回轉式日糧混合機混合機理分析與性能試驗優化

李利橋 王德福 李 超

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

回轉式日糧混合機混合機理分析與性能試驗優化

李利橋 王德福 李 超

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

針對我國日糧混合機機理研究及自主設計不足的問題，結合我國畜牧業發展的實際需要，設計了一種在筒體內壁安裝抄板的回轉式日糧混合機，實現日糧的均勻混合。為揭示其混合機理，利用回轉式日糧混合試驗裝置，借助高速攝像技術對其混合過程進行了觀察和分析，結果可知：按筒體內物料顆粒群運動特征可將物料分布區域劃分為提料區、拋落區、回料區，其中拋落區是主混合區，其物料以剪切混合為主、以擴散與對流混合為輔，且各個區域的位置、大小、形狀受結構和運行參數的影響很大；同時，以筒體轉速、物料裝載率、混合時間、抄板安裝角和抄板高度為試驗因素，以變異系數、凈功耗為評價指標，采用五因素五水平(1/2部分實施)正交旋轉組合試驗方法進行了性能優化試驗，并確定其最佳參數組合為：筒體轉速23.5 r/min、物料裝載率65%、混合時間4 min、抄板安裝角11°、抄板高度109 mm，此時變異系數、凈功耗分別為2.09%、33.734 kJ，比優化前分別降低了64.4%和15.1%。

日糧混合機； 回轉式； 抄板； 混合機理； 試驗

引言

為克服傳統精粗分飼方法的不足，牛場正在推廣應用將營養配方中粗飼料、精飼料及各種添加劑混合均勻的日糧飼養技術，該飼養技術具有營養均衡、飼喂效率高、飼養成本低等優點[1-2]，而拓展其應用的關鍵在于研制日糧混合機。

畜牧業發達國家研究日糧混合機起步較早，生產的機型主要分為立式和臥式兩大類，其中立式主要包括單輸送器日糧混合機和雙輸送器日糧混合機，臥式主要包括撥輪式、轉臂式、回轉式、單輸送器至四輸送器日糧混合機[3-4]，且各機型已趨向于系列化和自動化；但國外日糧混合機基本由企業完成，由于企業技術保密，關于其混合機理的研究報道和文獻資料很少；國外學者對其進行的研究主要偏重于應用研究，如日糧混合機混合加工性能及其混合均勻度試驗方法研究[5-6]。我國對日糧混合機的研究較晚，而且是從以引進的立式單輸送器日糧混合機、臥式三輸送器日糧混合機等為樣機進行改型設計開始的[4]；加之國內生產日糧混合機的企業規模較小，基于日糧混合機機理研究的創新性設計欠缺。進口日糧混合機價格高、配套動力大[4]，因此在跟蹤國外技術的同時，我國急需開展日糧混合機的機理研究及自主設計；我國學者開展的日糧混合機研究主要是針對已有混合機的試驗研究[2-3,7-8]，而對其混合機理、功耗的研究報道較少[4,9]。

為促進日糧飼養技術在我國的推廣應用，結合我國小規模牛場以及因牛舍與槽道限制而無法實現日糧直接投放傳統牛舍的實際需求和大中型混合機(尤其是固定式日糧混合機)在規?；鲋械膽矛F狀，急需配套結構簡單、制造及使用成本低、兼具混合及喂料功能的中小型日糧混合機。因此，根據上述需求，設計一種回轉式日糧混合機，其主要混合部件為筒體，可在此基礎上制成自走式日糧混合機以滿足應用需求。本文利用回轉式日糧混合試驗裝置，借助高速攝像技術對其混合過程進行觀察和分析，以揭示其混合機理，并對影響其混合性能的關鍵參數進行優化試驗。

1 總體結構與工作原理

設計的回轉式日糧混合試驗裝置主要由筒體、傳動系統和機架等部分組成，其外形尺寸(長×寬×高)為1.93 m×0.99 m×1.43 m，如圖1所示。其中混合核心部件——筒體是由外側圍板通過支臂、環形支撐框和端側擋板等部件與傳動軸(呈水平方向安裝)相連而成的一個整體，筒體直徑、寬度分別為806、584 mm，在筒體內壁安裝抄板(主要工作部件)，傳動軸一端通過鏈傳動機構與XWD-5型擺線針輪減速電動機連接，減速電動機固定在機架的下部。為便于觀察筒體內物料顆粒的運動情況，筒體端側擋板用透明有機玻璃板制作。

圖1 回轉式日糧混合試驗裝置總體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of overall structure of rotary ration mixing experimental device1.減速電動機 2.機架 3.外側圍板 4.環形支撐框 5.端側擋板 6.抄板 7.支臂 8.傳動軸

工作時，將各種精粗飼料及添加劑投入筒體內，由減速電動機通過傳動軸驅動筒體旋轉，在抄板對物料顆粒的托帶力、物料顆粒所受的離心力、物料顆粒相互間摩擦力等的綜合作用下，筒體底部的物料顆粒將隨筒體的旋轉而向上運動，并在被提升到一定高度后因受自身重力、抄板拋撒力等綜合作用而下落，形成以剪切混合為主、以對流與擴散混合為輔的混合過程，當物料顆粒下落至底部區域后，隨著筒體的旋轉，又將重復上述混合運動過程，并最終經過多次循環運動而得到分布均勻的日糧。

2 關鍵工作部件參數分析

抄板是筒體中用來提升和拋撒物料顆粒的主要工作部件，常用的抄板結構形式有直板、直角板、彎板，考慮到日糧中秸稈類物料顆粒(屬于典型的粘彈性物料，同時具備固體和流體的特性[10])占較大比例，并結合預試驗結果，本文將抄板設計為直板式。

由于抄板安裝角(抄板與傳動軸軸線之間形成的銳角)和抄板高度(抄板在筒體徑向上的高度)是決定抄板在筒體內分布情況的2個主要參數，故對其進行研究。

抄板對與其接觸的物料顆粒A的作用情況如圖2所示。圖中，θ1為抄板作用在物料顆粒A上的推力方向與抄板法線方向的偏轉角，該角主要由物料顆粒對抄板的摩擦角決定[9]；θ2為抄板安裝角；ω為筒體角速度，下同；Ft為抄板對物料顆粒的推力，可分解為周向力Fp和軸向力Fa。其中，周向力Fp的作用是推動物料顆粒在與傳動軸軸線垂直的橫截面內運動，并在到達一定高度后依靠自身重力和抄板拋撒力等綜合作用而下落，對物料顆粒相互間的剪切混合、擴散混合作用較大；軸向力Fa的作用是推動物料顆粒沿著傳動軸軸線方向不斷地從一個橫截面向另一個橫截面運動，對物料顆粒相互間產生一定的對流混合作用。因此，在抄板推力的作用下，物料顆粒在筒體內形成了一個沿周向和軸向的多方位復合運動，使得物料顆粒的位置重新排列，加快了物料顆粒間的變位和滲透混合。

圖2 抄板對物料顆粒的推力分解示意圖Fig.2 Thrust decomposition of shoveling plate to material particle

由圖2可知，抄板安裝角θ2越小，抄板推動物料顆粒的周向力Fp越大，軸向力Fa越小，影響了物料顆粒在三維空間上的變位和滲透混合。當抄板安裝角θ2增加到一定程度后物料顆粒所受的軸向力Fa也會減小，且其有效提升物料顆粒的作用減弱，即物料顆粒所受的周向力Fp減小，此時處于拋落狀態的物料顆粒數量減少，降低了混合效率。因此，抄板需與傳動軸軸線呈一定角度安裝。為探索抄板安裝角對混合性能的影響，結合筒體尺寸及相關資料[4]，將抄板安裝角設置為0°～32°可調。

為使物料顆粒在拋落過程中產生交替變向(交錯)的物料顆粒剪切面，將筒體內相鄰抄板按反向布置方式安裝，進而強化物理機械特性不同的精粗飼料在三維空間上相互變位和滲透。為獲得較佳的混合效果，結合上述分析結果、筒體尺寸、相關資料[11-13]及預試驗結果，確定抄板個數為10，此時抄板間距約為253 mm，其在筒體外側圍板上安裝的平面展開圖如圖3所示。

圖3 筒體內抄板排列展開圖Fig.3 Expanded diagram of arrangement of shoveling plates in drum

抄板高度較小時，抄板對物料顆粒的提升和拋撒能力較弱，混合運動較弱，混合效率較低。但抄板高度過大，會阻礙物料顆粒在筒體內的運動，不利于物料顆粒之間的混合。因此，結合筒體尺寸及相關資料[4,11-13]，設計抄板高度的可調極限范圍為50～150 mm。

3 混合過程分析

為實現較佳的混合效果，需要研究分析回轉式日糧混合機主要結構和運行參數對其混合過程的影響。本文在對其混合過程進行理論分析的基礎上，結合高速攝像技術對不同結構和運行參數下的混合過程進行觀察和分析。

3.1 混合過程中物料顆粒群的區域分布

通過混合過程觀察分析可知：在不同工況下，筒體內物料顆粒的運動狀態不同，但隨著筒體的旋轉，物料顆粒群的宏觀運動呈現出周期性的變化規律。為討論方便，根據筒體內不同物料顆粒群的運動變化情況，將筒體內物料運動區域劃分為提料區、拋落區、回料區(見圖4，不同工況下各區域的位置、大小、形狀不同)。

圖4 筒體內物料顆粒群運動區域分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of regional distribution of movement of material particle group in drum

(1)提料區

該區是由于物料顆粒受抄板的托帶力、物料顆粒所受的離心力、物料顆粒相互間摩擦力等的綜合作用而形成的，該區域內物料顆粒在隨抄板旋轉和上升的過程中徑向位移變化不明顯，但由于抄板帶動的物料顆粒群層較厚，超過抄板高度的物料顆粒層之間存在速度梯度(越靠近傳動軸，物料顆粒層速度越低)，使得物料顆粒層之間形成摩擦剪切面，進而發生剪切混合。該區域內物料顆粒的運動狀態主要受抄板高度、筒體轉速、物料裝載率(物料顆粒群所占容積與混合室容積之比)的影響。

(2)拋落區

該區是由于提料區內物料顆粒被提升到一定高度后受自身重力、抄板拋撒力等的綜合作用下落而形成的，該區域內物料顆粒在拋落過程中會產生交錯的物料顆粒剪切面(因相鄰抄板按反向布置方式安裝)，同時拋落的物料顆粒與提料區表層上的物料顆粒相互摩擦和碰撞，使得物料顆粒相互間形成較強烈的以剪切混合為主的變位和滲透混合，并產生一定的以擴散與對流混合為特征的變位和滲透混合。該區物料顆粒的運動狀態主要受抄板高度、抄板安裝角、筒體轉速、物料裝載率的影響。

由于拋落區是物料顆粒群進行混合的主要區域，因此實現有效拋落極其重要。為此，需要對物料顆粒隨筒體旋轉的極限轉速進行分析。

設筒體內全部物料顆粒是一群質點的集合，并形成完整的質點組力學體系。為簡化問題，選取緊貼于筒體內壁的單個物料顆粒(視其為質點)為研究對象，并將選取質點與筒壁的線速度視為相同，則質點在隨筒體的旋轉而上升的過程中，將受到自身重力G、筒體內壁對質點的支持力FN和摩擦力Ff的共同作用[14]，如圖5所示。

圖5 筒體內物料顆粒的受力分析Fig.5 Force analysis of material particle in drum

質點在法線上的平衡方程為

mω2r=FN+Gcosθ3

(1)

其中

G=mg

(2)

式中m——質點質量，kgω——筒體角速度，rad/sr——筒體半徑，mg——重力加速度，9.8 m/s2θ3——質點重力G與筒體內壁對質點的支持力FN之間的夾角，(°)

質點緊貼于筒體內壁時，其線速度等于筒壁的線速度，則有

(3)

式中v——筒壁線速度，m/sn——筒體轉速，r/min

由式(1)～(3)可得

(4)

當物料顆粒開始下落時，滿足FN=0，則此時滿足

(5)

由式(5)可知，夾角θ3越小，則筒體轉速n越大。當θ3=0°時，n達到最大值47.1 r/min(臨界轉速)，此時緊貼于筒體內壁的物料顆粒在到達筒體內最高點時不下落，不利于實現物料顆粒的有效拋落。因此，為利于筒體提升區內物料顆粒在拋落區內盡快進入拋落狀態，筒體轉速應小于47.1 r/min。

(3)回料區

該區是拋落區內物料顆粒下落至筒體底部后形成的，隨著筒體的旋轉，該區域內物料顆粒因分別來自靠近提料區右側與拋落區右側而形成以對流混合為主的變位和滲透混合。該區域內物料顆粒的運動狀態主要受筒體轉速、物料裝載率的影響。

綜上所述，筒體不同分區內物料顆粒群的運動規律主要受筒體轉速、物料裝載率、抄板安裝角、抄板高度的影響。

3.2 混合過程的高速攝像分析

結合上述分析結果，利用Phantom V5.1型數字式高速攝像機(Vision Research Inc.，美國)對不同工況下筒體內物料的混合過程進行研究。由預試驗確定拍攝頻率為600 f/s，并通過筒體運轉平穩后所攝的混合過程影像逐幀分析物料顆粒的運動過程，進而確定物料的混合過程。

3.2.1 抄板對混合運動的影響

在抄板安裝角為10°、物料裝載率為35%、筒體轉速為16 r/min的情況下，從抄板高度為73、140 mm時所攝影像中分別截取物料剛進入拋落區及之后在相同時間間隔時的特征狀態圖像，如圖6所示(圖中筒體按順時針方向旋轉，下同)。

圖6 抄板高度對筒體內物料顆粒群運動狀態的影響Fig.6 Effect of height of shoveling plate on movement state of material particle group in drum

由圖6可知，抄板高度從73 mm增大到140 mm有助于物料顆粒的提升，但由抄板帶動的物料顆粒群層厚度增大，伴隨筒體運動的物料顆粒群增多，筒體內物料提料區變大、拋落區右移，處于提升運動狀態的物料顆粒群增多，盡管物料顆粒在拋落區頂部開始拋落的位置提高，但物料顆粒群是以物料團的形式拋落，物料顆粒間的變位和滲透能力降低，混合作用減弱。

由預試驗結果可知，由于相鄰抄板按反向布置方式安裝，一定大小的抄板安裝角有助于使物料顆粒在拋落過程中產生交錯的物料顆粒剪切面，進而強化剪切混合運動，同時有助于產生一定的擴散和(軸向)對流混合運動(相對于周向混合運動較弱)。

3.2.2 筒體轉速對混合運動的影響

在抄板高度為73 mm、抄板安裝角為25°、物料裝載率為35%的情況下，從筒體轉速為16、34 r/min時所攝影像中分別截取物料剛進入拋落區及之后在筒體旋轉相同角度時刻的特征狀態圖像，如圖7所示。

圖7 筒體轉速對筒體內物料顆粒群運動狀態的影響Fig.7 Effect of rotary speed of drum on movement state of material particle group in drum

由圖7可知，當筒體轉速為16 r/min時，大部分物料顆粒因不能上升到足夠的高度而使物料顆粒在拋落區頂部開始拋落的位置較低，而且處于拋落狀態的物料顆粒較少，物料顆粒以受自身重力為主(因其所受的離心力較小)下落，抄板對物料顆粒的拋撒作用較弱，筒體內物料提料區較小，物料顆粒以剪切混合為主實現變位和滲透混合。當筒體轉速為34 r/min時，物料顆粒所受到的離心力、拋撒力較大，筒體內物料提料區變大、拋落區右移，由于物料顆粒從抄板下落時獲得的拋撒初速度增大，物料顆粒以剪切混合為主、以擴散與對流混合為輔實現變位和滲透混合。

圖8 物料裝載率對筒體內物料顆粒群運動狀態的影響Fig.8 Effect of loading rate of materials on movement state of material particle group in drum

3.2.3 物料裝載率對混合運動的影響

在抄板高度為95 mm、抄板安裝角為16°、筒體轉速為25 r/min的情況下，從物料裝載率為25%、85%時所攝影像中分別截取物料剛進入拋落區及之后在相同時間內的特征狀態圖像，如圖8所示。

由圖8可知，當物料裝載率為25%時，筒體內物料提料區較小、拋落區范圍較大，有利于物料顆粒沿交錯剪切面下落、并沿軸向產生橫截面之間的運動，也有利于不同回落方向的物料顆粒在回料區產生對流混合，從而實現物料顆粒群在筒體內三維空間上的混合過程。當物料裝載率為85%時，物料密實度較大，物料顆粒間的內摩擦力較大，提料區內伴隨筒體運動的物料顆粒層厚度較大，拋落區范圍較小，物料顆粒群以物料團的形式運動，物料顆粒拋落運動不明顯，物料顆粒間的變位和滲透混合過程大幅度減弱。

綜上所述，隨著筒體轉速、物料裝載率、抄板安裝角和抄板高度的變化，筒體內物料顆粒的運動狀態也相應地發生不同程度的變化，且物料顆粒群在混合過程中的循環運動次數還受混合時間的影響。

4 混合性能試驗

為研究關鍵參數對回轉式日糧混合機混合性能的影響規律，利用回轉式日糧混合試驗裝置進行了試驗研究。

4.1 儀器設備與試驗材料

試驗儀器與設備包括回轉式日糧混合試驗裝置、功率測控系統(東北農業大學工程學院研制，結構和工作流程如圖9所示)、FRN37G11S-4CX型變頻器(富士電機株式會社)、BSA3202S型電子天平(分辨率0.01 g，最大稱量3 200 g，賽多利斯科學儀器有限公司)、電子秤、秒表等。其中，功率測控系統的測控原理為：利用多功能電力儀表提供的串行異步半雙工RS485通信接口，將電信號(由轉矩和轉速等物理信號轉換)以固定數據格式經由RS485-USB型轉換器轉換后傳送給計算機，運用計算機軟件(基于LabVIEW編程開發)對記錄數據進行運算和處理，最終實現對功率消耗的實時檢測。

圖9 功率測控系統結構與工作流程圖Fig.9 Structure and work flow diagram of power measurement and control system

參考相關資料[2,4,8-9,15]，依據精粗比35∶65(以干物質質量比為基礎)選擇日糧中具有典型代表性的原料組成試驗日糧，具體包括：55%青貯玉米(含水率70%)、10%干草(含水率11.38%)、24.5%玉米面(含水率12.35%)、10%豆粕(含水率11.09%)和0.5%鹽(含水率0.5%)，其中前2種原料為粗飼料。

4.2 試驗方法

4.2.1 試驗因素及水平的確定

根據相關資料[4,6,16]、筒體結構尺寸及混合過程分析，確定影響該機混合性能的筒體轉速n、物料裝載率Lr、混合時間T、抄板安裝角θ2、抄板高度H等5個主要結構和運行參數為試驗因素，根據混合過程分析、單因素預試驗結果和生產實際，確定各試驗因素取值范圍分別為：筒體轉速10～40 r/min、物料裝載率20%～80%、混合時間4～20 min、抄板安裝角0°～32°、抄板高度63～127 mm。

4.2.2 評價指標及測定方法

參照文獻[2]，選用混合均勻度作為衡量回轉式日糧混合試驗裝置在不同工況下混合性能的主要評價指標，并選用變異系數對其進行考核。同時為研究不同工況下所需的功耗，并使其更具可比性和研究意義，參照文獻[17]，選用對筒體內物料顆粒進行混合時所需的凈功耗(以下簡稱為凈功耗)為評價指標。

各評價指標計算方法如下：

(1)變異系數

通過采用四分法對樣品中氯離子含量進行測定[16]，其對應變異系數的計算公式為

(6)

式中S——每次試驗每個試樣中氯離子的質量濃度C的標準差，g/L

(2)凈功耗

凈功耗的計算公式為

Wj=Wf-Wk

(7)

式中Wj——凈功耗，主要包括物料顆粒運動時重心上移及克服內摩擦所需的功耗，J

Wf——機組負荷功耗，即對筒體內物料顆粒進行混合時，維持回轉式日糧混合試驗裝置、功率測控系統和變頻器等運行所需的功耗，J

Wk——機組空載功耗，即機組在空載狀態下維持自身運行所需的功耗，主要包括混合試驗裝置空載功耗、傳動損失功耗、變頻器損失功耗等，J

功耗是由功率測控系統測定的功率、混合時間推導而得，其計算公式為

(8)

式中W——功耗，JPi——第i個時間間隔內的瞬時功率，WΔt——采集瞬時功率的時間間隔，0.062 5 sN——在混合時間內采集瞬時功率的次數

由預試驗結果及相關資料可知，在混合時間一定時，機組空載功耗主要受機組空載功率的影響，而機組空載功率又主要受筒體轉速的影響，故利用功率測控系統檢測不同筒體轉速對應的機組空載功率，并運用Matlab擬合工具箱對檢測出的數據進行回歸分析及曲線擬合，得到機組空載功率與筒體轉速n之間的擬合方程

Pk=4.928n+0.448 (R2=0.96)

(9)

式中Pk——機組空載功率，W

由式(9)的決定系數可知，擬合方程整體的擬合度較好，故能用于表達機組空載功率與筒體轉速之間的總體關系。

4.2.3 試驗設計方案

由混合過程分析及預試驗結果可知，各試驗因素需要合理搭配、協同考慮。因此，經過綜合考慮不同試驗設計方法的特點和實施試驗的工作量，選擇采用五因素五水平(1/2部分實施)的二次回歸正交旋轉組合試驗方法來安排試驗，定量分析筒體轉速n、物料裝載率Lr、混合時間T、抄板安裝角θ2和抄板高度H對變異系數Y1、凈功耗Y2的影響。試驗因素水平編碼如表1所示，試驗方案如表2所示。表中Z1、Z2、Z3、Z4、Z5分別表示筒體轉速、物料裝載率、混合時間、抄板安裝角、抄板高度的編碼值。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Codes of experimental factors

4.3 試驗結果與分析

4.3.1 試驗結果

試驗過程中，每組試驗重復5次，取其平均值作為試驗結果，如表2所示。

表2 試驗方案與結果Tab.2 Experimental plan and results

4.3.2 回歸模型的建立與顯著性檢驗

運用Design-Expert軟件對表2中數據進行方差分析(顯著水平p<0.1)，在計算結果的基礎上，保證回歸模型極顯著、失擬項不顯著，并逐個將最不顯著項的平方和與自由度并入誤差項再重新擬合回歸模型[18-20]，得出試驗因素對評價指標影響的簡化回歸模型

Y1=3.731+0.813Z1-0.686Z2-0.427Z3-0.816Z4-

0.413Z1Z2-0.795Z1Z4-0.219Z1Z5+1.039Z2Z4-

0.978Z3Z4+0.378Z4Z5

(10)

Y2=100.228+14.658Z1+9.339Z2+25.673Z3+

2.862Z1Z3+4.062Z1Z4-3.184Z2Z3+4.051Z2Z4-

2.025Z3Z4+1.975Z3Z5-1.953Z4Z5

(11)

4.3.3 試驗因素對評價指標的影響效應分析

在回歸模型中，各回歸系數的絕對值決定各回歸項對評價指標影響[21-22]。根據式(10)、(11)中一次項系數的絕對值可得，各試驗因素對變異系數的影響由主到次依次為抄板安裝角、筒體轉速、物料裝載率、混合時間、抄板高度，各試驗因素對凈功耗的影響由主到次依次為混合時間、筒體轉速、物料裝載率、抄板安裝角、抄板高度。

為了更直觀地分析抄板高度、抄板安裝角、物料裝載率、筒體轉速和混合時間對評價指標的影響，根據各回歸項顯著性順序及各試驗因素對評價指標影響的主次順序，選取對評價指標影響最為重要的回歸項，運用Matlab軟件繪制四維切片圖來直觀描述影響規律[23-24]，結果如圖10所示。

圖10 試驗因素對評價指標影響的四維切片圖Fig.10 Four-dimensional slice diagrams of effects of experimental factors on evaluation indexes

在試驗范圍內，當混合時間和抄板高度均為零水平時，筒體轉速、物料裝載率和抄板安裝角對變異系數的影響效應如圖10a所示。通過觀察圖10a中顏色分布規律可知：變異系數變大的區域主要集中在同時滿足筒體轉速取值較大(接近臨界轉速)、物料裝載率和抄板安裝角取值均較小時；變異系數最大值出現在筒體轉速為40 r/min、物料裝載率為20%和抄板安裝角為0°時。這是因為：在試驗范圍內，筒體轉速取值接近臨界轉速時，物料顆粒所受的離心力較大，導致貼附于筒體內壁而與之共轉的物料顆粒較多，筒體內物料顆粒間的相對運動減小，物料顆粒相互間變位和滲透的機率減少[2,4,8]，物料顆粒間混合運動強度減弱。在試驗范圍內，物料裝載率取值較小時，因物料顆粒下落的高度落差變大(沖擊與碰撞較大)，使因表面化學性質而粘附在一起、但物理特性差異大的物料顆粒產生離析。在試驗范圍內，抄板安裝角取值較小時，使得抄板及其周邊的物料顆粒在被帶起后，出現同步拋落(物料顆粒的下落方位相似度較高)，不利于物料顆粒拋落時出現交錯、分散的剪切面[25]，同時因抄板對物料顆粒的軸向推動力較小而使得物料顆粒在筒體內的軸向對流混合運動較弱。

在試驗范圍內，當抄板安裝角和抄板高度均為零水平時，筒體轉速、物料裝載率和混合時間對凈功耗的影響效應如圖10b所示。通過觀察圖10b中顏色分布規律可知：凈功耗變大的區域主要集中在同時滿足筒體轉速取值較大、物料裝載率取值較大和混合時間取值較大時；在試驗范圍內，當物料裝載率和混合時間取值一定時，凈功耗均隨著筒體轉速的增加而增大；當筒體轉速取值較小(接近10 r/min)、混合時間取值不同時，改變物料裝載率，則對應的凈功耗變化趨勢并不一致，隨著物料裝載率的逐漸增加，凈功耗呈先上升后緩慢下降的變化趨勢；在試驗范圍內，當物料裝載率和筒體轉速取值一定時，凈功耗均隨著混合時間的增加而增大。這是因為：在試驗范圍內，當物料裝載率和混合時間取值一定時，隨著筒體轉速的增加，抄板對物料顆粒的拋撒力增加，物料顆粒運動劇烈程度增大，物料顆粒被提升的高度及物料顆粒間的相對速度均增大，物料顆粒失去平衡的機率增大，需要更大的扭矩來支撐[26]，故所需的凈功耗增大。在試驗范圍內，當筒體轉速取值較小(接近10 r/min)時，混合時間取值不同時，隨著物料裝載率的增加，物料顆粒群質量增加，由于混合過程中帶動物料顆粒群旋轉所需的扭矩(由物料顆粒群質量、質心與筒體中心之間的水平距離共同決定)增大[4,26]，則凈功耗呈上升的變化趨勢，但隨著物料裝載率的繼續增加，物料顆粒群質心與筒體中心之間的水平距離縮短[26]，則凈功耗呈下降的變化趨勢。在試驗范圍內，當物料裝載率和筒體轉速取值一定時，隨著混合時間的增加，物料顆粒群在筒體周向和軸向上的運動次數增加，勢必使凈功耗增大。

4.4 參數優化與試驗驗證

由上述分析可知，各試驗因素對各評價指標的影響各不相同，為獲得最佳參數組合方案，需要對各評價指標的簡化回歸模型進行優化求解。

由于變異系數CV是衡量混合性能優劣的主要評價指標，根據日糧混合要求，期望優化結果滿足CV≤10%，同時為提高設備有效利用率、降低運行成本，將物料裝載率的取值范圍設為50%～80%，在此基礎上，以筒體轉速10～40 r/min、混合時間4～20 min、抄板安裝角0°～32°、抄板高度63～127 mm為約束條件，以評價指標最小為優化目標，以評價指標的簡化回歸模型為目標函數，建立非線性規劃的數學模型，并運用Design-Expert軟件的優化模塊對其進行優化求解，最終從多種參數優化結果中選取最佳組合方案為：筒體轉速23.53 r/min、物料裝載率64.51%、混合時間4 min、抄板安裝角10.91°、抄板高度108.54 mm，此時對應的變異系數、凈功耗預測值分別為1.97%、33.160 kJ。

為檢驗簡化回歸模型與最佳組合方案的可靠性，對上述最佳組合方案進行試驗驗證(與表2中各組試驗的操作條件相同)。同時考慮到試驗因素水平值的可操作性，將上述最佳組合方案修正為：筒體轉速23.5 r/min、物料裝載率65%、混合時間4 min、抄板安裝角11°、抄板高度109 mm，在此優化方案下進行試驗驗證，重復5次，結果取其平均值，得出此時變異系數、凈功耗分別為2.09%、33.734 kJ。與優化前無抄板機型的最佳參數組合對應的變異系數、凈功耗相比，分別降低了64.4%和15.1%。通過對比分析各評價指標的實測值與由簡化回歸模型得出的預測值可知，兩者基本吻合，這說明簡化回歸模型與最佳組合方案均是可靠的，均具有較高的工程實用性和指導意義，并可用簡化回歸模型對不同工況下回轉式日糧混合機的變異系數與凈功耗進行分析和預測。

5 結論

(1)基于日糧飼養技術在各種規模牛場的應用現狀，設計了一種回轉式日糧混合機，其核心部件為內壁安裝有反向配置抄板的回轉筒體。由回轉筒體關鍵參數分析及其混合過程高速攝像分析結果可知，按筒體內物料顆粒群運動特征可將物料分布區域劃分為提料區、拋落區、回料區，其中提料區內物料以剪切混合為主，拋落區(主混合區)內物料以剪切混合為主、以擴散與對流混合為輔，回料區內物料以對流混合為主。各個區域的位置、大小、形狀受結構和運行參數的影響很大。

(2)由混合性能試驗可知，各試驗因素對變異系數的影響由主到次依次為抄板安裝角、筒體轉速、物料裝載率、混合時間、抄板高度，各試驗因素對凈功耗的影響由主到次依次為混合時間、筒體轉速、物料裝載率、抄板安裝角、抄板高度；確定最佳參數組合方案為：筒體轉速23.5 r/min、物料裝載率65%、混合時間4 min、抄板安裝角11°、抄板高度109 mm，此時變異系數、凈功耗分別為2.09%、33.734 kJ，比優化前分別降低了64.4%和15.1%。

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Mixing Process Analysis and Performance Experiment of Rotary Ration Mixer

LI Liqiao WANG Defu LI Chao

(CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

In order to overcome the shortcomings of the traditional feeding method, the feeding industry of ruminant gradually adopts the ration feeding technology that mixes the nutrient formula of roughage, concentrate and various additives uniformly. The models of foreign ration mixers tend to serialization and automation, but there are disadvantages such as high price, large power, and strong technical confidentiality, which limit the popularization and application of foreign ration mixers in China. Considering the shortage of mechanism study and innovative research of ration mixers, and the actual needs of animal husbandry in China, for promoting the application of ration feeding technology in China, a rotary ration mixer was designed. In order to reveal the mixing mechanism, the rotary ration mixing experimental device was designed and used to observe and analyze the mixing process by the high-speed photography technology. According to the movement characteristics of material particle group in the drum, the material distribution area was divided into material lifting area, dropping area and material returning area. The dropping area was the main mixing area, in which materials were mixed by main shear mixing and auxiliary spread mixing and auxiliary convective mixing. The location, size and shape of each area were affected by the structural and operating parameters. At the same time, the experimental ration was chosen according to the forage-concentrate ratio of 35∶65 (based on dry matter content). Rotary speed of the drum, loading rate of materials, mixing time, inclination angle of the shoveling plate and height of the shoveling plate were used as experimental factors, coefficient of variation and net power consumption were used as evaluation indexes, the method of orthogonal rotational combination experiment of five factors and five levels was used to carry out the optimization experiment of performance. The experimental results showed that coefficient of variation was 2.09% and net power consumption was 33.734 kJ under the conditions that rotary speed of the drum was 23.5 r/min, loading rate of materials was 65%, mixing time was 4 min, inclination angle of the shoveling plate was 11°, and height of the shoveling plate was 109 mm. The results could provide reference for the research and development of ration mixers.

ration mixer; rotary type; shoveling plate; mixing mechanism; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.013

2016-12-15

2017-02-23

國家重點研發計劃項目(2016YFD0701300)和國家自然科學基金項目(51405076)

李利橋(1988—)，女，博士生，主要從事畜牧機械研究，E-mail： liliqiao1108@163.com

王德福(1964—)，男，教授，博士生導師，主要從事畜牧機械研究，E-mail： dfwang0203@163.com

S816.34; S817.12

A

1000-1298(2017)08-0123-10