基于EDEM的螺旋帶式動物飼料攪拌機設計與仿真試驗

張曉龍 伍德林 高發允 劉堯堯

摘要：通過對飼料的運動軌跡進行了分析，確定選擇合理的攪拌裝置類型更有力于攪拌效率的提高。通過混合變異系數方法對飼料混合均勻度進行分析，確定了當前參數條件下的最佳攪拌時間。

1 螺旋帶式TMR飼料攪拌機設計

1.1結構組成

螺旋帶式飼料攪拌機主要由攪拌裝置、傳動裝置、攪拌倉等組成，其PRO/E三維設計示意圖如圖1所示。

1、發動機 2、減速器 3、攪拌倉 4、倉門 5、攪龍 6、支架

圖1 螺旋帶式飼料攪拌機的主要結構

Fig. 1 The main structure of the spiral belt feed mixer

（1）傳動裝置

傳動裝置主要是由電動機、皮帶、鏈輪、減速器及齒輪等組成，電動機與減速器通過帶傳動連接，減速器上的鏈輪與攪拌軸上的鏈輪通過鏈傳動連接，最終達到攪拌軸的轉動來帶動螺旋帶轉動。

（2）攪拌裝置

螺旋攪拌裝置是該攪拌機的核心工作部分，其主要由攪拌軸、螺旋攪拌帶、攪拌長臂、攪拌短臂、攪拌刮板等結構組成，其結構圖如圖2所示。

圖2攪拌裝置結構圖

Fig. 2 The Stirring device structure

1.2 主要參數確定

攪拌機主要設計參數有攪拌倉體積、攪拌倉長寬比、攪拌臂數目及排列形式、螺帶螺旋升角和攪拌速度。對攪拌參數的分析計算主要是為了初步選出最為合理的參數來對其進行優化，得到最終合理的攪拌參數。

1.2.1攪拌臂數目及排列形式的分析

攪拌臂數目及其排列形式對攪拌機的攪拌質量、工作效率等影響重大，數目過多則會導致攪拌軸長增長，這樣會使其結構強度下降；數目過少則會導致飼料混合循環次數減少進而影響攪拌的質量。本文研究的是單軸攪拌機，常見的攪拌臂相位角有90°、60°、45°三種形式，考慮到攪拌臂的數目問題，如果選用60°或45°相位角則會增加攪拌臂的數量，綜合考慮選用90°相位角較為適合本文所設計的攪拌機。當攪拌臂的相位角選用90°時，在一個螺距內可設置4個攪拌臂。

（a）正排列 （b）反排列

圖3 攪拌臂排列方式

Fig. 3 The stirring arm arrangement

如圖4所示。外螺旋帶將飼料從攪拌倉的兩側向中間推送，內螺旋帶將飼料從攪拌倉的中間向兩邊推送從而形成對流運動，提高了攪拌機攪拌質量。

圖4攪拌臂分布圖

Fig. 4 The stirring arm distribution

3.3轉速的確定

為了防止飼料混合攪拌時有離析現象的產生，螺旋攪拌帶作用在飼料上的離心力不能大于飼料自身的重力。由于飼料受力跟運動趨勢相同，根據上述條件可推得如下公式：

式中：n為攪龍轉速，r/min；

f為飼料與攪龍間的摩擦因數；

R為螺旋半徑；

α為螺旋攪拌帶旋轉到任意位置角；

λ為螺旋升角。

飼料與攪龍之間的摩擦因數一般為 ；螺旋升角由上文分析得出，由上式可知 。查閱文獻得知飼料混合攪拌機攪拌軸轉速一般取值范圍為 ，綜合以上分析可知該攪拌機轉速的取值范圍為 。

2 試驗

本次試驗主要是為了研究飼料混合系統內的顆粒分布情況，運動的速度和混合均勻度的分析。由于原設計的攪拌系統在混合時系統內的顆粒數目會達到億萬級以上，但是目前離散元軟件僅可以接受十萬級以內的顆粒數目的模擬，且計算機本身的解算條件有限，因此在進行EDEM仿真實驗之前，混合模型有必要經過相似理論的轉換。將飼料攪拌機的攪拌系統進行相似縮小且簡化其主要的特征部件，而秸稈和青貯顆粒保持原狀，使混合系統內的顆粒數目減少，從而實現EDEM模擬計算。經過幾何結構分析計算，本次模擬采用原設計幾何尺寸的十分之一來搭建離散元數值模型。

運用Pro/E三維軟件建立離散元數值模型并導入EDEM軟件中，如圖5所示：

圖5 飼料攪拌機離散元模型

Fig. 5 The discrete element model of feed mixer

在EDEM中對飼料混合數值模擬，需要對各物料的參數性質進行設定，物料參數的合理性是仿真是否合理的關鍵因素。本文采用青貯飼料和秸稈作為混合物料，混合數值模擬中各物料所需要的特性參數如下表1﹑2所示。

在EDEM軟件中，任何形狀的顆粒都可以通過在三維軟件中創建模型然后導入其中，本次模擬所需要的秸稈跟青貯顆粒都是類似于圓球形，在不影響主體的結果情況下我們對青貯和秸稈顆粒均以圓球形狀顆粒模擬計算，設定青貯顆粒直徑為18mm，秸稈顆粒直徑為14mm，如下圖6所示：

圖6定義顆粒模型

Fig. 6 The definition of particle model

EDEM離散元軟件中設有Hertz一Mindin（no slip）、Hertz一Mindin（no slip） with RDV Rolling Friction等8中常用的軟球接觸模型，如下圖5-6所示。根據飼料攪拌機及物料特性等實際情況考慮，選用Hertz一Mindin（no slip）接觸模型來進行數值模擬，如下圖所示。

5.4仿真結果分析

5.4.1飼料運動軌跡分析

在當前設置的參數下對攪拌系統進行仿真計算，得到（a）飼料運動軌跡圖。在圖（b）中，攪拌軸沿逆時針方向轉動，在螺旋攪拌帶的做用下，物料顆粒沿著逆時針方向作旋轉運動；在圖（a）中，物料顆粒在攪拌裝置外螺旋帶的作用下從兩邊向中間運動，同時內螺旋帶的作用使物料顆粒從中間向兩邊運動，從而形成了強烈的對流運動，更加利于攪拌效率的提高

5.4.2飼料混合均勻度分析

飼料混合均勻度是評判飼料攪拌機質量優劣的關鍵指標，本文通過分析計算飼料混合的變異系數以此來反應飼料混合均勻與否。變異系數即標準差率，用來反應飼料的離散程度，變異系數越小，離散程度越大，飼料混合越均勻。通過在Analyst中建立合適的網格，并計算在每個網格中不同顆粒的配比情況，舍棄顆粒數量不足20的網格，統計計算出顆粒的標準差率，以此來反應飼料混合的離散程度 。圖6-4為攪拌系統區域網格劃分圖。

本文主要是分析攪拌系統隨著時間的變化攪拌均勻度的改變，從中分別提取5s、10s、20s、40s、60s、80s、100s七個不同時刻飼料混合均勻度的情況。首先通過EDEM軟件導出各時刻網格中秸稈顆粒與青貯顆粒的數目情況，舍棄數量少于20網格，計算秸稈顆粒占其所在的網格總顆粒的比值，并將其與最佳顆粒配比相比較（最佳顆粒配比即某種顆粒在攪拌系統中的總數量占系統總顆粒數的比值），得到了每個網格中物料的配比與最佳配比的偏離值。最后通過計算偏離值的標準差，得到飼料攪拌的變異系數，以此來反映飼料混合的均勻度。圖5-10為100s時刻的部分數據圖，其中根據上述方法分別計算出各時刻的變異系數，其變異系數隨時間變化如圖7所示。

Fig. 7 The variation coefficient and mixing time variation

觀察圖可知，飼料在開始攪拌的0-40s內，飼料混合的變異系數下降非常快，即表明飼料在該時間段的攪拌效率最高，到了40s后，變異系數下降非常緩慢，甚至有微量上升時刻。當混合攪拌60s時，變異系數為0.254596，當混合攪拌100s是，變異系數為0.236669，由于當變異系數為0.25時就已經滿足了飼料攪拌均勻度的標準，因此為了節省攪拌時間，節約能耗，又能保證攪拌質量的情況下選擇攪拌60s最為合適。

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