自走式全混合日糧制備機取料裝置設計與試驗

陳兆英 王保興 范國強 董和銀 王忠宇 王玉亮

(1.山東農業大學機械與電子工程學院， 泰安 271018； 2.山東省農業裝備智能化工程實驗室， 泰安 271018；3.泰安意美特機械有限公司， 新泰 271215； 4.泰安市畜牧智能裝備產業技術研究院， 新泰 271215)

0 引言

我國奶牛養殖業飛速發展，集約化、規模化和標準化養殖已成為持續提高牛奶產量、保障乳制品質量及安全的必然選擇[1]。全混合日糧(Total mixed ration,TMR)飼養技術能夠解決傳統精粗分飼方法飼喂奶牛所造成的瘤胃pH值波動大，易產生酸中毒，以及瘤胃微生物合成菌體蛋白效率低的問題，已經被畜牧業發達國家奶牛飼養普遍采用[2-5]。

具備稱重功能，通過切割、揉搓、攪拌等方式生產TMR的制備機是關鍵作業機具，目前主要分為固定式、牽引式和自走式[6]。歐美國家已經大量的采用自走式TMR制備機，該機采用先進的機電液控制技術，把牛羊的精飼料和粗飼料的取料、加工調制、攪拌混合、送料和喂料一體化作業，實現了針對不同階段牛群和羊群飼養的機械化、自動化、定量化和營養均衡化，是發展現代化畜牧養殖的高端機械產品，是實現集約型機械化牛場的先進技術，是畜牧業實現低投入、高產出的重要途徑之一。目前歐美發達國家的研究成果主要集中在企業，主要品牌有德國的斯諾金、以色列的RMH和意大利的斯達特等。

近年來，我國TMR飼養技術推廣取得較大的進步，TMR制備機的制造企業逐漸增多。但將取料、攪拌和撒料集成在一起的自走式TMR制備機尚要從國外進口，國內未攻克關鍵技術，也未形成產業化。其中，青貯取料和輸送是該機關鍵的作業部件，決定取料效率和能源消耗，設計不合理的取料裝置在使用中經常發生卡死現象。目前國內有關自走式青貯取料機和自走式TMR制備機的研究已見報道[7-9]，但有關取料機理、防堵塞和改進方法的研究比較缺乏。如何提高取料效率、防止卡死和降低能源損耗，成為國產自走式TMR制備機亟待解決的問題。為此，本文對25 m3自走式TMR制備機的取料及輸送機構進行設計、分析和試驗。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

自走式TMR制備機主要由取料機構、帶式輸送機構、立式攪拌機構、帶式撒料機構、底盤、傳動系統及操控系統組成，25 m3自走式TMR制備機結構如圖1所示。內燃機為傳動系統提供動力，取料機構由液壓系統驅動進行取料作業，帶式輸送機構連接在取料機構的后上方，將物料輸送到后方的立式攪拌機構中。立式攪拌機構對物料進行混合攪拌和切割，撒料機構將制備好的日糧拋撒到喂食區。

圖1 25 m3自走式全混合日糧制備機結構圖Fig.1 Structure diagram of 25 m3 self-propelled TMR preparation mixer1.取料機構 2.帶式輸送機構 3.立式攪拌機構 4.帶式撒料機構 5.底盤 6.傳動系統 7.操控系統

中型載重車輛輪距基本在2 000 mm左右，取料寬度LW設為2 000 mm。國內青貯料堆最大高度一般低于5 000 mm，取料最大高度設為5 000 mm。取料與輸送機構設計參數為：取料寬度2 000 mm、取料高度5 000 mm、取料效率大于等于60 m3/h、回流率小于等于30%。

1.2 取料裝置

取料裝置包括：取料機構、帶式輸送機構和傳動系統，下面分別闡述各部件結構和原理。

1.2.1取料機構

取料機構主要由滾筒、螺旋葉片、取料刀片、刮料板、主軸、液壓馬達和滾筒護罩組成，滾筒中心為取料主軸，液壓馬達連接取料主軸，兩段旋向相反的螺旋葉片焊接在滾筒上，取料刀片安裝在螺旋葉片上，護罩中間位置開設有缺口，如圖2所示。

圖2 取料機構結構示意圖Fig.2 Schematic of reclaimer1.滾筒 2.螺旋葉片 3.取料刀片 4.刮料板 5.主軸 6.液壓馬達 7.滾筒護罩

液壓馬達帶動滾筒高速旋轉，安裝在螺旋葉片上的取料刀片將青貯料切割或撥落。旋向相反的螺旋葉片和呈螺旋狀排列的取料刀將青貯料沿著軸向推動到中間位置，在滾筒中間位置的刮料板將物料從護罩缺口處拋送到后上方的帶式輸送機構上。通過調整液壓馬達的轉速，可以控制取料的效率。

1.2.2帶式輸送機構

帶式輸送機構主要由輸送液壓馬達、主動輥、被動輥、輸送帶、帶護罩和舉升液壓缸組成，輸送帶上設有擋料板，如圖3所示。

圖3 帶式輸送機構示意圖Fig.3 Schematic of belt conveyor1.輸送液壓馬達 2.主動輥 3.輸送帶 4.舉升液壓缸 5.被動輥 6.帶護罩

輸送液壓馬達帶動主動輥高速旋轉，拉動輸送帶向后上方移動，將拋送到帶上的物料向后上方輸送。帶上間隔設置的擋料板能夠防止物料下滑，提高輸送效率。

1.2.3傳動系統

采用液壓系統驅動取料機構與輸送機構，液壓系統原理如圖4所示。

圖4 液壓系統原理圖Fig.4 Principle of hydraulic system1.油箱 2.過濾器 3.齒輪泵Ⅰ 4.變量泵 5.發動機 6.齒輪泵Ⅱ 7.排量控制閥 8.補油閥 9.雙聯換向閥組 10.送料馬達 11.舉升液壓缸 12.沖洗閥 13.取料馬達 14.散熱器

2 關鍵部件設計

2.1 取料機構

2.1.1取料刀回轉半徑

取料效率Iv為60 m3/h，螺旋葉片直徑D為[10-11]

(1)

式中K——物料綜合系數，取0.049

φ——填充系數，取0.45[12]

C——傾角校正系數，取1

計算得D≥347 mm。取料刀的回轉半徑對取料滾筒的平衡和振動影響較大，目前秸稈與根茬粉碎還田機的動刀回轉半徑在240～300 mm范圍內[13-16]。考慮刀具末端線速度和主軸動平衡等因素，選取取料刀的回轉半徑R為300 mm，螺旋葉片最外緣直徑D取500 mm，內緣直徑d取420 mm。

2.1.2螺旋葉片螺距

螺旋葉片最大螺距應滿足兩個條件[17]：

(1)物料在螺旋面軸向作用力PS>0，為了使PS>0，需滿足

(2)

式中α——螺旋葉片最小半徑處螺旋升角，(°)

ρ——物料摩擦角，為24°[18]

計算得α<66°。由此條件可知，最大許用螺距

(3)

(2)物料具有最合理的速度分量

物料應具有盡可能大的軸向輸送速度，應使螺旋面上各點的軸向輸送速度大于圓周速度。由此并根據文獻[17]中螺距公式推導得

(4)

螺距增加時軸向輸送速度增大，但圓周速度隨之增大，使得速度分量分布不恰當。對于輸送流動性較好物料(如小麥)的臥式螺旋輸送機，一般按S取(0.8～1)D計算螺距。青貯料顆粒細長且柔性大，流動性差，需降低螺距。自走式全TMR制備機取料機構是一種半封閉結構，過大的圓周速度會造成物料飛濺，降低輸送能力，因此本設計螺旋葉片的螺距S取值較小，初選S=0.5D(0.25 m)，螺旋升角為9°。

2.1.3取料刀密度

為了便于平衡，每圈螺旋安裝偶數把取料刀具，為了加大取料面積，將一半數量的刀彎折30°，另一半數量的刀為直刀。彎刀刃口在取料方向的投影長度為30 mm(如圖5所示)，直刀刃口在取料方向的投影長度為10 mm。

圖5 取料彎刀結構示意圖Fig.5 Reclaiming scimitar

為衡量取料刃口的長度與取料寬度之間的關系，本設計提出取料刃長度比C，即

(5)

式中LD——刀刃在取料寬度方向投影長度，mm

取料刃長度比C大，物料回流率低，但功耗也越大。取料刃長度比C小，功耗減小，但物料容易漏取。統計國外取料機構刀具螺旋排列密度，取料刃長度比C約為1.2，本設計取C=1.25。取料刀纏繞螺距S為250 mm，選取彎刀8把，直刀8把。

2.1.4取料轉速與每刃進給量

取料轉速決定了物料輸送能力與取料能力，首先確定物料螺旋輸送所需轉速，然后再確定刀具進給量。

(1)螺旋輸送轉速

螺旋葉片所需最小轉速為[16]

(6)

計算得n1=154 r/min。

(2)每刃進給量

進給取料過程如圖6所示。

圖6 進給取料示意圖Fig.6 Reclaiming diagram

忽略物料飛濺，進給速度vf為

vf=Iv/(60RLW)

(7)

式中R——取料刀回轉半徑，mm

計算得vf為1.67 m/min。

取料時，每刃進給量對刀具受力起著決定性的影響，取料進給速度與每圈螺旋刀具數量Z、切削轉速n1、每刃最小進給量之間關系為

vf=fzZn1

(8)

式中fz——每刃進給量，mm

Z——每圈螺旋刀具數量，取16

計算得每刃進給量fz為0.68 mm，進給量較小，刀具受力較小。

2.1.5拋料速度與物料射入角

滾筒轉速n1為154 r/min，則物料在圓周方向的速度vt為

(9)

計算得圓周速度vt為4.84 m/s，物料以直線的運動方式射向上擋料板。以取料最低點為計算依據，物料拋送如圖7所示，輸送帶與地面夾角為β，物料拋射方向與上擋板法線之間夾角為物料射入角γ，上擋料板與輸送帶之間距離為h1。物料在輸送帶上的拋送距離L2與vt、γ、h1具有重要的關聯。

圖7 物料拋送示意圖Fig.7 Schematic of material ejection

為降低輸送帶長度與減小輸送帶傾斜角，取β為45°。青貯料密度小，反彈性能差，加大物料在輸送帶上的拋送距離，對于減輕物料擁堵具有重要的意義。取物料射入角γ為54°，此時物料在輸送帶上的拋撒距離L2>500 mm。

最終確定的取料機構參數如表1所示。

表1 取料機構主要參數Tab.1 Main parameters of reclaimer

2.2 輸送機構

輸送帶采用PVC工業輸送帶，厚度為3 mm，寬度L3為0.77 m，主動輥直徑Ф為120 mm。由于帶速vd允許范圍為2～4 m/s[19]，得出主動輥轉速為318～636 r/min。選取液壓馬達直接帶動滾筒，馬達轉速n2為500 r/min。物料在輸送帶隔板上的狀態如圖8所示。

圖8 物料輸送示意圖Fig.8 Schematic of material conveying

物料輸送效率為

(10)

式中T——隔板間距，為0.225 m

h2——隔板高度，m

計算得h2為0.045 m，取h2=0.05 m。

3 仿真分析

3.1 仿真模型建立與試驗設計

3.1.1仿真模型建立與物料特性參數選擇

顆粒離散元法(Discrete element method，DEM)是模擬顆粒系統仿真分析的一種物體系統動力學數值計算方法。為簡化計算過程，仿真分析采用秸稈青貯飼料中的主要物質玉米秸稈皮和皮瓤作為物料，統計實際物料的平均尺寸，然后將外形尺寸放大一倍，用球形顆粒組合模擬二者的外形。秸稈皮的顆粒模型長為91 mm，寬為10 mm，高為10 mm，密度為287 kg/m3；皮瓤的顆粒模型長為39 mm，寬為38 mm，高為26 mm，密度為153 kg/m3。物料特性參數如表2所示[20]。

表2 物料特性參數Tab.2 Material properties of particles

在SolidWorks中建立取料機構的三維實體模型，以stp格式導入EDEM中。

3.1.2仿真試驗設計

青貯發酵后顆粒之間未發生明顯粘結和團聚現象，研究采用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型進行仿真。設定秸稈皮顆粒數5 900，皮瓤顆粒數8 000，總計產生13 900個顆粒。顆粒工廠每秒產生20 000個顆粒，初始速度2 m/s。

影響取料機構關鍵因素為取料進給速度、取料滾筒轉速等，以取料效率、回流率和取料滾筒的驅動扭矩為取料性能指標。統計單位時間內取的物料質量，計算取料效率。將單位時間內飛濺出的物料質量與單位時間內取入滾筒內總物料質量相比，得到回流率。回流率越低，說明取料效果越好。根據預試驗，單因素試驗中所取取料滾筒進給速度為1.0、2.5、4.0 m/min，取料滾筒轉速為160、230、300 r/min。

3.2 取料進給速度影響取料效果的仿真分析

仿真條件：取料轉速為230 r/min，帶輸送速度為2 m/s。取料裝置在1.0、2.5、4.0 m/min進給速度下物料速度分布如圖9所示。隨著進給速度增大，取料效果增強。

圖9 不同取料進給速度下顆粒速度分布圖Fig.9 Distribution diagrams of particle spreading speed at different feed speeds

3種取料進給速度下取料效率和回流率如圖10所示，隨著取料進給速度的增加，取料效率快速上升，回流率也快速上升。當進給速度為4 m/min時，回流率高達50.05%。此時物料飛濺嚴重，再次取料會造成物料的過度切割，難以滿足反芻動物的需求。因此，取料進給速度的選擇應在滿足取料效率的前提下盡可能降低回流率，在取料進給速度為2.5 m/min時，取料效率為66.96 m3/h，滿足設計目標。但回流率為33.78%，需要降低到30%以下。

圖10 不同取料進給速度下取料效率和回流率變化曲線Fig.10 Effect of feed speed on reclaiming efficiency and reflux rate

3種取料進給速度下取料滾筒驅動扭矩如圖11所示，隨著取料進給速度的增加，驅動扭矩快速上升。由圖9c可知，在取料進給速度過快時，進入取料滾筒的料增多，物料回流率增大，飛濺出的物料增多，未被取的物料被快速推向前方，以上原因使得能量消耗增大，取料扭矩急劇增大。

圖11 取料滾筒扭矩變化曲線Fig.11 Curve of roller torque

3種取料進給速度下以Stream方式顯示的秸稈顆粒運動軌跡如圖12所示，其中上圖為俯視圖，觀察物料在取料滾筒軸向分布和在護罩堆積情況，下圖為側視圖，觀察物料的反彈情況。

分析圖12，可以得到以下結論：

(1)無論哪種取料進給速度，大部分的顆粒均隨著取料滾筒高速旋轉，并未被推向中間上料區域。造成這種狀況的原因在于物料被高速旋轉的取料刀甩到滾筒護罩處，由于螺旋葉片距離護罩較遠且螺距較小，推料作用較小，大部分物料被高速旋轉的取料刀帶動，隨著取料滾筒轉動，而不是被快速推進。物料反復進入取料裝置，會造成過度切割。只有降低物料隨取料滾筒轉動，加大螺距，才能加快物料向中部的推進。

(2)隨著取料進給速度的增加，取料頭后上方顆粒運動速度減慢，顆粒堆積嚴重(圖中藍色區域1、2、3逐漸增多)。物料被高速旋轉的取料刀甩到滾筒護罩處，由于螺旋葉片距離護罩較遠且螺距較小，起不到推料的作用，而且護罩后部的導流傾角太小，因此產生物料堆積。只有加大護罩后部的導流角，才能使物料滑向中間上料區。

(3)隨著取料進給速度的增加，推進到輸送帶上方的顆粒射出方向基本與上擋板垂直，顆粒碰到上部擋料板后反彈回來，被取料刀高速帶走(圖中的藍色區域4、5、6逐漸增加)，這樣造成了取下來的料無法被推送到帶上料區，回流率加大。因此只有增大物料射入角γ，才能保證物料的拋送。

在本試驗中，宜選取滾筒轉速為230 r/min。為降低物料回流率，減少能耗，并提高取料效率，需要對取料滾筒上螺旋葉片的螺距、護罩后部的導流傾角和物料射入角等進行改進。

3.3 取料轉速影響取料效果的仿真分析

仿真條件：取料進給速度為2.5 m/min，取料轉速分別為160、230、300 r/min，3種取料轉速下物料速度分布如圖13所示。隨取料轉速增大，上料效果增強。

圖13 不同取料轉速的物料速度分布Fig.13 Particle velocity distributions of different rotation speeds

取料轉速對取料效率和回流率的影響如圖14所示：隨著取料轉速的增加，取料效率增大，分別為55.57、66.96、71.76 m3/h，但取料轉速為230 r/min時取料效率增幅較大；隨著取料轉速的增加，回流率降低，分別為37.79%、33.78%和30.81%，基本呈線性減小。

圖14 不同取料轉速時取料效率和回流率變化曲線Fig.14 Effect of rotation speed on reclaiming efficiency and reflux rate

取料轉速對取料滾筒驅動扭矩的影響如圖15所示，隨著取料轉速的增加，驅動扭矩增大。但取料轉速超過230 r/min后扭矩快速增加，功耗較大。

圖15 不同取料轉速時取料滾筒驅動扭矩變化曲線Fig.15 Effect of rotation speed on driving torque of drum

3種取料轉速下以Stream方式顯示的秸稈顆粒運動軌跡如圖16所示，圖中不同顏色表示顆粒速度。通過對比可以發現，隨著取料轉速的增加，滾筒后部顆粒推進運動速度增大，堆積現象減小。秸稈顆粒被拋出的距離增加，上料效果好。取料滾筒轉速較小的情況下，不利于顆粒的流動，易產生堵塞現象。轉速增加使得顆粒獲得的動能增加，顆粒的流動性能較好，能夠降低堵塞現象，但是功率消耗增加。

圖16 以Stream方式顯示的不同取料轉速下顆粒運動軌跡Fig.16 Particle trajectories displayed in Stream at different rotation speeds

綜上所述，增加取料轉速能提高取料效率并降低回流率，但超過一定轉速后，所需的取料功率急劇增大，不利于減小耗能。在本試驗中，宜選取滾筒轉速為230 r/min。

4 結構改進設計

4.1 取料刀安裝螺距

取料滾筒在取料過程中，物料逐漸被推向中間上料位置，需要靠近中間上料位置的螺旋葉片和刀具將物料快速推進到上料區，因此靠近上料區的螺旋葉片應取較大的螺距，改進后的螺距如表3所示(左端刀具纏繞螺距逐漸向右加大，右端刀具纏繞螺距逐漸向左加大)。

表3 改進后的取料刀安裝螺距Tab.3 Optimized installation pitch of reclaiming tool mm

最終改進后的取料刀排列如圖17所示，為加快拋料速度，在取料滾筒中間的上料位置設置2塊刮料板，并將刮料板加長為200 mm。

圖17 取料刀改進后排列Fig.17 Optimized arrangement of reclaiming tools

4.2 滾筒護罩

如圖18所示，將護罩后部兩側的導流板傾角加大，左側由20°增至40°，右側由16°增至26°，均大于物料的摩擦角24°。

圖18 滾筒護罩改進示意圖Fig.18 Optimization diagram of drum shield1.右側導流板 2.輸送帶外殼 3.上擋料板 4.左側導流板

4.3 物料射入角

將輸送輥向取料滾筒的后下方移動(圖7)，將物料射入角γ增大為64°，降低顆粒的回彈。

進行結構改進后的取料仿真分析，仿真條件：取料裝置進給速度為2.5 m/min，取料滾筒轉速為230 r/min，帶上料速度為2 m/s。顆粒速度分布如圖19所示，結構改進后，處于上料區的顆粒比例明顯增多，回流率顯著降低。

圖19 結構改進后顆粒速度分布圖Fig.19 Particle velocity distribution after optimization

結構改進后以Stream方式顯示的顆粒運動軌跡如圖20所示，通過對比相同取料運動參數下的仿真圖(圖12b)可以發現，在結構改進后的取料滾筒上，隨滾筒與取料刀高速轉動的物料明顯減少，顆粒的流動性增加，裝置后上方未出現明顯的低速區域，物料不會產生堆積。絕大部分的物料經過上擋料板反彈后落到輸送帶上，降低了物料回流率。

圖20 結構改進后以Stream方式顯示的顆粒運動軌跡Fig.20 Particle trajectory displayed in Stream after structure optimization

與結構改進前相同運動參數的仿真數據相比：取料效率從66.96 m3/h增加到79.92 m3/h，增幅較大；物料回流率由33.78%快速降低到27.58%，達到設計指標；驅動扭矩由1 191.96 N·m降低到433.95 N·m，功耗大幅降低。

5 試驗

5.1 試驗條件與測試指標

試驗在泰安意美特機械有限公司內進行，試驗秸稈皮長度在20～92 mm之間，皮瓤長度在8～43 mm之間，含水率為57%。在平整干凈的混凝土地面上，取青貯料碼放在取料機前方，料堆尺寸(長×寬×高)為1 000 mm×3 000 mm×800 mm，樣機性能試驗如圖21所示。選取料轉速為230 r/min，取料進給速度為2.5 m/min，進行現場試驗。試驗取3次測量數據的平均值進行分析，主要測試指標：取料液壓系統壓力、取料寬度、取料高度、取料效率、回流率。

圖21 樣機性能試驗Fig.21 Performance test of prototype

5.2 試驗結果與分析

在未對取料裝置進行改進的第一代樣機試驗中，取料裝置經常發生卡死，取料液壓系統的峰值壓力為27 MPa，整個系統發生溢流，發動機負載增大，容易熄火。采用改進裝置進行試驗，各關鍵部件工作穩定，能夠可靠地完成青貯的取料和輸送，沒有發生堵塞、卡死和憋車現象，液壓系統壓力穩定在17～21 MPa之間。仿真與試驗結果對比如表4所示。

表4 仿真與試驗結果對比Tab.4 Comparison of simulation and experiment

兩者基本吻合，證實了仿真分析的可靠性。測試指標均達到了設計目標，滿足了養殖場的使用要求。

6 結論

(1)設計了由滾筒式取料機構和輸送機構構成的取料裝置，建立了取料作業的理論模型，并對取料刀回轉半徑、取料刀與螺旋葉片螺距、取料刀密度、取料轉速、進給量、拋料速度和物料射入角等關鍵參數進行了設計與計算。為衡量取料刃口的長度與取料寬度之間的關系，本設計提出取料刃長度比C的概念。

(2)采用EDEM對取料進給速度進行了仿真，分析表明，大部分物料被高速旋轉的取料刀帶著隨取料滾筒轉動。隨著取料進給速度增加，取料效率快速上升，但回流率也快速上升。當進給速度為4 m/min時，回流率高達50.05%，造成物料過度切割，能耗加大，滾筒易卡死，因此不宜采取較大的取料進給速度。

(3)取料轉速仿真分析表明，較小的取料轉速不利于顆粒流動，易產生堵塞。隨著取料轉速增加，滾筒后部顆粒推進速度增大，顆粒獲得的動能增加，顆粒流動性能較好，取料效率增大，回流率降低。但當青貯飼料取料轉速超過230 r/min后扭矩和能耗快速增加，因此對于青貯飼料宜選取料轉速為230 r/min。

(4)對取料裝置的結構進行了改進：加大取料刀與螺旋葉片螺距；加長刮料板長度，采用2塊刮料板；加大護罩后部兩側的導流板傾角；增大物料射入角γ。仿真分析表明改進效果顯著，功耗降低64%。取青貯料進行試驗，改進后的取料裝置能夠可靠地完成青貯的取料和輸送，沒有發生堵塞和憋車現象。試驗結果與仿真分析基本一致，取料寬度為2 000 mm，取料高度為5 050 mm，取料效率為75.02 m3/h，回流率為28.95%，達到了設計目標。