單軸雙螺旋帶式飼料混合機的優(yōu)化設計與試驗

謝佳珺

（東北林業(yè)大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

畜牧業(yè)的高速發(fā)展離不開高質量的飼料，而如何在生產過程中保證飼料的營養(yǎng)均衡、品質穩(wěn)定和成本可控是一個重要的問題[1]。飼料混合是解決這個問題的關鍵步驟之一，指的是將不同的飼料原料按照一定的比例、配方和程序混合在一起，形成一種營養(yǎng)均衡、口感適宜、易于消化吸收的飼料[2-3]。飼料混合可以大幅提高飼料的營養(yǎng)價值和穩(wěn)定性，同時也能夠減少浪費和降低成本。因此，飼料混合技術已經成為現代畜牧業(yè)中不可或缺的環(huán)節(jié)[4]。

螺旋混合機是一種常見的飼料混合設備，也被稱為雙軸混合機。它是由兩個相互轉動的龍門攪拌器和一個混合桶組成的。螺旋混合機的主要作用是將不同的飼料原料按照一定的比例和配方混合在一起，形成均勻的飼料。與其他混合設備相比，螺旋混合機的混合效果更好、混合時間更短，同時還具有結構緊湊、運轉平穩(wěn)、易于維護等優(yōu)點[5-7]。但當前我國對于在單個軸上采用雙攪龍的結構設計鮮有研究，故本文通過不同旋向葉片的對中反向旋轉來實現飼料的連續(xù)混淆，分析了飼料混合機攪龍螺距、攪龍葉片寬度對其飼料混合性能的影響，設計了二次通用旋轉組合試驗，結合離散元仿真對不同參數飼料混合機的秸稈混合系數、青貯混合系數進行方差分析和優(yōu)化，并對優(yōu)化后的飼料混合機進行不同轉速的仿真試驗，以期提高單軸雙螺旋帶式飼料混合機的混合性能，為單軸雙螺旋帶式飼料混合機的優(yōu)化設計提供參考[8-9]。

1 整機結構與工作原理

單軸雙螺旋帶式飼料混合機結構如圖1所示，主要由倉蓋、攪拌倉、單軸雙螺旋帶、出料口、機架、電機、減速器、控制器組成，工作時先將定量的秸稈飼料和青貯飼料倒入攪拌倉中，然后在控制器中設定攪拌時間和攪拌速度，秸稈飼料和青貯飼料在單軸雙螺旋帶的連續(xù)轉動下不斷混攪，最后將混合均勻的飼料在出料口排出以供畜禽食用。

圖1 單軸雙螺旋帶式飼料混合機

2 飼料混合性能仿真與優(yōu)化

2.1 仿真參數設定

本研究試驗需要使用的秸稈和青貯顆粒大多數類似于球形，少量有一定不規(guī)則形狀，但考慮到不規(guī)則形狀顆粒相互接觸的作用復雜，容易導致EDEM中計算量巨大，仿真無法進行下去。因此在不影響主體的情況下，將秸稈和青貯顆粒均視為球形顆粒進行仿真，在EDEM中分別設定秸稈飼料直徑為15 mm、青貯飼料直徑為20 mm，顆粒建模采用純球體。假定飼料顆粒干燥且無結塊，則秸稈顆粒與青貯顆粒、顆粒與攪拌倉和攪龍之間均采用Hertz-Mindlin（noslip）模型，查閱相關文獻[10]，仿真模型的相關參數設定如表1所示。

表1 全局變量參數設置

2.2 仿真試驗

利用SolidWorks 2020對不同參數的飼料混合機進行建模，并對不必要的結構進行簡化處理，將SolidWorks中的模型轉換成IGS文件導入EDEM中，依據表1填入各項參數，設置工廠生成速率為10 000顆/s，在攪拌倉上方分別建立秸稈顆粒工廠（生成顆粒5 000顆）和青貯顆粒工廠（生成顆粒5 000顆），所有飼料顆粒生成后攪龍再開始轉動。攪龍轉速為30 r/min，仿真步長為9.25×10-6s，數據記錄間隔為0.01 s。單軸雙螺旋帶式飼料混合機的EDEM仿真模型如圖2所示。

圖2 EDEM仿真模型圖

2.3 試驗指標

為了準確評價離散元仿真中飼料混合機不同結構參數對飼料摻混均勻程度的影響，采用網格法對混合均勻性進行數據統(tǒng)計，監(jiān)測區(qū)將攪拌倉均分為32份，對監(jiān)測區(qū)不同時間下的飼料數量進行統(tǒng)計，通過公式（1）～（3）得出秸稈a和青貯b的混合標準差。

式中，γi——飼料在單元網格中的質量占比；ni——飼料在單元網格中的質量，單位為g；nt——單元網格中飼料的總質量，單位為g。

式中，φi——飼料在監(jiān)測區(qū)中的質量占比；Ni——飼料在監(jiān)測區(qū)中的質量，單位為g；Nt——監(jiān)測區(qū)中飼料的總質量，單位為g。

式中，γi——飼料在單元網格中的質量占比；ηi——飼料在當前單元格中的混合偏離度。

式中，ηj——第j個網格內的飼料混合偏離度；n——監(jiān)測區(qū)均分網格單元的數量，n=10；ηa——網格單元內飼料顆粒的平均混合偏離度；σi——單循環(huán)周期飼料混合系數。

飼料混合系數表示各單元格下秸稈飼料和青貯飼料的混合偏離度與總體偏離程度，混合系數越小說明飼料混合越均勻。

2.4 響應曲面試驗

2.4.1 試驗設計

查閱相關文獻[11]，為滿足作業(yè)需求選取螺旋葉片螺距范圍在550 mm～850 mm之間。為確保攪龍轉動時葉片之間相互嚙合且不發(fā)生碰撞，選取攪龍葉片寬度范圍為8 mm～14 mm。采用二次通用旋轉組合試驗方法[12]，試驗因素水平表如表2所示。應用Design-Expert 8.0.6軟件進行數據處理和統(tǒng)計分析。

表2 試驗因素水平表

2.4.2 試驗結果與分析

不同試驗因素下的試驗結果如表3所示，根據試驗結果，秸稈混合系數方差分析和青貯混合系數方差分析分別如表4、表5所示。

表3 試驗結果

表4 秸稈混合系數方差分析

表5 青貯混合系數方差分析

2.5 試驗因素對試驗指標的影響

根據表中數據可知，秸稈混合系數、青貯混合系數的回歸模型顯著性檢驗結果均為極顯著（P＜0.01）；秸稈混合系數、青貯混合系數的失擬項檢驗結果均為不顯著（P＞0.05），表明回歸模型在試驗范圍的擬合程度較好。

各因素與秸稈混合系數、青貯混合系數的回歸方程為：

式中，y1為秸稈混合系數；y2為青貯混合系數。

攪龍螺距、攪龍葉片寬度對秸稈混合系數的響應曲面如圖3所示，在攪龍葉片寬度位于低水平時，隨著攪龍螺距的增大，秸稈混合系數增大；在攪龍葉片寬度位于高水平時，隨著攪龍螺距的增大，秸稈混合系數降低；攪龍螺距在任何水平下，隨著攪龍葉片寬度的增大，秸稈混合系數先降低然后增高。

圖3 攪龍螺距、攪龍葉片寬度對秸稈混合系數的響應曲面

攪龍螺距、攪龍葉片寬度對青貯混合系數的響應曲面如圖4所示，在攪龍葉片寬度位于低水平時，隨著攪龍螺距的增大，青貯混合系數增大；在攪龍葉片寬度位于高水平時，隨著攪龍螺距的增大，青貯混合系數降低；攪龍螺距在任何水平下，隨著攪龍葉片寬度的增大，青貯混合系數先降低然后增高。

圖4 攪龍螺距、攪龍葉片寬度對青貯混合系數的響應曲面

2.6 參數優(yōu)化

飼料顆粒的混合系數越小，表明飼料的混合均勻性越好，根據相關文獻[13]，若要使飼料混合滿足工作要求，則需設定秸稈和青貯的混合系數≤10%，利用Design-Expert 8.0.6多目標優(yōu)化方法，得到優(yōu)化方程如下：

基于優(yōu)化方程式（7），得到優(yōu)化區(qū)間，如圖5所示，優(yōu)化區(qū)間分別為攪龍螺距662.5 mm～750 mm、攪龍葉片寬度10.5 mm～11.5 mm。

圖5 參數優(yōu)化分析

3 驗證試驗

3.1 仿真驗證

為驗證優(yōu)化結果的正確性，在優(yōu)化區(qū)間分別為攪龍螺距662.5 mm～750 mm、攪龍葉片寬度10.5 mm～11.5 mm中選取參數，考慮到現實生產中的原材料成本問題，最后驗證試驗中選定攪龍螺距662.5 mm和攪龍葉片寬度10.5 mm。將參數模型導入EDEM中，設置顆粒工廠位于攪拌倉上方20 mm，待所有秸稈飼料和青貯飼料穩(wěn)定落入攪拌倉后，將單軸雙螺旋帶軸轉速設置為30 r/min，設置攪拌時間為5 min，驗證模型如圖6所示。

圖6 試驗驗證圖

3.2 試驗評價指標

通過EDEM后處理，采用網格法對飼料混合系數進行數據收集，將攪拌倉均勻劃分為32個網格，通過公式（4）、公式（5）得出秸稈混合系數和青貯混合系數，網格劃分結果如圖7所示。

圖7 網格劃分圖

3.3 試驗結果

為驗證飼料混合機的飼料混合性能，分別在轉速30 r/min～90 r/min下進行驗證試驗，不同轉速下的飼料混合性能如表6所示。結果如下：在不同轉速下，秸稈混合系數和青貯混合系數均小于10%，滿足優(yōu)化區(qū)間要求，仿真驗證試驗結果與預期基本一致，可為單軸雙螺旋帶式飼料混合機的設計提供參考。

4 結論

本文針對我國飼料混合機的發(fā)展需要及其混合

機理的研究現狀，對單軸雙螺旋帶式飼料混合機進行了機理分析與參數優(yōu)化。利用EDEM建立了不同結構參數的飼料混合機離散元仿真模型，以攪龍螺距、攪龍葉片寬度為試驗因素，以秸稈混合系數、青貯混合系數為試驗指標，設計二因素五水平的二次通用旋轉回歸組合試驗，根據所建立的飼料混合系數回歸模型得出試驗因素對試驗指標的影響情況。發(fā)現攪龍螺距、攪龍葉片寬度對秸稈混合系數的影響分別為顯著（0.01＜P＜0.05）、極顯著（P＜0.01）；攪龍葉片寬度對青貯混合系數的影響為極顯著（P＜0.01），攪龍螺距對青貯混合系數的影響為不顯著（P＞0.05）。在秸稈混合系數≤10%、青貯混合系數≤10%，制造成本最小的假設下，優(yōu)化得到飼料混合機的最佳參數為攪龍葉片寬度10.5 mm，攪龍螺距662.5 mm。為驗證優(yōu)化分析結果的準確性，進行仿真驗證試驗，發(fā)現不同轉速下的秸稈混合系數和青貯混合系數均小于10%，優(yōu)化后的飼料混合機混合均勻性更好，該研究可為單軸雙螺旋帶式飼料混合機的優(yōu)化設計提供參考。