薛雲(yún)恒，李景彬，溫寶琴，坎 雜

(石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

近年來，隨著我國畜牧業(yè)的迅猛發(fā)展，肉羊養(yǎng)殖業(yè)已成為新疆農(nóng)村經(jīng)濟的特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)與支柱產(chǎn)業(yè)[1]。隨著“退耕還林、退牧還草”政策的穩(wěn)步推進，傳統(tǒng)的飼喂方式已經(jīng)不能滿足市場需求，規(guī)?；⒓s化養(yǎng)殖已成為主流。全混日糧(Total mix-ed ration,TMR)飼喂技術(shù)是根據(jù)反芻動物在不同生長發(fā)育階段的營養(yǎng)需要，按營養(yǎng)專家設(shè)計的日糧配方，保證了反芻動物所采食的飼料營養(yǎng)均衡[2-4]。同傳統(tǒng)的飼養(yǎng)相比，TMR飼喂技術(shù)可以使肉羊養(yǎng)殖實現(xiàn)從傳統(tǒng)到現(xiàn)代化的轉(zhuǎn)變，是羊場提高單產(chǎn)水平、獲得更佳經(jīng)濟效益的有效途徑。

TMR飼喂機是集剪切、揉搓及混合加工為一體的機械。王德福[5-6]對雙軸葉板式混合機進行研究，得出影響葉板式混合效果的參數(shù)；于克強[7]揭示了轉(zhuǎn)輪式混合機的混合機理；李景彬[8]得出了影響攪龍式雙軸臥式攪拌機混合效果的影響因素；馮靜安[9]對立式攪拌機結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計并對攪龍參數(shù)進行了理論分析。

上述研究主要側(cè)重于全混合日糧攪拌機的設(shè)計和混合機理分析，然而對目前使用較為廣泛的攪龍式全混合日糧攪拌機的揉切過程涉及較少。因此，本文設(shè)計一種攪龍式秸稈揉切裝置，并對運動過程研究分析，確定主要的揉切區(qū)域，探求影響揉切效果的參數(shù)，為后期全混合日糧攪拌機揉切裝置的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

1 試驗設(shè)備與材料

1.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備為自行設(shè)計的攪龍秸稈揉切裝置，該裝置主要由入料口、螺旋攪龍、梅花刀片、定刀、齒板、出料口及活動側(cè)板等組成，如圖1所示。

螺旋攪龍為該設(shè)備的主要工作部件，其結(jié)構(gòu)采用水平布置，攪龍的套筒上焊接有螺旋葉片，每個螺旋葉片上均勻安裝有5個梅花刀片。箱體由側(cè)板和半圓弧焊接而成，箱體和半圓結(jié)合處安裝定刀，半圓弧上焊接揉搓齒板，在箱體側(cè)壁上焊接活動側(cè)板可調(diào)節(jié)角度為60°～90°，螺旋攪龍距箱體底部最小間隙為8mm。

1.2 試驗材料

本試驗材料為新疆石河子本地農(nóng)田打捆麥秸稈，含水率約為17.86%，平均長度為15cm。

1.3 工作原理

將成捆的秸稈從入料口加入，在螺旋攪龍的轉(zhuǎn)動下，螺旋葉片上安裝的動刀撥動成捆的秸稈向箱體側(cè)板轉(zhuǎn)動，在箱體側(cè)板安裝定刀的作用下，阻止秸稈繼續(xù)做圓周運動[10]，轉(zhuǎn)動的螺旋葉片對秸稈進行壓縮；當(dāng)螺旋葉片上均勻分布的動刀和箱體側(cè)板安裝的定刀形成剪切面時對秸稈進行切割破捆，破捆的秸稈在螺旋葉片對它摩擦力和推動力的作用下向箱體底部運動；在攪龍壓力作用下，箱體底部和攪龍之間形成秸稈擠壓層，齒板對秸稈產(chǎn)生的摩擦力增大，揉搓作用加強，秸稈在攪龍的作用下不斷地在空間上做循環(huán)運動，直至從出料口排出。

1.電機 2.機架 3.聯(lián)軸器 4.入料口 5.定刀 6.梅花刀片 7.齒板 8.螺旋攪龍 9.撥板 10.出料口 11.箱體 12.活動側(cè)板 13.揉搓室

2 螺旋式攪龍揉切過程機理分析

秸稈加工的基本受力方式主要有彎曲、拉伸、折斷、剪切、沖擊和揉搓等破壞形式[11]。研究表明，由于秸稈韌性大、易變形等特點，適宜采用的切碎方式主要有揉切、粉碎及切割(砍切、滑切)等[12-13]。經(jīng)預(yù)試驗可知：攪龍在轉(zhuǎn)動過程中，利用螺旋葉片對秸稈進行輸送，同時螺旋葉片上均勻分布的動刀和箱體側(cè)板上安裝的定刀相互作用對秸稈進行切割；隨著攪龍轉(zhuǎn)動，秸稈運動到底殼半圓處時，在攪龍壓力的作用下箱體底部和攪龍之間形成秸稈擠壓層，箱體對秸稈產(chǎn)生的摩擦力增大，揉搓作用加強，在箱體最低點時，攪龍對秸稈的擠壓力最大，揉搓作用最強；當(dāng)秸稈即將脫離底殼半圓處時，攪龍帶動秸稈擠壓層向斜上方拋去，擠壓層破裂，其下落的秸稈隨攪龍繼續(xù)在空間上運動。為更好地描述秸稈在揉切過程中的運動，將攪龍的揉切過程在空間上均勻分為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)，用剖視圖對不同區(qū)域的秸稈進行受力分析，如圖2所示。

圖2 秸稈揉切過程中的受力示意圖Fig.2 The force diagram of the straw cutting process

圖2中：F為攪龍對秸稈的壓力(N)；f為攪龍對秸稈的摩擦力(N)；FN為箱體對秸稈的支持力(N)；f1為箱體對秸稈的摩擦力(N)；F1為秸稈之間的作用力(N)；f2為秸稈之間的摩擦力(N),G為秸稈的重力(N)；F2為剪切合力(N)；FN1為攪龍對秸稈的支持力(N)；FN2為定刀對秸稈的支持力(N)；f3為定刀對秸稈的摩擦力(N)；β為箱體傾角(°)。

2.1 秸稈在Ⅰ區(qū)的運動分析

在Ⅰ區(qū)，隨著攪龍的轉(zhuǎn)動，Ⅳ區(qū)的秸稈在螺旋攪龍對它支持力FN1、摩擦力f的作用下在空間上做曲線運動；當(dāng)秸稈運動到攪龍最上方時，螺旋攪龍對秸稈的支持力FN1達到最大值。隨著攪龍繼續(xù)轉(zhuǎn)動，在離心力和重力的作用下秸稈加速向Ⅱ區(qū)運動，對Ⅰ區(qū)的秸稈進行受力分析，如圖2所示。設(shè)螺旋攪龍的轉(zhuǎn)速為n、半徑為r，則秸稈在豎直方向受力分析公式為

F1=FN1+4π2n2mr

(1)

式中F1—秸稈之間的作用力(N)；

FN1—螺旋攪龍對秸稈的支持力(N)；

n—螺旋攪龍的轉(zhuǎn)速(r/min)；

r—螺旋攪龍的半徑(m)。

由式(1)可知:秸稈在作用力F1和支持力FN1的作用下，秸稈隨攪龍做圓周運動，攪龍轉(zhuǎn)速越高，F(xiàn)1越大，螺旋攪龍對秸稈的支持力FN1越小。由于越靠近螺旋軸秸稈的速度越大，致使支持力FN1越靠近螺旋轉(zhuǎn)軸越小，則攪龍對秸稈的摩擦力f1也逐漸減小。在轉(zhuǎn)動過程中，離螺旋軸越遠，其線速度越慢，使秸稈之間產(chǎn)生速度差，產(chǎn)生滑動摩擦力f2，此過程形成剪切作用。由于秸稈的質(zhì)量和秸稈之間的摩擦因數(shù)較小，使得秸稈之間產(chǎn)生的摩擦力和攪龍對秸稈產(chǎn)生的摩擦力差值較小，幾乎不能使秸稈發(fā)生剪切斷裂。

在Ⅰ區(qū)，改變攪龍的轉(zhuǎn)速可以提高攪龍的沖擊力，對秸稈進行沖擊剪切；但當(dāng)攪龍轉(zhuǎn)速無限增大到一定值時，秸稈之間的作用力加強，使得秸稈之間形成秸稈層，不利于對秸稈的剪切。

2.2 秸稈在Ⅱ區(qū)的運動分析

在Ⅱ區(qū)，秸稈在離心力和秸稈自身重力的作用下，揉切Ⅰ區(qū)的秸稈加速向揉切Ⅱ區(qū)拋灑，與其它秸稈形成擴散作用，在兩半圓結(jié)合處安裝的定刀作用下，阻止秸稈向下運動，在定刀上方形成秸稈堆積層；伴隨著攪龍轉(zhuǎn)動螺旋葉片上安裝的定刀對堆積層進行擠壓，當(dāng)動、定刀形成剪切面時，對秸稈進行切割；動刀片與垂直線有一定的偏角，此切割主要以滑切為主，定刀能夠增加秸稈的抗彎能力，因此該區(qū)域在對秸稈進行有支撐切割時不需要很大轉(zhuǎn)速就能夠?qū)⒔斩捛袛?；切割后的秸稈在攪龍的作用下沿著箱體圓弧做圓周方向上的運動，同時在切割時形成的秸稈堆積層在向心力和摩擦力的作用下向Ⅲ區(qū)運動。

秸稈在切割時由于秸稈之間存在摩擦力的作用，秸稈之間產(chǎn)生相對滑動，形成剪切作用；同時，伴隨著揉搓作用，在定刀支持力的作用下，秸稈之間的作用力增加，摩擦力增大，揉搓效果增強，但定刀對秸稈產(chǎn)生的作用力時間較短，此區(qū)域揉搓效果較弱。

2.3 秸稈在Ⅲ區(qū)的運動分析

Ⅱ區(qū)的秸稈在攪龍的作用下沿著箱體做圓周運動，當(dāng)秸稈運動到Ⅲ區(qū)時，在齒板的作用下，阻止秸稈在圓周方向上的運動，秸稈的碰撞、剪切、揉搓和摩擦作用增強；在攪龍的作用下，攪龍與箱體之間形成秸稈擠壓層，隨著攪龍的轉(zhuǎn)動，螺旋攪龍對秸稈產(chǎn)生壓力F先變大后變小，在壓力F作用下對秸稈進行壓縮，當(dāng)運動到箱體最低點時壓縮最顯著，攪龍繼續(xù)轉(zhuǎn)動箱體與攪龍之間的間隙逐漸變大，壓力F變小。在攪龍壓力F的作用下，箱體對秸稈產(chǎn)生的摩擦力f1先變大后減小，攪龍對秸稈的摩擦力f和箱體對秸稈的摩擦力f1產(chǎn)生大小差，致使秸稈在兩力作用下發(fā)生揉搓作用；當(dāng)差值大于秸稈的內(nèi)聚力時秸稈發(fā)生斷裂，且在螺旋攪龍達到最低點時，揉搓效果最佳，箱體對秸稈產(chǎn)生的支持力FN最大；揉搓的同時伴隨著切割作用，由于攪龍與箱體的間隙較小，秸稈和攪龍之間產(chǎn)生的速度差較小，壓碎效果不明顯。

對箱體最低點進行受力分析(見圖2)可知：秸稈在水平方向上受到攪龍對它的作用力f和箱體對它的摩擦力f1的作用。為使秸稈揉切作用加強，應(yīng)增大f1和f之間的差值，當(dāng)差值大于秸稈的內(nèi)聚力時，秸稈將發(fā)生斷裂。

2.4 秸稈在Ⅳ區(qū)的運動分析

在Ⅳ區(qū)，隨著攪龍的轉(zhuǎn)動，Ⅲ區(qū)產(chǎn)生的擠壓層繼續(xù)做圓周方向上的運動，當(dāng)運動到箱體側(cè)板與半圓焊接處時，間隙突然變大；此時，攪龍拖動的外部擠壓層秸稈由于受到離心力作用沿箱體內(nèi)壁拋起，并在箱體壁對它的支持力FN、摩擦力f1、重力G的作用下沿箱體壁向下滑動,最后融入到攪龍帶動的秸稈中向Ⅰ區(qū)運動，下落的秸稈與拋灑的秸稈形成混合作用。為保證切碎均勻度，應(yīng)增強混合作用[11]，秸稈在與箱體接觸時受力分析公式為

(2)

式中G—秸稈的重力(N)；

f2—箱體對秸稈的摩擦力(N)；

β—箱體與水平面的夾角(°)；

m—秸稈的質(zhì)量(kg)。

由式(2)可知：為了增加混合作用，攪龍的轉(zhuǎn)速和秸稈下落的加速度均較大。β箱體與水平面的夾角β在0°～90°范圍內(nèi)時，sinβ呈遞增趨勢，所以β與加速度呈遞減趨勢；當(dāng)箱體與水平面的夾角變小時，攪龍與箱體壁的間隙也逐漸變大，間隙變大到一定值時，攪龍在轉(zhuǎn)動時無法對秸稈提供向心力，秸稈只能在推動力的作用下沿著箱體壁向出料口運動，直至秸稈排出。

綜上所述，秸稈在切碎裝置中揉切過程中不斷地在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)內(nèi)做循環(huán)運動，直至秸稈從出料口排出。通過對揉切過程的分析，確定箱體傾角、齒板數(shù)量、攪龍轉(zhuǎn)速(切割線速度)對秸稈的揉搓效果影響較大。

3 試驗

3.1 試驗方法

本試驗采用三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗方案，各試驗因素的水平編碼如表1所示。

表1 因素水平編碼表Table 1 Coding table of factors and their levels

續(xù)表1

3.2 評價指標(biāo)

參照有關(guān)資料[14-17]，肉羊全混合日糧中粗飼料的適口長度小于等于30mm，選定秸稈粉碎率為評價指標(biāo)，設(shè)定秸稈小于等于30mm為有效長度。測定方法：每組試驗取3個樣品，在每個樣品中取出約100g物料樣品，用孔徑φ19、φ8、φ5mm和底盤組成的標(biāo)準(zhǔn)篩進行篩分，分別挑選出每層篩上大于30mm的秸稈物料，用電子天平分別稱量余下的秸稈質(zhì)量和挑選秸稈的質(zhì)量，算出其占總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，最后計算3組的平均值作為秸稈粉碎率。秸稈粉碎率的計算公式為

式中m1—長度≤30mm的物料質(zhì)量(g)；

m2—長度>30mm的物料質(zhì)量(g)；

δ—粉碎率。

3.3 試驗結(jié)果與分析

3.3.1 秸稈粉碎率回歸方程的建立

應(yīng)用Design-expert軟件對試驗結(jié)果的分析處理，得到秸稈粉碎率與試驗參數(shù)的回歸方程為

Y=84.06+5.43A+5.65B+3.16C-2.68AB+

3.29AC+1.15BC-1.92A2-4.47B2-1.72C2

對各項進行方差分析，結(jié)果如表2所示。失擬性不顯著，R2=0.9550，說明模型擬合程度較好，試驗誤差小，所建立的模型是合適的。從表2可以看出：A、B、C、AB、AC、A2、B2、C2項對秸稈的粉碎率影響顯著，BC項對秸稈的粉碎率影響不顯著。

表2 粉碎率回歸模型的方差分析Table 2 Variance analysis of crushing rate regression model

續(xù)表2

3.3.2 單因素對物料粉碎率的影響分析

將其他試驗因素固定在零水平，研究各因素對秸稈粉碎率的影響規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：當(dāng)單個因素分別作用時，隨著切割線速度、箱體傾角、齒板數(shù)量的增大，秸稈粉碎率的上升速度先快后慢。這是因為隨著攪龍切割線速度的增加，增強了剪切作用，提高了動定刀相互作用頻率，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到一定值，剪切作用減弱，同時攪龍的輸送作用增強，秸稈粉碎率增大趨勢逐漸減緩；當(dāng)箱體傾角逐漸變大時，側(cè)板與攪龍的間隙逐漸減小，秸稈隨著攪龍做空間運動量增多，增加了秸稈的切割作用，當(dāng)傾角達到一定值時，箱體傾角影響效果趨于平緩；箱體底部安裝的齒板增大了秸稈所受的摩擦力，揉搓作用增強，當(dāng)齒板達到一定數(shù)量時，影響效果減弱。各因素對秸稈粉碎率的影響主次順序為齒板數(shù)量、切割線速度、箱體傾角。

圖3 單因素對秸稈粉碎率的影響Fig.3 The effect of single factor on straw crushing rate

3.3.3 雙因素影響規(guī)律分析

切割線速度和齒板數(shù)量交互作用對秸稈粉碎率的影響如圖4所示。由圖4可知：當(dāng)箱體傾角固定在零水平時，切割線速度和齒板數(shù)量對秸稈粉碎率的影響呈凸曲面變化。當(dāng)切割線速度和齒板數(shù)量都從低水平開始增加時，齒板數(shù)量增強了秸稈的揉搓作用，秸稈的粉碎率變大；隨著切割線速度和齒板數(shù)量的繼續(xù)增大，齒板數(shù)量對秸稈粉碎率的影響逐漸減弱，秸稈粉碎率增大趨勢逐漸減緩；切割線速度和齒板數(shù)量都取零水平附近值時，秸稈粉碎率達到最大值。

切割線速度和箱體傾角交互作用對秸稈粉碎率的影響如圖5所示。由圖5可知：當(dāng)齒板數(shù)量固定在零水平時,切割線速度和箱體傾角對秸稈粉碎率的影響呈凸曲面變化。當(dāng)切割線速度和箱體角度都從低水平開始增加時，箱體傾角變大，秸稈隨攪龍在空間上運動的總量變大，同時切割線速度增大加劇了秸稈的揉切頻率，秸稈粉碎率迅速上升；當(dāng)切割線速度和箱體傾角都取高水平時，箱體傾角對秸稈的影響作用逐漸減小，切割線速度的增加使得秸稈在箱體內(nèi)揉切效果減弱，秸稈粉碎率緩慢降低；切割線速度和箱體角度都取零水平附近值時，秸稈粉碎率最大。

圖4 切割線速度和齒板數(shù)量交互作用對秸稈粉碎率的影響Fig.4 Effects of cutting line speed and number of tooth plates on straw crushing rate

綜上所述，采用頻數(shù)分析法對試驗結(jié)果進行優(yōu)化，最終確定參數(shù)的取值范圍為：切割線速度22.7～25m/min，齒板數(shù)量5～8個，箱體傾角71.8°～75°。

4 結(jié)論

1) 對攪龍式秸稈切碎裝置的揉切過程進行分析，確定了秸稈切碎過程主要發(fā)生在Ⅱ區(qū)，揉搓主要發(fā)生在Ⅲ區(qū)，明確了切割線速度、齒板數(shù)量、箱體傾角對秸稈粉碎率影響顯著。

2) 秸稈切碎試驗表明：對全混日糧攪拌機揉切效果影響參數(shù)依次為齒板數(shù)量、切割線速度、箱體傾角。攪龍式全混合日糧攪拌機參數(shù)優(yōu)化后取值范圍為：切割線速度22.7～25m/min，齒板數(shù)量5～8個，箱體傾角71.8°～75°。此時，秸稈粉碎率88.5%～92.3%。