斗式黑水虻處理豬糞有機肥取料機設計與試驗

彭才望 賀 喜 孫松林 宋世圣 向 陽 許道軍

(1.湖南農業大學機電工程學院， 長沙 410128； 2.湖南農業大學動物科學技術學院， 長沙 410128；3.湖南農業大學動物醫學院， 長沙 410128)

0 引言

黑水虻處理畜禽糞便可獲得黑水虻昆蟲蛋白[1]和有機肥[2]，其轉化效率高，有效降低了畜禽糞便積累和污染，已成為當前研究的熱點[3]。黑水虻兩周內將豬糞堆積減少56%，同時，豬糞殘渣中氮、磷、鉀的含量分別降低了55.1%、44.1%、52.5%，也減弱了豬糞臭味[4]；黑水虻處理豬糞后的有機肥，肥效較高，富含抗植物病害的活性物質，在牧草、果蔬種植業中得到廣泛應用[5-7]。我國畜牧養殖業生產經營規模化不斷提高，發展以黑水虻為中介的低碳養殖是實現畜牧業可持續發展的有效途徑。但是，在黑水虻養殖過程中，布料、取料、運輸、篩分等機械設備落后，尤其是取料階段，無法規模化有序鏟取、轉移和輸送黑水虻處理畜禽糞便后的有機肥，影響了后期黑水虻篩分作業等環節，降低了畜牧養殖的經濟效益。

目前，國內外學者在黑水虻轉化畜禽糞便效率[8]、黑水虻生長變化[9]、黑水虻昆蟲蛋白[1]、有機肥應用[2,5-7]等方面進行了大量的研究與探索。但是，黑水虻養殖及有機肥取料機械的研究還處于起步階段，成熟產品較少。前期作者借鑒文獻[10-12]設計了雙向螺旋裝置，對黑水虻處理的豬糞有機肥進行集料輸送，滿足取料輸送要求，但取料效率較低、適應性較差[13]。

現有取料機械中常見的斗輪取料機用于散體物料收集與輸送[14-15]。圍繞斗輪取料，眾多學者在斗輪進給速度[16]、鏟斗幾何結構[17]、取料過程[18]、鏟斗挖掘軌跡[19]、鏟斗應變規律[20]、料斗間距與填充率[21]等方面進行了數值模擬研究，并獲得了對應的最佳作業參數。但是，這些研究中的取料機構為大型，且取料的對象主要是工業中堆積的散體物料(煤、礦石、沙土等)，因此不適應黑水虻養殖環境特點與有機肥的特性。

基于以上背景，本文在課題組前期研究基礎上[22]，結合黑水虻養殖特點與黑水虻處理的豬糞有機肥物理特性，借鑒斗輪在工業散體物料方面的研究成果，設計一種斗式有機肥取料機，通過分析其工作原理，確定斗式取料機關鍵結構參數，應用離散元仿真試驗確定斗輪取料機最佳的工作參數組合，并進行臺架試驗驗證，以期實現有序鏟取黑水虻處理的豬糞有機肥，從而促進畜禽廢棄物的資源化利用。

1 黑水虻養殖工藝流程與有機肥物理特性

1.1 黑水虻養殖工藝流程

研究表明，4日齡的黑水虻幼蟲在溫度為28°～30°、新鮮畜禽糞便含水率為70%～75%、堆料厚度在10～15 cm時，生物轉化效率較高[23]，養殖過程中分批次添加新鮮畜禽糞便，養殖8～10 d，在黑水虻成蟲化蛹之前，結束黑水虻對畜禽糞便的處理。此時，可進行有機肥取料作業，養殖工藝流程如圖1所示。基于黑水虻這一養殖特點，本研究采用四周邊框式料盤養殖黑水虻，分批次添加新鮮豬糞，便捷、可視性好，層疊式養殖占地面積少。料盤為鋼材，寬度1 m，四周側壁高0.15 m，取料時料盤中的有機肥層鋪厚度均值為0.1 m。

1.2 有機肥物理特性

本研究所用黑水虻處理的豬糞有機肥樣品由湖南大湘農環境生物科技有限公司提供，通過烘干法采取兩次平行試驗測得有機肥的含水率為44.50%，篩分測量發現有機肥顆粒基本呈近似的球體，蓬松、沙土狀，極小部分呈團狀，粒徑分布范圍為1.6～2.6 mm，平均粒徑為2 mm，如圖2所示。文獻[22]標定了有機肥其他本征參數，其中泊松比為0.11、密度為1 703 kg/m3、剪切模量為5.5×106Pa。有機肥的料蟲比為8～10，為便于后續分析，選取有機肥顆粒作為主要研究對象，對有機肥顆粒中混雜的黑水虻蟲體不予考慮。

2 斗式取料機整機結構與工作原理

2.1 整機結構

根據黑水虻養殖特點與有機肥物理特性，設計的斗式取料機整機結構主要由機架、料盤、攪拌疏松桿、斗輪機構、卸料槽、絲桿升降機構、齒輪齒條、電動推桿等部件組成，結構如圖3所示，其中斗輪機構為主要工作部件。攪拌疏松桿用于疏松有機肥，便于斗輪鏟取，降低取料阻力。自走式斗輪機構橫向移動，在電動推桿作用下可越過料盤，在絲桿升降機構輔助下，可縱向升降，完成多層料盤的有機肥取料作業。根據湖南大湘農環境科技有限公司黑水虻養殖環境，整機結構參數為：料盤為3層，層疊式，料盤寬度為1 m，上下層料盤的垂直間距為1.25 m，斗輪機構高度為1 m，料斗取料深度為0.1～0.15 m，取料幅寬為1 m，絲杠升降高度范圍為0～3.0 m，機架與料盤縱向長度為50 m，斗式取料機平均取料效率為10～15 m3/h。

2.2 斗輪機構及工作原理

斗輪機構如圖4所示，主要由電動推桿、卸料槽、料斗、斗輪機架、齒條、電動機、驅動軸等組成。斗輪機構工作時，電動機帶動驅動軸旋轉，驅動軸通過兩端的驅動齒輪與齒條配合，實現斗輪機構自走式橫向移動。根據湖南大湘農環境生物科技有限公司黑水虻養殖情況，料盤與斗輪寬均為1 m、斗輪直徑D為1 m，前方層鋪有機肥高度h為0.1 m，斗輪機架兩側的圓邊平行料盤側壁，其底部與料盤底面呈線接觸，料斗沿斗輪機架周向均勻分布，且料斗圓弧底壁側邊線與斗輪機架圓邊內側邊重合，如圖4所示。料斗以角速度ω旋轉，以進給速度v自走式驅動前移，完成料盤中的有機肥取料、提升輸送過程，如圖5所示。卸料槽內置傾斜于斗輪中，引導卸料后的有機肥滑移并輸送進入后續篩分等作業環節。

圖中，θ為卸料槽側壁與底面的夾角，(°)；a為卸料槽底部寬度，m；b為卸料槽頂部寬度，m；c為卸料槽側壁長度，m；d為卸料槽長度，m。

3 關鍵部件設計與分析

3.1 斗輪取料受力分析

根據圖6分析可知

FX′=F-Pesinα1-Gcosα2

(1)

FY′=Pecosα1-Gsinα2-Ff

(2)

其中

式中FX′、FY′——合力在X′、Y′方向上的分量

α1——Y′正向與離心慣性力之間的夾角，(°)

α2——重力G與X′反向之間的夾角，(°)

r——顆粒單元瞬時回轉半徑，m

m——顆粒質量，kg

g——重力加速度，m/s2

由圖6可知，在Y′方向上，若FY′=0，則顆粒單元O1處于臨界狀態；若FY′>0，則物料單元O1將沿著滑移面AB向料斗底壁方向運動，不符合本研究中有機肥潮濕物理特性與重力式卸料設計的要求。因此，物料單元O1在克服離心力、摩擦力后沿著滑移面AB向料斗后壁方向運動，實現重力式卸料的極限條件為：FX′≥0、FY′≤0。由式(1)、(2)分析可知，斗輪轉速越高，角速度越大，料斗內顆粒單元所受離心力與摩擦力越大，且過高的斗輪轉速導致離心力過大，無法滿足重力式卸料。因此，斗輪轉速不宜過高，離心力必須小于或等于重力，當極限情況時重力與離心力相等，則斗輪的極限速度為[24]

(3)

為了使料斗內有機肥能夠依靠重力全部卸出，引入小于1的卸料速度系數k，使料斗的實際切向速度vc小于極限速度vmax[24]，即

(4)

(5)

本研究的斗輪為半格式斗輪[25]，而針對半格式斗輪，其卸料速度系數k取值范圍為0.35～0.45，基于有機肥物理特性，k取0.45[24]，確定斗輪轉速范圍為：n≤18.99 r/min。

3.2 料斗設計與分析

3.2.1料斗參數設計

料斗周向旋轉與直線進給時，料斗內有機肥受到上層有機肥顆粒的摩擦力與壓力、料斗底部的摩擦力與支撐力。取料時，需要將有機肥加速到與料斗同速，有機肥會受到內部加速慣性阻力。同時，有機肥顆粒間存在黏附作用力。在這些合力的作用下，料斗進給方向的有機肥物料表面將前移一定的距離，形成一個物料堆積曲線表面[17]。根據圖7、8的料斗底壁長度試驗可知：一定條件下，減少斗底圓弧長度，有效降低了有機肥物料的擾動與堆積效應，但取料質量低、始落料點與離斗輪中心遠，取160 mm時，有效保證了取料質量，始落料點與斗輪中心的距離比較適宜，減少落料偏擺振動，此時物料堆積高度為7.61 mm。

基于料斗底壁長度，優化料斗后壁張角β，如圖9所示。以料斗后壁張角為試驗因素，分析后壁張角對落料速度和始落料點的影響，結果如圖10所示。結果表明，同等條件下，料斗后壁張角60°時始落料點與斗輪中心位置適宜，避免碰到相鄰料斗或卸料槽。此時，始落料點位置的斗內有機肥顆粒速度矢量沿斗輪徑向層狀分布，速度大小沿斗輪徑向逐漸變大，表層的有機肥顆粒速度分布合理，沿滑移面無劇烈傾斜運動趨勢，如圖11所示。根據斗輪直徑、料盤寬度，設定斗底圓弧半徑R為500 mm、斗寬為1 m。結合有機肥物理特性、參考文獻[26]，通過修正調整，最后料斗結構設計為淺斗型、圓弧曲面底壁、平面斗底，參數確定為：料斗寬l1為1 m，料斗后壁長l2為0.165 m，料斗底長l3為0.16 m，斗底圓弧半徑R為0.5 m，料斗高l4為0.3 m，料斗張角γ為65°，料斗后壁張角β為60°。

參考文獻[27]，料斗間距過小導致料斗布置過密而影響料斗的裝料，且在卸料時，導致物料在途中碰到前面的料斗而落不到卸料槽內等因素，對于淺料斗有

u=(2～3.5)h1

(6)

式中u——料斗間距，即圓周方向等弧長距離，mm

h1——料斗高度，mm

根據料斗結構設計，料斗在圓周方向弧長間距范圍為600～1 050 mm。料斗間距與料斗數量之間的公式為

(7)

式中Z——料斗數量，個

根據斗輪直徑D與料斗間距u取值范圍，由式(7)計算可得料斗數量理論范圍為3～5個。

3.2.2料斗運動軌跡分析

斗輪機架上圓周方向均勻分布的料斗取料作業過程包括：下降進入有機肥中、有機肥中取料、取料后提升3個階段。在取料過程中，料斗運動軌跡與斗輪進給速度v、料斗角速度ω以及固定的斗輪直徑有關，通過分析料斗運動軌跡，確定料斗運動的工作狀態。本研究選取卸料完的A位置某料斗為研究對象，并以該料斗圓弧底壁最先入料的某點P進行分析，以斗輪轉動軸圓心為原點，做x軸與y軸的相交坐標，如圖12所示，圖中A、B、D、E、F分別為料斗所處的位置點。

假設料斗需要完成BC段的有機肥取料過程，其中料斗沿AB段為下降進入有機肥階段；BD段為有機肥中取料階段；DE段為取料后提升階段；EF段為卸料階段。當斗輪機構沿v方向勻速進給運動，同時以ω繞O點順時針勻速圓周運動。開始時，料斗P點位置與x軸正向相反，因此，經過t段時間后，料斗頂點P的運動軌跡方程為

(8)

將運動軌跡方程(8)對時間t求導，得料斗在x軸與y軸方向的運動速度分別為

(9)

對公式(9)在x軸和y軸方向的運動速度進行時間求導，得料斗在x軸和y軸方向上的運動加速度分別為

(10)

料斗頂點A的合速度vo和合加速度a為

(11)

式中x、y——料斗水平方向和垂直方向的位移，mm

通過斗輪機構料斗的運動學分析可知：料斗在旋轉運動時，料斗在有機肥中取料過程中不會有速度上的突變，能夠保持旋轉方向的勻速運動，順利完成周期內位移、速度以及加速度的轉變。

3.3 斗輪取料過程仿真分析及參數確定

為合理有效地進行仿真模擬計算，對斗輪機構進行簡化處理，去除電動機、驅動軸、齒輪、斗輪機架等部件，根據物理樣機特點，應用SolidWorks軟件對斗輪機構進行實體建模，主要包括料斗、料盤、卸料槽等部件，模型中料盤和料斗寬度均為0.3 m，為物理樣機的1/3，卸料槽槽底長為0.4 m，斗輪直徑為1 m，其他參數與物理樣機一致，實體三維模型以.stl文件格式導入EDEM軟件中。材料屬性為不銹鋼，泊松比為0.30，剪切模量7.9×1010Pa，密度為7 860 kg/m3。根據有機肥的物理特性，選取“Hertz-Mindlin with JKR”作為接觸模型，以基本球體作為有機肥的仿真顆粒模型，建立半徑為1 mm的離散元模型[22]。為真實模擬料斗取料、提升環境，在EDEM中建立長×寬為1 m×0.3 mm的長方形虛擬面作為顆粒工廠，以正態分布、動態方式生成顆粒，形成長×寬×高為1 m×0.3 m×0.1 m的有機肥模型。仿真設定固定步長時間為Rayleigth時間步長的22%，數據保持間隔為0.01 s，網格單元尺寸為2倍最小有機肥顆粒半徑。待斗輪機構取料仿真過程穩定后，利用后處理模塊Grid Bin Group，選中無撒料現象的料斗區域，統計單個料斗取料的質量并計算料斗間取料質量的變異系數，取料仿真過程如圖13所示。

堆積角能反映有機肥顆粒的內摩擦性與散落性能，前期通過圓筒提升堆積物理試驗與EDEM仿真結合的方法對含水率為43.60%有機肥顆粒進行了仿真參數標定。二者堆積角的相對誤差僅為1.88%，標定的參數準確可靠[22]，可用于取料仿真試驗，仿真參數如表1所示。

表1 離散元模型材料參數及與有機肥顆粒之間的接觸參數Tab.1 Material parameters and contact parameters between discrete element model and organic fertilizer particles

3.4 評價指標

參考文獻[26,28]，斗輪取料過程中物料流應盡可能穩定，等量取料有利于提高斗輪取料能力和效率。為確認斗輪取料效果的最優結構參數，本次取料仿真試驗選取單斗平均取料量與變異系數為評價指標，重點研究工作參數對斗輪取料的影響規律。試驗統計斗輪正常連續作業時單個料斗依次取料質量，計算單斗平均取料量和變異系數，計算公式為

(12)

(13)

(14)

式中M——正常連續作業料斗依次取料質量，kg/個

N——正常連續依次取料作業料斗數量

S——標準差，kg/個

CV——變異系數，%

4 取料試驗與結果分析

根據文獻[14]，斗式取料機斗輪進給速度、料斗數量、料斗轉速等參數均會影響斗輪取料機構的生產率。本次試驗以黑水虻處理的豬糞有機肥顆粒為試驗對象，利用斗輪取料機構模型進行取料試驗，料盤中有機肥顆粒模型尺寸(長×寬×高)為1 m×0.3 m×0.1 m，分析斗輪進給速度、料斗轉速、料斗數量對單斗平均取料量和變異系數的影響規律。

4.1 單因素試驗與結果分析

4.1.1斗輪進給速度

在料斗轉速為12 r/min，料斗數量為4的試驗條件下，進給速度對斗輪取料效果的影響如圖14所示。單斗平均取料量隨進給速度的增大而增加，在斗輪進給速度為60 mm/s時，料斗平均取料量達到2.670 kg/個，斗輪進給速度過大，將造成散料自由表面線過長，取料量沒有明顯增大趨勢。變異系數隨進給速度的增加先急劇降低，然后保持平緩的較低值范圍。進給速度20 mm/s時變異系數達到12.4%；進給速度40～60 mm/s時，變異系數降低到2.1%～2.6%；進給速度大于60 mm/s，料斗平均取料量增加趨勢平緩，變異系數呈小幅增大趨勢，斗輪等量取料優勢降低。因此，選取斗輪進給速度范圍為45～65 mm/s。

4.1.2料斗轉速

在斗輪進給速度為30 mm/s，料斗數量為4試驗條件下，轉速對斗輪取料效果的影響如圖15所示。料斗平均取料量隨轉速增大而逐漸降低，轉速為6 r/min時，料斗平均取料量達到2.23 kg/個，轉速低于6 r/min時，旋轉周期內轉移輸送有機肥效率低；考慮斗輪機構重力卸料要求，轉速不宜過高。變異系數隨著轉速提高先增加后降低，轉速為6 r/min時變異系數最低，為1.5%。轉速增加，取料量分布不均，變異系數增大。轉速為15 r/min時，變異系數為8.2%。但是，料斗轉速超過15 r/min時，單個料斗取料頻率增加，取料量降低，但單斗取料均勻度提高，變異系數較低。因此，選取料斗轉速范圍為6～12 r/min。

4.1.3料斗數量

在斗輪進給速度為30 mm/s，料斗轉速為12 r/min試驗條件下，考慮斗輪直徑、料斗尺寸、料斗間距等參數的影響，選取2～6個料斗作為試驗因素，料斗數量對斗輪取料效果的影響如圖16所示。隨料斗數量的增加，單位時間內料斗的單次取料量降低。料斗數量為6個時，取料量最小，為0.43 kg/個。變異系數隨著料斗數量的增加，總體呈M型曲線變化趨勢。料斗數量為偶數時，取料相對均勻度高；料斗數量為奇數時，取料量差異大，變異系數較高。料斗數量為2個，單斗處于取料狀態，易帶來偏擺振動、不穩定；料斗數量為5個，單位時間的取料頻率高，但單斗取料質量不均，變異系數最大；料斗數量為6個，布局過于緊湊，導致兩個料斗同時卸料重疊，沖擊振動較大。考慮取料效率和作業穩定，試驗分析結果和式(7)理論計算獲得的料斗數量范圍具有很好的一致性，因此，選取料斗數量范圍為3～5個。

4.2 正交試驗與結果分析

4.2.1正交試驗方案設計

綜合考慮單因素試驗分析結果，確定如表2所示的各工作參數的試驗因素編碼，以單斗平均取料量Y1和變異系數Y2為評價指標，選取斗輪進給速度、料斗轉速、料斗數量為試驗因素，根據Box-Behnken試驗原理設計三因素三水平回歸正交試驗[29-30]，試驗方案與結果如表3所示，表3中X1、X2、X3為斗輪進給速度、料斗轉速、料斗數量的編碼值。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Coding of test factors

4.2.2回歸模型建立與顯著性檢驗

根據表3中的數據樣本，利用Design-Expert 8.0.6軟件對數據開展多元回歸擬合分析，建立單斗平均取料量、變異系數對斗輪進給速度、料斗轉速、料斗數量3個自變量的二次多項式響應面回歸模型

表3 試驗方案與結果Tab.3 Experiment design and response values

(15)

(16)

對回歸模型進行方差分析[31]，結果如表4所示。由表4可知，二次回歸模型P<0.001，表明回歸模型極顯著；失擬項P>0.05(分別為0.429 7、0.120 7)，失擬不顯著，說明模型所得二次回歸方程擬合程度高，能正確反映單斗平均取料量Y1、分離變異系數Y2與X1、X2、X3之間的關系；其決定系數R2分別為0.999 6和0.952 5，表明2個回歸模型可以很好解釋95%以上的評價指標。因此，斗輪取料機構的工作參數可以用該模型來進行預測。

表4 回歸模型方差分析Tab.4 Variance analysis of regression model

在保證Y2模型顯著、失擬項不顯著的情況下，剔除模型不顯著的回歸項，對模型Y2進行優化，得

(17)

4.2.3單斗平均取料量與變異系數的影響因素分析

由表4中各因素F值分析可知，3個因素對單斗平均取料量與變異系數的影響顯著性順序均為料斗轉速、料斗數量、斗輪進給速度。根據回歸方程分析結果，利用Design-Expert 8.0.6軟件分別作影響顯著的各交互因素與單斗平均取料量、變異系數之間關系的響應面圖(圖17、18)，根據響應曲面形狀，對單斗平均取料量、變異系數變化趨勢影響較大的試驗因素進行分析說明。

(1)交互因素對單斗平均取料量的影響

斗輪進給速度、料斗轉速、料斗數量對響應值Y1影響的響應曲面如圖17所示。由圖17a可以看出，提高進給速度和降低轉速有利于提高單斗平均取料量。由圖17b可以看出，提高進給速度和降低料斗數量有利于提高單斗平均取料量。由圖17c可以看出，降低轉速和減少料斗數量有利于提高單斗平均取料量。此外，從各因素對響應值Y1影響的響應圖可以得知，響應面變化規律與表4回歸方程分析結果、模型式(15)分析一致，總體影響趨勢為斗輪進給速度越大、料斗轉速越小、料斗數量越少，單斗平均取料量越高。其主要原因在于：斗輪進給速度增加與料斗轉速減小，單個料斗取料量明顯增多；料斗數量減少，單位時間內取料次數降低，增加了單個料斗的取料量。

(2)交互因素對變異系數的影響

圖18為斗輪進給速度處于中心位置(55 mm/s)時，料斗轉速和料斗數量對變異系數Y2的交互作用響應面圖，由圖18可以看出當料斗數量為定值時，變異系數隨料斗轉速的增加先減小后增大，存在最優值。當轉速一定時，變異系數隨料斗數量的增加先減小后增大，并且變化幅度較為平緩，存在最優值。雖然變異系數隨轉速與料斗數量變化都產生了改變，但響應曲面沿料斗轉速方向的變化較料斗數量方向的變化更為明顯，在中心水平下，料斗轉速對變異系數的影響比料斗數量的影響更顯著。另外，由圖18可知，響應面變化規律與表4分析結果及模型式(17)分析相吻合，總體影響趨勢為轉速越低、料斗數量越少，變異系數越大。其主要原因在于：斗輪進給速度一定時，轉速降低，料斗數量減少，單位時間料斗取料次數減少，料斗間的取料量差異性增大。

5 最優參數確定與試驗驗證

5.1 參數優化

為達到最佳的斗式取料機工作參數，按照單斗平均取料量最大、變異系數最小的優化目標，對斗輪進給速度、料斗轉速、料斗數量進行優化研究。運用Design-Expert 8.0.6軟件對建立的2個指標的全因子二次回歸模型進行最優化求解，約束目標函數為： maxY1、minY2；約束條件為：-1≤Xj≤1(j=1,2,3)。根據2個指標對斗輪取料過程評價與設備利用率的同等重要性[22-23,25]，設置單斗平均取料量與變異系數的權重分配均為0.5。優化得到各因素最優參數為：斗輪進給速度65 mm/s，料斗轉速8.25 r/min，料斗數量3.39時，單斗平均取料量為3.924 kg/個，變異系數為2.57%，根據優化結果，將料斗數量X3設置為-1，其他條件不變，再次利用軟件求優，優化參數結果為：斗輪進給速度65 mm/s，料斗轉速8.25 r/min，料斗數量3，此時單斗平均取料量為4.008 kg/個，變異系數為3.19%。

5.2 試驗驗證

根據優化工作參數模擬斗輪卸料，如圖19所示。仿真過程選取料斗內外側8個代表顆粒點，得到始末落料軌跡，初步確定卸料槽結構參數。結果表明，在斗內有機肥顆粒持續落料沖擊下，卸料槽滿足卸料要求，基本結構參數為：卸料槽向下傾斜30°，卸料槽側壁與底面的夾角θ為135°、卸料槽底部寬度a為0.31 m、卸料槽頂部寬度b為0.395 m、卸料槽側壁長度c為0.055 m、卸料槽長度d為0.4 m。為進一步驗證模型的可靠性，2020年10月12日在湖南農業大學綜合實訓中心，以湖南大湘農環境科技有限公司提供的黑水虻處理豬糞有機肥為樣品進行驗證試驗。采用上述最優斗輪參數設計料斗、料盤以及斗輪機架，料盤及料盤中的有機肥與仿真試驗設計保持一致，料盤長×寬為1 m×0.3 m、有機肥層鋪填充高度為0.1 m，采用兩次平行試驗烘干法測得有機肥含水率為44.50%，略高于文獻[19]中測得有機肥的含水率。在斗輪進給速度65 mm/s、料斗轉速8.25 r/min、料斗數量3個條件下進行試驗，試驗現場如圖20所示。

在斗輪進給速度65 mm/s、料斗轉速8.25 r/min、料斗數量3個條件下，提取斗輪機構取料時第8秒時的過程模擬圖，同時驗證試驗現場通過高速攝像機拍攝第8秒時的斗輪取料圖像，對比結果如圖21所示。由圖21可知，斗輪機構在優化參數下工作，能夠實現無殘留鏟取水平料盤上層鋪狀態的有機肥，料斗提升有機肥時，因為散體物料堆積曲面前移，導致料盤側壁位置存在極小部分撒料，卸料槽結構參數滿足斗輪機構重力式卸料要求，無撒料現象，仿真試驗與物理試驗規律基本一致。另外，由于試驗時有機肥的含水率略高于前期研究試驗所測得的含水率，但小于1個百分點，仿真參數可用于模擬試驗，卸料速率略低于仿真卸料速率，有機肥質量略高于仿真值，最后試驗測得單斗平均取料量為4.236 kg，變異系數為3.37%，理論仿真結果與試驗結果的相對誤差分別為5.38%、5.34%。

6 結論

(1)根據黑水虻養殖工藝流程和黑水虻處理的豬糞有機肥的物理特性，設計了一種斗式取料機。該機能有序鏟取料盤中層鋪放狀態的有機肥，解決了黑水虻處理的豬糞有機肥在取料與輸送過程中勞動強度大的問題。

(2)通過對斗式取料機中的斗輪取料工作過程進行理論分析，確定了斗輪的主要結構和影響取料效果的關鍵參數。應用離散元仿真進行單因素試驗和三因素三水平正交試驗，研究分析了工作參數對單斗平均取料量和變異系數的影響規律。采用多目標多變量優化方法尋求最優工作參數組合，為樣機制作提供參考。仿真試驗表明，工作參數對單斗平均取料量和變異系數的影響顯著順序由大到小均為料斗轉速、料斗數量、斗輪進給速度，最優工作參數組合為斗輪進給速度65 mm/s、料斗轉速8.25 r/min、料斗數量3，此時，斗輪取料效果最佳。

(3)根據仿真優化試驗得出的最優工作參數組合，搭建臺架試驗進行驗證，結果表明，單斗平均取料量、變異系數的理論優化值與試驗值分別為4.008、4.236 kg和3.19%、3.37%，二者相對誤差分別為5.38%、5.34%。研究表明，借助離散元仿真優化斗式取料機工作參數是可行的。