三軸立式TMR攪拌機的設計及有限元分析

鄭永安,王 龍,甄建民,邢劍飛

(1.塔里木大學 機械電氣化工程學院,新疆 阿拉爾 843300; 2.新疆維吾爾自治區普通高等學校現代農業工程重點實驗室,新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

伴隨經濟的發展,人民生活水平日益提高,牛奶的攝入量也逐年增長,奶業已成為我國畜牧業的主要產業之一,我國已經成為奶類制品的生產大國。牛奶類制品都來源于奶牛,奶牛的質量直接決定了奶類制品的質量,而全混合日糧(TMR)飼養技術將精粗飼料按一定配方的比例混合攪拌均勻,可以提高飼料的適口性及營養均衡性,進而提高奶類制品的品質和價值[1]。目前,該技術在我國已有廣泛應用,TMR攪拌機可以將各種物料直接投入,無需進行其他加工工序,且具有裝料、混合、卸料周期短的特點[2]。因此,促進我國奶牛養殖業的發展,對滿足乳制品市場需求增加養殖企業及散戶收益,并進一步優化我國畜牧產業結構具有重要意義。

TMR混合攪拌機械已在畜牧業發達國家廣泛使用,在亞洲TMR攪拌機的使用也已經達到50%以上。目前,我國TMR混合設備處于對國外飼料攪拌機的仿制過程,關于TMR攪拌技術尚處于探索階段,對于TMR攪拌技術的研究匱乏,導致我國的機械化飼養技術儲備薄弱[3]。因此,研制適用于我國奶牛養殖模式的TMR攪拌機,對我國奶牛機械化、自動化飼養的發展具有重要促進作用。

為此,針對新疆奶牛養殖模式,設計了一種三軸立式飼料混合攪拌機,利用SoildWorks軟件對TMR攪拌機機械相關部件進行三維建模,并通過對攪拌機結構、工作原理及關鍵部件結構參數進行理論分析及研究,旨在為立式飼料混合攪拌機械的發展提供理論基礎。

1 結構設計及混合機理

1.1 整機結構設計

三軸立式TMR攪拌機主要由3根攪龍、動力輸入軸、鏈條、箱體、出料口、電動機和一體式支撐架等部分組成,如圖1所示。螺旋攪龍是攪拌機的核心裝置,工作時,電動機驅動動力輸入軸的主動軸轉動,再利用雙排鏈傳動使得其余兩根軸旋轉,最終使分別安裝在3個軸上的攪龍旋轉。攪龍裝置安裝有錐形葉片,弧形刀具采用模塊化設計,并采用螺栓連接方式與攪龍葉片連接,便于刀具磨損后的替換。電機與傳動軸主動軸部分采用單排鏈傳動,工作時,在料筒頂部安裝擋料端蓋,防止物料的飛濺。

攪拌裝置將混合飼料中的精、粗飼料實現快速、均勻混合,將飼料加工成粒狀、粉狀物料,實現飼料的翻轉混合、頂部與底部物料的對流混合及物料的擴散及剪切混合,因此攪龍選擇錐形螺旋攪龍[4]。考慮到立式攪拌機需要完成對流混合,因此三軸攪龍葉片設計為3個相同旋向的旋轉方式。

1.2 物料混合機理

三軸立式TMR攪拌機攪龍使用兩兩對稱設計,實現了物料的垂直混合與物料的拋灑等循環運動,混合形式是一種綜合性的混合形式。混合形式包括剪切、對流、擴散、沖擊及粉碎等5種混合形態,立式TMR攪拌機以對流混合為主。

1.攪龍裝置 2.套筒 3.擋油環 4.推力球軸承 5.單排鏈輪 6.圓錐滾子軸承 7.電動機 8.雙排鏈 9.弧形刀片 10.料筒圖1 三軸立式TMR攪拌機Fig.1 Three-axis vertical TMR mixer

由于螺旋葉片式攪拌機對流混合效果顯著,因此三軸立式TMR攪拌機攪龍采用錐形設計,為對流混合預留足夠空間。攪拌機作業時,隨著攪龍裝置的旋轉,在攪龍的作用下將物料從料筒底部推送至料筒頂部拋灑;當物料克服摩擦力在重力作用下或沿圓臺型料筒內壁向下滑移,落下的物料與料筒底部的物料拌合。三攪龍的設計使物料在三攪龍中心及周圍形成剪切混合及擴散混合,混合物料在攪龍葉片的拋灑運動下形成包括剪切混合、對流混合、擴散混合在內的綜合性混合,使得體積差異性較大的精、粗飼料在料箱內充分混合,飼料在三攪龍同步轉動中實現在料筒內立體型重復混合攪拌運動,在剪切、對流、擴散等形式作用下穩定且即時性的混合[5]。為切割長尺寸物料,螺旋葉片上安裝可拆弧形刀片,同時基于優化切割效果考慮,刀具為長度可調式刀具。

2 關鍵部件設計

2.1 料筒參數的確定

料筒是飼料混合攪拌機的主要部件之一,物料混合過程受物料容重、物料休止角及物料與葉片間摩擦因數的影響顯著。根據奶牛日糧營養結構對本裝置料筒進行設計,粗飼料為青貯玉米秸和苜蓿草,精飼料為玉米、麥麩、豆餅和棉粕等[6],物料休止角為58°,攪龍葉片與物料間摩擦因數為0.4。,

根據料筒體積計算公式得

式中V—料筒容積(m3);

h—料筒高度(m),本次設計取h=835mm;

R—料筒箱頂面直徑(m),本次設計取R=1 230mm;

r—料筒底面直徑(m),本次設計取r=940mm。

代入上述數據,得料筒容積3.08m3,為小型TMR攪拌機。其料筒內壁與底板夾角105°,滿足防止物料產生結拱現象的要求,即料筒內壁與筒底夾角范圍為105°～120°,防止混合飼料無法下滑導致對流混合效率低下。料箱結構簡單,料筒結構為圓臺式設計,滿足物料充分混合要求,單次混合作業后,料筒內飼料積留量少。

2.2 螺旋葉片參數

根據奶牛對全混合日糧飼料尺寸需求為4～6mm,為保證全混合日糧的蓬松性,滿足飼料的口感和提升飼料混合空間,攪龍葉片設計為錐形螺旋葉片。由于攪拌機采用三軸攪龍設計,刀片與料箱最小間距定為15mm,單絞龍螺旋葉片最大直徑為380mm,螺旋葉片采用等螺距設計,螺距為210mm。三攪龍螺旋葉片采用兩兩對稱設計,錐形螺旋攪龍葉片上每個螺旋葉片安裝15個弧形刀具,對混合飼料中長尺寸物料進行切割攪拌,充分混合飼料[7]。螺旋攪龍如圖2所示。

圖2 錐形螺旋葉片三維建模Fig.2 Three-dimensional modeling of conical spiral blades

2.3 攪龍轉速的確定

對于三軸立式TMR攪拌機,工作核心部件為錐形螺旋攪龍。工作時,物料不僅需要完成上下翻轉,同時還要做圓周運動。因此,攪龍轉速不僅影響著物料的混合攪拌均勻度還決定了機器的生產率。

物料在混合攪拌狀態中主要受到物料與料筒內壁間摩擦力、物料與攪龍間的摩擦力、物料間摩擦力及物料自身重力的作用,還受到攪龍葉片離心力的作用[8]。假設在錐形螺旋攪龍工作面上有一質量為m的物料顆粒,設定本處螺距為s,螺旋半徑為r,螺旋升角為α,速度分析如圖3所示。

圖3 攪龍速度分析Fig.3 Auger speed analysis

當動力輸入軸帶動攪龍以角速度ω繞中心軸旋轉時,首先物料顆粒在攪龍離心力的作用下,工作面上物料顆粒產生圓周運動;其次,物料沿螺旋面向攪龍軸的軸向移動。其中,φs為物料與攪龍葉片間的摩擦角,Ve為物料絕對速度,將Ve正交分解得到物料的圓周速度Vg和軸向速度Vm。軸向速度可提升物料進行對流混合,切向速度可使物料進行剪切以及擴散混合[9]。其攪龍臨界轉速nK可按以下公式求解,即

式中nK—攪龍裝置臨界轉速(r/min);

α—攪龍裝置給定位置的螺旋升角;

φs—攪龍葉片與物料間的摩擦角;

d—相應位置螺旋直徑(m);

μf—物料摩擦因數。

螺旋升角α計算公式為

式中S—攪龍葉片螺距;

d—相應位置螺旋直徑。

攪龍在做垂直升運時,攪龍轉速過高會導致摩擦損失增大使功耗增加、生產效率下降,攪龍轉速過低會導致攪拌效率下降及停止升運物料[10]。根據攪拌裝置的相關參數：螺距S=210mm,物料和攪龍葉片摩擦角φs=22.3°,物料摩擦因數μf=0.4,物料容重γ=500kg/m3。計算臨界轉速范圍如下：

攪拌裝置為變徑攪龍,其運動情況較為復雜,攪龍裝置臨界轉速范圍為87～172r/min。考慮多種混合飼料配比結構,導致物料特性的差異性,理論臨界轉速并不等同于實際臨界轉速,實際采用轉速范圍為90～170r/min。

2.4 生產率計算

生產率可按下式計算,即

式中Q—生產率(kg/h);

V—攪拌機料筒容積(m3);

ψ—物料填充系數(%),一般取ψ=85%;

γ—物料容重(kg/m3);

∑t—單批次物料混合所需時間。

2.5 配套動力的計算

混合攪拌機所需功率按以下公式計算,即

式中N—機器所需功率(kg/h);

Q—生產率(kg/h);

K1—物料總阻力系數,一般取K1=6;

K2—功率備用系數,一般取K2=1.2;

H—物料提升高度。

由于攪拌機在工作過程中與物料的摩擦消耗,刀片切割飼料的功率消耗,電動機功率應大于所需功率,取N=9kW。

3 攪龍有限元分析

3.1 攪龍結構及參數

以TMR攪拌機攪龍為研究對象進行有限元分析,葉片厚度為8mm,材料為45鋼,材料屬性值如表1所示。采用自動網格劃分法進行網格劃分,根據攪拌機各零部件的相互運動關系及葉片與螺旋套筒安裝方式為焊接,因此螺旋套筒設置為固定約束。

3.2 模型求解及分析結果

通過Abaqus軟件對三維模型進行分析,得到振型云圖如圖4所示,前6階的固有頻率如表2所示。

表1 材料屬性值Table 1 Material property value

(a) 第1階模態振型圖

表2 螺旋攪龍前6階固有頻率Fig 2 The first 6 natural frequencies of auger Hz

弧形刀具刃部為1.105mm。由第2階模態振型可知：螺旋葉片及弧形刀具產生縱向振動,最大形變發生在弧形刀具刃部為1.012mm。由結果分析可知：三軸立式攪拌機攪龍裝置在工作狀態下不會產生屈服,強度滿足使用需求。

4 試驗

根據GB/T5918-2008《配合飼料混合均勻度測定方法》,選取變異系數、混合均勻度、投料穩定度為樣機性能指標,以甲基紫色素作為示蹤物,試驗前,將其與物料均勻混合,最終以比色法測定物料中甲基紫含量,為樣機性能指標優劣提供依據。試驗在塔里木大學現代農業工程重點實驗室實驗地進行,選取變異系數、混合均勻度及投料穩定度為樣機性能指標。試驗結果如表3所示。

表3 樣機試驗結果Table 3 The results of simulation and experiment %

根據變異系數不大于10%,混合均勻度不小于90%,穩定度大于85%的要求,該三軸立式TMR攪拌機達到設計要求,且運行便捷、穩定性高、操控性強。

5 結論

1)通過對攪拌機混合原理進行分析,確定裝置的機構設計方案及主要零部件結構參數,并計算出攪龍的臨界轉速,為進一步研究TMR攪拌機各機構參數及優化提供一定的理論支持。

2)對關鍵部件進行了有限元分析,結果表明：攪拌機攪龍在工作狀態下不會產生屈服變形,能滿足正常使用需求。