李利橋 王德福 李 超 李東紅 江志國 平忠源

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030； 2.農(nóng)業(yè)部生豬養(yǎng)殖設(shè)施工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150030)

轉(zhuǎn)筒與槳葉組合式日糧混合機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)優(yōu)化

李利橋1,2王德福1,2李 超1,2李東紅1,2江志國1,2平忠源1,2

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030； 2.農(nóng)業(yè)部生豬養(yǎng)殖設(shè)施工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150030)

根據(jù)我國推廣日糧飼養(yǎng)技術(shù)的需要及日糧混合機(jī)自主創(chuàng)新研究少的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種由中空正十棱柱狀轉(zhuǎn)筒與其主軸上安裝的槳葉組合而成的日糧混合機(jī)，實(shí)現(xiàn)日糧各組分的混合加工。為探究其混合性能，利用轉(zhuǎn)筒與槳葉組合式日糧混合試驗(yàn)裝置，以混合時(shí)間、填充率、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速、槳葉回轉(zhuǎn)半徑為試驗(yàn)因素，以混合均勻度、凈功耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)研究。運(yùn)用Design-Expert軟件建立并優(yōu)化分析了試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的回歸數(shù)學(xué)模型，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：各試驗(yàn)因素對(duì)混合均勻度的影響由大到小依次為填充率、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速、混合時(shí)間、槳葉回轉(zhuǎn)半徑；各試驗(yàn)因素對(duì)凈功耗的影響由大到小依次為混合時(shí)間、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速、填充率、槳葉回轉(zhuǎn)半徑；最佳參數(shù)組合方案為混合時(shí)間3.5 min、填充率66%、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速29 r/min和槳葉回轉(zhuǎn)半徑236 mm，對(duì)應(yīng)的混合均勻度為92.98%、凈功耗為32.618 kJ，比優(yōu)化前分別降低了5.04%、3.31%。

日糧混合機(jī)； 轉(zhuǎn)筒與槳葉組合式； 試驗(yàn)； 優(yōu)化

引言

日糧是根據(jù)反芻動(dòng)物的營養(yǎng)需要，將各種原料通過混合設(shè)備制成的均勻一致的混合飼料[1-2]。近年來，隨著我國畜牧業(yè)的迅速發(fā)展，日糧飼養(yǎng)技術(shù)受到青睞，而研制適用的日糧混合機(jī)是實(shí)施該技術(shù)的關(guān)鍵[2]。

養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)的國家對(duì)日糧混合機(jī)的研究已有幾十年歷史，目前國外20多家生產(chǎn)日糧混合機(jī)的主要企業(yè)已研制出了撥輪式、轉(zhuǎn)筒式、立式螺旋和臥式螺旋日糧混合機(jī)等多種機(jī)型[2]，同時(shí)國外學(xué)者對(duì)已研制的日糧混合機(jī)進(jìn)行了應(yīng)用研究[2-5]。國內(nèi)推廣日糧飼養(yǎng)技術(shù)的時(shí)間較短，對(duì)日糧混合機(jī)的研究始于對(duì)進(jìn)口設(shè)備的消化吸收[2,6-8]，國內(nèi)研究主要偏重于對(duì)已有日糧混合機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[2,6-8]，基于日糧混合新機(jī)理而自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)的日糧混合機(jī)較少。綜上所述，國內(nèi)日糧混合機(jī)的研究總體上還處于跟蹤設(shè)計(jì)階段，考慮到國外日糧混合機(jī)存在的價(jià)格高、配套動(dòng)力大等問題[2]，以及國內(nèi)現(xiàn)階段畜牧場(chǎng)日糧混合機(jī)的配套需要，我國亟需開展日糧混合機(jī)的創(chuàng)新性研究，以期研制出配套成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和混合性能優(yōu)的適用型日糧混合機(jī)。

為此，綜合分析國內(nèi)外日糧混合機(jī)的特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合我國畜牧場(chǎng)的配套需要，本文在前期研究工作的基礎(chǔ)上，為減輕整機(jī)結(jié)構(gòu)重量及清理殘留物料的工作量，設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)筒與槳葉組合式日糧混合機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行混合性能試驗(yàn)與參數(shù)優(yōu)化研究。

1 總體方案與工作原理

1.1 總體方案

轉(zhuǎn)筒式日糧混合機(jī)工作時(shí)通常是通過轉(zhuǎn)筒(內(nèi)壁配置揚(yáng)料板)的旋轉(zhuǎn)將物料提升至一定高度后拋落，以剪切混合為主實(shí)現(xiàn)物料的均勻混合。其中，揚(yáng)料板的作用是提升物料并促進(jìn)其進(jìn)行剪切混合，但揚(yáng)料板增加了轉(zhuǎn)筒的整體結(jié)構(gòu)重量及清理轉(zhuǎn)筒內(nèi)殘留物料的工作量。為此，結(jié)合槳葉式混合機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)筒與槳葉組合式日糧混合機(jī)，將轉(zhuǎn)筒設(shè)計(jì)為中空的正多棱柱結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁不配置揚(yáng)料板，但在主軸上安裝槳葉，通過轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)拖帶、轉(zhuǎn)筒與槳葉的組合托送作用實(shí)現(xiàn)物料的均勻混合。

為研究轉(zhuǎn)筒與槳葉組合式日糧混合機(jī)的混合性能，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)筒與槳葉組合式日糧混合試驗(yàn)裝置，該裝置主要由轉(zhuǎn)筒、槳葉、機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。其中轉(zhuǎn)筒是該機(jī)的主要工作部件，是由周向壁板通過側(cè)向壁板、連接圓環(huán)和支撐臂等部件與主軸相連而成的一個(gè)整體，主軸通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。槳葉呈一定角度安裝在主軸上，且每個(gè)槳葉通過支撐桿、連接板等與主軸固連。傳動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。為便于觀察轉(zhuǎn)筒內(nèi)物料的運(yùn)動(dòng)情況，轉(zhuǎn)筒兩端側(cè)向壁板材料選用透明有機(jī)玻璃板。

圖1 轉(zhuǎn)筒與槳葉組合式日糧混合試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of combined-type ration mixing experimental device of drum and blade1.電動(dòng)機(jī) 2.鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 3.機(jī)架 4.側(cè)向壁板 5.槳葉 6.連接圓環(huán) 7.支撐臂 8.連接板 9.支撐桿 10.主軸 11.周向壁板

1.2 工作原理

圖2 轉(zhuǎn)筒內(nèi)物料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.2 Movement states of material in drum

工作時(shí)，將按一定比例配制的各種物料放入轉(zhuǎn)筒內(nèi)，然后啟動(dòng)轉(zhuǎn)筒順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。利用Phantom V5.1型數(shù)字式高速攝像機(jī)(美國Vision Research公司生產(chǎn))對(duì)轉(zhuǎn)筒內(nèi)物料的混合過程進(jìn)行逐幀觀察和分析，拍攝條件為填充率30%、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速25 r/min、槳葉回轉(zhuǎn)半徑220 mm。物料因受轉(zhuǎn)筒的拖帶作用而隨轉(zhuǎn)筒慣性上行，一部分物料(位于轉(zhuǎn)筒前側(cè)或后側(cè)、非槳葉所在區(qū)域內(nèi)的物料)被轉(zhuǎn)筒提升至主軸左側(cè)中部后因受自身重力的作用而下落，形成局部的、以剪切混合為特征的小循環(huán)混合(見圖2a中橢圓形標(biāo)記的轉(zhuǎn)筒前側(cè)區(qū)域)，一部分物料(位于轉(zhuǎn)筒前側(cè)或后側(cè)、槳葉所在區(qū)域內(nèi)的物料)在轉(zhuǎn)筒與槳葉的組合托送作用下繼續(xù)上行至主軸左側(cè)上部后下落，形成大范圍的、以剪切與擴(kuò)散混合為特征的大循環(huán)混合(見圖2b中橢圓形標(biāo)記的轉(zhuǎn)筒前側(cè)區(qū)域)，且呈一定角度安裝在主軸上的槳葉將使圖2a中橢圓形標(biāo)記右后上方的物料(在轉(zhuǎn)筒后側(cè)，由于正面拍攝而使其顏色較暗)形成大循環(huán)混合，同時(shí)槳葉推送物料沿軸向運(yùn)動(dòng)，形成對(duì)流與剪切混合。因此，物料在轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)拖帶、轉(zhuǎn)筒與槳葉的組合托送作用下沿轉(zhuǎn)筒的周向和軸向進(jìn)行三維空間運(yùn)動(dòng)，形成以剪切混合為主、輔以對(duì)流與擴(kuò)散混合的物料混合過程，如此反復(fù)而實(shí)現(xiàn)物料的均勻混合。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

轉(zhuǎn)筒與槳葉組合式日糧混合試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部件主要包括轉(zhuǎn)筒與槳葉。

2.1 轉(zhuǎn)筒

將轉(zhuǎn)筒設(shè)計(jì)為中空的正多棱柱結(jié)構(gòu)，并通過理論分析結(jié)合對(duì)比研究的方法來確定轉(zhuǎn)筒的參數(shù)。

圖3 相鄰周向壁板交界處物料單元的受力分析Fig.3 Force analysis of material unit at junction of adjacent circumferential plate

由于相鄰周向壁板交界處物料單元在上下部周向壁板(根據(jù)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)向進(jìn)行定義)的組合作用下托送上部周向壁板處物料單元隨轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)，這有利于提升轉(zhuǎn)筒拋落物料的高度，進(jìn)而影響整個(gè)混合過程，因此選擇該相鄰周向壁板交界處的物料單元為研究對(duì)象。假定轉(zhuǎn)筒內(nèi)所有的物料為多個(gè)物料單元的集合，同時(shí)由于物料單元的尺寸與轉(zhuǎn)筒直徑相比很小，故可將所研究物料單元的線速度與筒壁的線速度視為相同[9]。對(duì)相鄰周向壁板交界處的物料單元進(jìn)行受力分析，并參考文獻(xiàn)[10]中的方法，建立以物料單元的質(zhì)心O2為坐標(biāo)原點(diǎn)、平行于下部周向壁板并與轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)向相反的方向?yàn)閄軸正向、垂直于X軸并指向轉(zhuǎn)筒內(nèi)側(cè)方向?yàn)閅軸正向的XO2Y直角坐標(biāo)系，結(jié)果如圖3所示。其中，由于摩擦的影響，使得下部、上部周向壁板對(duì)物料單元作用力的合力F1、F2分別與下部、上部周向壁板簡(jiǎn)化線的法線方向偏離了β角，該角由物料對(duì)周向壁板的摩擦角φ(24°～29°)及周向壁板的表面粗糙程度決定，忽略周向壁板的表面粗糙程度對(duì)β角的影響，則可認(rèn)為β=φ[8,11]。

由圖3可知，當(dāng)所研究物料單元達(dá)到相對(duì)運(yùn)動(dòng)的臨界狀態(tài)時(shí)，平衡方程為:

X軸方向

Gsinθ2+F2sin(θ3-β)=F1sinβ+Fcsinθ1

(1)

Y軸方向

Gcosθ2+Fccosθ1=F1cosβ+F2cos(θ3-β)

(2)

其中

θ3=2θ1

(3)

G=mg

(4)

(5)

式中G——物料單元所受的重力，N

F1——下部周向壁板對(duì)物料單元作用力的合力，N

F2——上部周向壁板對(duì)物料單元作用力的合力，N

Fc——物料單元在等效圓周上所受的慣性力，N

θ1——物料單元質(zhì)心和轉(zhuǎn)筒中心的連線與下部周向壁板簡(jiǎn)化線的中垂線間的夾角，(°)

θ2——下部周向壁板與水平面的夾角，(°)

θ3——相鄰兩塊周向壁板法線的夾角，(°)

β——合力F1、F2與其對(duì)應(yīng)支持力N1、N2的夾角，(°)

m——物料單元的質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

ω——轉(zhuǎn)筒角速度，rad/s

R——轉(zhuǎn)筒中心到筒壁的最短距離，其大小等于轉(zhuǎn)筒的內(nèi)切圓半徑，m

由于相鄰周向壁板交界處的物料單元主要受合力F1和F2的作用，為使轉(zhuǎn)筒在旋轉(zhuǎn)過程中更容易帶動(dòng)相鄰周向壁板交界處的物料單元，進(jìn)而提升轉(zhuǎn)筒拋落物料的高度，對(duì)合力F1和F2進(jìn)行分析。由式(1)～(5)并利用代入消元法可得出F1和F2的計(jì)算公式分別為

(6)

(7)

由式(6)、(7)可知，合力F1和F2均與參數(shù)θ1、θ2、β、ω、R、m有關(guān)，其中θ1由轉(zhuǎn)筒結(jié)構(gòu)參數(shù)中的棱數(shù)確定。

綜上所述，本文在中空正多棱柱的內(nèi)切圓直徑相同、運(yùn)行條件相同的前提下，對(duì)不同棱數(shù)的轉(zhuǎn)筒進(jìn)行對(duì)比分析研究，確定轉(zhuǎn)筒為中空的正十棱柱，并根據(jù)試驗(yàn)需求將轉(zhuǎn)筒的內(nèi)切圓直徑、寬度、周向壁板厚度分別設(shè)計(jì)為806、584、4 mm，則此時(shí)轉(zhuǎn)筒中心到筒壁的最短距離R為403 mm。

當(dāng)相鄰周向壁板交界處的物料單元開始下落時(shí)(物料單元脫離上部周向壁板，此時(shí)F2=0)，其上方物料單元均已進(jìn)入拋落狀態(tài)，由式(7)可得出此時(shí)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速n(r/min)的計(jì)算公式為

(8)

由于正十邊形的每個(gè)內(nèi)角為144°，則θ1=18°。鑒于小循環(huán)混合主要發(fā)生在主軸左側(cè)中部(轉(zhuǎn)筒按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn))，則可確定物料單元開始下落時(shí)θ2的最大值為90°。運(yùn)用Matlab軟件調(diào)用fmincon函數(shù)對(duì)式(8)相應(yīng)的約束非線性規(guī)劃問題進(jìn)行求解，得出極限轉(zhuǎn)速為53.7 r/min。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速小于53.7 r/min時(shí)，緊貼于轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁的物料在隨轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)過程中能及時(shí)下落，進(jìn)而形成混合運(yùn)動(dòng)。

2.2 槳葉

根據(jù)轉(zhuǎn)筒尺寸，在主軸上采用軸向兩列交錯(cuò)布置的方式安裝兩對(duì)槳葉，每對(duì)槳葉支撐桿的中心線重合且與主軸軸線垂直相交，且兩對(duì)槳葉支撐桿的中心線相互垂直。為實(shí)現(xiàn)物料在三維空間上的滲透和變位，需使槳葉對(duì)物料的周向和軸向運(yùn)動(dòng)均起到促進(jìn)作用，且進(jìn)行混合作業(yè)時(shí)槳葉向轉(zhuǎn)筒軸向中間位置推送物料，參考相關(guān)資料[12-14]，將每對(duì)槳葉相對(duì)安裝，即槳葉在過主軸軸線且與槳葉作用面垂直的平面上的投影與主軸軸線之間的夾角θ等值且相反，并將θ設(shè)置為45°。槳葉與主軸的連接方式如圖4所示。

圖4 槳葉與主軸的連接方式Fig.4 Connection method of blade and principal axis1.1號(hào)槳葉 2.2號(hào)槳葉 3.主軸 4.3號(hào)槳葉 5.連接板 6.支撐桿 7.軸套 8.4號(hào)槳葉

當(dāng)其中一對(duì)槳葉支撐桿的中心線垂直于周向壁板時(shí)，另一對(duì)槳葉支撐桿的中心線與轉(zhuǎn)筒的棱線相交，此時(shí)各對(duì)槳葉的頂端與轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁的間隙大小不同。因此，為保證上述間隙均勻一致，根據(jù)正十邊形各邊對(duì)應(yīng)36°中心角的幾何性質(zhì)推算出4個(gè)槳葉支撐桿的布置方式，結(jié)果如圖5所示。

圖5 槳葉支撐桿的布置方式Fig.5 Arrangement method of blade-supporting bar

為減小阻力、改善槳葉對(duì)物料的剪切能力，在板厚相同的前提條件下，應(yīng)盡量縮短切割邊長度，因此將槳葉的作用面設(shè)計(jì)為正方形[15]。根據(jù)轉(zhuǎn)筒尺寸及槳葉支撐桿的布置方式，將槳葉尺寸設(shè)計(jì)為160 mm×160 mm×6 mm，并將每對(duì)槳葉支撐桿的中心線與鄰近側(cè)向壁板之間的距離設(shè)計(jì)為145 mm。

由預(yù)試驗(yàn)可知，當(dāng)槳葉回轉(zhuǎn)半徑過小時(shí)，槳葉上物料的周向和軸向運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度均較弱；當(dāng)槳葉回轉(zhuǎn)半徑在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，轉(zhuǎn)筒與槳葉的組合托送作用有助于周向托送提升、軸向推送物料，進(jìn)而加快物料的混合過程；當(dāng)槳葉回轉(zhuǎn)半徑過大時(shí)，由于槳葉頂端與筒壁的距離較小而易出現(xiàn)夾帶物料的現(xiàn)象。因此，為探索槳葉回轉(zhuǎn)半徑對(duì)該機(jī)混合性能的影響規(guī)律，本文將槳葉回轉(zhuǎn)半徑設(shè)計(jì)為可變量，并通過混合性能試驗(yàn)來確定其較優(yōu)值。

3 混合性能試驗(yàn)與結(jié)果分析

為研究轉(zhuǎn)筒與槳葉組合式日糧混合機(jī)的混合性能，并尋求較優(yōu)參數(shù)組合，利用轉(zhuǎn)筒與槳葉組合式日糧混合試驗(yàn)裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

3.1 儀器設(shè)備與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)儀器設(shè)備包括轉(zhuǎn)筒與槳葉組合式日糧混合試驗(yàn)裝置、FRN37G11S-4CX型變頻器(富士電機(jī)株式會(huì)社)、功率測(cè)控系統(tǒng)(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院研制)、電子秤、電子天平、秒表等。

參考相關(guān)資料[2,4,8]，根據(jù)35∶65的精粗比(以干物質(zhì)質(zhì)量比為基礎(chǔ))確定試驗(yàn)日糧的組成原料，如表1所示，其中后兩者為粗飼料。

表1 試驗(yàn)日糧組成Tab.1 Composition of experimental diet

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)

由預(yù)試驗(yàn)及相關(guān)資料[2,16]可知，影響該機(jī)混合性能的主要因素有混合時(shí)間、填充率、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速、槳葉回轉(zhuǎn)半徑，故本文選擇上述4個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)合理論分析、單因素預(yù)試驗(yàn)結(jié)果、轉(zhuǎn)筒結(jié)構(gòu)參數(shù)與生產(chǎn)實(shí)際，確定各試驗(yàn)因素的取值范圍為：混合時(shí)間3～17 min、填充率30%～70%、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速16～40 r/min、槳葉回轉(zhuǎn)半徑200～260 mm。

[2]，選用混合均勻度作為衡量該機(jī)混合性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，以試驗(yàn)日糧中的鹽為示蹤物，并先采用四分法取樣、再采用摩爾法對(duì)樣品中的氯離子含量進(jìn)行測(cè)定，由此得出混合均勻度的計(jì)算公式為

(9)

式中M——混合均勻度，%

S——樣品中氯離子質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)差，kg/m3

同時(shí)，利用功率測(cè)控系統(tǒng)對(duì)該機(jī)在不同工況下所需的功耗進(jìn)行測(cè)定，為使測(cè)定結(jié)果更具有可比性，選用該機(jī)進(jìn)行混合作業(yè)時(shí)所需的凈功耗作為相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)[17]，其計(jì)算公式為

WN=WT-WI

(10)

式中WN——凈功耗，kJ

WT——混合作業(yè)時(shí)機(jī)組總功耗，kJ

WI——機(jī)組空載功耗，kJ

3.2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

通過分析各試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)，確定采用四因素五水平的二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法來定量分析混合時(shí)間x1、填充率x2、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速x3和槳葉回轉(zhuǎn)半徑x4對(duì)混合均勻度Y1、凈功耗Y2的影響。試驗(yàn)因素編碼如表2所示。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表3所示，表中X1、X2、X3、X4分別表示混合時(shí)間、填充率、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速、槳葉回轉(zhuǎn)半徑的編碼值。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Codes of experimental factors

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案中每組試驗(yàn)均重復(fù)5次，取其平均值，結(jié)果如表3所示。

運(yùn)用Design-Expert軟件對(duì)表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，評(píng)價(jià)指標(biāo)的失擬項(xiàng)均不顯著、回歸模型均極顯著，表明試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案正確，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析具有實(shí)際意義[18-19]。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Tab.3 Experimental scheme and results

表4 方差分析Tab.4 Analysis of variance

注：p<0.01，極顯著；0.010.1，不顯著。

在保證回歸模型顯著、失擬項(xiàng)不顯著的基礎(chǔ)上，逐個(gè)剔除最不顯著的回歸項(xiàng)，并將其自由度與平方和并入誤差項(xiàng)后再重新擬合回歸模型[18-19]，得出簡(jiǎn)化回歸模型為

(11)

(12)

為直觀地分析試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)系，根據(jù)各回歸項(xiàng)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，并結(jié)合簡(jiǎn)化回歸模型，用“降維法”將任意2個(gè)試驗(yàn)因素固定在中心水平，得到另外2個(gè)試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的降維回歸模型[19-20]，運(yùn)用Design-Expert軟件繪制出相應(yīng)的響應(yīng)曲面，結(jié)果如圖6所示。

在試驗(yàn)范圍內(nèi)，將轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速和槳葉回轉(zhuǎn)半徑固定在中心水平上，得到填充率和混合時(shí)間的交互作用對(duì)混合均勻度的影響，如圖6a所示。由圖6a可知：填充率和混合時(shí)間的交互作用對(duì)混合均勻度的影響為上凸型曲面；當(dāng)混合時(shí)間一定時(shí)，混合均勻度隨填充率的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且變化幅度隨混合時(shí)間的增加呈現(xiàn)出先逐漸減緩、后逐漸加劇的規(guī)律；當(dāng)填充率一定時(shí)，混合均勻度隨混合時(shí)間的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且變化幅度隨填充率的增加呈現(xiàn)出先逐漸減緩、后逐漸加劇的規(guī)律。

圖6 各交互作用對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響Fig.6 Effects of interactions on evaluation indexes

在試驗(yàn)范圍內(nèi)，將槳葉回轉(zhuǎn)半徑和填充率固定在中心水平上，得到轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速和混合時(shí)間的交互作用對(duì)混合均勻度的影響，如圖6b所示。由圖6b可知：轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速和混合時(shí)間的交互作用對(duì)混合均勻度的影響為上凸型曲面；當(dāng)混合時(shí)間一定時(shí)，混合均勻度隨轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且變化幅度隨混合時(shí)間的增加呈現(xiàn)出先逐漸減緩、后逐漸加劇的規(guī)律；當(dāng)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，混合均勻度隨混合時(shí)間的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且變化幅度隨轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)出先逐漸減緩、后逐漸加劇的規(guī)律。

在試驗(yàn)范圍內(nèi)，將混合時(shí)間和槳葉回轉(zhuǎn)半徑固定在中心水平上，得到轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速和填充率的交互作用對(duì)混合均勻度的影響，如圖6c所示。由圖6c可知：轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速和填充率的交互作用對(duì)混合均勻度的影響為上凸型曲面；當(dāng)填充率一定時(shí)，混合均勻度隨轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且變化幅度隨填充率的增加呈現(xiàn)出先逐漸減緩、后逐漸加劇的規(guī)律；當(dāng)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，混合均勻度隨填充率的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且變化幅度隨轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速的增加而逐漸減緩。

在試驗(yàn)范圍內(nèi)，將轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速和混合時(shí)間固定在中心水平上，得到槳葉回轉(zhuǎn)半徑和填充率的交互作用對(duì)混合均勻度的影響，如圖6d所示。由圖6d可知：槳葉回轉(zhuǎn)半徑和填充率的交互作用對(duì)混合均勻度的影響為上凸型曲面；在該交互作用中，填充率對(duì)混合均勻度的響應(yīng)相對(duì)于槳葉回轉(zhuǎn)半徑對(duì)混合均勻度的響應(yīng)變化更為陡峭，說明混合均勻度受填充率的影響大于槳葉回轉(zhuǎn)半徑，這與上文得出的各試驗(yàn)因素對(duì)混合均勻度影響的大小順序相一致；當(dāng)槳葉回轉(zhuǎn)半徑一定時(shí)，混合均勻度隨填充率的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且變化幅度隨槳葉回轉(zhuǎn)半徑的增加而逐漸減緩；當(dāng)填充率取值較小時(shí)，混合均勻度隨槳葉回轉(zhuǎn)半徑的增加而增大，且變化幅度隨填充率的增加而逐漸減緩；當(dāng)填充率取值較大時(shí)，混合均勻度隨槳葉回轉(zhuǎn)半徑的增加而減小，且變化幅度隨填充率的增加而逐漸加劇。

在試驗(yàn)范圍內(nèi)，將槳葉回轉(zhuǎn)半徑和填充率固定在中心水平上，得到轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速和混合時(shí)間的交互作用對(duì)凈功耗的影響，如圖6e所示。由圖6e可知：在該交互作用中，混合時(shí)間對(duì)凈功耗的響應(yīng)相對(duì)于轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速對(duì)凈功耗的響應(yīng)變化更為陡峭，說明凈功耗受混合時(shí)間的影響大于轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速，這與上文得出的各試驗(yàn)因素對(duì)凈功耗影響的大小順序相一致；當(dāng)混合時(shí)間一定時(shí)，凈功耗總體上隨轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速的增加而增大，且變化幅度隨混合時(shí)間的增加而逐漸加??；當(dāng)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，凈功耗總體上隨混合時(shí)間的增加而增大，且變化幅度隨轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速的增加而逐漸加劇。

3.4 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

為尋求該機(jī)獲得最佳混合性能時(shí)的作業(yè)參數(shù)組合，需要對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的簡(jiǎn)化回歸模型進(jìn)行有約束多目標(biāo)優(yōu)化求解。根據(jù)日糧混合要求，取混合均勻度Y1較優(yōu)的界限為Y1≥90%，同時(shí)為獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，將填充率的變化范圍設(shè)為50%～70%。以上述條件為前提，以混合時(shí)間3～17 min、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速16～40 r/min、槳葉回轉(zhuǎn)半徑200～260 mm為約束條件，以混合均勻度最大、凈功耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，以簡(jiǎn)化回歸模型為目標(biāo)函數(shù)，建立非線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Design-Expert軟件中的優(yōu)化模塊對(duì)其進(jìn)行求解。考慮到試驗(yàn)因素取值的可操作性，則從多個(gè)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果中選取最佳組合的圓整結(jié)果為：混合時(shí)間3.5 min、填充率66%、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速29 r/min、槳葉回轉(zhuǎn)半徑236 mm，此時(shí)混合均勻度、凈功耗的預(yù)測(cè)值分別為91.20%、31.336 kJ。

為檢驗(yàn)上述圓整優(yōu)化結(jié)果的可靠性，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證(與表3中各組試驗(yàn)的操作條件相同)，得出此時(shí)混合均勻度、凈功耗的實(shí)測(cè)值分別為92.98%、32.618 kJ，對(duì)應(yīng)的物料殘留率為0.067%，這說明該機(jī)的混合效果較好[2,21-22]。與優(yōu)化前有抄板機(jī)型的最佳參數(shù)組合對(duì)應(yīng)的混合均勻度、凈功耗相比[21]，分別降低了5.04%、3.31%。通過對(duì)比分析可知，混合均勻度、凈功耗的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的相對(duì)誤差分別為1.91%、3.93%，這說明簡(jiǎn)化回歸模型和圓整優(yōu)化結(jié)果均可靠。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)筒與槳葉組合式日糧混合機(jī)，其轉(zhuǎn)筒為中空的正十棱柱，并在主軸上采用軸向兩列交錯(cuò)排列的方式設(shè)置4個(gè)槳葉。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，該機(jī)適用于日糧各組分的混合加工。

(2)各試驗(yàn)因素對(duì)混合均勻度的影響由大到小依次為填充率、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速、混合時(shí)間、槳葉回轉(zhuǎn)半徑；各試驗(yàn)因素對(duì)凈功耗的影響由大到小依次為混合時(shí)間、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速、填充率、槳葉回轉(zhuǎn)半徑；最佳參數(shù)組合方案為混合時(shí)間3.5 min、填充率66%、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速29 r/min和槳葉回轉(zhuǎn)半徑236 mm，對(duì)應(yīng)的混合均勻度、凈功耗分別為92.98%、32.618 kJ，比優(yōu)化前分別降低了5.04%、3.31%。

參考文獻(xiàn)

1 王德福，蔣亦元．雙軸臥式全混合日糧混合機(jī)的試驗(yàn)研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(4)：85-88.

WANG Defu, JIANG Yiyuan.Experimental study on the twin-shaft horizontal total mixed ration mixer[J].Transactions of the CSAE, 2006, 22(4): 85-88.(in Chinese)

2 于克強(qiáng)．轉(zhuǎn)輪式全混合日糧混合機(jī)混合機(jī)理分析及試驗(yàn)研究[D]．哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

YU Keqiang.Experimental study and mechanism analysis of paddle-wheel total mixed ration mixer[D].Harbin: Northeast Agricultural University, 2015.(in Chinese)

3 BUCKMASTER D.Optimizing performance of TMR mixers[J].Tri-State Dairy Nutrition Conference, 2009, 21(22): 105-117.

4 MILLER-CUSHON E K, DEVRIES T J.Effect of dietary dry matter concentration on the sorting behavior of lactating dairy cows fed a total mixed ration[J].Journal of Dairy Science, 2009, 92(7): 3292-3298.

6 劉宏濤，馬俊貴．9TMR-5型全混合日糧攪拌機(jī)的研制[J]．新疆農(nóng)機(jī)化，2015(1)：21-22.

7 左黎明，尹成龍，張軍鴻．立式TMR攪拌機(jī)的攪龍?jiān)O(shè)計(jì)及應(yīng)力分析[J]．中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014，35(5)：58-63.

ZUO Liming, YIN Chenglong, ZHANG Junhong.Design and stress analysis of the auger of TMR mixer[J].Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2014, 35(5): 58-63.(in Chinese)

8 王德福．雙軸臥式全混合日糧混合機(jī)的混合機(jī)理分析[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37(8)：178-182.

WANG Defu.Analysis of mixing principle on twin-shaft horizontal total mixed ration mixer[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2006, 37(8): 178-182.(in Chinese)

9 周又和．理論力學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2015.

10 周友超．玉米在旋轉(zhuǎn)篩內(nèi)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理[J]．糧食與食品工業(yè)，2012，19(5)：24-26.

11 張麟．雙軸槳葉式混合機(jī)的混合機(jī)理及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討[J]．糧食與飼料工業(yè)，1998(4)：19-21，27.

12 劉梅英，譚鶴群，牛智有，等．基于Pro/E的單軸槳葉式混合機(jī)轉(zhuǎn)子的三維建模[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2008,30(6)：69-71.

LIU Meiying, TAN Hequn, NIU Zhiyou, et al.Three-dimensional modeling of single-shaft paddle mixer’s rotor based on Pro/E[J].Journal of Agricultural Mechanization Research, 2008,30(6): 69-71.(in Chinese)

13 任廣躍，王紅英，于慶龍，等．雙軸槳葉式混合機(jī)的混合性能及其發(fā)展前景分析[J]．糧食與飼料工業(yè)，2003(7)：23-24，31.

REN Guangyue, WANG Hongying, YU Qinglong, et al.Mixing performance and developing prospects the twin-shaft paddle mixers[J].Cereal & Feed Industry, 2003(7): 23-24, 31.(in Chinese)

14 張飛，高艷強(qiáng)，張加麗．翻轉(zhuǎn)式雙軸漿葉式飼料混合機(jī)[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2008,30(2)：113-115，118.

ZHANG Fei, GAO Yanqiang, ZHANG Jiali.The turnover mixer with two-axle paddles[J].Journal of Agricultural Mechanization Research, 2008,30(2): 113-115, 118.(in Chinese)

15 劉梅英，宗力，林新．UG在單軸槳葉式混合機(jī)槳葉設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]．糧油加工，2009(2)：102-104.

16 蔣恩臣．畜牧業(yè)機(jī)械化(第四版)[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2011.

17 董欣，劉立意，李文哲，等．臥輥式玉米秸稈調(diào)質(zhì)裝置調(diào)質(zhì)功耗試驗(yàn)[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(增刊)：198-201.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=2012s39&journal_id=jcsam.DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2012.S0.039.

DONG Xin, LIU Liyi, LI Wenzhe, et al.Power consumption experiment of corn straw adjusting material device based on horizontal roller[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(Supp.):198-201.(in Chinese)

18 彭飛，康宏彬，王紅英，等．小型軸向多點(diǎn)進(jìn)氣式飼料制粒調(diào)質(zhì)器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(11)：121-127.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20161116&journal_id=jcsam.DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2016.11.016.

PENG Fei, KANG Hongbin, WANG Hongying, et al.Design and experiment on small-scale axial multi-point gas intake conditioner for pellet mill[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(11): 121-127.(in Chinese)

19 王志明，呂彭民，陳霓，等．橫置差速軸流脫分選系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(12)：53-61.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20161208&journal_id=jcsam.DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2016.12.008.

WANG Zhiming, Lü Pengmin, CHEN Ni, et al.Design and experiment on axial-flow differential-speed threshing-separating-cleaning unit[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(12): 53-61.(in Chinese)

20 彭飛，李騰飛，康宏彬，等．小型制粒機(jī)喂料器參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(2)：51-58.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160207&journal_id=jcsam.DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2016.02.007.

PENG Fei, LI Tengfei, KANG Hongbin, et al.Optimization and experiment on feeder for small-scale pellet mill[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(2): 51-58.(in Chinese)

21 李利橋，王德福，李超．回轉(zhuǎn)式日糧混合機(jī)混合機(jī)理分析與性能試驗(yàn)優(yōu)化[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48(8)：123-132.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20170813&flag=1.DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.013.

LI Liqiao, WANG Defu, LI Chao.Mixing process analysis and performance experiment of rotary ration mixer[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(8): 123-132.(in Chinese)

22 吳艷澤，夏吉慶，康德福．奶牛全混合日糧混合機(jī)卸料機(jī)構(gòu)的研制[J]．東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，42(11)：89-92.

WU Yanze, XIA Jiqing, KANG Defu.Design of discharging mechanism for total mixed ration mixer[J].Journal of Northeast Agricultural University, 2011, 42(11): 89-92.(in Chinese)

DesignandExperimentalOptimizationofCombined-typeRationMixerofDrumandBlade

LI Liqiao1,2WANG Defu1,2LI Chao1,2LI Donghong1,2JIANG Zhiguo1,2PING Zhongyuan1,2

(1.CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China2.KeyLaboratoryofPig-breedingFacilitiesEngineering,MinistryofAgriculture,Harbin150030,China)

The key of utilization of the ration feeding technique in ruminant-breeding industry is the research and application of ration mixers.In view of the practical application and popularization of the ration feeding technique in recent years in China, and in order to promote the development of animal husbandry, combining with the current situation of few self-dependent innovation of ration mixers in China, a combined-type ration mixer of drum and blade was designed.To explore the mixing performance and obtain the optimum parameters of the combined-type ration mixer of drum and blade, the method of quadratic regression orthogonal rotational combination design was adopted to conduct the experiment by the self-developed combined-type ration mixing experimental device of drum and blade.The experimental diet was composed of cornmeal, soybean meal, salt, corn silage and hay.Mixing time, filling rate, rotational speed of drum and gyrating radius of blade were chosen as experimental factors, and mixing uniformity and net power consumption were determined as evaluation indexes.The regression mathematical models between the experimental factor and the evaluation index were established and analyzed by Design-Expert software, then the optimization result was verified by experiment.The results showed that the descending order of effects of various factors on mixing uniformity was filling rate, rotational speed of drum, mixing time and gyrating radius of blade; the descending order of effects of various factors on net power consumption was mixing time, rotational speed of drum, filling rate and gyrating radius of blade; and the mixing uniformity was 92.98% and net power consumption was 32.618 kJ under the condition that mixing time was 3.5 min, filling rate was 66%, rotational speed of drum was 29 r/min and gyrating radius of blade was 236 mm.The research results could provide reference for the research and development, optimization design and parameter selection of ration mixers.

ration mixer; combined-type of drum and blade; experiment; optimization

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.008

S816.34; S817.12

A

1000-1298(2017)10-0067-09

2017-05-31

2017-07-15

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0701300)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405076)

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

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