基于DEM仿真的種鵝精準飼喂裝置設計優選研究*

聶傳斌，孫衛明，張燕軍，李佳眙，邢煜斌，龔道清

(1. 揚州大學機械工程學院，江蘇揚州，225127； 2. 揚州大學動物科學與技術學院，江蘇揚州，225009)

0 引言

我國是鵝的飼養與消費大國[1]，近年來鵝肉市場消費需求持續攀升，對養鵝產業鏈的源頭—優質種鵝的質量提出了更高要求。傳統養殖方式無法對家禽個體的生長特性以及采食規律進行精細化掌控，常常出現投喂過多或投喂過少造成的飼喂不均衡等問題，嚴重的甚至會引發家禽營養性疾病高發等問題[2]。為培育出優質鵝的品種和品系，現有育種技術普遍根據種鵝的生長速度和飼料轉化率等[3]指標進行個體選育，但是采用較為粗放的人工投料飼喂方式，難以及時準確獲得投料量、鵝只的采食量、鵝只體重等重要數據，進而直接影響優質種鵝的選育工作。

近年來，物聯網、RFID、電子信息、人工智能等技術的快速發展，使得通過智能化的手段進行動物飼養、篩選和檢測成為可能，如已有報道將物聯網技術應用于種雞、蛋雞的生產管理中，實現對家禽質量進行追溯、將RFID及云計算技術應用于雞育種、基于RFID與Zigbee的牛場遠程監測等等。邱麥迪[4]設計了一種基于物聯網的智能養殖管理設備，通過智能傳感技術實現了實現羊只重量和羊飼料重量的動態測定。何俊等[5]設計了基于4G網絡的妊娠母豬精準飼喂系統。

受限于鵝本身獨特的活動習性和生理特點，目前缺乏有關種鵝的精準飼喂管理方法，如何對種鵝進行單元化管理，實時掌握個體生長發育情況，精準追蹤種鵝在飼養過程中的飼料轉化率情況是解決現有問題的關鍵環節。本文針對種鵝選育在飼喂方面存在的問題，設計了精準飼喂裝置，通過RFID技術識別種鵝個體編號并同步感知個體的體重數據，根據采食位的種鵝個體信息從喂料口輸出與之生長發育階段對應的飼料量進行精準化飼喂。為實現定量投喂飼料，結合飼料的形態特點[6]設計微型螺旋輸送機構，基于離散元方法對精準飼喂裝置的飼料輸送過程進行動態仿真分析，綜合考慮飼料顆粒質量流率、出輸送管道的速度以及螺旋葉片扭矩等因素，對微型精準飼喂螺旋輸送機構的輸送管道截面形狀、螺旋葉片的類型和螺距等進行優選，為解決種鵝傳統養殖方式中存在的人工投料飼喂方式粗獷、難以及時獲得種鵝個體飼料轉化率等難題提供技術支撐。

1 精準飼喂裝置總體方案設計

1.1 精準飼喂裝置結構設計

結合種鵝的采食特點設計精準飼喂裝置，其整體結構如圖1所示，主要包括飼料盛放筒、飼料輸送機構、進食平臺模塊和控制器等，飼料存儲模塊由倒錐形的特制的無底飼料桶構成，飼料輸送模塊由攪拌下料棒、L形輸送管道、螺旋葉片構成，步進電機在輸送管道的一端與螺旋葉片相連，提供驅動力。在輸送過程中飼料顆粒首先經飼料桶底部下落至輸送管道入口所在平面，由攪拌下料棒將飼料均勻推送至每個輸送管道入口，最后飼料受轉動的螺旋葉片的作用被輸送至飼料槽。進食平臺模塊由斜扇形進食平臺、壓力傳感器、RFID線圈、飼料槽、料槽隔板構成，斜扇形進食平臺符合種鵝側身位伸長脖子進食的生活習性；壓力傳感器用于感知種鵝個體的體重；RFID線圈可讀取種鵝腳踝處的RFID腳環編號數據識別個體身份；料槽隔板將環形料槽隔成多個獨立的飼料槽單元。控制器模塊通過識別種鵝個體身份、體重，結合生長發育曲線，驅動電機實現螺旋輸送機構的定量出料。

圖1 精準飼喂裝置結構組成示意圖

種鵝精準飼喂裝置的優勢體現在：(1)設計獨立的進食平臺，并為每只鵝分配單獨的飼料槽段，確保種鵝在進食過程中不受其他個體的干擾，便于準確追蹤種鵝個體的進食量和控制對其的飼料投喂量。(2)利用飼料顆粒和螺旋葉片之間的摩擦和推力進行飼料輸送，建立步進電機轉速、工作時間、功率和飼料質量流率之間的關系，達到精準輸出、精細把控的目的。(3)通過壓力傳感器對種鵝個體準確稱重，并建立種鵝生長周期的體重變化曲線，隨時隨地掌握飼喂過程中飼料轉化率情況。(4)采用RFID射頻閱讀器在種鵝站上進食平臺時讀取種鵝RFID腳環電子標簽，識別種鵝品種類型、所處生長周期等信息，建立可溯源的數據庫，實現對種鵝的信息化管理和精準化飼喂。

1.2 精準飼喂裝置控制方法

種鵝精準飼喂裝置的控制方法和流程為：當種鵝站上站板時，站板下方的壓力傳感器采集鵝的體重數據，同時RFID射頻閱讀器讀取鵝的RFID腳環，通過藍牙傳輸將信息傳輸至計算機連接云平臺。云平臺根據不同品種的鵝在對應生長周期的理論投喂量，并根據其體重信息進行調控和修正，最終確定實際投喂量，計算出控制飼料輸出的步進電機的當用功率，反饋至步進電機進行飼料輸出。其中單次輸出飼料的總時長為定值，通過改變步進電機的轉速來智能化調節飼料投喂量，達到精準飼喂的目的。

螺旋輸送機構的飼料輸出量計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：Q——輸送量；

D——螺旋葉片直徑；

n——螺旋軸轉速；

t——螺距；

ρ——物料松散密度，即物料容重；

φ——物料填充系數，即物料輸送過程中物料堆積截面積與螺旋輸送機構截面積的比值；

C——傾斜系數。

2 精準飼喂裝置優選方法

2.1 優選總體方案

精準飼喂的實現主要是根據螺旋輸送機構運輸顆粒及散體物料時運輸量可控的原理，針對種鵝精準飼喂裝置特點和實際飼喂量、精度需求，對微型螺旋輸送機構的相關參數和結構形式進行優選。

微型螺旋輸送機構的設計是精準飼喂裝置功能實現的核心環節，本文以微型螺旋輸送機構輸送飼料時的輸送效率、定量輸送的精度把控以及速度的限制為優化方向，重點研究飼料輸送的質量流率、螺旋葉片的扭矩和飼料顆粒的輸出速度等指標，對螺旋輸送機構的輸送管道截面形狀、螺旋葉片的類型和螺距進行優選。

2.2 優選方法

對精準飼喂裝置中螺旋輸送機構的設計分為三部分：首先是確定飼料顆粒的本征參數，選取合適的仿真模型；其次是設計螺旋輸送機構關鍵參數和結構的組成方案，通過計算機對飼料輸出效果進行仿真模擬；最后根據仿真結果和模擬數值制作樣機，分析試驗結果與仿真結果的誤差。

精準飼喂裝置中使用的螺旋輸送機構為水平安裝方式，而螺距、螺旋輸送機構截面形狀和螺旋軸類型為影響水平螺旋輸送機構輸送能力的主要因素，因此本研究以螺旋輸送機構的截面形狀、螺距和螺旋軸類型為變量，使用控制變量的方法交叉組合設計了6組仿真模擬方案，最終確定精準飼喂裝置中使用的螺旋輸送機構的結構類型與關鍵參數。

2.3 模型簡化

仿真過程中被輸送物質的物理性質和材料特性也是需要重點關注的因素[7]，參數設計不合理不僅會影響傳輸精度和效率，造成耗能增加，而且會導致物料破損[8]。傳統養殖使用的飼料是養殖戶使用麥麩、豆粕、玉米、米糠等原料兌水攪拌后形成的糊狀物，這種人工配比的傳統飼料存在營養性不均衡的缺陷。精準裝置使用的飼料是經原材料加工完成后的固體顆粒飼料，在進行數值模擬仿真時可以不考慮飼料顆粒之間的粘滯性作用；又因為裝置中采用的螺旋輸送機構為短距離傳輸，輸送管道內氣流對飼料顆粒的影響可以忽略不計，因此本研究建立的模型是單相固體顆粒離散元仿真模型。

3 仿真參數標定

離散元法(Discrete Element Method, DEM)是把研究對象分離為剛性元素的集合，以牛頓第二定律作為理論基礎，解決不連續介質問題的數值模擬方法[9]，利用EDEM軟件對螺旋輸送機構進行數值仿真設計，具有成本低、周期短、精度高等優勢。在使用EDEM軟件進行仿真時，Michele等[10]認為關鍵在于對仿真模型的微觀參數進行標定，包括接觸參數和本征參數，微觀參數的精度決定了仿真結果是否能夠與現實情況相吻合。其中接觸參數包括顆粒與顆粒之間、顆粒與環境材料之間的碰撞恢復系數、靜摩擦系數以及滾動摩擦系數[11]，本征參數包括宏觀物性參數和微觀物性參數，微觀物性參數包括顆粒和環境材料的密度、泊松比以及彈性模量，宏觀物性參數包括顆粒的尺寸、形狀等[12]。

為提高仿真結果的可靠性，本研究使用模擬仿真與試驗相結合的方法，對上述涉及參數進行標定和校準。分別采用堆積角實驗[13]、碰撞彈跳實驗、斜面滑移實驗、斜面滾動實驗[14]來標定和校準顆粒與顆粒之間的接觸參數、顆粒與螺旋輸送機構材料之間的碰撞恢復系數、靜摩擦系數、滾動摩擦系數。

3.1 本征參數確定

1) 飼料容重。飼料顆粒在堆積時顆粒之間會形成不均勻間隙，因此密度(單位體積飼料的質量)不再能夠表示飼料整體的物理特性。飼料顆粒在不受外部擠壓力的情況下自然堆積，當堆積體積相等時，其總質量也是相等的，這就是飼料的容重。本文通過精密天平和定體積容器測量和計算得到飼料顆粒的容重為584.43kg/m3。

2) 飼料顆粒的篩選和分類。飼料顆粒在儲存、運輸過程中受外界擠壓、碰撞以及顆粒之間的作用力時，會導致飼料顆粒破碎并產生大小不均勻的顆粒和粉末。一般可采用先人工篩分后稱重的方法來測定飼料的含粉率[15]，本研究采用的飼料形狀近似為圓柱體，故以飼料顆粒的軸徑比γ為分類標準，選取一定量的飼料樣本將飼料分為大、中、小顆粒以及粉末四種，最終計算獲得各成分的含量，分類標準和各組分含量見表1。

表1 飼料顆粒的分類及含量Tab. 1 Classification and content of feed granules

3) 飼料的彈性模量和泊松比。González-Montellano等[16]通過研究發現，當顆粒在沒有嚴重受到壓縮時對其進行仿真試驗，楊氏模量與泊松比的參數取值對仿真結果的影響不大。本文確定的飼料的泊松比為0.4，楊氏模量為273.9 MPa[13]。

4) 螺旋輸送機構材質。制作精準飼喂裝置樣機時，螺旋輸送機構選用表面質量高、韌性表現優異、適合結構驗證的ASTMD 638新型樹脂材料，其物性參數見表2。

表2 ASTMD 638材料參數表Tab. 2 Material parameter table of ASTMD 638

3.2 顆粒模型建立

本文在建立顆粒模型時，首先將飼料顆粒人工篩選并分成大顆粒飼料、中等顆粒飼料、小顆粒飼料和飼料粉末4種(圖2)，然后建立顆粒模板并劃分網格，在EDEM中使用自動填充生成顆粒模型。其中大飼料顆粒為長9.8 mm，截面直徑3.5 mm的圓柱體；中等飼料顆粒為長5.3 mm，截面直徑3.5 mm的圓柱體；小飼料顆粒為長2.8 mm，截面直徑3.5 mm的圓柱體；飼料粉末為直徑小于0.25 mm的圓球，且上述四種大小顆粒的體積均服從正態分布。

(a) 大顆粒

(c) 小顆粒

(d) 粉末

圖2 飼料顆粒模型

Fig. 2 Model diagram of feed particles

3.3 接觸模型確定

在顆粒接觸力學[17]中，常見的顆粒接觸理論有Hertz接觸理論、JKR接觸理論和DMT接觸理論等。其中Hertz接觸理論[18]是顆粒曲面彈性接觸問題的理論基礎，適用于球體、柱體等形狀顆粒的彈性接觸。JKR接觸理論[19]在Hertz接觸理論的基礎上考慮了顆粒接觸表面分子或原子間的黏連作用，適用于大粒徑、低黏附能的低彈性模量材料。DMT接觸理論考慮了顆粒接觸面間的范德華力，適用于小粒徑、高黏附能的高彈性模量材料。

本文采用的飼料顆粒為相對干燥的柱狀顆粒，顆粒之間不存在受水分作用產生的液橋力和受范德華力作用發生的黏附現象，因此綜合考慮選擇經典的Hertz-Mindlin接觸模型作為研究過程中飼料顆粒的接觸模型。

3.4 飼料顆粒間接觸參數確定

堆積角(圖3)是顆粒材料屬性和接觸屬性的宏觀表現形式，常用來判定離散元仿真中參數設置的合理性。本文通過建立飼料顆粒堆積的數值計算模型，利用EDEM軟件仿真模擬，逆向標定和校準計算模型中顆粒與顆粒間接觸參數的設定值。

圖3 堆積角試驗裝置圖

試驗裝置由堆積平面、臺架裝置和漏斗裝置構成，使用臺架將預置有飼料顆粒的漏斗容器提升后使飼料顆粒自由落下，待飼料堆穩定后測定飼料堆顆粒的堆積角。為減小試驗誤差，重復試驗并從前視、后視、左視和右視方向水平拍攝飼料堆的堆積角(圖4)，利用Matlab軟件先對所拍攝的照片進行二值化圖像處理，再使用GetData軟件在二值化后的圖像輪廓的一側邊緣上取點后使用直線擬合，該直線與水平方向的夾角即為堆積角，計算其平均值，得到飼料顆粒的堆積角的試驗值為28.15°。

圖4 堆積角α示意圖

使用Solid works建立堆積角試驗裝置的簡易三維幾何模型，導入EDEM進行仿真(圖5)。在預試驗的基礎上，設置不同組合的飼料顆粒與顆粒之間的靜摩擦系數、碰撞恢復系數和滾動摩擦系數，分別進行仿真模擬，并將仿真結果與試驗結果相比，選取最優組合。當飼料顆粒與顆粒之間的靜摩擦系數、碰撞恢復系數和滾動摩擦系數分別為0.4、0.2和0.01時，仿真模擬得到的堆積角為29.74°，與試驗值相比較存在的誤差僅為5.6%，表明仿真結果比較精確，選取該組參數為最終標定結果。

圖5 仿真過程示意圖

3.5 飼料與環境間接觸參數確定

1) 靜摩擦系數確定。本文根據斜面法的試驗原理，設計了簡易的斜面儀器，通過平面滑移試驗測定飼料顆粒與螺旋輸送機構所用材料之間的靜摩擦系數。在試驗中為防止飼料顆粒滾動，降低測量結果的誤差，將3顆飼料顆粒粘連在一起，初始時刻將其放于水平的樹脂材料斜面上，緩慢增大斜面傾角，當飼料顆粒開始滑移時停止增大，用電子量角器測量并記錄此時斜面傾斜角度。重復試驗并計算其平均值，得到使飼料顆粒開始滑移的斜面傾斜角度的試驗值θ1=28.64°。

根據物料靜摩擦因素與靜摩擦角的數值關系式μ=tanθ1，得到飼料顆粒與螺旋輸送機構材料之間的靜摩擦系數μ=0.546。

2) 滾動摩擦系數的確定。根據能量守恒原理，顆粒在固定的高度從固定傾角的斜面滾下時，在水平面上的滾動位移取決于顆粒與平面之間的滾動摩擦系數，本文采用斜面滾動試驗來標定飼料顆粒與樹脂材料之間的滾動摩擦系數。

將飼料顆粒放置于傾斜角α=30°的樹脂材料斜面上，使其從垂直高度h=150 mm的位置以零初速度沿斜面向下滾動，飼料顆粒最終靜止在樹脂材料水平面上。測量飼料顆粒的水平滾動距離，重復試驗計算其平均值，得到飼料顆粒的水平滾動距離的試驗值s=208.43 mm。

建立斜面滾動試驗的等效模型，使用EDEM進行模擬仿真標定滾動摩擦系數。由于在進行該試驗時是測量單顆飼料顆粒的水平滾動距離，所以飼料顆粒與顆粒之間的碰撞恢復系數、靜摩擦系數和滾動摩擦系數對試驗結果無影響；又因為飼料顆粒是靜止無初速度放置在斜面上且只有無滑動的純滾動運動，故飼料顆粒與斜面之間的碰撞恢復系數和靜摩擦系數對試驗結果也沒有影響。為了避免干擾，在EDEM仿真試驗中，將上述參數均設置為0。

經過預仿真試驗，飼料顆粒與樹脂材料之間的滾動摩擦系數λ的范圍是0.01～0.06，以0.01為步長，進行6組仿真試驗，每組進行5次試驗并取平均值，試驗設計方法與結果如表3所示。

表3 滾動摩擦系數試驗設計與結果Tab. 3 Experimental design and results of rolling friction coefficient

擬合上述數據得到水平滾動距離s和滾動摩擦系數λ之間的關系式如式(2)所示。

s=-957.1λ2-918.5λ+246.9

(2)

經計算得到該擬合的誤差平方和為R2=0.998 2，接近于1，表明擬合優度較高。取水平滾動距離s為208.43 mm，得到飼料顆粒與樹脂材料之間的滾動摩擦系數為λ=0.040 2。

3) 碰撞恢復系數的確定。碰撞恢復系數是反映物體碰撞損失的重要參數[20]，已知碰撞恢復系數的計算公式如式(3)所示。

(3)

式中：v2——發生碰撞時樹脂材料的速度；

v20——碰撞后樹脂材料的速度；

v1——發生碰撞時飼料顆粒的速度；

v10——碰撞后飼料顆粒的速度；

v2-v1——發生碰撞后兩物體的分離速度；

v10-v20——發生碰撞前兩物體的接近速度。

(4)

設計碰撞彈跳試驗來測量計算飼料顆粒與樹脂材料之間的碰撞恢復系數。將飼料顆粒用鑷子提升到距樹脂材料平面高度為15 cm處，靜止無初速度釋放后，使用工業高速相機系統對下落過程和反彈過程進行拍攝，并將飼料反彈至最高點的單幀畫面導出，根據比例尺測量計算并記錄數值。重復試驗，取平均值，得到飼料顆粒碰撞后的最大反彈高度為23.4 mm，計算出碰撞恢復系數e=0.394。

4 飼料輸送過程仿真與分析

由于精準化飼喂的實現主要依靠螺旋輸送機構輸送物料時輸送量可控的特點，因此對種鵝精準飼喂裝置飼料輸出模塊中采用的螺旋輸送機構進行參數設計和結構優選至關重要。

4.1 仿真試驗組設計

根據精準飼喂裝置實際尺寸設計要求確定螺旋輸送機構輸送管道和螺旋葉片的基本尺寸，分別控制輸送管道截面形狀、螺旋葉片類型、螺旋葉片螺距為單一變量，設計仿真試驗組(表4)。

建立螺旋輸送機構三維模型，根據上文中相關參數的標定和測量結果在EDEM中設置仿真參數進行仿真計算，通過飼料顆粒的質量流速率、輸出速度和螺旋葉片的扭矩來分析不同結構特點的螺旋輸送機構的傳輸效果。

圖6所示為不同截面形狀和螺旋葉片螺距的螺旋輸送機構仿真過程示意圖，圖中箭頭方向表示飼料顆粒在輸送過程中的流向，箭頭的顏色表示飼料顆粒的速度大小。

表4 試驗組設計Tab. 4 Design of experimental group

圖6 仿真過程示意圖

4.2 質量流率分析

4.2.1 以截面形狀為變量

以輸送管道的截面形狀為研究變量，選取有螺旋軸且螺距為25 mm的螺旋葉片為例，通過仿真試驗得到輸送管道截面形狀為圓形的螺旋輸送機構在輸送飼料過程中的平均質量流率為10.47 g/s，而輸送管道截面形狀為U形的螺旋輸送機構在輸送飼料過程中的平均質量流率為7.32 g/s。質量流率隨仿真時間變化的曲線如圖7所示，從圖中可知在輸料過程中，輸送管道截面形狀為圓形時的飼料輸出質量流率明顯大于輸送管道截面形狀為U形的螺旋輸送機構。

圖7 不同截面形狀下的質量流率

4.2.2 以螺旋葉片類型為變量

以螺旋葉片的類型為研究變量，選取圓形截面輸送管道，對于螺旋葉片螺距為25 mm的螺旋輸送機構，通過仿真試驗得到螺旋葉片類型為有軸的圓形截面螺旋輸送機構在輸送飼料過程中的平均質量流率為10.47 g/s，而螺旋葉片類型為無軸的圓形截面螺旋輸送機構在輸送飼料過程中的平均質量流率為7.35 g/s。質量流率隨仿真時間變化的曲線如圖8所示，從圖8中可知螺旋葉片含有螺旋軸的螺旋輸送機構在輸送飼料過程中的質量流率要明顯大于螺旋葉片不含螺旋軸的螺旋輸送機構。產生這一現象的原因是位于無軸螺旋葉片空腔位置的較小飼料顆粒在輸送過程中得不到有效的、持續的推力作用，且由于飼料顆粒之間存在的運動阻力，導致部分飼料在輸送管道內滯留的時間過長；而有軸的螺旋葉片不僅能夠持續提供推力，還能有效減少輸送管道內飼料顆粒的接觸和互相阻礙作用。

圖8 不同螺旋葉片類型下的質量流率

4.2.3 以螺旋葉片螺距為變量

以螺旋葉片螺距為研究變量，選取U形截面輸送管道、螺旋葉片類型為有軸的螺旋輸送機構為例，通過仿真試驗得到螺旋軸螺距為20 mm的輸送機構飼料輸出質量流率的方差為20.67，而螺旋軸螺距為25 mm的輸送機構飼料輸出質量流率的方差為15.74。輸送過程中不同時刻的質量流率的分布如圖9和圖10所示。

圖9 螺距為20 mm時的質量流率分布

圖10 螺距為25 mm時的質量流率分布

從圖9和圖10可知采用截面形狀為U形、螺旋軸類型為有軸的螺旋輸送機構，在輸送飼料過程中，螺旋軸螺距為25 mm時飼料輸出的質量流率更加符合正態分布，這說明在控制其他變量相同情況下，螺旋軸螺距為25 mm的輸送機構輸出飼料時質量流率更穩定，隨時間的脈動性更小。

4.3 顆粒速度分析

飼料顆粒經螺旋輸送機構輸送到輸送管道出口后，可視為做以輸出口顆粒速度為初速度的平拋運動，為避免飼料顆粒落入飼料槽外，需要限制顆粒輸出速度，并根據顆粒速度設計合適的螺旋葉片轉速。根據種鵝精準飼喂裝置實際結構設計，螺旋輸送機構出口位于飼料槽上方5 cm處，且距離飼料槽最外側邊緣20 cm，使用平拋運動位移計算公式(5)，計算得出飼料顆粒從輸送管道飛出的速度要小于0.25 m/s。

(5)

圖11所示為顆粒速度仿真分析結果，從圖11中可知當設置螺旋葉片的轉速為18.85 rad/s時，6個試驗組對應的飼料顆粒飛出速度能夠滿足上述條件，其中約90%的飼料顆粒飛出速度均集中0.15～0.2 m/s。

圖11 顆粒速度分析圖

4.4 螺旋葉片扭矩分析

在螺旋葉片的轉速相同情況下，螺旋輸送機構輸送飼料顆粒所需的功率取決于螺旋葉片的扭矩，如式(6)所示。

P=T×ω

(6)

式中：P——功率；

T——螺旋葉片扭矩；

ω——螺旋葉片角速度。

螺旋葉片的在輸送過程中的扭矩越大，步進電機需要提供的功率越大。分別以輸送管道的截面形狀、螺旋葉片的螺距和螺旋葉片的類型為研究變量，分析得到飼料顆粒輸送過程中扭矩與上述變量的關系圖(圖12～圖14)。

圖12 不同截面形狀下的扭矩分析

(a) U形截面

圖14 不同螺距下的扭矩分析

由圖12可知，圓形截面輸送管道的螺旋輸送機構在輸送過程中，螺旋葉片的扭矩明顯大于U形截面輸送管道的螺旋輸送機構，其中圓形截面輸送管道在輸送過程中的螺旋葉片平均扭矩為29.30 N·m，而U形截面輸送管道在輸送過程中的螺旋葉片平均扭矩為19.71 N·m。主要原因是U形輸送管道的容量更大，在輸送等量的飼料時，飼料顆粒的填充率(圖13)要小于圓形輸送管道。填充率大導致飼料顆粒之間、飼料顆粒與管道和螺旋葉片之間的碰撞擠壓頻率增加，因此需要更大的扭矩來維持螺旋葉片的轉速。

由圖14可知，螺距為25 mm的螺旋葉片在輸料過程中所需的扭矩為19.71 N·m，而螺距為20 mm的螺旋葉片在輸料過程中所需的扭矩為40.86 N·m。因為螺距越小，螺旋葉片的圈數越密集，其占據的空間越大，在輸送管道長度和截面尺寸一定的情況下，留給飼料顆粒的空間越小(圖15)，導致大量的飼料顆粒在有限的空間內受到碰撞和擠壓作用，因此需要更大的扭矩來驅動螺旋葉片轉動。

(a) 螺距20 mm

(b) 螺距25 mm

由圖16可知，在其他變量相同的情況下，無軸螺旋葉片和有軸螺旋葉片在輸料過程中所需的扭矩基本相同，分別為19.71 N·m和19.04 N·m，而包含螺旋軸的螺旋輸送機構的結構強度更高。對于無軸螺旋葉片，因為它具有較強的抗纏繞和防堵料特性，常用于有軸螺旋輸送機構不能或不宜輸送的粘附性較強的物料、糊狀粘稠物料以及易纏繞物料的輸送工況[21]。

4.5 飼喂裝置螺旋輸送機構定型

種鵝精準飼喂裝置精準投料功能的實現主要依靠螺旋輸送機構在輸送顆粒物料時運輸量可控的特點，由上文仿真分析已知：輸送管道截面形狀為U形、螺旋葉片螺距為25 mm、螺旋葉片類型為有螺旋軸的螺旋輸送機構相比于其他結構和型號的螺旋輸送機構具有以下優點：(1)飼料顆粒質量流率分布符合正態分布，且質量流率更小，更有利于精準投料的把控。(2)輸送同等質量的飼料時螺旋葉片所需的扭矩更小，在相同螺旋葉片轉速下，步進電機的消耗功率更小，有利于減少能耗。(3)在輸送過程中飼料顆粒的填充率更小，能夠有效降低飼料顆粒之間、飼料顆粒與輸送管道、螺旋葉片之間的碰撞頻率和擠壓程度，有利于減少飼料顆粒在輸送過程中的破碎情況和提高裝置的使用壽命。

圖16 不同螺旋葉片類型下的扭矩分析

5 結論

針對目前國內外種鵝優質品種品系選育產業存在的問題設計了種鵝精準飼喂裝置，在解決飼喂不均衡和飼料浪費等問題的同時，為種鵝飼喂過程中飼料轉化率的精細化研究提供了可能性。

基于DEM仿真技術對精準飼喂裝置飼料輸送過程進行仿真分析，綜合飼料顆粒質量流率、飛出輸送管道的速度以及螺旋葉片扭矩等因素，對螺旋輸送機構的輸送管道截面形狀、螺旋葉片的類型和螺距進行設計和選型，達到降低能耗、提高輸送效率、減少飼料破損率、增加裝置使用壽命的目的。研究結果表明：在精準飼喂裝置中，針對柱狀種鵝飼料(大飼料顆粒為長9.8 mm，截面直徑3.5 mm的圓柱體；中等飼料顆粒為長5.3 mm，截面直徑3.5 mm的圓柱體；小飼料顆粒為長2.8 mm，截面直徑3.5 mm的圓柱體；飼料粉末為直徑小于0.25 mm的圓球，且上述四種大小顆粒的體積均服從正態分布)，采用輸送管道截面形狀為U形、螺旋葉片螺距為25 mm、螺旋葉片類型為有螺旋軸的螺旋輸送機構時，飼料顆粒輸出的平均質量流率為7.32 g/s，螺旋葉片收到的平均扭矩為19.04 N·m，約90%的飼料顆粒飛出速度均集中0.15～0.2 m/s，相比于其他結構形式的輸送機構具有輸送精度高、飼料破損率低、輸送扭矩小等優勢。