王德福 李 超 李利橋 李百秋 王國富 林 熠

(1.東北農業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030； 2.農業(yè)部生豬養(yǎng)殖設施工程重點實驗室， 哈爾濱 150030)

引言

國外飼料混合機研究起步較早，技術處于領先地位。國外企業(yè)已研發(fā)出回轉筒式和固定腔式兩大類多品種、系列化的飼料混合機；同時國外學者對混合機開展了應用研究，如混合機混合性能及混合均勻度試驗研究[1-2]；但針對飼料混合機(包括預混合飼料混合機)混合機理的研究報道較少。我國飼料混合機研究起步較晚，但近20年來企業(yè)已研發(fā)出多種類的混合機，如雙軸槳葉式、單軸雙層槳葉式、行星雙螺旋錐形、回轉筒式混合機等；同時我國學者圍繞其應用性能進行了較多研究[3-12]，并利用數(shù)值模擬、運動學與動力學分析方法對回轉筒式混合機等進行了機理研究[13-20]；我國對飼料混合機的混合性能研究較多而機理研究較少。因此，針對預混合飼料混合機存在的結構復雜、混合時間長、物料殘留多等問題，開展混合機理研究進而研制新型預混合飼料混合機非常必要。

本文利用設計的葉板式飼料混合機，通過對其混合過程的理論分析及高速攝像研究，揭示其混合機理，并針對其混合過程的主要影響因素進行參數(shù)優(yōu)化試驗，為預混合飼料混合機的結構優(yōu)化、工藝參數(shù)確定提供參考。

1 總體結構與工作原理

圖1 葉板式飼料混合機示意圖Fig.1 Structural diagram of blade-type feed mixer1.機體 2.側面PVC板 3.葉板轉子 4.正面PVC板 5.機架6.傳動裝置 7.葉板 8.支臂 9.主軸 10.側支臂

葉板式飼料混合機主要由機體、葉板轉子、機架和傳動裝置等組成，總體尺寸為1.0 m×0.6 m×1.5 m，混合室有效容積為0.5 m3，如圖1a所示。其中機體由上機體、下機體組成，上機體包括入料口、下機體包括卸料口，其中下機體采用8塊壁板組成的正多棱體結構，以加強混合過程中物料的變向運動。為便于對混合室內物料的混合過程進行高速攝像研究，機體的正面壁板和部分側面壁板用透明PVC板制作。葉板轉子為該混合機核心部件(圖1b)，主要由側支臂、支臂、主軸、葉板組成，葉板與機體的最小間隙為5 mm，4塊葉板中相鄰兩塊葉板的安裝相位相反，且每塊葉板與主軸軸線的夾角均為45°。

工作時，葉板轉子旋轉，物料在葉板帶動下被向前或向上推送，被向前推送的物料以周向運動為主，同時由于葉板與主軸軸線呈45°角且相鄰兩塊葉板反向安裝，被向上推送的物料上升到一定高度被拋落時既產生周向運動又產生軸向運動，進而形成剪切混合和擴散混合為主、對流混合為輔的混合過程。

2 混合機理分析

2.1 理論分析

為分析物料的混合過程，以葉板上的物料單元為分析對象，并以物料單元質心為坐標原點，沿葉板表面建立XOY輔助坐標系。當葉板運動到任意位置時，在過軸線豎直面投影、軸截面上對葉板上的物料單元進行受力分析，結果分別如圖2a、2b所示。

圖2 物料單元受力分析示意圖Fig.2 Force analysis of material unit

由圖2a可知，此時滿足

(1)

式中G——物料單元所受的重力，N

F1——重力G在Y軸方向的分力，N

F2——重力G在X軸方向的分力，N

F3——其他物料對物料單元的作用力，N

Ff——葉板對物料單元的摩擦力，N

F——葉板對物料單元的作用力，N

m——物料單元的質量，kg

g——重力加速度，9.8 m/s2

α——重力G與分力F1的夾角，(°)

β——作用力F3與分力F1的夾角，(°)

μ——葉板表面與物料單元的摩擦因數(shù)

當式(1)中的∑FX大于0時,物料單元受葉板帶動上升到一定高度后，被葉板拋送下落。此時物料單元受葉板作用力F的軸截面分力作用產生周向運動、軸向分力作用產生軸向運動，實現(xiàn)以剪切和擴散混合為主、對流混合為輔的混合過程。

由圖2b可知，此時滿足

(2)

式中θ——軸截面上葉板簡化線的中垂線與豎直方向的夾角，(°)

當式(2)中的∑FX滿足

(3)

式中v——物料單元沿軸截面的速度，m/s

R——物料單元質心與軸心的距離，m

物料單元隨葉板上升到一定高度后被拋離。物料單元被拋離的距離隨葉板轉子轉速變化，葉板轉子轉速越高，對物料單元的拋送作用力越大，物料單元運動速度越大，上升的高度越大，被拋送的距離越大，物料在混合室上部產生的剪切與擴散混合運動越劇烈。

2.2 高速攝像分析

在理論分析基礎上，利用V5.1型數(shù)字式高速攝像機(Vision Research Inc.，美國；拍攝頻率選為1 000 f/s)對混合室內物料的混合過程進行拍攝分析研究。

圖3 混合區(qū)高速攝像圖Fig.3 High-speed photograph diagrams of mixed zone

2.2.1混合過程分析

在物料充滿系數(shù)為65%、葉板寬度為120 mm、轉子轉速為30 r/min的試驗條件下，利用高速攝像機對混合室內物料的混合過程進行拍攝與分析，并按物料運動特征將混合室內物料分布區(qū)域劃分為蠕動區(qū)、滑動區(qū)、拋落區(qū)。

(1)蠕動區(qū)

蠕動區(qū)處在混合室下部且物料多(如圖3a中紅圈A)。進入該區(qū)的物料先向混合室下部移動，隨后受葉板推動或帶動繞主軸向前運動，形成先向下后向前的蠕動狀前移運動，因此將該區(qū)稱為蠕動區(qū)。通過高速攝像逐幀分析可知(圖3a)：蠕動區(qū)左側的物料先向混合室下部移動(如圖3a中紅圈J中清晰的豎向紋路所示)，再由葉板推動或帶動向前運動，向前運動中由于外側物料受葉板的直接推動而運動較快、內側物料受葉板推動物料的帶動而移動稍慢，因此，該區(qū)物料層間存在較明顯的相互滑移，進而產生剪切混合。

(2)滑動區(qū)

滑動區(qū)處在混合室右中部且物料較多(如圖3b中紅圈B)。滑動區(qū)物料主要受蠕動區(qū)物料向上的托送、葉板離開滑動區(qū)時帶起物料向左的推動，使其產生總體向混合室左側的滑動，直至越過主軸而從混合室左側進入蠕動區(qū)，由于其呈總體滑動狀，因此將該區(qū)稱為滑動區(qū)。通過高速攝像逐幀分析可知(圖3b)：葉板離開滑動區(qū)時,葉板上滑落的物料沿著傾斜的滑動區(qū)上表面向下滑動；葉板脫離蠕動區(qū)過程中，兩葉板間物料以“塌陷”的形式滑落，與向上運動的物料產生剪切混合(如圖3b中紅圈m)；并且在葉板轉動作用下，物料總體向左側滑動。進而物料間形成較強的剪切混合。

(3)拋落區(qū)

拋落區(qū)處在混合室上部且物料較少(如圖3c中紅圈C)。葉板在該區(qū)開始逐漸翻轉，隨角度增加，物料在其重力和葉板拋送力作用下逐漸脫離葉板形成拋落過程，因此將該區(qū)稱為拋落區(qū)。物料拋落過程主要受葉板寬度和轉子轉速的影響。通過高速攝像逐幀分析可知(圖3c)：葉板帶動的物料上部分滑落的物料呈離散狀下落(如圖3c中紅圈O)；葉板拋落的物料發(fā)生碰撞、滑移、分散(如圖3c中紅圈n)；同時該區(qū)拋落的物料與滑動區(qū)移動的物料在拋落區(qū)左下部形成物料間的滑移碰撞。由于相鄰葉板相位相反，在拋落區(qū)葉板交替將物料拋向相反方向，物料在被拋落過程中既產生周向又產生軸向運動。因而，物料間產生較強的剪切與擴散混合、較弱的對流混合。

2.2.2葉板寬度對混合過程的影響

為更清晰地拍攝葉板寬度對混合室內物料混合過程的影響，在物料充滿系數(shù)為40%、轉子轉速為30 r/min的試驗條件下，利用高速攝像機從側面和正面分別拍攝葉板寬度為80、120、160 mm時物料的運動過程。

在葉板轉動至拋落區(qū)上部同一位置時，從側面拍攝物料運動情況如圖4a所示，從正面拍攝物料在各區(qū)運動狀態(tài)如圖4b所示。由圖4a可知：當葉板寬度為80 mm時，其帶動物料較少，隨著物料在葉板上下滑，葉板在混合室上部已清晰可見；當葉板寬度為120 mm時，葉板帶動物料較多，隨著葉板上前部物料下滑，葉板露出部分上邊緣；當葉板寬度為160 mm時，葉板帶動物料非常多，盡管葉板上前部物料已下滑，但由于葉板上的物料層較厚而使得葉板不可見。由圖4b可知：當葉板寬度為80 mm時，葉板拋落的物料少(如圖4b中紅圈p)，物料的滲透、變位運動較弱；當葉板寬度120 mm時，既有物料拋落(如圖4b中紅圈q)又有物料散落(如圖4b中紅圈r)，有利于物料的滲透、變位運動；當葉板寬度160 mm時，有較多物料被拋落(如圖4b中紅圈s)同時出現(xiàn)物料的大面積散落(如圖4b中紅圈t)，物料的滲透、變位運動強烈。

綜上，葉板寬度對混合過程的影響明顯，拋落和散落的物料均隨葉板寬度的增加而增多，因此，在一定范圍內增加葉板寬度有利于加快物料的混合均布過程。

圖4 不同葉板寬度時側面和正面高速攝像圖Fig.4 High-speed photograph diagrams of different blade widths on side and front faces

圖5 不同轉子轉速時側面和正面高速攝像圖Fig.5 High-speed photograph diagrams of different rotation speeds on side and front faces

2.2.3轉子轉速對混合過程的影響

為探究轉子轉速對混合室內物料混合過程的影響，在物料充滿系數(shù)為40%、葉板寬度為120 mm的試驗條件下，利用高速攝像機從側面和正面分別拍攝轉子轉速為10、30、50 r/min時物料的運動過程。

在葉板轉動至拋落區(qū)同一位置時，從側面拍攝物料運動情況如圖5a所示，從正面拍攝物料在各區(qū)運動狀態(tài)如圖5b所示。結合圖5a、5b可知：當轉子轉速為10 r/min時，葉板移動到拋落區(qū)上部時其上的物料很少，即在葉板剛進入拋落區(qū)時其帶動物料已開始從葉板上滑落(如圖5b中紅圈U)，不利于物料的滲透、變位運動；當轉子轉速為30 r/min時，葉板移動到拋落區(qū)上部時物料才開始拋落，物料拋送距離較大(如圖5b中紅圈V)，同時滑落的物料呈散狀下落(如圖5b中紅圈W)，有利于物料的滲透、變位運動；當轉子轉速為50 r/min時，物料受葉板拋送作用呈瀑布狀下落(如圖5b中紅圈X)，物料的滲透、變位運動強烈。

綜上，轉子轉速對于混合過程的影響明顯，隨轉子轉速增加物料拋送距離增大，且物料散落運動加劇，因此，在一定范圍內增加轉子轉速有利于加快物料的混合均布過程。

3 混合性能試驗與參數(shù)優(yōu)化

3.1 試驗材料與儀器設備

試驗材料為質量分數(shù)99%玉米面(由篩網(wǎng)孔徑為φ2.5 mm的錘片粉碎機加工得到，含水率9.60%)，質量分數(shù)1%食鹽(含水率0.54%)，并將食鹽作為示蹤劑。根據(jù)預試驗，確定物料充滿系數(shù)為65%。

試驗儀器設備包括葉板式飼料混合機、變頻器、電子秤、電子天平、秒表等。

3.2 試驗方案

通過混合機理分析及預試驗，確定以葉板寬度、混合時間及轉子轉速為試驗因素，以變異系數(shù)CV為評價指標，其中變異系數(shù)CV通過化學法測定選取樣品中氯離子含量來確定[20]，由此得出其計算公式為

(4)

式中S——樣品中氯離子含量的標準差

采用三因素五水平正交旋轉組合試驗方法進行試驗，試驗因素編碼如表1所示。

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

注：根據(jù)試驗因素水平值的可操作性，將圓整后的括號內參數(shù)作為試驗所取參數(shù)。

3.3 試驗結果與分析

試驗設計方案與結果如表2所示。A、B、C為因素編碼值。

利用Design-Expert軟件對表2中數(shù)據(jù)進行方差分析，分析結果如表3所示。

由表3可知，回歸模型極顯著、失擬項不顯著，說明模型是合適的。回歸模型的決定系數(shù)R2=0.93，說明回歸模型與試驗結果擬合程度較好。對評價指標的回歸模型進行顯著性分析，剔除不顯著項[21]，得到各因素編碼值與變異系數(shù)CV的簡化回歸模型

表2 試驗設計方案與結果Tab.2 Experiment design and results

表3 方差分析Tab.3 Analysis of variance

注：** 表示極顯著(P<0.01)；*表示顯著(P<0.05)。

CV=4.16-0.44A-0.80B-0.84C-
0.46AB+0.62BC+0.28A2+0.50C2

(5)

由表3中一次項的F值判斷出各因素對變異系數(shù)的影響由大到小依次為轉子轉速C、混合時間B、葉板寬度A。雙因素的交互作用AB、BC對變異系數(shù)的響應曲面如圖6所示。圖6a為轉子轉速取中心水平值(30 r/min)時，葉板寬度和混合時間對變異系數(shù)影響的響應曲面。由圖6a可知，增加葉板寬度和混合時間有助于降低變異系數(shù)。這主要因為在轉子轉速一定的條件下，隨著葉板寬度增加，其帶起的物料增多同時散落的物料增多，有助于物料間的滲透與變位混合；隨著混合時間增加，有利于增強物料的混合過程。圖6b為葉板寬度取中心水平值(120 mm)時，混合時間和轉子轉速對變異系數(shù)影響的響應曲面。由圖6b可知，當混合時間和轉子轉速都從低水平開始增加時，物料混合作用加強，變異系數(shù)下降；初始階段隨著轉子轉速增加混合作用增強，隨著混合時間增加，物料由初始不均勻狀態(tài)逐漸分布均勻；隨著轉子轉速增加，物料拋送距離增大，物料拋落狀態(tài)轉向散落為主，物料間相互滲透與變位更充分，有助于強化剪切和擴散混合作用；混合時間和轉子轉速繼續(xù)增加時，變異系數(shù)略有上升但總體變化不大，這主要是因為隨著混合時間和轉子轉速繼續(xù)增加，物料間先產生離析、后出現(xiàn)混合與離析趨于平衡，使得變異系數(shù)在達到一定程度后會圍繞一個值附近波動。因此，在一定范圍內增加混合時間、轉子轉速有助于降低變異系數(shù)。

圖6 變異系數(shù)的響應曲面Fig.6 Response surfaces of variation coefficient

3.4 參數(shù)優(yōu)化與驗證

利用Design-Expert中Optimization模塊進行參數(shù)優(yōu)化，得到混合性能最優(yōu)時對應的參數(shù)組合為葉板寬度138 mm、混合時間4.7 min、轉子轉速32.5 r/min，此時變異系數(shù)為3.05%。根據(jù)獲得的優(yōu)化參數(shù)進行試驗驗證，得到變異系數(shù)為3.11%，優(yōu)化結果與驗證結果基本一致，誤差在試驗允許范圍內，其混合性能達到預混合飼料變異系數(shù)小于5%的要求；同時得到其殘留率為0.09%，滿足預混合飼料殘留率小于0.8%的生產要求。

葉板式飼料混合機與常用預混合飼料混合機性能對比分析結果如表4所示。

4 結論

(1)通過理論分析和高速攝像研究可知，按物料運動特征可將葉板式飼料混合機混合室內物料分布區(qū)域劃分為蠕動區(qū)、滑動區(qū)、拋落區(qū)。蠕動區(qū)以剪切混合為主，滑動區(qū)以較強的剪切混合為主，拋落區(qū)以較強的剪切混合與擴散混合為主、伴隨較弱的對流混合。

表4 主要預混合飼料混合機性能對比分析Tab.4 Performance comparison analysis of mainpremix feed mixers

注：表中混合機變異系數(shù)皆小于5%。

(2)在物料充滿系數(shù)為65%條件下，當葉板寬度138 mm、混合時間4.7 min、轉子轉速32.5 r/min時，變異系數(shù)為3.11%。各因素對變異系數(shù)的影響由大到小依次為轉子轉速、混合時間、葉板寬度。

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