分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置設計與試驗

溫寶琴，王凱飛，坎 雜，李景彬，李利橋，劉雙印,3,4

·農業裝備工程與機械化·

分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置設計與試驗

溫寶琴1,2，王凱飛1，坎 雜1,2※，李景彬1,2，李利橋1,2，劉雙印1,3,4

（1. 石河子大學機械電氣工程學院，石河子 832000；2. 現代農業機械兵團重點實驗室，石河子 832000；3. 仲愷農業工程學院信息科學與技術學院，廣州 510225；4. 廣東省高校智慧農業工程技術研究中心，廣州 510225）

針對全混合日糧飼草料揉切需求，該研究設計了一種分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置，對分段螺旋葉片的主體結構和攪龍結構參數進行設計，建立了刃口曲線方程，分析了裝置揉切機理，并試制了分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置試驗臺。以攪龍轉速、加工時間、填充系數、刀片與底殼間隙為因素，以粒度、破節率、單位質量能耗為指標，開展四因素三水平Box-Behnken試驗，對試驗結果進行方差分析和二次回歸擬合，得出各因素對粒度影響顯著性由大到小為加工時間、攪龍轉速、填充系數、刀片與底殼間隙；對破節率的影響顯著性由大到小為加工時間、填充系數、攪龍轉速、刀片與底殼間隙；對單位質量能耗的影響顯著性由大到小為填充系數、加工時間、攪龍轉速、刀片與底殼間隙。對交互影響因素進行響應曲面分析并進行參數優化驗證試驗，結果表明：當攪龍轉速為25 r/min、加工時間為12 min、填充系數為0.46、刀片與底殼間隙為15 mm時，甘草莖稈的揉切粉碎粒度為11.76 mm，破節率為83.27%，此時單位質量能耗為9 959.82 J/kg，試驗值與模型理論值誤差不超過7%，參數優化模型合理，滿足作業要求。研究結果可為全混合日糧攪拌機的研發提供理論依據。

設計；試驗；莖稈；揉搓；切碎；分段螺旋

0 引 言

新疆是中國的主要牧區，隨著畜牧業的逐年發展，放牧草場環境日益惡化，飼草資源匱乏已經制約了新疆畜牧業的發展[1]。甘草屬灌木狀多年生草本植物，地上莖稈部分是優良的豆科牧草[2-4]。新疆是甘草的主產區，其甘草資源占全國的50%以上[5]，甘草莖稈用于牛羊飼喂，可有效緩解新疆飼草資源匱乏的現狀。全混合日糧（Total Mixed Ration，TMR）[6-7]可以提高采食量和飼料轉化率的同時節省飼料成本和勞動力，已經在牛羊養殖生產中成為主流。TMR攪拌機是一種對秸稈切碎、揉搓并與精料混合攪拌后制成TMR的機械，是TMR飼喂的關鍵支撐[8-9]。將甘草莖稈利用TMR攪拌機高效揉切是將甘草莖稈引入TMR飼喂的關鍵所在。

現有的TMR攪拌機研究多集中在結構形式、主軸轉速、加工時間等因素對飼草料混合均勻度影響[10-16]。對秸稈的切割、揉碎研究主要集中在粉碎機、揉絲機等設備上。如Chitoiu等[17]針對傳統粉碎機械耗能大的問題，以玉米秸稈、穗為試驗對象，使用4種不同形狀的轉子對秸稈進行切碎試驗，對能耗問題展開研究；鄭智旗等[18]基于支撐滑切原理利用等滑切角理論設計了一種動定刀支撐的秸稈粉碎裝置，試驗表明其秸稈粉碎長度合格率達91.5%，同時相對無支撐切割降低功耗17.4%。麻乾等[19]從喂入、切碎、揉搓3方面對揉碎機錘片結構對揉碎機制的影響展開研究，設計了有傾角的錘片結構實現對設備內部氣流場的調節，達到了更高能效揉碎的效果。

為提升TMR攪拌機揉切性能，提高養殖場飼草利用率，本文設計了一種分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置，并分析其揉切機理，以甘草莖稈高效揉切，降低工作過程中的能耗為目標，以新疆羊場飼喂的甘草莖稈為試驗對象，試制樣機并進行試驗研究，以期為新型TMR攪拌機的研發提供理論依據。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置整機結構如圖1所示，主要由分段螺旋攪龍（攪龍軸管、分段螺旋葉片、梅花刀片）、定刀、殼體、機架、傳動系統、信息采集系統等組成。可以通過更換不同半徑底殼調整底殼與刀片之間的間隙，通過變頻器調節頻率控制電動機轉速，達到控制攪龍轉速的目的。

1.電源 2.變頻器 3.電機 4.減速器 5.聯軸器 6.遙測儀扭矩傳感器模塊 7.帶座軸承 8.分段螺旋葉片 9.攪龍軸管 10.梅花刀片 11.卸料門 12.定刀 13.底殼 14.料箱 15.機架 16.數據收集器 17.發射器 18.接收器 19.計算機

1.2 工作原理

分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置的主要工作目的，一是將甘草莖稈進行切碎，使其粒度達到TMR飼喂的要求；二是將甘草莖稈進行揉搓破節，使得加工后的莖稈柔軟蓬松易于牛羊等反芻動物食用。工作時，動力由電動機提供，攪龍做順時針圓周運動，底殼由螺栓固定，定刀固定在底殼與料箱之間，甘草莖稈由料箱上部投入，根據甘草莖稈所處的位置及狀態的不同，將裝置的工作區域分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4個區域，如圖2所示。甘草莖稈由Ⅰ區喂入，受到自身重力和攪龍摩擦力作用，由Ⅰ區運動至Ⅱ區，此時甘草莖稈在動定刀作用下進行有支撐滑切，待甘草莖稈被切碎到一定粒度后，被切碎的甘草莖稈滑落至Ⅲ區，在底殼支持力和分段螺旋攪龍揉搓力作用下，甘草莖稈破碎，進而在分段螺旋攪龍產生的離心力作用下，在Ⅳ區產生徑向輸送；同時在軸向上，由于分段螺旋葉片呈螺旋對中排布，攪龍對甘草莖稈進行軸向輸送，輸送至中部時，形成堆積，超過切碎莖稈的堆積角后，上部甘草莖稈依靠重力沿堆積角滑落至兩側，如此反復實現對甘草莖稈的揉切。裝置的主要技術參數如表1所示。

表1 分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置主要參數

1.分段螺旋攪龍 2.甘草莖稈 3.料箱 4.定刀 5.底殼

1.Segmented helical auger 2.Licorice straw 3.Workbin 4.Fixed blade 5.Bottom case

注：為甘草莖稈受到的重力，N；F1為分段螺旋攪龍對甘草莖稈的支持力，N；1為分段螺旋攪龍對甘草莖稈的摩擦力，N；2為甘草莖稈與甘草莖稈之間的摩擦力，N；F2為梅花刀片作用在甘草莖稈上的合力，N；F為甘草莖稈受到分段螺旋攪龍向外的推力，N；F為甘草莖稈受到的滑切力，N；為甘草莖稈受到的壓力，N；F3為底殼對甘草莖稈的支持力，N；3為底殼對甘草莖稈的摩擦力，N；4為箱體對甘草莖稈的摩擦力，N；F為分段螺旋攪龍對甘草莖稈的離心力方向上分力，N；F為分段螺旋攪龍對甘草莖稈的離心力方向上的分力，N；F4為箱體對甘草莖稈的摩擦力，N；為攪龍角速度，(rad·s-1)。

Note:is the gravity force on the licorice straw, N;F1is the supporting force of segmented helical auger and the licorice straw, N;1is the friction force of segmented helical auger and the licorice straw, N;2is the friction force between the licorice straw and the licorice straw, N;F2is the resultant force of torx blade acting on the licorice straw;Fis the thrust force of licorice straw by the segmented helical auger, N;Fis the sliding shear force on the licorice straw, N;is the pressure on the licorice straw, N;F3is the support of the bottom case to the licorice straw, N;3is the friction force between the bottom case and the licorice straw, N;4is the friction force between the workbin and the licorice straw, N;Fis thecomponent of the centrifugal force of the segmented helical auger on the licorice straw, N;Fis thecomponent of the centrifugal force of the segmented helical auger on the licorice straw, N;F4is the friction force between the workbin and the licorice straw, N;is the angular velocity of the auger, (rad·s-1).

圖2 甘草莖稈揉切過程示意圖

Fig.2 Schematic diagram of licorice straw kneading and cutting process

2 關鍵部件設計

2.1 分段螺旋葉片

2.1.1 主體結構

傳統螺旋葉片如圖3a所示[20-23]，兩端對稱焊接在軸管上構成攪龍，采用螺旋輸送原理將物料由兩端向中部輸送的同時通過固定在螺旋葉片邊緣的刀片對物料進行揉切。物料在滿面螺旋葉片摩擦力作用下，只能沿著螺旋方向進行軸向位移，在工作時物料還未充分切割、揉搓，就被輸送至料箱中部，在中部形成堆積，沿堆積角滑落后再次被揉切。由于刀片沿螺旋葉片外邊緣均勻分布，只能作用于外側物料，單位時間內的切割次數較少，工作過程中需要等待物料滑落后再揉切，加工時間長、功耗大。為降低物料軸向輸送速度，增加單位時間徑向切割次數，本文將滿面螺旋葉片斷開，在斷開部分采用圓角過渡的方式，設計一種分段螺旋葉片，使物料能夠在螺旋葉片間隙內運動，葉片曲面為部分滿面螺旋曲面，刃口曲線為多線變螺距螺旋曲線，如圖3b所示。

注：1為螺旋葉片內徑，mm；1為螺旋葉片外徑，mm；為螺旋葉片厚度，mm。

Note:1is the inner diameter of the helical blade, mm;1is the outer diameter of the helical blade, mm;is the thickness of the helical blade, mm.

圖3 螺旋葉片結構示意圖

Fig.3 Structural sketch of helical blade

使用卷尺測得甘草莖稈捆的平均長度900 mm，擬設計攪龍長度1為1 000 mm，結合文獻[23-24]設計分段螺旋葉片內徑1為114 mm。

分段螺旋葉片外徑直接決定裝置的生產率，外徑過大，刀片線速度增大，作業生產率升高，但是會導致動力需求提升和動不平衡因素增加；外徑過小，裝置生產率及能耗利用率達不到要求。本文基于前期研究基礎[22]設計分段螺旋葉片外徑1為380 mm。

螺距一般取外徑的80%～100%[25]，本文取較小值80%：

式中為螺旋葉片螺距，mm。

將1帶入式（1）解得=304 mm，取300 mm。

分段螺旋攪龍工作過程中由于甘草莖稈受到重力和摩擦力的作用，對甘草莖稈進行揉切，使其具有特定長度，由碰撞力學理論可知攪龍對甘草莖稈的沖擊強度為

式中1為沖擊強度，J/m2；1為裝置與物料的接觸面積，m2；1為沖擊能量損耗，J。

由式（2）可知，減小裝置與物料的接觸面積能夠有效減小沖擊能量損耗，分段螺旋葉片相較于滿面式螺旋葉片減少了葉片表面積，同時由于梅花刀片邊緣薄中間厚的結構，可以進一步減少接觸面積，基于此本文采用梅花刀片固定在分段螺旋葉片邊緣的安裝形式，實現對甘草莖稈的揉切。

2.1.2 刃口曲線

分段螺旋葉片的輪廓曲線參數直接影響物料輸送以及揉切效果，如圖4所示。根據刃口曲線不同位置的作業功能，將其分為4個部分：無支撐切割區ii（BC段）、有支撐切割區iii、iv（CD和DE段）、回落區i、v（AB和EF段）、固定區vi（AF段）。甘草莖稈切割主要依靠固定在螺旋葉片外側的梅花刀片完成，BC段和CD段是主要的切割區域。

注：i（AB段）、v（EF段）為回落區；ii（BC段）為無支撐切割區；iii（CD段）、iv（DE段）為有支撐切割區；vi（AF段）為固定區；i為圓柱面上任意一點；i1為i點在圓柱底面（xoy）上的投影；θ為oi1與ox之間的夾角，rad；r1為底面圓半徑，mm。

無支撐切割區域ii（BC段）固定1塊梅花刀片，在工作過程中主要對莖稈進行無支撐切割，攪龍帶動梅花刀片進行回轉運動，BC段的梅花刀片回轉半徑小于CD段的2塊梅花刀片，在工作過程中線速度較小，所以處于BC段的梅花刀片依靠物料之間的擠壓力進行無支撐切割，同時對物料產生擾動，防止在攪龍軸管附近的甘草莖稈形成堵塞。有支撐切割區域iii（CD段），固定的2塊梅花刀片轉動到定刀的梯形凹槽內時，動定刀相互配合實現有支撐滑切，梅花刀片的凹槽會卡緊若干數量的秸稈，通過與料箱底殼作用，對飼草起到揉搓作用。

選用圓柱螺旋線作為螺旋葉片的刃口曲線，建立分段螺旋葉片三維坐標系（如圖4所示），以螺旋葉片平面與攪龍的回轉軸線的交點為坐標原點。圓柱面上任意一點，沿圓柱面母線做勻速直線運動的同時又繞圓柱面軸線做勻速圓周運動，所形成的曲線方程如式（3）所示。

結合螺旋葉片內徑1為114 mm、分段螺旋葉片外徑1為380 mm，螺距為300 mm，BC段采用圓弧相切過渡等因素，將數值帶入式（3）進行求解，得出CD段曲線方程為

BC段曲線方程為

物料切碎長度為相鄰2塊梅花刀片在每次轉動時產生的進給量[26-29]，梅花刀片均布在分段螺旋葉片上，由于在實際工作過程中存在甘草與裝置、甘草與甘草之間的摩擦，會產生相對滑動，考慮到打滑系數[28]，甘草莖稈的理論切碎長度為

式中為甘草莖稈的理論切碎長度，mm；1為梅花刀片1的軸向高度，mm；2為梅花刀片2的軸向高度，mm；為打滑系數，取0.05[28]。

將式（4）~（5）帶入式（6）解得甘草莖稈的理論切碎長度為9.55～11.70 mm，根據TMR飼料的要求[30-31]，TMR中物料長度大于19 mm的比例應為6%～10%，物料長度在8～19 mm之間的比例應為30%～50%，物料長度小于8 mm的比例應為40%～60%，理論切碎長度在TMR飼料長度要求區間內，分段螺旋葉片刃口曲線設計合理。

2.2 分段螺旋攪龍設計

分段螺旋攪龍主要包括攪龍軸管、分段螺旋葉片、梅花刀片、螺栓等部件，如圖5所示。結合分段螺旋葉片的內徑設計及甘草莖稈捆的長度，攪龍軸管采用直徑114 mm，長度1 000 mm的無縫鋼管制成；梅花刀片安裝在分段螺旋葉片上，由螺栓固定，分段螺旋葉片通過焊接工藝固定在攪龍軸管上；分段螺旋葉片的排列對整個裝置的震動及兩端軸承受力都有影響，在設計分段螺旋葉片的排列時，應當做到均勻分布，本設計用沿螺旋線對稱排列的方式[25]，共10組，相鄰2組分段螺旋葉片軸向距離相等，均為90 mm，徑向夾角為108°，如圖6所示。工作時攪龍整體水平安裝在裝置料箱內。

1.分段螺旋葉片 2.梅花刀片 3.攪龍軸管 4.螺栓 5.軸

注：為分段螺旋葉片。

2.3 揉切過程動力學分析

如圖2所示，揉切過程主要依靠分段螺旋攪龍對甘草莖稈產生切割、擠壓和摩擦，使分段螺旋攪龍的動能傳遞給甘草莖稈，其動能大于甘草莖稈破碎所需能量時，甘草莖稈產生碎裂。根據動量守恒定律和動能定理[32]有：

式中為分段螺旋攪龍和甘草莖稈速度，m/s；1212分別為分段螺旋攪龍揉搓甘草莖稈前后和甘草莖稈被揉搓前后的速度，m/s，其中甘草莖稈進入揉搓區時受到底殼的支持力作用，將1視為0；為分段螺旋攪龍半徑，mm；為分段螺旋攪龍轉速，r/min；1、2分別為揉搓前后的攪龍轉速，r/min；為分段螺旋攪龍和甘草莖稈動能，J；Δ為揉搓甘草莖稈消耗的動能，J；1、2分別為分段螺旋葉片揉搓甘草莖稈前后的動能，J；3為甘草莖稈被揉搓后的動能，J；為分段螺旋攪龍和甘草莖稈質量，kg；1、1分別為分段螺旋葉片和甘草莖稈的質量，kg。

根據沖量定理，甘草莖稈受到的揉切力為

式中1為甘草莖稈受到的揉切力，N；為分段螺旋葉片數量；為加工時間，s。

甘草莖稈受到的摩擦力為

式中F為甘草莖稈受到的摩擦力，N；為甘草莖稈與裝置之間的摩擦系數；為分段螺旋葉片與底殼之間的間隙，mm。

分析式（7）～（9）可知：甘草莖稈發生破碎所消耗的動能Δ隨分段螺旋攪龍半徑、轉速的增大而增大，隨分段甘草莖稈質量的增大而減小；揉搓力也隨分段螺旋攪龍半徑的增大而增大，隨揉搓時間的增加而減小；摩擦力隨梅花刀片與底殼間隙的增大而減小。實際作業中，甘草莖稈質量與料箱填充系數密切相關。綜上，可以通過控制攪龍轉速、加工時間、填充系數、梅花刀片與底殼間隙等參數來調節裝置揉切性能，提升甘草莖稈的加工質量。

3 揉切試驗

3.1 試驗材料與設備

使用新疆疆南牧業養殖場飼喂用甘草莖稈為試驗物料；采用賽多利斯MA100水分測定儀，測定10組莖稈，每組2 g，含水率平均值為16.58%；用卷尺測得草捆長、寬、高為900、500和400 mm，30 kg量程電子秤測得草捆平均質量為16 kg，結合料箱體積0.26 m3計算得出用2.31 kg莖稈來表征0.1填充系數；NJTY3農機通用動態遙測系統進行試驗過程中的扭矩等力學特性測定；正泰NVF2G變頻器調節電機轉速；JM-85003型電子天平稱取莖稈樣品等，試驗裝置如圖7所示。

1.料箱 2.梅花刀片 3.定刀 4.分段螺旋葉片 5.攪龍軸管

3.2 試驗方案

根據飼草加工需求[30-31,33]，試驗以不同結構和工作參數下甘草莖稈揉切后粒度1、破節率2、單位質量能耗3作為揉切性能的評價指標。

1）粒度采用四分法取樣[34]，每組試樣取3份樣品，每份200 g，用孔徑分別為19、8、5和0 mm（底盤）按孔徑大小從上至下疊放組成的賓州篩進行篩分，根據式（10）進行計算[30-31]。

式中為甘草莖稈被揉切后粒度，mm；1、2分別為19和8 mm孔徑篩上物料質量占總質量的百分比，%；3為5和0 mm（底盤）孔徑篩上物料質量總和占總質量的百分比，%。

2）破節率依據《GB/T 20788－2006飼草揉碎機》[33]進行測定，其計算如式（11）所示。

式中S為破節率，%；G為樣品中草節被壓扁或破成2瓣以上的帶節草總質量，g；G為樣品總質量，g。

3）單位質量能耗是指揉切單位質量甘草所需的能耗，衡量裝置對單位質量甘草揉切過程中能量消耗的大小，反映裝置的工作效率。計算公式如式（12）所示。

式中為單位質量能耗，J/kg；為扭矩，N·m；1為甘草莖稈質量，kg；為攪龍轉速，r/min；為單次試驗采集扭矩數據次數，次；T為第次采集到的瞬時扭矩，N·m。

根據理論分析及前期預試驗可知攪龍轉速、加工時間、刀片與底殼間隙、填充系數對揉切效果影響較大。為保證有效揉切，提升工作效率，減少物料堆積，取攪龍轉速20～40 r/min；加工時間4～12 min；刀片與底殼間隙15～35 mm；填充系數0.3～0.7。根據Box-Behnken響應面設計理論[35]，將粒度1、破節率2、單位質量能耗3作為響應值，開展四因素三水平響應面試驗研究，試驗因素和水平如表2所示。

表2 試驗因素和水平

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 試驗結果

利用Design-Expert11.0軟件設計四因素三水平Box-Behnken試驗，試驗包括24組分析因子和5組零點估計誤差，共29組試驗點。試驗方案與結果如表3所示。

3.3.2 回歸模型建立與顯著性檢驗

使用Design-Expert11.0軟件對表3中的數據進行分析和多元回歸擬合，方差分析結果如表4所示，建立1、2、3對1、2、3、4的回歸方程并對其顯著性進行檢驗。

表3 甘草莖稈揉切試驗設計方案與結果

1）粒度顯著性分析

粒度方差分析結果如表4所示，1模型<0.000 1，表明此回歸模型極顯著，其絕對系數2值為0.91，表明該模型可以擬合91%以上的試驗結果，其中123232242對粒度模型影響極顯著，413對粒度模型影響顯著，12對粒度模型影響較顯著。各變量對粒度的影響顯著性由大到小為加工時間、攪龍轉速、填充系數、刀片與底殼間隙。剔除不顯著因素，得到各變量對粒度的二次回歸方程如式（13）所示，并對其失擬性進行檢驗，失擬項>0.1，表明二次回歸方程擬合度高。

2）破節率顯著性分析

破節率方差分析結果如表4所示，2模型<0.000 1，表明此回歸模型極顯著，其絕對系數2值為0.96，表明該模型可以擬合96%以上的試驗結果。其中1、2、3、4對破節率模型影響極顯著，12、14對破節率模型影響顯著，23、22對破節率型影響較顯著。各變量對破節率的影響顯著性由大到小為加工時間、填充系數、攪龍轉速、刀片與底殼間隙。剔除不顯著因素，得到各變量對粒度的因素值二次回歸方程如式（14）所示，并對其失擬性進行檢驗，失擬項>0.1，表明二次回歸方程擬合度高。

3）單位質量能耗顯著性分析

能耗方差分析結果如表4所示，3模型<0.000 1，表明此回歸模型極顯著，其絕對系數2值為0.97，表明該模型可以擬合97%以上的試驗結果。其中1、2、3、12、13、23、32對破節率模型影響極顯著，24、34對粒度模型影響顯著。各變量對單位質量能耗模型的影響顯著性由大到小為填充系數、加工時間、攪龍轉速、刀片與底殼間隙。剔除不顯著因素，得到各變量對粒度的因素值二次回歸方程如式（15）所示，并對其失擬性進行檢驗，失擬項>0.1，表明二次回歸方程擬合度高。

3.3.3 交互因素對揉切性能的影響

利用Design-Expert11.0軟件生成模型的響應曲面圖，如圖8所示。根據響應曲面分析1、2、3、4的交互因素對響應值1、2、3的影響規律。

1）粒度的影響分析

圖8a～圖8b分別為1與3、2與3對1交互作用的響應面曲線。由圖可知：當填充系數增大時，粒度增大；當轉速增大時，粒度先減小后增大；當加工時間增加，粒度減小。

其原因可能是隨著填充系數的增加，料箱內物料增多，在時間一定的情況下，裝置作用在單位體積甘草莖稈上的作用力減少，導致粒度增大；當攪龍轉速增大時，此時刀片線速度增大，刀片與定刀及殼體對莖稈的作用次數增加，對其切割次數增多，粒度隨之減小；隨著加工時間的增加，裝置作用在物料上的次數增加，對甘草莖稈的切割、揉搓次數也隨之增加，粒度減小。

2）破節率的影響分析

圖8c～圖8e分別為1與2、1與4、2與3對2交互作用的響應面曲線。由圖可知：當攪龍轉速逐漸增大時，破節率快速上升后趨于平穩；當加工時間增長時，破節率上升；當刀片與底殼間隙擴大和填充系數上升時，破節率下降。

其原因可能是隨著攪龍轉速和加工時間的增加，甘草莖稈受力次數增加，破節率隨之上升；當刀片與底殼間隙擴大時，依靠底殼與刀片及螺旋葉片的作用對物料進行的揉搓效果減弱，導致破節率隨之下降；當填充系數增加時，料箱內物料隨之增多，單位時間內對物料的平均作用次數隨之減少，造成破節率下降。

3）單位質量能耗的影響分析

圖8f～圖8j分別為1與2、1與3、2與3、2與4、3與4對3交互作用的響應面曲線。由圖可知：當攪龍轉速和加工時間增大時，單位質量能耗上升；在攪龍轉速為較低水平時，當填充系數增大，單位質量能耗呈先下降后上升趨勢，當攪龍轉速為較高水平時，當填充系數增大，單位質量能耗呈現下降趨勢；當刀片與底殼間隙逐漸增大，加工時間處于較低水平時，單位質量能耗上升，加工時間處于較高水平時，單位質量能耗下降。

表4 回歸方程方差分析

注：＜0.01（極顯著）；0.01≤＜0.05（顯著）；0.05≤＜0.1（較顯著）。

Note:<0.01 (extremely significant); 0.01≤＜0.05 (significant); 0.05≤＜0.1 (more significant).

圖8 交互因素對粒度Y1、破節率Y2和單位質量能耗Y3的交互影響

其原因可能是隨著攪龍轉速的增大，刀片切割甘草莖稈過程中的力隨之增大，造成單位質量能耗增加；物料加工質量不變的情況下，隨著加工時間的增加，能耗隨之增加，粒度迅速下降，破節率上升，物料單位體積密度上升，攪龍作用在物料上對其進行切割揉搓所需的能耗也隨之上升，單位質量能耗也增加；攪龍轉速較低時，填充系數增大，物料質量也隨之增大，填充系數還未增加到一定數值前，加工增加物料所需增加的能耗增長率沒有超過填充系數的增長率，造成單位質量能耗的下降，待填充系數超過一定數值，使得加工物料所需增加的能耗的增長率超過填充系數的增長率，造成單位質量能耗的增加，呈現上升趨勢；在加工時間處于較低水平時，此時大部分時間用于對整捆甘草莖稈進行破捆，物料粒度還較大，刀片與底殼間隙越大所能進入的刀片與底殼作用區域的物料越多，所需能耗隨著刀片與底殼間隙的增加而增加，當加工時間處于較高水平時，此時物料有充足的時間進行加工，粒度較小，間隙中處于物料填充狀態，間隙越小，攪龍作用在底殼上的力越大，所需能耗也增大，故隨著刀片與底殼間隙的增大，單位質量能耗呈現下降趨勢。

3.4 參數優化與驗證

為使分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置性能達到最佳，對樣機試驗中的影響因子進行優化。根據工作條件、性能要求和上述分析結果，利用DesignExpert11.0軟件對模型進行優化分析，約束條件為

求解結果為攪龍轉速25.23 r/min、加工時間11.92 min、填充系數0.46、刀片與底殼間隙16.04 mm，此時粒度為12.62 mm；破節率為85.66%；單位質量能耗為9 633.23 J/kg，裝置作業性能達到最優。為驗證模型的準確性，基于試驗條件，圓整轉速為25 r/min，加工時間12 min，填充系數0.46，刀片與底殼間隙15 mm，進行3次試驗驗證，取平均值，結果如表5所示。

表5 模型優化值與驗證試驗值對比

通過驗證試驗結果可知，試驗值與模型理論優化值誤差不超過7%，優化模型合理可行，滿足作業要求。

4 結 論

1）設計了一種甘草莖稈揉切裝置，采用分段螺旋式攪龍結構，并分析其作業過程，確定結構參數和工作參數對裝置作業效果的影響。

2）開展響應面試驗研究，建立了甘草莖稈粒度、破節率、單位質量能耗對四因素三水平的二次多項影響模型，確定各因素對粒度影響顯著順序由大到小為加工時間、攪龍轉速、填充系數、刀片與底殼間隙；對破節率的影響顯著順序由大到小為加工時間、填充系數、攪龍轉速、刀片與底殼間隙；對單位質量能耗的影響顯著順序由大到小為填充系數、加工時間、攪龍轉速、刀片與底殼間隙。并分析了攪龍轉速、加工時間、填充系數、刀片與底殼間隙對揉切后甘草莖稈粒度、破節率以及單位質量能耗的影響趨勢。

3）利用Box-Behnken組合試驗法優化分析得出分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置最優工作參數組合，最終采用攪龍轉速25 r/min、加工時間12 min、填充系數0.46、刀片與底殼間隙15 mm，并進行驗證試驗，最終甘草莖稈的揉切粉碎粒度為11.76 mm；破節率為83.27%；單位質量能耗為9 959.82 J/kg，與預測模型相對誤差不超過7%，模型可靠，滿足作業要求。

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Design and experiments of segmented helical kneading and cutting device for licorice straw

Wen Baoqin1,2, Wang Kaifei1, Kan Za1,2※, Li Jingbin1,2, Li Liqiao1,2, Liu Shuangyin1,3,4

(1.,,832000,; 2.,832000,; 3.,,510225,; 4.,510225)

Kneading and cutting the licorice stalk for the whole total mixed ration can be used to effectively improve the quality of beef and mutton products. In this study, a segmented helical device was introduced to knead and cut the licorice stalk. The segmented helical auger was placed horizontally in the material box, and rotated in a clockwise to knead and chop the licorice stalk. Meanwhile, it can be transported in the axial direction to make the material accumulate in the middle and fall back, thereby to achieve efficient knead and cut of the licorice stalk repeatedly. The structure style, blade edge curve, and auger structure parameters were designed to reduce the axial conveying speed, while improve material cutting probability. A theoretical analysis and a developed test bench were carried out in the cutting and kneading process of a licorice stalk in the device. A four factors and three levels Box-Behnken test was performed, where the factors included the rotation speed of the segmented helical auger, processing time, fill-factor, clearance between blade and bottom case, while, the particle size, breaking rate, and the energy consumption of unit mass as indexes. The test data was analyzed by variance analysis and quadratic regression fitting. The significant influence of single factors on particle size was ranked in the order from high to low: the processing time, the rotation speed of segmented helical auger, fill-factor, clearance between blade and bottom case. The results showed that the influence factors on the breaking rate were in the order from high to low: processing time, fill-factor, rotation speed of segmented helical auger, clearance between blade and bottom case. The significant influence on the energy consumption of unit mass was in the following order from high to low: fill-factor, processing time, rotation speed of segmented helical auger, clearance between blade and bottom case. Meanwhile, the analysis of response surface showed that the grain size increased as the fill-factor increased. The particle size first decreased, and then increased with the rotation speed increased. The grain size decreased as the process time increased. When the processing time was at a low level, the grain size increased with the increase of the fill-factor. While the process time was at a high level, the grain size decreased with the increase of the fill-factor. The breaking rate increased with the increase of machining time and rotation speed, and decreased with the increase of clearance and fill-factor between the blade and the bottom case. The energy consumption of unit mass increased with the increase of the rotation speed and the processing time. However, when the rotation speed was at a low level, the energy consumption of unit mass decreased first and then increased as the fill-factor increased. When the rotation speed was at a high level, the energy consumption of unit mass decreased with the increase of the fill-factor. When the clearance between the blade and the bottom case increased gradually and the processing time was at a lower level, the energy consumption of unit mass increased, while decreased when the processing time was at a higher level. At the same time, these parameters were optimized and verified through response surface technologies. The experimental results showed that when the rotation speed, processing time, the fill-factor, and the clearance between blade and bottom case were 25 r/min, 12 min, 0.46, and 15 mm, respectively, the particle size and the breaking rate of the licorice stalk were 11.76 mm, 83.27%, respectively. Currently, the energy consumption of unit mass was 9 959.82 J/kg, the error between the experimental value and the theoretical value was not more than 7%, indicating in reasonable agreement with the requirements of crushing operation. This finding can provide a theoretical basis for the research and development of TMR mixer.

design; experiments; straw; kneading; cutting; segmented helical

溫寶琴，王凱飛，坎雜，等. 分段螺旋式甘草莖稈揉切裝置設計與試驗[J]. 農業工程學報，2020，36(23)：1-11.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.001 http://www.tcsae.org

Wen Baoqin, Wang Kaifei, Kan Za, et al. Design and experiments of segmented helical kneading and cutting device for licorice straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(23): 1-11. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.001 http://www.tcsae.org

2020-08-01

2020-11-24

國家自然科學基金資助項目（51775358，61871475，61471133，61571444）；廣東省科技計劃項目（2017B0101260016）；廣東普通高校工程技術研究中心（2017GCZX0014）；廣東省普通高校省級重大科研項目（2016KZDXM0013）；廣東省教育廳特色創新項目（2017KTSCX094）；石河子大學2017年度自主資助支持校級科研項目（ZZZC201738B）

溫寶琴，博士生，副教授，主要從事畜牧機械研究。Email：wendy-wbq@163.com

坎雜，教授，博士生導師，主要從事農業機械研究。Email：kz-shz@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.001

S817.12

A

1002-6819(2020)-23-0001-11