牽引式高產(chǎn)牛TMR 制備機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

姜麗玲 宋淑美 鄭元坤 張寶昌 楊善東* 耿端陽 劉光照 田恒森

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博255000；2.淄博翔宇機(jī)械有限公司，山東淄博255130)

近年來，隨著我國畜牧業(yè)的迅速發(fā)展，奶牛養(yǎng)殖業(yè)已成為我國畜牧業(yè)的重要組成部分[1]。當(dāng)前，我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)正處于從傳統(tǒng)的數(shù)量型、粗放型向現(xiàn)代的質(zhì)量效益型、集約型轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期，奶牛養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展對(duì)提高養(yǎng)殖者收益、滿足市場(chǎng)需求及推動(dòng)國內(nèi)畜牧業(yè)結(jié)構(gòu)的發(fā)展具有重要意義[2]。

然而，在奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展更具現(xiàn)代化、集約化、規(guī)模化的同時(shí)，現(xiàn)有的TMR 制備機(jī)主要適用于普通奶牛日糧的制備，高產(chǎn)牛TMR 制備機(jī)的研究幾乎空白。由于高產(chǎn)牛飼喂裝備的空缺及日糧配方的差異，現(xiàn)有TMR 制備機(jī)所制備出的高產(chǎn)日糧混合均勻度低，物料殘留量高，不能滿足高產(chǎn)牛的食用要求。針對(duì)高產(chǎn)牛養(yǎng)殖中出現(xiàn)的問題[3]，筆者團(tuán)隊(duì)研制了一種適合高產(chǎn)牛養(yǎng)殖的集切割、攪拌、揉搓混合于一體的牽引式高產(chǎn)牛TMR制備機(jī)。

1 主要結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)

該高產(chǎn)牛TMR制備機(jī)主要由混料系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及投料裝置等部件組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。混料系統(tǒng)主要由2個(gè)垂直放置的螺旋攪龍、動(dòng)刀、定刀及料箱等部分組成；稱重系統(tǒng)由4個(gè)稱重傳感器和稱重顯示控制儀組成；液壓系統(tǒng)包括2個(gè)液壓缸及1個(gè)液壓馬達(dá)等；投料裝置主要包括投料箱、傳送帶、鏈輪組件等。

1.2 工作原理

作業(yè)時(shí)，牽引式TMR 制備機(jī)由拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸輸出動(dòng)力，通過機(jī)械傳動(dòng)，將動(dòng)力傳遞到設(shè)備攪龍下的齒輪箱，攪龍齒輪箱將驅(qū)動(dòng)攪龍進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。

隨著攪龍的旋轉(zhuǎn)，攪龍螺旋葉片上的動(dòng)刀與料箱壁面上的可調(diào)定刀相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成剪切面，可對(duì)長纖維物料進(jìn)切割。物料在上升過程中，在離心力的作用下，會(huì)沿著攪龍螺旋葉片做徑向拋灑，落至料箱底部，攪龍螺旋葉片對(duì)物料進(jìn)行自上而下的循環(huán)切割攪拌，期間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流混合、擴(kuò)散混合和剪切混合，實(shí)現(xiàn)快速均勻混合[5-8]。

圖1 TMR制備機(jī)結(jié)構(gòu)

飼料切割攪拌完成后，啟動(dòng)液壓系統(tǒng)，開啟卸料門，投料裝置開始工作。驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)輸送帶工作，攪龍旋轉(zhuǎn)將物料均勻推至排料室，排料系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)飼料進(jìn)行可控量拋撒，從而完成投料過程。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

牽引式高產(chǎn)牛TMR 制備機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 料箱的設(shè)計(jì)

料箱是設(shè)備工作的核心，飼料的切割攪拌工作都需在料箱內(nèi)進(jìn)行[9]。如圖2所示，箱體前、后側(cè)板設(shè)計(jì)為等腰梯形狀，與料箱左、右兩側(cè)桶形側(cè)板相切，均采用10 mm 厚NM400 高強(qiáng)度耐磨鋼板制成，料箱內(nèi)設(shè)有4 塊料倉襯板，可減小攪拌盲區(qū)；料箱前端設(shè)有主出料口，料箱右前側(cè)板設(shè)有輔助出料口（又稱“應(yīng)急門”），一旦主出料口或者投料裝置出現(xiàn)故障，可由輔助出料口應(yīng)急排料，避免日糧發(fā)酵造成不必要的浪費(fèi)。料箱上部安裝可拆卸的加高板，可解決高產(chǎn)牛舍數(shù)量變動(dòng)以及運(yùn)輸中超高的問題。

圖2 料箱三維結(jié)構(gòu)

TMR制備機(jī)料箱設(shè)計(jì)參數(shù)為：長度為5 614 mm、底部寬度為2 240 mm，頂部寬度為2 550 mm，高度為1 930 mm，料箱壁面與底板夾角設(shè)為108°，可更好地實(shí)現(xiàn)物料沿料箱內(nèi)壁下滑的要求。

2.2 攪龍的設(shè)計(jì)

攪龍作為切割攪拌的核心部件，作用是利用螺旋葉片轉(zhuǎn)動(dòng)將飼料進(jìn)行切割、攪拌、揉搓及混合[9]，如圖3所示，其結(jié)構(gòu)采用等距螺旋錐形設(shè)計(jì)，水平布置。攪龍主要由螺旋套筒、螺旋葉片、動(dòng)刀、刀托板組成[10]。螺旋套筒用于焊接螺旋葉片，螺旋套筒上焊接有4個(gè)螺旋葉片，為避免攪龍對(duì)長纖維飼料的過度切割將第一螺旋葉片上安裝有1 把動(dòng)刀，起刮料和升運(yùn)作用，第二、三螺旋葉片上均布安裝5 把動(dòng)刀，主要起切料和升運(yùn)作用，第四螺旋葉片上安裝2 把動(dòng)刀，主要起掃料和切割作用。為防止刀片松動(dòng)、減少磨損、增加其使用壽命，在每把動(dòng)刀片的下方均裝有刀托板。

圖3 切割攪龍三維圖

攪龍?jiān)O(shè)計(jì)參數(shù)為：上部螺旋套筒直徑273 mm，下部螺旋套筒頂部直徑582 mm、底部直徑800 mm，螺旋葉片底部最大直徑2 210 mm（螺旋葉片與料箱壁面最小間隙為12 mm）；螺距460 mm；螺旋葉片錐角60°，底部螺旋葉片直徑和攪龍總體高度為1 345 mm。

2.3 雙攪龍安裝方式

TMR 制備機(jī)的料箱內(nèi)安裝有兩個(gè)完全相同的攪龍（簡稱“雙攪龍”），如圖4所示，雙攪龍底刀采用T字型交錯(cuò)100～150 mm安裝方案，切割旋轉(zhuǎn)時(shí)，二者可起互補(bǔ)作用，保證了TMR制備機(jī)在制備飼料過程中的平衡性，增加物料的蓬松性，提高日糧的適口性，避免攪拌死角[11]，提高混合均勻度，達(dá)到高產(chǎn)牛精飼喂的要求。

圖4 雙攪龍安裝方式

2.4 可調(diào)投料裝置的設(shè)計(jì)

可調(diào)投料裝置作為投料飼喂的核心部件，對(duì)整機(jī)性能和投料均勻度起至關(guān)重要的作用。

可調(diào)投料裝置主要由投料箱、托料板組件、傳送帶、導(dǎo)鏈輪軸總成、鏈輪組件、調(diào)速液壓馬達(dá)等組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。為避免投料時(shí)車輪壓料，將傳送帶寬設(shè)計(jì)為800 mm，傳送距離為1 200 mm，液壓馬達(dá)控制傳送帶投料的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。混料系統(tǒng)進(jìn)行投料作業(yè)時(shí)，將液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速調(diào)至180～200 r/min，帶動(dòng)導(dǎo)鏈輪軸總成，鏈條在導(dǎo)鏈輪軸的帶動(dòng)下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著傳送帶的自振作用，將攪龍旋轉(zhuǎn)拋送到投料箱中的飼料均勻拋出，從而完成投料過程。

3 制備機(jī)性能評(píng)價(jià)

3.1 混合均勻度試驗(yàn)

全混合日糧的檢測(cè)方法主要有：物理法、化學(xué)法和篩分法。物理法需人工挑選物料中的示蹤物，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；化學(xué)法則需配有專業(yè)的檢測(cè)人員和昂貴的儀器設(shè)備；而篩分法使用方便且易操作，更適用推廣和應(yīng)用[12-13]，所以本次試驗(yàn)選用篩分法對(duì)混合均勻度進(jìn)行檢測(cè)。

3.1.1 混合均勻度

本試驗(yàn)選用變異系數(shù)作為高產(chǎn)牛TMR制備機(jī)的評(píng)價(jià)指標(biāo)[14]。對(duì)于反芻動(dòng)物而言，全混合日糧變異系數(shù)小于10%時(shí)表示混合質(zhì)量較好，變異系數(shù)小于5%時(shí)表示混合質(zhì)量極好[15]。

圖5 可調(diào)投料裝置結(jié)構(gòu)

按式（1）計(jì)算變異系數(shù)[16]：

式中：Cv——混合物樣品的變異系數(shù)；

S——混合物樣品測(cè)定值的標(biāo)準(zhǔn)差；

通過變異系數(shù)Cv，計(jì)算混合均勻度M：

3.1.2 材料與方法

①試驗(yàn)時(shí)間與地點(diǎn)：2018 年9 月，現(xiàn)代牧業(yè)（寶雞）有限責(zé)任公司。

②試驗(yàn)儀器設(shè)備：牽引式高產(chǎn)牛TMR制備機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)沖孔篩、天平。

③試驗(yàn)材料：粗飼料：羊草、苜蓿草、青貯飼料；精飼料：玉米面粉、棉子、豆粨等；水、糖蜜和其他添加劑。

④試驗(yàn)方法：賓州篩法。數(shù)據(jù)每一層的變異系數(shù)都用賓州篩記錄，對(duì)混合均勻度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

⑤檢測(cè)準(zhǔn)備：首先將四層分級(jí)篩安裝至工作狀態(tài)，再用天平（靈敏度≤±1 g）進(jìn)行稱重（稱重范圍＜3 000 g），稱取全混合日糧的樣品，散放在處在工作狀態(tài)的賓州篩的上層篩上。

⑥操作要求：在一層篩子的表面，每個(gè)方向上均平行移動(dòng)5次篩子，平行移動(dòng)5次為一組，推動(dòng)距離為17 cm 左右。旋轉(zhuǎn)90°后，再次平行移動(dòng)5 次為第二組，在移動(dòng)中不能有垂直運(yùn)動(dòng)。重復(fù)這個(gè)過程6 次，總共8 組或平行移動(dòng)40 次[17-19]，顆粒度分級(jí)平行移動(dòng)模式如圖6所示。

⑦攪拌混合時(shí)間：第一車、第二車和第三車混合攪拌的時(shí)間分別為9.3、10.2 min和9.3 min。

圖6 顆粒度分級(jí)移動(dòng)模式

⑧取料方法：以牧場(chǎng)實(shí)際攪拌量為依據(jù)，攪拌6 t TMR，每批取三個(gè)樣，在放料5、3.5、2 t 節(jié)點(diǎn)上取樣，每個(gè)樣取5 個(gè)點(diǎn)，連續(xù)測(cè)3 批，共計(jì)9 個(gè)樣本。如表2所示為各取樣點(diǎn)變異系數(shù)各層取樣質(zhì)量。

⑨經(jīng)篩分后的樣本圖：經(jīng)多次篩分平移后最終得出賓州篩分級(jí)篩分析高產(chǎn)TMR的不同分層，如圖7所示。頂部從左到右依次是第三層、第四層，底部依次是第一層、第二層。由圖7可以看出，賓州篩第一層飼料長度明顯高于其他三層飼料，飼料粗細(xì)配比均勻，利于維持高產(chǎn)牛瘤胃pH值的穩(wěn)定，防止瘤胃酸中毒，維護(hù)健康。

表2 高產(chǎn)TMR制備后取樣點(diǎn)變異系數(shù)各層取樣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

圖7 賓州分級(jí)篩分析高產(chǎn)TMR不同分層

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由表2試驗(yàn)取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)及公式（1）得高產(chǎn)TMR制備后攪拌效果測(cè)定表3。

表3 高產(chǎn)TMR制備后攪拌效果測(cè)定分析(%)

由表3可知：除賓州篩第一層變異系數(shù)占比略高外（第一層變異系數(shù)一般不作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)），其他三層的變異系數(shù)都在5%以內(nèi)，較為穩(wěn)定。第一層變異系數(shù)稍有偏高的原因?yàn)椋簲嚢钑r(shí)間偏短（加苜蓿草后的攪拌時(shí)間及總的混合時(shí)間偏短）。因此，高產(chǎn)牛TMR制備機(jī)加工的全混合日糧的變異系數(shù)為3.56%，由公式（2）可知高產(chǎn)日糧的混合均勻度為96.44%，飼料攪拌均勻、混合均勻度高，滿足高產(chǎn)牛的飼喂要求。

3.2 物料自然殘留率試驗(yàn)

對(duì)TMR 制備機(jī)而言，投料后物料自然殘留率越小，制備機(jī)性能越好。

物料自然殘留率的計(jì)算公式為：

式中：R——物料自然殘留率；

Δm——攪拌室內(nèi)殘留物料質(zhì)量（kg）；

mc——試驗(yàn)物料質(zhì)量（kg）。

3.2.1 材料與方法

①試驗(yàn)時(shí)間與地點(diǎn)：2018 年9 月，現(xiàn)代牧業(yè)（寶雞）有限責(zé)任公司。

②試驗(yàn)儀器設(shè)備：高產(chǎn)牛TMR 制備機(jī)、電子秤、毛刷或其他工具。

③試驗(yàn)材料：a) 粗飼料：羊草、苜蓿草、青貯飼料；b) 精飼料：玉米面粉、棉子、豆粨等；c) 水、糖蜜和其他添加劑。

④試驗(yàn)方法：稱重法。

⑤撒料轉(zhuǎn)速：為提高撒料效果，在進(jìn)行撒料時(shí)提高了攪龍的轉(zhuǎn)速，以利于飼料甩出。

⑥清理方式：TMR制備機(jī)撒料完成后，對(duì)料箱內(nèi)部的剩料用毛刷或其他工具進(jìn)行徹底清理。

⑦試驗(yàn)批次：3批次。由于殘留率對(duì)不同批次相同物料之間的影響較大，所以本次試驗(yàn)在三批次后對(duì)殘留量進(jìn)行測(cè)定，依此來驗(yàn)證在制備高產(chǎn)牛日糧中物料掛壁的問題[20]。

⑧投料時(shí)間：第一車、第二車和第三車投料的時(shí)間分別為2.3、2.5 min和2.6 min。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)三批次混合試驗(yàn)后，對(duì)第三批次高產(chǎn)日糧中的物料殘留率進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表4 所示，為高產(chǎn)TMR第三批之后殘留料量統(tǒng)計(jì)表。

表4 高產(chǎn)TMR攪拌時(shí)間和撒料時(shí)間、殘留料量統(tǒng)計(jì)

由表4 第三批之后殘留量及公式（3）可知，高產(chǎn)牛TMR制備機(jī)在近乎相同的攪拌時(shí)間、投料時(shí)間下，在第三批投料后TMR 制備機(jī)中剩料殘量僅為33 kg，物料自然殘留率為0.55%，滿足物料自然殘留率小于等于1%的指標(biāo)要求，連續(xù)三批高產(chǎn)料后的殘留料情況如8 圖所示。由圖8 可以看出，少許剩料集中在攪龍的底部螺旋葉片上以及料箱底板的邊緣上，下一步應(yīng)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

圖8 高產(chǎn)牛TMR制備機(jī)連續(xù)三批高產(chǎn)料后的殘留料量

4 結(jié)論

以高產(chǎn)牛飼喂要求為設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)制備機(jī)理進(jìn)行分析和研究，確定制備機(jī)主要性能參數(shù)，從而對(duì)高產(chǎn)牛TMR 制備機(jī)的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，雙攪龍底刀T 字型交錯(cuò)安裝方案，確保制備機(jī)的平衡性，避免攪拌死角，增加物料的蓬松性，提高日糧的適口性。

通過牧場(chǎng)試驗(yàn)，高產(chǎn)牛TMR 制備機(jī)加工的全混合日糧的變異系數(shù)為3.56%，高產(chǎn)日糧的混合均勻度為96.44%，物料自然殘留率為0.55%。日糧的利用率高，經(jīng)濟(jì)效益顯著，滿足高產(chǎn)牛的飼喂要求。該設(shè)計(jì)填補(bǔ)了高產(chǎn)牛TMR 制備設(shè)備研究的空白，對(duì)國內(nèi)外TMR制備機(jī)械的發(fā)展具有一定指導(dǎo)意義。