自走式精確飼喂車攪拌系統設計研究

季 鏵 石榮玲

（徐州工程學院，江蘇 徐州 221018）

隨著我國畜牧養殖業的迅速發展，以往傳統的飼喂方式已經滿足不了現今的生產需求?，F階段，已經采納規?；曫B方式的畜牧場大多數選擇了全混合日糧（Total Mixed Rations，TMR）飼喂模式。TMR飼喂模式是根據牲口不同的生長階段對營養的需要或是不同的飼養目的，通過調控營養和日糧配方，將精、粗飼料加入攪拌車中經過切割、攪拌、混勻等程序之后，再投到飼料槽中進行喂養的一種飼喂技術［1-2］。采用TMR飼喂技術，可以提高攪拌飼料的質量，也可以提高生產效率，同時解放勞動力，有效地解決人力運輸飼料和喂料的問題。鑒于此，對機械化養殖、飼喂裝備的研究顯得尤為迫切。

1 總體設計方案

1.1 設備方案選型

本次設計的飼喂車是針對中小型牧場的，因此要求能夠進入較矮牛舍，有時也會人工上料，所以設備的上料高度不能太高。另外，由于TMR配方中需要對植物的根莖及較長的料草進行處理，所以，在滿足切割、攪拌的基礎上還要求帶有揉搓功能。

通過估測所需料草的容量，結合牧場的規模、牛群量、牛舍的建筑結構、門高、過道的寬度、允許的車輛拐彎半徑、飼料每次的飼喂量和飼喂次數等，對市場上普遍采用的TMR飼喂車進行性能參數對比（見表1）及容積的選擇（見表2）［3］，最終確定選用臥式攪拌系統機型。

表1 立式攪拌系統和臥式攪拌系統性能指標對比

另外，通過研究中小型牧場飼料的需求量，確定所設計的自走式精確飼喂車的有效處理容積為9.0 m3，以此為依據計算飼喂車的整體機構尺寸。

表2 TMR系統容積的選擇

1.2 總體結構確定

如圖1所示，自走式精確飼喂車的總體結構主要由底盤車架和上帶的攪拌系統組成。其中，攪拌系統的驅動依靠動力箱。自走式精確飼喂車的參數詳見表3。

圖1 自走式精確飼喂車總體結構

表3 自走式精確飼喂車總體參數

2 攪拌系統設計

2.1 傳動設計

攪拌系統的動力由電動機提供，其工作較熱機更加穩定、高效。在此先確定攪拌系統的主要傳動方案：在動力箱內，電動機輸出原動力，傳遞到減速器，又經過減速器傳遞到攪拌系統，作為攪龍的動力來源。傳動示意如圖2所示。

圖2 攪拌系統傳動示意圖

2.2 混料箱的設計

查閱資料得出物料混合的摩擦角為43.0°，其休止角為59.0°。要使料草能夠順滑下落，混料箱的壁面和水平夾角設為77.5°，箱底傾角20.0°。規?；膛雠Ｉ岬拈L度為65.0～90.0 m，寬度2.7～3.0 m，一般中小型牧場能夠達到3～5欄。而且飼料的混合容重在160～200 kg/m3。計算每一批次混合料草原料的體積為7.4 m3。由于一般設備允許加料在容積的85%之內，所以將設計的混料箱容積控制在11.0 m3左右。

如圖3所示，混料箱的長寬高為5 640 mm×1 600 mm×1 500 mm?；炝舷漤敳繛檫M料口，為達到攪拌效果，混料箱內部設計成傾斜狀。箱體下方為支撐架?；炝舷涞牟馁|選用耐磨鋼板，厚度為6 mm?；炝舷湎潴w前后貫穿2根傳動軸，直徑114 mm，長5 620 mm。由此可得，V=長×寬×高=13.500 m3；V箱=V×體積系數=11.500 m3；V軸=π×（d/2）2×h=0.057 m3。

圖3 混料箱結構

按照設計要求，此攪拌設備能夠對料草進行粉碎揉搓的處理。由于料箱空間在處理料草時本身裝料的體積不應超過總體積的85%，所以此設備的工作容積因控制在8.5～9.2 m3。當設備正常運轉時，內部的兩根傳動軸對工作的影響可忽略不計。工作運轉的時間在12～25 min，飼料混合的均勻度在97%左右。

2.3 攪龍的設計

在實際生產中，螺旋攪龍的設計除了要滿足生產實際需求外，還要具備結構簡單、可靠性高、壽命長、混合效果理想、功耗低及維護方便等特點。螺旋攪龍是整個攪拌系統的關鍵組成部件，一定要保證其設計的合理性。

2.3.1 攪龍軸的設計。由于料箱的整體長度為5 640 mm，料箱的前后端蓋上都有鉸制孔，可以用于裝配軸承，為了便于對攪龍軸進行安裝拆卸，將軸長設計得比料箱稍短，為5 500 mm。查閱手冊，選取螺旋攪龍的葉片內徑為d=（0.02～0.40）L，L為攪龍的軸長，取值5 500 mm，d=0.027×5 500=180 mm，查得攪龍的壁厚為6 mm。

為減輕質量，攪龍軸為空心軸，其兩端的裝配情況如圖4所示。承載段與軸尖相配合，軸肩（裝配軸承）段與球軸承相配合，兩段分別負責承重和轉矩的傳遞。

圖4 攪龍螺旋軸的裝配

2.3.2 攪龍葉片的設計。在實際的飼料攪拌過程中，由于攪龍可能由于設計的缺陷造成飼料攪拌不當，從而降低質量。所以，要著重對攪龍螺旋進行設計優化。

攪龍葉片的螺旋角應取適合的角度，為了避免攪拌過程的對流混合，螺旋角一般取45°+θ/2，通過查閱手冊得到料草和螺旋葉片在混合過程中的摩擦系數為μ=0.25，所以θ=arctan0.25=14.04°。所以，螺旋葉片的螺旋角為45°+14.04°/2=52.02°，取整為52°。

2.3.3 攪龍螺旋葉片的直徑和螺距參數的設計。首先，對自走式精確飼喂車的生產率進行計算，檢驗攪拌系統的攪拌效率。計算公式如下：

式（1）中，v為料箱的容積，μ為料箱有效容積系數，γ為原料的容重（kg/m3），Σt為混合一次需要用的時間（min）。

每一次飼料混合的時間設置為12 min?；炝舷涞挠行莘e為9 m3，待混飼草的容重為160～200 kg/m3，所以Q=9 000 kg/h。

然后，確定攪龍葉片的直徑和螺距，其是攪拌系統的2個重要參數，決定著攪拌系統的性能，一般通過生產率、轉速及直徑比例系數來確定。查手冊得料草的堆積重為130 kN/m3，則螺旋葉片的外徑為：

式（2）中，Q為飼喂車的生產率，kg/h；φ為原料充滿系數，取0.60～0.85；K為臨界轉速的取用系數（按最大臨界轉速計算，實際用不到那么大）；λ為原料的堆積重；n為攪龍的轉速。

計算結果為D=0.478 m。選取螺旋葉片的直徑為500 mm，則查手冊得葉片螺距和直徑的關系為t=0.854×D［3］，所以螺距為t=427 mm。

2.3.4 攪龍葉片距離底端半圓面間隙。在出料的過程中，攪龍葉片和混料箱底部間隙愈小，則出料結束后混料箱剩余的飼料量愈少，但同時也會有加大葉片阻力的風險，同時還伴有料箱內壁的磨損，以及噪聲和無用功的損耗增加［4］。綜合考慮各種因素，取得底部半圓面和攪龍葉片間隙δ=12 mm。

2.3.5 攪龍轉速的確定。攪龍的轉速對于臥式TMR飼料攪拌設備來說是最重要的參數之一，其選擇是否合適直接影響飼料混合的均勻程度。

飼料在混合攪拌中，要經歷軸向的運動和反復的翻滾。要想獲得較好的混合效果，就必須避免飼料的連續拋起，以及在做復合運動時由于離心劇烈而產生的離析。所以，可用的最大臨界轉速公式如下：

式（3）中，nmax危攪龍的臨界轉速；R為螺旋葉片半徑，計算出葉片直徑D=500 mm，故R=250 mm；g為重力加速度；K為料草的混料系數（臥式攪拌設備為0.5～0.6［3］），本裝置的物料綜合系數K取0.594。

計算結果為nmax=36 r/min。查閱手冊，攪龍螺旋機構的轉速一般為20～60 r/min，由于混合的飼料以及工況有多種不確定性，實際的攪龍轉速應取n=30～36 r/min。

2.3.6 攪拌系統動力的確定。在臥式機型的攪拌作業中，由于攪龍的受力相當復雜，對于臥式機型的動力功率計算公式如下：

式（4）中，N為攪拌設備功率，W；Q為飼料的生產率，取0.75；K1為經驗系數（一般取1.1～1.5），取1.4。

計算結果為N=17 010 W。所以，可用Y2180M-4三相異步電機。其額定功率為18.5KW，額定轉速為1480 r/min，頻率為50 HZ。其通過減速器、聯軸器將轉矩、轉速傳遞至攪龍，使其在安全轉速內運轉。

2.3.7 攪龍的確定。為了豐富攪龍攪拌的形式，除按照以上計算，前部設計成螺旋葉片，尾部設計成葉輪狀，如圖5所示，螺旋部分為5 033 mm，葉輪部分為467 m。

圖5 攪龍模型

2.4 攪龍上刀片設計

在料草混合過程中，臥式設備要對植物根莖進行粉碎、揉搓處理。要想達到良好的效果，就需要在攪龍葉片上安裝可拆的鋸齒形刀片，其與料箱內壁的定刀片相互配合構成剪切面，從而順利完成切割工序［5］。

其中，安裝的刀片結構提高了料草切割的效率，在刀片的每個刀齒之間都設計有凹槽，在混合過程中凹槽與料箱底部的定刀配合，能夠在切割時把莖稈較長的料草夾緊。另外，由于刀片呈圓形，當刀齒的一個面磨損后，其切割功能就會下降，此時只需要翻一下刀面，新的刀面可以重新工作，有效降低了維護成本。

刀片的布置為通過研究料草下料的方式，在攪龍葉片單位導程之外，螺旋延伸線長度。延伸螺旋線長度計算公式如下：

式（5）中，L表示單位導程外延伸螺旋線長度，mm；D表示螺旋直徑，mm；t表示螺距，mm。

計算得出L=1 627 mm。刀片的布置以一個導程為單元，每200 mm安裝一把動刀片，所以攪龍葉片單位導程上，按照計算可以裝8把刀，如圖6所示。

圖6 刀片安裝模型

3 結語

本文設計一種自走式精確飼喂車，重點研究其攪拌系統等關鍵部件，經過分析與研究，確定了攪拌系統的結構和工作原理，經過設計計算，確定了攪拌系統中攪龍等部件的參數，進一步確保了該方案的可行性和實用性。