李建明，等．黃瓜氣孔導(dǎo)度、水力導(dǎo)度的環(huán)境響應(yīng)及其調(diào)控蒸騰效應(yīng)[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(6)：139-147.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160618&journal_id=jcsam. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2016.06.018. ZHANG Zhongdian, ZHANG Dalong, LI Jianming, et al. Environmental response of stomatal and hydraulic conductances and their effects on regulating transpiration of cucumber[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(6): 139-147. (in Chinese)

23 胡志超．半喂入花生聯(lián)合收獲機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011. HU Zhichao. Study on key technologies of half-feed peanut combine harvester[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2011. (in Chinese)

24 張良均，楊坦，肖剛，等．MATLAB數(shù)據(jù)分析與挖掘?qū)崙?zhàn)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

25 潘健平．帶傾斜抄板的水平轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的顆粒輸送特性研究[D]．北京：清華大學(xué)，2006. PAN Jianping. Study on granule transport in a horizontal drum with inclined flights[D]. Beijing: Tsinghua University, 2006. (in Chinese)

26 付開(kāi)進(jìn)．大型半自磨機(jī)磨礦性能仿真及參數(shù)優(yōu)化[D]．長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2016. FU Kaijin. Simulation and parameter optimization on grinding performance of large-type SAG mill[D]. Changchun: Jilin University, 2016. (in Chinese)

Mixing Process Analysis and Performance Experiment of Rotary Ration Mixer

LI Liqiao WANG Defu LI Chao

(CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

In order to overcome the shortcomings of the traditional feeding method, the feeding industry of ruminant gradually adopts the ration feeding technology that mixes the nutrient formula of roughage, concentrate and various additives uniformly. The models of foreign ration mixers tend to serialization and automation, but there are disadvantages such as high price, large power, and strong technical confidentiality, which limit the popularization and application of foreign ration mixers in China. Considering the shortage of mechanism study and innovative research of ration mixers, and the actual needs of animal husbandry in China, for promoting the application of ration feeding technology in China, a rotary ration mixer was designed. In order to reveal the mixing mechanism, the rotary ration mixing experimental device was designed and used to observe and analyze the mixing process by the high-speed photography technology. According to the movement characteristics of material particle group in the drum, the material distribution area was divided into material lifting area, dropping area and material returning area. The dropping area was the main mixing area, in which materials were mixed by main shear mixing and auxiliary spread mixing and auxiliary convective mixing. The location, size and shape of each area were affected by the structural and operating parameters. At the same time, the experimental ration was chosen according to the forage-concentrate ratio of 35∶65 (based on dry matter content). Rotary speed of the drum, loading rate of materials, mixing time, inclination angle of the shoveling plate and height of the shoveling plate were used as experimental factors, coefficient of variation and net power consumption were used as evaluation indexes, the method of orthogonal rotational combination experiment of five factors and five levels was used to carry out the optimization experiment of performance. The experimental results showed that coefficient of variation was 2.09% and net power consumption was 33.734 kJ under the conditions that rotary speed of the drum was 23.5 r/min, loading rate of materials was 65%, mixing time was 4 min, inclination angle of the shoveling plate was 11°, and height of the shoveling plate was 109 mm. The results could provide reference for the research and development of ration mixers.

ration mixer; rotary type; shoveling plate; mixing mechanism; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.013

2016-12-15

2017-02-23

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0701300)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405076)

李利橋(1988—)，女，博士生，主要從事畜牧機(jī)械研究，E-mail： liliqiao1108@163.com

王德福(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事畜牧機(jī)械研究，E-mail： dfwang0203@163.com

S816.34; S817.12

A

1000-1298(2017)08-0123-10