肉兔養殖用彈簧螺旋喂料機輸送性能試驗研究

陳媛媛 王紅英* 管清學 金 楠 段恩澤

(1.中國農業大學 工學院，北京 100083； 2.山東四方新域農牧設備有限公司，山東 濰坊 262200)

“十三五”以來，我國兔養殖業的發展呈現持續增長的態勢，其中肉兔在兔養殖業中所占比例較大，為80%左右[1-2]。隨著現代化農業的發展，自動化、機械化裝備越來越多地應用于兔養殖生產過程。喂料是養殖過程中的重要環節，常見的機械喂料方式有彈簧螺旋喂料、行車式喂料和長食槽皮帶式喂料[3-4]。其中彈簧螺旋喂料機因其具有轉速低，能滿足多個卸料口、結構簡單、輸送環境密閉、不易堵塞等優點[5]，廣泛應用于兔養殖業中顆粒飼料的輸送。彈簧螺旋喂料機是一種無軸螺旋送料機械，但在輸送過程中，由于顆粒飼料本身具有一定的脆性[6]，受到擠壓、碰撞等外部作用力容易造成顆粒破碎導致破碎率升高，浪費飼料的同時還易引起動物的呼吸道疾病。封閉的螺旋管道內飼料顆粒殘留后不易清理，在高溫高濕環境下發生霉變，兔只食用后易引起腸胃疾病，給養殖企業帶來經濟損失。此外，為了減少喂料過程中兔只的應激反應、保持體重的均勻性，保證彈簧螺旋喂料機輸送量和喂料穩定性對于肉兔健康養殖很有必要。

螺旋輸送設備主要應用于煤礦、糧食、飼料、食品加工、制藥等領域中粉體及散粒體物料的輸送[7-11]，其不同結構形式、尺寸參數及選型對螺旋輸送性能均有影響[12-13]。國內外對有軸螺旋結構設計、輸送性能的研究較多，利用離散元法、試驗測量等方法對螺旋輸送結構進行設計和優化。已有研究主要關于有軸螺旋輸送物料過程中，螺旋結構、尺寸參數對物料破碎率、輸送效率、排料均勻性、功率消耗等的影響，從而確定了不同因素對輸送性能的影響關系[14-16]。而關于無軸螺旋輸送性能的研究相對較少，研究內容大多集中于螺旋體結構參數的理論計算和分析。蔣祥等[17]為了保證螺旋輸送器實現粉料食品的連續殺菌，構建了基于粒子群算法的螺旋器結構參數優化模型。王明峰等[18]設計了生物質無軸螺旋送料器，針對螺旋外徑、軸徑、螺距、功率等進行了計算，并以稻殼為原料開展了冷態輸送和熱解試驗。無軸螺旋在結構上與有軸螺旋有一定的差異。目前，在肉兔養殖用的無軸螺旋結構設計與優化上，關于其輸送性能的試驗與分析尚未見報道。

本研究擬采用組合正交試驗的方法，以進料口處絞龍固定連接軸的長度、螺旋間隙和螺旋轉速為因素，破碎率、殘留率、輸送量和喂料穩定性為評價指標，分析影響彈簧螺旋喂料輸送性能指標的主要因素和運輸機理，旨在提升彈簧螺旋喂料機的輸送性能，以期為無軸螺旋的結構設計與優化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1試驗平臺

自行設計的肉兔養殖彈簧螺旋喂料機試驗平臺見圖1：輸送長度為4 680 mm,彈簧螺旋葉片外徑為36.8 mm，螺距44.45 mm，螺旋葉片厚度3.85 mm，螺旋間隙選取2.6、3.6和4.6 mm，其中3.6 mm為基準間隙。采用減速比為1∶10的蝸輪蝸桿減速電機，電機轉速為1 490 r/min。在進料箱(圖1)和末端聯結裝置(圖2)處有2個短軸起到支撐和傳遞動力的作用，中間輸送段則無軸。

1.進料箱(含粉料分離裝置)；2.籠架；3.螺旋管；4.彈簧螺旋葉片；5.固定架；6.料盒；7.末端聯結裝置；8.蝸輪蝸桿減速電機；9.篩板；10.篩管；11.絞龍固定連接軸；12.進料箱箱蓋 1.Feeding box (including powder separation device); 2.Cage shelf; 3.Screw pipe; 4.Spring screw blade; 5.Fixing frame; 6.Feeding bowl; 7.Structure of ending connected device; 8.Reduction worm gear motor; 9.Screen plate; 10.Screen pipe; 11.Fixed connecting shaft for the screw; 12.Feed box cover圖1 彈簧螺旋喂料機試驗平臺示意圖Fig.1 Experimental platform of spring screw feeder

1.彈簧螺旋葉片；2.末端輸出軸；3.蝸輪蝸桿減速電機 1.Spring screw blade; 2.Terminal output shaft; 3.Reduction Worm Gear Motor圖2 末端聯結裝置結構圖Fig.2 Structure of ending connected device

1.1.2材料與儀器

1)生長兔顆粒飼料572，由青島膠南康大飼料有限公司進行生產，其配方組成為：玉米、豆粕、苜蓿草、麩皮、次粉、磷酸氫鈣、石粉、氯化鈉、多種氨基酸、維生素、微量元素等。

2)GWJ-1谷物硬度計、游標卡尺、AL204分析天平(精度為0.000 1 g)、MJ33快速水分測定儀、ST-136飼料粉化率測定儀、優利德UT371轉速表、MS300變頻器、秒表、電子秤、7目篩、10目篩等。

1.1.3試驗材料特性測定

根據顆粒飼料通用技術標準[19]，測得其顆粒特性參數見表1。

表1 生長兔顆粒飼料572的特性參數Table 1 Characteristic parameters of 572 pellet feed for growing rabbits

1.2 受力分析

為研究彈簧螺旋喂料機的輸送過程，首先將螺旋升角為β的螺旋線展開為一條直線，對顆粒飼料進行受力分析。

彈簧螺旋在輸送過程中，顆粒飼料受到空間上的作用力，可以分為垂直方向和水平方向[20]。在水平方向上，顆粒飼料受到螺旋葉片法向推力FN和切向摩擦力f，二者的合力F為螺旋面集中作用于顆粒飼料O點處的載荷(圖3(a))。由于顆粒飼料與螺旋面存在摩擦，合力F與螺旋面的法向偏離了1個內摩擦角φ。進一步分析可知，作用力F又可以分解為軸向力Fs和圓周力Ft，其中Fs與螺旋面法向力FN的夾角為螺旋升角β。圓周力為：

Ft=Fsin(β+φ)

(1)

其中：

(2)

φ=arctanμ

(3)

式中：μ為顆粒飼料與螺旋面的摩擦因數；p為螺距，mm。

螺旋喂料過程中，螺旋葉片的切向摩擦力阻礙了顆粒飼料向前運動，因此為了保證顆粒飼料軸向移動，則必須滿足：

FNcosβ≥fsinβ

(4)

f=μFN=tanφFN

(5)

代入后得：

FNcosβ≥FNtanφsinβ

(6)

即：

β<90°-φ

(7)

此時顆粒能夠克服切向摩擦力f向前運動。由式(1)可知，當內摩擦角φ一定時，螺旋升角β越大，顆粒飼料所受的圓周力Ft也越大，當圓周力Ft大于一定程度，顆粒飼料自身重力與摩擦力無法平衡，顆粒飼料受到的扭轉翻滾現象越明顯。根據公式(2)可知，顆粒飼料在各點處的螺距一定，r越小，螺旋升角越大，故越靠近彈簧螺旋軸線處，顆粒飼料越容易翻滾。而靠近料線管壁的顆粒飼料受到沿軸向的推力，使得物料穩定向前推送。

在垂直方向上，顆粒飼料受到力包括重力G，管壁對顆粒飼料的摩擦力Pf，管壁的支持力PN(圖3(b))。為了保證飼料穩定運輸，則應滿足：

PN+fsinθ=G

(8)

其中：

f=FNtanφ

(9)

(10)

式中：T為轉矩，N·m；θ為飼料顆粒所處位置和軸心連線與豎直線所偏離角度，(°)。

當滿足式(8)時，顆粒飼料垂直方向受力平衡。由式(9)、(10)可知，當顆粒飼料離螺旋軸線越近、偏離角度越大，即r越小，偏離角θ越大時，顆粒飼料在垂直方向上受到的分力越大，當顆粒飼料自身重力與其無法平衡時，顆粒飼料也會出現翻滾現象。根據受力分析可知，不同的螺旋間隙和轉速影響顆粒飼料在螺旋管內的位置，從而影響喂料機的輸送性能，因此考慮間隙、轉速作為彈簧螺旋喂料機輸送性能的因素很有必要。

R為彈簧螺旋葉片半徑；r為顆粒飼料與軸線的距離；f為切向摩擦力；Ft為圓周力；F為螺旋面集中作用于顆粒飼料O點處的載荷；FN為彈簧螺旋葉片對顆粒飼料的法向推力；Fs為軸向力；β為螺旋升角；φ為內摩擦角；PN為螺旋管壁對飼料顆粒的支撐力；Ps為螺旋管壁對顆粒飼料的摩擦力；G為顆粒飼料的重力。 R is the radius of the spring screw blade; r is the distance between feed particles and the axis; f is the tangential friction force; Ft is the circular force; F is the concentrated force of the screw surface acting on the feed particle at point O; FN is the normal force of the spring screw blade on the feed particles; Fs is the axial force; β is the helix angle; φ is the angle of internal friction; PN is the supporting force of the screw pipe wall to the feed particles; Ps is the friction of the screw pipe wall against the feed particles; G is the gravity of feed particles.圖3 彈簧喂料機輸送過程中顆粒飼料的受力分析Fig.3 Force analysis of feed particles during the delivery of spring screw feeder

1.3 因素水平的選擇

螺旋輸送物料過程中，螺旋輸送機入口處螺桿的長度、進料口的大小影響著整個螺旋輸送的性能[21]，因此本研究選用進料口處絞龍固定連接軸的長度(簡稱軸長)作為試驗因素之一。選用間隙、轉速、以及軸長作為參數優化試驗變量，根據試驗結果對彈簧螺旋喂料結構進行優化改進。綜合考慮兔顆粒飼料直徑、料盒尺寸結構和安裝要求選擇了3個不同的螺旋間隙，分別為2.6、3.6和4.6 mm。根據螺旋轉速的計算公式：

(11)

式中：A1為物料綜合特性系數，由于兔顆粒飼料是粒狀，半磨琢性，故取A1=46[22]；Ds為彈簧螺旋直徑。

計算可得螺旋最大轉速為nmax為240 r/min，當超過這一臨界值時，容易使得兔顆粒飼料處于高離心力、高攪拌的狀態[23]，無法正常向前輸送。而低轉速情況下，物料在輸送過程中的狀態更加穩定。參考螺旋設計計算[20,24]公式：

(12)

所以：

(13)

其中：

(14)

(15)

式中：Qt為螺旋喂料機實際處理能力，kg/h；K為物料綜合系數，本研究取K=0.055 8；ds為螺旋軸軸徑，mm；b為螺旋絞龍厚度，mm；p為螺距，mm；Dp為料線管徑，mm；φ為最大填充系數；ρ為物料堆積密度，kg/m3；V為1個螺距的螺旋葉片體積。

為了減少物料在料箱內的滯留，螺旋喂料機的輸送能力Q應大于實際處理能力，因此：

(16)

(17)

式中：n為螺旋轉速，r/min；c為裝置傾斜校正系數，本研究取c=1。

根據式(16)和(17)，求得實際處理能力Qtmax=83.4 kg/h，轉速nmin=125 r/min。本試驗裝置采用的是蝸輪蝸桿減速電機直聯傳動，輸出轉速為149 r/min?？紤]到轉速過大料線晃動、電機不能穩定等原因，通過變頻調速設計了3種轉速分別為129、149和169 r/min。具體因素水平見表2。

表2 彈簧螺旋喂料機輸送性能試驗因素水平Table 2 Experimental factors and levels of Spring screw feeder conveying performance

1.4 評價指標與試驗方法

1.4.1破碎率

在顆粒飼料的輸送過程中，破碎率是考察彈簧螺旋喂料機輸送性能的重要指標。本研究將兔顆粒飼料的破碎率定義為一定質量的完整顆粒飼料，經過彈簧螺旋喂料機喂料運行后，篩出來的粉末占其總質量的百分比。

(18)

式中：φp為破碎率；Mp為篩出的粉末總質量；M0為初始運行的兔顆粒飼料的總質量。

1.4.2殘留率

為了避免顆粒飼料在管內長時間存放出現發霉的現象，彈簧螺旋喂料機在一次運輸過程中應減少管內殘留率。本研究將飼料殘留率定義為螺旋喂料機在運行一定量的顆粒飼料后，螺旋管內殘留顆粒飼料的質量占總質量的百分比。

(19)

式中：φr為殘留率；Mr為料線管內的殘留飼料總質量。

1.4.3輸送量

在養殖過程中，彈簧螺旋喂料機運行時會產生一定的噪聲，噪聲會造成兔只的應激反應，不利于健康養殖。在螺旋喂料過程中，喂料時間越短對養殖狀況的影響越小。因此，輸送量Q是評價螺旋輸送效率的重要因素，輸送量是指單位時間內輸送顆粒飼料的質量[25]。

(20)

式中：mi為第i個料盒中飼料的質量；t為最后一個料盒裝滿時間；t0為第一個料盒開始卸料時間。

1.4.4喂料穩定性

喂料量穩定性是指在連續喂料過程中，隨著時間的變化喂料量的波動量應盡量小[26]。在肉兔養殖過程中，考慮到經濟效益和肉兔的生長狀況，螺旋喂料過程中應保證喂料量的均勻穩定。因此，以每次運行后各個料盒落料量的標準差作為衡量螺旋喂料穩定性的指標。標準差的大小反映了飼料喂料量的均勻度，料盒料量的標準差越小，喂料越均勻穩定。其計算公式為：

(21)

1.4.5試驗方法

按照表2的因素水平設計了L9(34)組合正交試驗進行彈簧螺旋喂料機輸送性能的試驗，將試驗數據按上述評價指標的計算方法進行計算，采用Excel 2010和R 3.6.3軟件對試驗數據進行統計和方差分析。

2 結果與分析

本研究共設計了9種不同結構參數的試驗組合方案，各組合下破碎率、殘留率、輸送量和料盒料量標準差的測量結果平均值見表3，根據不同組合的試驗結果進行各試驗指標的方差分析和影響因素分析。

表3 彈簧螺旋喂料機輸送性能組合正交設計與試驗結果Table 3 Orthogonal design and experimental results of the spring screw feeder conveying performance

2.1 試驗因素對破碎率的影響

在螺旋喂料過程中顆粒飼料的破碎率越小，產生的粉末量越少，對肉兔養殖健康狀況影響小，顆粒飼料的損失率低，經濟效益高。根據對破碎率的方差分析結果(表4)可知，間隙(因素B)對破碎率的影響非常顯著，轉速(因素C)和軸長(因素A)對破碎率的影響并不顯著。

各因素對破碎率的影響見表5?？梢姡g隙對破碎率的影響非常明顯，隨著間隙的增大，破碎率顯著降低。這是由于間隙增大時，螺旋管內徑增大，筒體容積隨之增大，螺旋面上顆粒飼料的堆積高度較小，主要聚集在靠近螺旋管壁的位置，因而運動的滑移面與輸送方向平行，垂直方向的附加物流較少，顆粒飼料輸送較為平穩，破碎率低，能量消耗少。當間隙減小時，筒體容積減小，螺旋面上顆粒飼料的堆積高度大，滑移面變陡，靠近螺旋軸線位置的顆粒飼料數量增多，圓周運動較大，顆粒飼料在中間層發生攪拌翻滾的現象，軸向運動速度減小，故破碎率增大，能量消耗變大[27]。軸長雖然與破碎率沒有顯著性關系，但軸長為180 mm時，飼料的破碎率比長度為500 mm的破碎率低，主要原因是軸長減小時，絞龍固定連接軸在進料口處所占的填充空間減小，進料口處的容積增大，飼料在進料口處受到的擠壓減小，因而破碎率相對小一些。而對于低轉速范圍內運行的彈簧螺旋喂料機，顆粒飼料在料線管內運行時較為平穩，其破碎率在5%左右波動變化，因而轉速對破碎率的影響并不顯著。

表4 彈簧螺旋喂料機破碎率的方差分析結果Table 4 Variance analysis result for crushing rate of spring screw feeder

表5 不同試驗因素對試驗指標的影響Table 5 Influence of different experimental factors on experiment indicator

2.2 試驗因素對殘留率的影響

螺旋喂料系統是一個封閉的輸送系統，螺旋管內易出現殘留的顆粒飼料，在高溫潮濕的環境下易發霉變質。因此，為避免兔只誤食變質飼料，料線管內的殘留飼料越少越好。根據對殘留率的方差分析結果(表6)可知，間隙(因素B)對殘留率的影響顯著，轉速(因素C)和軸長(因素A)對殘留率的影響并不顯著。

表6 彈簧螺旋喂料機殘留率的方差分析結果Table 6 Variance analysis results for residual rate of the spring screw feeder

間隙對螺旋喂料殘留率的影響較為明顯(表5)，隨著間隙的增大殘留率減小。這是因為當間隙較小時，與顆粒飼料尺寸接近，在進料口處輸送狀態不穩定，容易出現卡滯現象[28]，從試驗觀察結果來看，大部分的殘留飼料存在進料口處，而穩定推送階段的殘留幾乎沒有。主要原因是顆粒飼料在進料口處運行時，飼料在螺旋管內翻滾明顯，部分飼料被拋送到螺旋運行的反向位置，停留在了進料口左側處(圖1)，沒有隨著整體向前推送，運行結束后殘留在進料口處。

2.3 試驗因素對輸送量的影響

輸送量是反映了彈簧螺旋喂料機的輸送效率。在一棟兔舍內，不同位置的料盒口卸料存在著時間上的差異，因而影響兔只的吃料時間。彈簧螺旋喂料的噪聲還易引起兔只產生應激反應，不利于兔只的健康生長。因此，彈簧螺旋喂料機的輸送量大，輸送時間快，是養殖企業的主要需求之一。根據輸送量的方差分析結果(表7)可知，軸長(因素A)和轉速(因素C)對輸送量的影響非常顯著，間隙(因素B)對輸送量的影響比較顯著。

表7 彈簧螺旋喂料機輸送量方差分析結果Table 7 Variance analysis results for throughput of spring screw feeder

軸長、間隙和轉速對輸送量均有影響(表5)，軸長減小，間隙和轉速增大，彈簧螺旋喂料機的輸送量均顯著增大。其中軸長和轉速對輸送量的影響最為明顯。這是因為軸長減小時，絞龍固定連接軸對彈簧螺旋空間的填充減小，螺旋內的容積增大，飼料顆粒在螺旋腔體內通過性變好、受到的阻力變小[29]，單位時間內進料口處通過的飼料量增多，因而整個螺旋喂料機輸送量增大，輸送效率提高。當轉速增大時，顆粒飼料從進料口進入推送段的速度增快，到達每個料盒的時間提前，單位時間內通過的物料量增多，故輸送量增大趨勢明顯。輸送量隨著間隙的增大而增大，這主要是因為螺旋管內徑增大時，單位長度內容積增大，通過的顆粒飼料增多，因而輸送量增大。當間隙較小時，管內的容積減小，飼料易出現卡滯的現象，功率消耗波動較大[30]，通過的顆粒飼料減少，因此輸送量降低。

2.4 試驗因素對喂料穩定性的影響

螺旋喂料機在運行過程中，螺旋絞龍旋轉到不同位置時，顆粒飼料受阻擋的情況不同，因而會出現喂料量的差異[26]。在養殖過程中，為了保證經濟效益，同一批肉兔的體重應在同一水平范圍內。因此，在相同料盒的情況下，螺旋喂料會產生料量的差異，從而導致每個料盒內的料量出現波動的現象。為了滿足養殖企業需求，螺旋喂料機的喂料差異性越小，穩定性越好。根據喂料穩定性方差分析結果(表8)可知，間隙(因素B)對喂料穩定性的影響比較顯著，而軸長(因素A)和轉速(因素C)對喂料穩定性的影響并不顯著。

在不同間隙條件下，料盒中料量標準差的差異最為明顯，因此對喂料穩定性的影響最為顯著(表5)。而不同軸長、轉速條件下，料盒中料量標準差的差異較小，對喂料穩定性的影響不顯著。這是因為間隙越大時，顆粒飼料在管內的堆積高度減小，顆粒飼料在管內運行平穩，受到的阻擋較為穩定，因而在各料盒處喂料較為均勻，料盒中料量的標準差較小，喂料穩定性越好。

表8 彈簧螺旋喂料機喂料穩定性方差分析結果Table 8 Variance analysis results for feed stability of spring screw feeder

2.5 輸送性能最優方案及驗證

由影響破碎率、殘留率、輸送量和喂料穩定性試驗因素分析確定的彈簧螺旋喂料機輸送性能最優組合分別為，A1B3C1、A2B3C1、A1B3C3和A2B3C1。根據對養殖企業實際需求的調研結果可知，在4組指標中破碎率和輸送量是評價螺旋喂料機輸送性能的主要指標。因此，結合各因素顯著性分析結果和實際需求綜合評價，確定彈簧螺旋喂料機的最優方案為A1B3C3，即：軸長為180 mm，間隙4.6 mm，轉速169 r/min時，此時彈簧螺旋喂料機的輸送性能最佳。

將優化前后彈簧螺旋喂料機的輸送性能試驗結果分別取平均值(表9)，結果表明優化后的彈簧螺旋喂料機破碎率、殘留率分別降低了84.7%和3.9%，輸送量和喂料穩定性分別提高了30.7%和27.1%，其輸送性能與優化前的相比得到了明顯的改善。

表9 彈簧螺旋喂料機優化前與優化后的對比試驗結果Table 9 Comparison test results of spring screw feeder before and after optimization

3 結 論

1)本研究對彈簧螺旋喂料機輸送過程中顆粒飼料的受力狀態和輸送機理進行了分析，結果表明：在彈簧螺旋喂料過程中，大部分顆粒都是受到螺旋絞龍的推力向前輸送，而越靠近軸線位置的飼料顆粒受到的圓周力越大，出現攪拌翻滾的現象越明顯，因而消耗的能量大，出現破碎的可能性升高。

2)基于彈簧螺旋喂料系統結構參數設計，以絞龍固定連接軸的長度、螺旋間隙和螺旋轉速為因素，破碎率、殘留率、輸送量和喂料穩定性為指標，進行了兩因素三水平和一因素兩水平的組合正交試驗，綜合評價彈簧螺旋喂料機的輸送性能。方差分析結果表明，間隙對破碎率、殘留率、輸送量和喂料穩定性均有顯著性影響；軸長和轉速對輸送量有顯著性影響。綜合實際需求和方差分析結果，得到彈簧螺旋喂料機最優方案為：絞龍固定連接軸的長度為180 mm，螺旋間隙為4.6 mm(螺旋管內徑為46 mm)，螺旋轉速為169 r/min，此時的彈簧螺旋喂料機輸送性能最優，與現有彈簧螺旋喂料機輸送性能相比，其破碎率降低了84.7%，殘留率降低了3.9%，輸送量提高了30.7%，喂料穩定性提高了27.1%。