王林生，馬　瑛

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng)　473000)

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飼料粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)——基于自適應(yīng)智能化調(diào)節(jié)的

王林生，馬瑛

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng)473000)

摘要：錘片式飼料粉碎機(jī)的作業(yè)效率和飼料粉碎質(zhì)量受到諸多因素的影響，飼料的喂入量和粉碎室的工作效率是主要影響因素之一。為此，提出了一種帶加肋板的飼料粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)，并將PID控制器引入到喂入量控制系統(tǒng)中，提高了飼料粉碎機(jī)的自適應(yīng)智能化調(diào)節(jié)功能。為了提高粉碎室的工作效率和粉碎質(zhì)量，將轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成了雙圓盤形式，并在錘片上添加了肋板結(jié)構(gòu)，在喂入裝置中設(shè)計(jì)了PID調(diào)節(jié)器，可以根據(jù)錘片的阻力和粉碎質(zhì)量來(lái)自適應(yīng)的調(diào)節(jié)喂入量。最后，通過測(cè)試樣機(jī)對(duì)飼料粉碎機(jī)的粉碎性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)：使用肋板結(jié)構(gòu)可有效地縮短飼料粉碎工作時(shí)間，提高工作效率，利用PID調(diào)節(jié)器可以增強(qiáng)喂入系統(tǒng)的自適應(yīng)性，提高響應(yīng)速度，降低超調(diào)量，提高飼料的粉碎質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：飼料粉碎機(jī)；自適應(yīng)調(diào)節(jié)；喂入裝置；PID控制；加肋板；閘板

0引言

飼料是畜牧業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，而飼料加工的水平和質(zhì)量決定了畜牧業(yè)發(fā)展的規(guī)模，影響農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和綜合效益，直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)和整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，要使畜牧業(yè)發(fā)展壯大，必須解決飼料問題，而飼料的來(lái)源是解決問題的關(guān)鍵。由于我國(guó)糧食人均水平較低，不可能大量地直接使用糧食作為飼料，這就需要研究新型的飼料粉碎機(jī)，利用粗飼料豐富的優(yōu)勢(shì)，合理地利用各種飼料資源。新型飼料粉碎機(jī)設(shè)計(jì)需要解決的問題包括工作原理及性能、尺寸參數(shù)和材料等方面的問題，主要是解決高成本與低生產(chǎn)率的矛盾，提高飼料機(jī)的生成效率和加工質(zhì)量，滿足飼料的實(shí)際生產(chǎn)需求。

1新型飼料粉碎機(jī)總體設(shè)計(jì)

飼料粉碎機(jī)是飼料加工的基礎(chǔ)工具，其工作效率受諸多因素的影響，因此需要對(duì)其加工功率影響較大的因素進(jìn)行分析，優(yōu)化其機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高粉碎機(jī)的工作效率。本研究的飼料粉碎機(jī)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

為了提高飼料粉碎機(jī)的工作效率，本研究對(duì)飼料粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括錘片結(jié)構(gòu)優(yōu)化、喂入裝置優(yōu)化和轉(zhuǎn)子優(yōu)化。喂入量的PID調(diào)節(jié)如圖2所示。

圖1　新型飼料粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)總體優(yōu)化

圖2　喂入量PID調(diào)節(jié)

喂入量的調(diào)節(jié)主要通過移動(dòng)閘板來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)其自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，將閘板設(shè)計(jì)成可移動(dòng)式，并使用PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。PID可以反饋錘片的阻力及粉碎的合格率等信息，從而實(shí)現(xiàn)喂入量的自適應(yīng)反饋調(diào)節(jié),如圖3所示。

圖3　加肋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了提高粉碎機(jī)的工作效率，對(duì)錘片結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，將錘片設(shè)計(jì)成帶有肋板的結(jié)構(gòu)。通過肋板可以提高粉碎室的風(fēng)速和風(fēng)壓，利于進(jìn)料效率的提高和出料的壓差，從而提高飼料粉碎機(jī)的粉碎效率。

2新型飼料粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

飼料粉碎機(jī)在工作時(shí)，粉碎室的轉(zhuǎn)軸通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，粉碎室的物料是利用喂料斗喂入的，中間經(jīng)過閘板，控制不同的喂入量。物料被錘片打破后，以較高的速度向篩片飛去，進(jìn)一步摩擦和破碎，最后粉碎成小顆粒。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

飼料的加工粒度要求能夠通過篩孔，作業(yè)主要是利用錘片的沖擊和篩片與物料間的摩擦。粉碎機(jī)的功率可由經(jīng)驗(yàn)公式初步計(jì)算，即

P=3.6·r·n·k·k1·k2·D2·B/60

(1)

其中，r為飼料的容重；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；k為飼料流成環(huán)形時(shí)的影響系數(shù)；k1為喂入量的影響系數(shù)；k2為出料的影響系數(shù)；D為轉(zhuǎn)子直徑；B為粉碎室的高度。粉碎機(jī)的配套功率為

N1=C1·P

(2)

其中，C1為調(diào)整系數(shù)；P為生產(chǎn)率。由公式(2)可以看出：飼料的粉碎功率主要與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、喂入量及粉碎室的結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此可以通過優(yōu)化這3個(gè)方面來(lái)提升飼料粉碎機(jī)的工作效率。

將轉(zhuǎn)速采用雙圓盤形式，轉(zhuǎn)子中間利用鍵和套筒進(jìn)行定位。其中，錘的旋轉(zhuǎn)形成了負(fù)壓，提高了進(jìn)料的速率和排料的壓差，三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.喂料斗　2.閘板　3.粉碎室　4.轉(zhuǎn)子

圖5　粉碎機(jī)三維結(jié)構(gòu)示意圖

除了轉(zhuǎn)子外，粉碎機(jī)的工作效率受錘片結(jié)構(gòu)和進(jìn)料口喂入量影響較大，因此需要對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將錘片設(shè)計(jì)成帶有肋板的形式，如圖6所示。

圖6　有無(wú)肋板時(shí)飼料粉機(jī)錘片示意圖

增加肋板后，可以提高粉碎室轉(zhuǎn)動(dòng)后的風(fēng)力，從而形成更高的風(fēng)壓，提高飼料的粉碎效率。喂料裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7　喂料裝置結(jié)構(gòu)示意圖

為了提高喂入的效率，將喂料裝置設(shè)計(jì)成徑向頂部喂入的形式，可以對(duì)物料的喂入起到調(diào)節(jié)的作用，提高粉碎室的風(fēng)壓，增強(qiáng)排粉的能力。為了實(shí)現(xiàn)喂入物料的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，對(duì)閘板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖8所示。

圖8　閘板結(jié)構(gòu)示意圖

圖8中利用閘板結(jié)構(gòu)可以控制進(jìn)料的流量和速度。為了實(shí)現(xiàn)閘板的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，將閘板設(shè)計(jì)成可以移動(dòng)式，在錘片裝有阻力傳感器，當(dāng)阻力增大時(shí)，可以調(diào)節(jié)閘板的位移，從而調(diào)節(jié)飼料的流量。

圖9為喂入量的PID總體控制示意圖。其中，PID控制器可利用算法進(jìn)行編程控制，而喂入量的大小調(diào)節(jié)主要通過閘板的位移來(lái)實(shí)現(xiàn)；閘板位移可以使用最簡(jiǎn)單的線性PID控制器來(lái)控制，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖9　喂入量PID總體控制示意圖

圖10　閘板位移PID控制器設(shè)計(jì)

閘板位移的PID控制器結(jié)構(gòu)主要包括比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。假設(shè)飼料粉碎機(jī)的喂入量為Q，則其PID控制方程可以寫成

(3)

其中，kp為PID調(diào)節(jié)的比例系數(shù)；ki為PID調(diào)節(jié)的積分比例系數(shù)；kd為PID調(diào)節(jié)的微分比例系數(shù)；T為采樣周期；e為兩次流量的調(diào)節(jié)的誤差。

3飼料粉碎機(jī)功能測(cè)試

為了驗(yàn)證本次研究對(duì)新型飼料粉碎機(jī)進(jìn)行優(yōu)化的有效性和可靠性，根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)研制了飼料粉碎機(jī)的樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，項(xiàng)目包括喂入量的調(diào)節(jié)響應(yīng)、工作效率和飼料粉碎質(zhì)量。測(cè)試樣機(jī)如圖11所示。

圖11中，錘片結(jié)構(gòu)和閘板結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行優(yōu)化。為了測(cè)試其喂入量的調(diào)節(jié)響應(yīng)，對(duì)喂入量隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖12所示。

圖11　飼料粉碎機(jī)測(cè)試樣機(jī)示意圖

圖12　飼料粉碎機(jī)喂入量隨時(shí)間變化曲線

為了驗(yàn)證PID調(diào)節(jié)的有效性，將非PID和PID調(diào)節(jié)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：PID調(diào)節(jié)器增強(qiáng)了系統(tǒng)的自適應(yīng)性，其響應(yīng)速度快、超調(diào)量較小。

為了驗(yàn)證加肋板對(duì)飼料粉碎機(jī)的影響，對(duì)新型飼料粉碎機(jī)的工作效率進(jìn)行了測(cè)試，得到了6組工作效率的對(duì)比結(jié)果，如表1所示。

表1　粉碎機(jī)工作效率測(cè)試

由表1可以看出：使用肋板后縮短了飼料粉碎所需時(shí)間，有效地提高了粉碎效率。

為了驗(yàn)證PID調(diào)節(jié)器對(duì)飼料粉碎機(jī)粉碎質(zhì)量的影響，對(duì)新型飼料粉碎機(jī)的粉碎質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)試，得到了6組工作效率的對(duì)比結(jié)果，如表2所示。由表2可以看出：使用PID控制可以有效對(duì)喂入量進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而提高飼料粉碎的質(zhì)量。

表2　粉碎機(jī)粉碎質(zhì)量測(cè)試

4結(jié)論

1)為了提高錘片式飼料粉碎機(jī)的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一種新型的飼料粉碎機(jī)。該機(jī)型電機(jī)使用雙圓盤轉(zhuǎn)子，在飼料粉碎機(jī)的錘片結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了肋板結(jié)構(gòu)，并在喂入裝置中設(shè)計(jì)了PID控制器，實(shí)現(xiàn)了飼料加工過程物料喂入量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而大大提高了飼料粉碎機(jī)的工作效率和作業(yè)質(zhì)量。

2)為了驗(yàn)證飼料粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可靠性，本文研制了新型飼料粉碎機(jī)的樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)的飼料粉碎性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：使用肋板和雙圓盤轉(zhuǎn)子可以有效地提高飼料粉碎機(jī)的工作效率，使用PID控制器可以有效地提高喂入系統(tǒng)的響應(yīng)速度、降低超調(diào)量，提高飼料粉碎的質(zhì)量，為新型飼料粉碎機(jī)的研究提供了較有價(jià)值的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜現(xiàn)軍,李玉道,顏世濤,等.棉稈力學(xué)性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(4):87-91.

[2]宋占華,肖靜,張世福,等.曲柄連桿式棉稈切割試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(11): 162-167.

[3]王鋒德,燕曉輝,董世平,等.我國(guó)棉花秸稈收獲裝備及收儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)路線分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009,31(12):217-220.

[4]李耀明,秦同娣,陳進(jìn),等.玉米莖稈往復(fù)切割力學(xué)特性試驗(yàn)與分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(1):160-164.

[5]秦國(guó)成,秦貴,張艷紅.設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(3):81-82.

[6]田榮鋼,林君堂,王海龍,等.玉米收獲機(jī)輸送清選系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(6):93-96.

[7]顧智原,馬莉,張林強(qiáng),等.玉米剝皮機(jī)部件的改進(jìn)[J].農(nóng)業(yè)工程,2012(4):55-57.

[8]周益君,王琛,趙劍波,等.4GX-90型席草收割機(jī)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程,2011(9):1060-1063.

[9]王金雙,熊永森,陳德俊.全喂入縱軸流聯(lián)合收獲機(jī)參數(shù)選取與驗(yàn)算[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013,35(1):53-56.

[10]李德民,臧東良,曹春玲.JDL3060WL 型聯(lián)合收割機(jī)電氣系統(tǒng)[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),2011(8):31-33.

[11]徐海港,王建強(qiáng),張?jiān)郎?聯(lián)合收割機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)裝置的研制與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程,2012(7):12-14.

[12]肖成林,周德義,王志明,等.基于 ANSYS的旋耕機(jī)210普箱有限元模態(tài)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011,33(10):23-26.

[13]周德義,王子佳,宋平平.帶秸稈粉碎裝置的玉米收獲機(jī)割臺(tái)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(2):77- 80.

[14]曹麗英,王順喜,武佩,等.錘片式飼料粉碎機(jī)關(guān)鍵技術(shù)探討[J].糧食與飼料工業(yè),2009(7):34-36.

[15]王志強(qiáng),武佩,曹麗英. 新型錘片式粉碎機(jī)出料管內(nèi)氣固兩相流模擬[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009(2):184-187.

[16]翟之平,王春光. 葉片式拋送裝置氣流流場(chǎng)數(shù)值模擬與優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008(6):84- 87.

[17]趙斌娟,袁壽其,劉厚林,等. 基于 Mixture 多相流模型計(jì)算雙流道泵全流道內(nèi)固液兩相湍流[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(1):7-11.

[18]徐立章,李耀明,李洪昌,等.縱軸流脫粒分離-清選試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2009,40(12): 76-79.

[19]唐忠,李耀明,趙湛,等.夾帶損失傳感器不同安裝位置對(duì)籽粒檢測(cè)精度的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(10):46-52.

[20]解福祥,區(qū)穎剛,劉慶庭.甘蔗收獲機(jī)組合式扶起裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(2): 94-97.

[21]賴曉,李尚平,秦志文,等.新型甘蔗收割裝置的仿真分析與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011,33(2): 102-105.

[22]王健康,吳明亮,任述光,等.往復(fù)式切割器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2011, 27(1):90-194.

[23]李婉,李尚平,劉東美.小型整稈甘蔗收獲機(jī)械喂入機(jī)構(gòu)仿真分析與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010,32(7):152-154.

Structural Optimization Design of Feed Mill——Based on Adaptive Intelligent Control

Wang Linsheng, Ma Ying

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China)

Abstract：Feed hammer mills operating efficiency and feed crushing quality is influenced by many factors. The feed quantity and crushing chamber work efficiency is one of the main factors.In order to solve this problem, this paper proposes a stiffened plate of feed grinder structure,and PID controller is introduced into the feed rate control system to improve the feed grinder of intelligent adaptive adjustment function. In order to improve crushing chamber work efficiency and quality of crushing, rotor is designed into double disc.And the hammer is adding ribbed slab structure, in the feeding device design PID regulator.According to hammer resistance and grinding quality from adjust feed rate,the test of the prototype of feed mill crushing performance was tested, and it was found that it can effectively relationship feed grinding time, improve work efficiency by using beam and slab structure.Using PID regulator can enhance the feeding adaptability of the system and enhance the response rate, reduce the overshoot and improve the feed grinding quality.

Key words：feed grinder; adaptive control; feeding device; PID control; ribbed plate; gate

中圖分類號(hào)：S817.12+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)08-0204-05

作者簡(jiǎn)介：王林生(1981-)，男，河南南陽(yáng)人，講師，碩士。通訊作者：馬瑛(1982-)，男，河南南陽(yáng)人，講師，碩士，(E-mail) maying1982@qq.com。

基金項(xiàng)目：河南省高校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15B535002，14B510011)

收稿日期：2015-08-06