全混合日糧制備機優化及粗飼料粒度試驗

魏元振，張軍，薛明，馬嘯

（1.250100 山東省 濟南市 山東省農業機械科學研究院；2.050011 河北省 石家莊市 河北省農業農村廳）

0 引言

中國作為世界上奶牛存欄量較多的國家之一，2016 年奶牛存欄量1 340 萬頭，原奶產量3 602 萬t。傳統奶牛養殖普遍采用精、粗分飼的飼養方式，這種飼養方式易引發代謝性疾病，影響奶產品質量[1]。全混合日糧是一種根據反芻牲畜在不同生理階段的營養需求，將精、粗飼料及各種飼料添加劑按照一定配比均勻混合，然后由發料車發送至散放廄讓牲畜自由采食的飼養技術，該技術省工省時，可提高單產7%～10%[2-4]。

在國內，全混合日糧飼養技術起步較晚，規模化牧場比例較低，全混合日糧制備機的研制及相關理論較少，其中，王德福等人對全混合日糧制備機的研究相對較多，制備機結構多采用臥式與輪轉式，混合效果較好，但受限于制備機結構，混合容量較小，不適用于大規模化牧場；馮靜安等人選用單螺旋立式攪拌機，攪龍葉片呈螺旋錐形結構，噸料能耗低，但其采用單螺旋攪龍，同樣不符合大規模牧場生產需求。此外，部分相關企業基于國外現有機型，主要針對小型牧場生產單螺旋立式和三螺旋臥式全混合日糧制備機，種類單一。隨著我國奶牛養殖科學化、集約化、規模化水平不斷提高，現有全混合日糧制備機類型已無法滿足奶牛養殖場的需求[5-10]。

針對我國現階段全混合日糧制備機存在的技術問題，對高效全混合日糧制備機主要部件進行優化設計，通過對該制備機試驗分析，確定了粗飼料粒度的影響因素程度、較優組合，以滿足粗飼料粒度制備需求。

1 飼料制備機結構與工作原理

全混合日糧制備機結構如圖1 所示，主要包括定刀、攪拌箱、卸料裝置、攪龍裝置、牽引式底盤、傳動系統、稱重系統和液壓系統。

牽引式底盤前置牽引裝置與拖拉機掛接，其后部設有行走輪。攪拌箱位于拖拉機后端，攪拌箱底部與牽引式底盤通過重力傳感器實現連接。攪拌箱一側外壁焊接有爬梯，前、后弧形端板處各放置一個可拆卸定刀，內部放置有2 個對稱分布的立式錐形螺旋攪龍裝置。攪龍裝置底端與變向齒輪箱由螺栓固接，拖拉機通過傳動桿與變向齒輪箱將動力傳輸至攪龍裝置，攪龍裝置旋進方向自下而上。稱重系統由稱重顯示儀和4 支分別均布在攪拌箱底板的稱重傳感器組成。卸料裝置安裝在攪拌箱前置弧形端板處，由液壓馬達提供動力。

作業時，拖拉機通過傳動桿與變向齒輪箱將動力傳輸到攪龍裝置，帶動攪龍裝置旋轉，然后由上料機將所需混合的各種物料投放至攪拌箱內，并由稱重系統控制投料量，完成物料的配比和計量。在攪龍裝置的攪拌作用下，物料各成分不斷混合滲透。混合完成后，啟動液壓系統，開啟卸料門的同時，液壓馬達帶動投料裝置開始工作，將混合物料拋撒到指定位置，完成投喂過程。

2 主要結構設計

2.1 攪拌箱

攪拌箱是全混合日糧制備機的主要附件之一，用作物料混合容器，攪拌箱結構如圖2 所示。

圖2 攪拌箱結構圖Fig.2 Structure diagram of mixing box

在物料混合過程中，物料的物料特性以及物料與攪拌箱內壁的摩擦因數將影響物料各成分在攪拌箱箱體內的混合流動過程。為克服混合飼料與箱體內壁的內摩擦角，避免物料在攪拌過程中受壓后出現結拱現象，攪拌箱弧形端板壁面與底板夾角最大為120°，符合物料沿壁面順利下滑的要求。攪龍裝置的作業空間為圓錐體，為避免2 個攪龍與2 個梯形側板圍成的盲區出現飼料堆積，在該區域添加4 個呈對稱分布的襯板，襯板由3 條具有一定弧度的邊界線掃掠成型的曲面凹板，在盲區構成填充空間，使物料混合更加充分。

2.2 攪龍裝置

攪龍裝置結構如圖3 所示，主要包括切割刀、攪龍軸、攪龍葉片、平底刀、刮料板，其中，攪龍軸又包括錐套、法蘭盤、軸筒、弧形蓋、防塵蓋、座圈、哈夫蓋。攪龍裝置通過法蘭盤與變相齒輪箱固接。錐套的外壁設有弧形蓋罩，觀察錐套內部運行狀況。錐套上端與法蘭盤下外沿焊接，軸筒下端焊接在法蘭盤上表面。防塵蓋設置在軸筒上端。法蘭盤上表面焊接底圈，底圈與哈夫蓋通過螺栓固接，構成封閉空間，避免作業過程中物料進入裝置內部影響機具運轉。攪龍葉片由4 段螺旋鋼板組成，呈立式錐形螺旋結構，焊接于攪龍軸外壁。攪龍葉片底端焊接強度高、耐磨的平底刀，平底刀前置方向安置刮料板，沿螺旋葉片邊緣位置安置8把切割刀。

圖3 攪龍裝置結構圖Fig.3 Structure diagram of auger device

攪龍裝置呈立式錐形螺旋結構。隨著攪龍裝置的旋轉，平底刀將攪拌箱底板的物料鏟起，攪龍葉片提升物料。物料從底部提升至頂部過程中，安置在攪龍葉片邊緣的動刀與可拆卸定刀之間產生剪切運動，對粗飼料進一步切割處理。同時，隨著攪龍葉片物料承載面的逐漸減少，部分物料在攪龍裝置旋轉產生的離心力作用下，沿著攪龍裝置旋轉半徑作徑向擴散，與外層物料混合，落至攪拌箱底部。物料在攪龍裝置作用下不斷被剪切、揉搓、攪拌，產生強烈的對流混合、擴散混合和剪切混合，從而實現物料快速混合。

2.3 卸料裝置

卸料裝置結構如圖4 所示,主要包括支座、罩殼、彈齒、皮帶、滾動軸、皮帶輪、傳送帶和液壓馬達。支座固定在牽引式底盤，支座兩端分別安裝有滾動軸，滾動軸兩端又分別安置有皮帶輪，同側皮帶輪由皮帶帶動。液壓馬達安置在滾動軸一端，罩殼固定在支座兩側，在罩殼兩端內部分別安置彈齒，傳送帶繞在2 個滾動軸。作業時，啟動液壓系統，開啟卸料門和液壓馬達，在攪龍裝置的旋轉作用下，混合物料由卸料門排出，落在傳送帶上，液壓馬達帶動傳送帶輸送物料，物料拋出之前，彈齒將部分成團的物料打散，從而保證卸料的均勻度。液壓馬達具有雙向制動機理，該投料裝置可根據投料需求實時調整投料方向。

圖4 卸料裝置結構圖Fig.4 Structure diagram of unloading device

3 試驗方法與分析

3.1 試驗方法

奶牛全混合日糧的適口粗飼料長度一般為1～5 cm，適口長度粗飼料占總粗飼料的比例越大越有利于奶牛進食。因此，本試驗選用適口長度粗飼料質量與總粗飼料質量的比值作為粗飼料粒度的評價指標。每攪拌批次試驗物料混合完成后，開啟70%的卸料門，在卸料口處每隔10 s 抽取一個樣本，數量為5 個，然后用孔徑為19，8，5 mm的沖孔篩和底盤組成的簡易裝置進行篩分，將適口長度的粗飼料與其他長度粗飼料分離，并對兩部分粗飼料分別進行稱量。按式（1）計算樣本的粗飼料粒度。

式中：δ——粗飼料粒度，%；m1——長度為1～5 cm 的粗飼料質量，g；m2——長度小于1 cm和大于5 cm 的粗飼料質量之和，g。

3.2 試驗分析

根據對該類產品用戶調查，初步確定試驗各因素取值范圍為：攪龍轉速10～50 r/min、混合時間10～20 min、充滿系數30%～70%。在此基礎上采用正交組合設計進行試驗。試驗因素水平編碼如表1所示。其中，x1為攪龍轉速，x2為混合時間，x3為填充系數。

表1 因素水平編碼表Tab.1 Coding and level of experimental factors

根據正交組合設計25 組試驗，試驗方案與結果見表2。其中，y 為粗飼料粒度。

表2 試驗方案與結果Tab.2 Schemes and results of experiment

采用正交試驗L25(35)設計,由表2 分別進行單因素方差分析，見表3 所示。

表3 方差分析Tab.3 Analysis of variance of factors

通過各因素對粗飼料粒度方差分析可知，由于F0.05=4.04，各因素F 值都超過F0.05，故攪龍轉速、混合時間和填充系數對粗飼料粒度具有十分顯著的影響；對于粗飼料粒度的影響程度由大到小為混合時間、攪龍轉速、填充系數。

粗飼料粒度越高，越有利于反芻牲畜取食，綜合考慮高效、低能耗的實際要求，一般粗飼料粒度大于70%即可。表2 試驗數據體現了不同填充系數情況下的較優組合：第9 組數據，粗飼料粒度達70.1%，攪龍轉速50 r/min、混合時間20 min，填充系數61.89%。

3.3 響應曲面分析

運用Design-Expert 軟件對試驗數據進行響應面分析，得到圖5粗飼料粒度的雙因素響應曲面。

當填充系數處于0 水平（x3=50%）時，混合時間與攪龍轉速對粗飼料粒度的影響如圖5（a）所示。粗飼料粒度隨著混合時間的增大而增大，隨著攪龍轉速的增大而增大。粗飼料的尺寸大小主要取決于攪龍裝置對粗飼料的剪切運動。當時間一定時，攪龍轉速越快，動刀與定刀之間形成的剪切力越大，對粗飼料的切割效果越明顯；當攪龍轉速一定時，隨著混合時間的增加，刀片對粗飼料的剪切頻率增大，同樣可以提高粗飼料粒度。

當混合時間處于0 水平（x2=15 min）時，填充系數與攪龍轉速對粗飼料粒度的影響如圖5（b）所示。粗飼料粒度隨著攪龍轉速的增大而增大，隨著填充系數的增大而減小。當攪龍轉速較低時，隨著填充系數的增大，粗飼料粒度變化較小，主要原因在于動定刀剪切力達不到對粗飼料的切割力；當攪龍速度較高時，隨著填充系數的增大，攪龍葉片與攪拌箱之間的物料增多，動刀與定刀之間的剪切力增大，對粗飼料的切割增強，從而提高粗飼料粒度。

圖5 粗飼料粒度的雙因素響應曲面Fig.5 Response surface of double parameters about roughage size

4 結論

（1）采用二次正交旋轉組合試驗設計，經單因素方差分析獲得攪龍轉速、混合時間和填充系數對粗飼料粒度貢獻率由大到小依次為：攪龍轉速、混合時間、填充系數；較優組合為攪龍轉速50 r/min、混合時間20 min、填充系數為61.89%，此時粗飼料粒度為70.1%。

（2）運用Design-Expert 軟件對試驗數據進行響應面分析，當填充系數處于0 水平（x3=50%）時，粗飼料粒度與攪龍轉速、混合時間成正相關；當混合時間處于0 水平（x2=15 min），攪龍轉速較低時，填充系數對粗飼料粒度影響較小；攪龍速度較高時，粗飼料粒度與填充系數成正相關。