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        自走式精確飼喂車攪拌系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

        2018-11-22 02:21:32石榮玲
        鄉(xiāng)村科技 2018年27期
        關(guān)鍵詞:混料臥式刀片

        季 鏵 石榮玲

        (徐州工程學(xué)院,江蘇 徐州 221018)

        隨著我國畜牧養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展,以往傳統(tǒng)的飼喂方式已經(jīng)滿足不了現(xiàn)今的生產(chǎn)需求?,F(xiàn)階段,已經(jīng)采納規(guī)?;曫B(yǎng)方式的畜牧場大多數(shù)選擇了全混合日糧(Total Mixed Rations,TMR)飼喂模式。TMR飼喂模式是根據(jù)牲口不同的生長階段對(duì)營養(yǎng)的需要或是不同的飼養(yǎng)目的,通過調(diào)控營養(yǎng)和日糧配方,將精、粗飼料加入攪拌車中經(jīng)過切割、攪拌、混勻等程序之后,再投到飼料槽中進(jìn)行喂養(yǎng)的一種飼喂技術(shù)[1-2]。采用TMR飼喂技術(shù),可以提高攪拌飼料的質(zhì)量,也可以提高生產(chǎn)效率,同時(shí)解放勞動(dòng)力,有效地解決人力運(yùn)輸飼料和喂料的問題。鑒于此,對(duì)機(jī)械化養(yǎng)殖、飼喂裝備的研究顯得尤為迫切。

        1 總體設(shè)計(jì)方案

        1.1 設(shè)備方案選型

        本次設(shè)計(jì)的飼喂車是針對(duì)中小型牧場的,因此要求能夠進(jìn)入較矮牛舍,有時(shí)也會(huì)人工上料,所以設(shè)備的上料高度不能太高。另外,由于TMR配方中需要對(duì)植物的根莖及較長的料草進(jìn)行處理,所以,在滿足切割、攪拌的基礎(chǔ)上還要求帶有揉搓功能。

        通過估測所需料草的容量,結(jié)合牧場的規(guī)模、牛群量、牛舍的建筑結(jié)構(gòu)、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(shù)等,對(duì)市場上普遍采用的TMR飼喂車進(jìn)行性能參數(shù)對(duì)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(tǒng)機(jī)型。

        表1 立式攪拌系統(tǒng)和臥式攪拌系統(tǒng)性能指標(biāo)對(duì)比

        另外,通過研究中小型牧場飼料的需求量,確定所設(shè)計(jì)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(jù)計(jì)算飼喂車的整體機(jī)構(gòu)尺寸。

        表2 TMR系統(tǒng)容積的選擇

        1.2 總體結(jié)構(gòu)確定

        如圖1所示,自走式精確飼喂車的總體結(jié)構(gòu)主要由底盤車架和上帶的攪拌系統(tǒng)組成。其中,攪拌系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)依靠動(dòng)力箱。自走式精確飼喂車的參數(shù)詳見表3。

        圖1 自走式精確飼喂車總體結(jié)構(gòu)

        表3 自走式精確飼喂車總體參數(shù)

        2 攪拌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 傳動(dòng)設(shè)計(jì)

        攪拌系統(tǒng)的動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)提供,其工作較熱機(jī)更加穩(wěn)定、高效。在此先確定攪拌系統(tǒng)的主要傳動(dòng)方案:在動(dòng)力箱內(nèi),電動(dòng)機(jī)輸出原動(dòng)力,傳遞到減速器,又經(jīng)過減速器傳遞到攪拌系統(tǒng),作為攪龍的動(dòng)力來源。傳動(dòng)示意如圖2所示。

        圖2 攪拌系統(tǒng)傳動(dòng)示意圖

        2.2 混料箱的設(shè)計(jì)

        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(shè)為77.5°,箱底傾角20.0°。規(guī)?;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(dá)到3~5欄。而且飼料的混合容重在160~200 kg/m3。計(jì)算每一批次混合料草原料的體積為7.4 m3。由于一般設(shè)備允許加料在容積的85%之內(nèi),所以將設(shè)計(jì)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(jìn)料口,為達(dá)到攪拌效果,混料箱內(nèi)部設(shè)計(jì)成傾斜狀。箱體下方為支撐架?;炝舷涞牟馁|(zhì)選用耐磨鋼板,厚度為6 mm?;炝舷湎潴w前后貫穿2根傳動(dòng)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(shù)=11.500 m3;V軸=π×(d/2)2×h=0.057 m3。

        圖3 混料箱結(jié)構(gòu)

        按照設(shè)計(jì)要求,此攪拌設(shè)備能夠?qū)α喜葸M(jìn)行粉碎揉搓的處理。由于料箱空間在處理料草時(shí)本身裝料的體積不應(yīng)超過總體積的85%,所以此設(shè)備的工作容積因控制在8.5~9.2 m3。當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),內(nèi)部的兩根傳動(dòng)軸對(duì)工作的影響可忽略不計(jì)。工作運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間在12~25 min,飼料混合的均勻度在97%左右。

        2.3 攪龍的設(shè)計(jì)

        在實(shí)際生產(chǎn)中,螺旋攪龍的設(shè)計(jì)除了要滿足生產(chǎn)實(shí)際需求外,還要具備結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、壽命長、混合效果理想、功耗低及維護(hù)方便等特點(diǎn)。螺旋攪龍是整個(gè)攪拌系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件,一定要保證其設(shè)計(jì)的合理性。

        2.3.1 攪龍軸的設(shè)計(jì)。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(duì)攪龍軸進(jìn)行安裝拆卸,將軸長設(shè)計(jì)得比料箱稍短,為5 500 mm。查閱手冊(cè),選取螺旋攪龍的葉片內(nèi)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(zhì)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(fù)責(zé)承重和轉(zhuǎn)矩的傳遞。

        圖4 攪龍螺旋軸的裝配

        2.3.2 攪龍葉片的設(shè)計(jì)。在實(shí)際的飼料攪拌過程中,由于攪龍可能由于設(shè)計(jì)的缺陷造成飼料攪拌不當(dāng),從而降低質(zhì)量。所以,要著重對(duì)攪龍螺旋進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

        攪龍葉片的螺旋角應(yīng)取適合的角度,為了避免攪拌過程的對(duì)流混合,螺旋角一般取45°+θ/2,通過查閱手冊(cè)得到料草和螺旋葉片在混合過程中的摩擦系數(shù)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(shù)的設(shè)計(jì)。首先,對(duì)自走式精確飼喂車的生產(chǎn)率進(jìn)行計(jì)算,檢驗(yàn)攪拌系統(tǒng)的攪拌效率。計(jì)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(shù),γ為原料的容重(kg/m3),Σt為混合一次需要用的時(shí)間(min)。

        每一次飼料混合的時(shí)間設(shè)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(tǒng)的2個(gè)重要參數(shù),決定著攪拌系統(tǒng)的性能,一般通過生產(chǎn)率、轉(zhuǎn)速及直徑比例系數(shù)來確定。查手冊(cè)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(chǎn)率,kg/h;φ為原料充滿系數(shù),取0.60~0.85;K為臨界轉(zhuǎn)速的取用系數(shù)(按最大臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算,實(shí)際用不到那么大);λ為原料的堆積重;n為攪龍的轉(zhuǎn)速。

        計(jì)算結(jié)果為D=0.478 m。選取螺旋葉片的直徑為500 mm,則查手冊(cè)得葉片螺距和直徑的關(guān)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(jié)束后混料箱剩余的飼料量愈少,但同時(shí)也會(huì)有加大葉片阻力的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)還伴有料箱內(nèi)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(zhuǎn)速的確定。攪龍的轉(zhuǎn)速對(duì)于臥式TMR飼料攪拌設(shè)備來說是最重要的參數(shù)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(jīng)歷軸向的運(yùn)動(dòng)和反復(fù)的翻滾。要想獲得較好的混合效果,就必須避免飼料的連續(xù)拋起,以及在做復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)由于離心劇烈而產(chǎn)生的離析。所以,可用的最大臨界轉(zhuǎn)速公式如下:

        式(3)中,nmax危攪龍的臨界轉(zhuǎn)速;R為螺旋葉片半徑,計(jì)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(shù)(臥式攪拌設(shè)備為0.5~0.6[3]),本裝置的物料綜合系數(shù)K取0.594。

        計(jì)算結(jié)果為nmax=36 r/min。查閱手冊(cè),攪龍螺旋機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)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(shí)際的攪龍轉(zhuǎn)速應(yīng)取n=30~36 r/min。

        2.3.6 攪拌系統(tǒng)動(dòng)力的確定。在臥式機(jī)型的攪拌作業(yè)中,由于攪龍的受力相當(dāng)復(fù)雜,對(duì)于臥式機(jī)型的動(dòng)力功率計(jì)算公式如下:

        式(4)中,N為攪拌設(shè)備功率,W;Q為飼料的生產(chǎn)率,取0.75;K1為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(一般取1.1~1.5),取1.4。

        計(jì)算結(jié)果為N=17 010 W。所以,可用Y2180M-4三相異步電機(jī)。其額定功率為18.5KW,額定轉(zhuǎn)速為1480 r/min,頻率為50 HZ。其通過減速器、聯(lián)軸器將轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳遞至攪龍,使其在安全轉(zhuǎn)速內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。

        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(jì)算,前部設(shè)計(jì)成螺旋葉片,尾部設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

        在料草混合過程中,臥式設(shè)備要對(duì)植物根莖進(jìn)行粉碎、揉搓處理。要想達(dá)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(nèi)壁的定刀片相互配合構(gòu)成剪切面,從而順利完成切割工序[5]。

        其中,安裝的刀片結(jié)構(gòu)提高了料草切割的效率,在刀片的每個(gè)刀齒之間都設(shè)計(jì)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(shí)把莖稈較長的料草夾緊。另外,由于刀片呈圓形,當(dāng)?shù)洱X的一個(gè)面磨損后,其切割功能就會(huì)下降,此時(shí)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(hù)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(dǎo)程之外,螺旋延伸線長度。延伸螺旋線長度計(jì)算公式如下:

        式(5)中,L表示單位導(dǎo)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(jì)算得出L=1 627 mm。刀片的布置以一個(gè)導(dǎo)程為單元,每200 mm安裝一把動(dòng)刀片,所以攪龍葉片單位導(dǎo)程上,按照計(jì)算可以裝8把刀,如圖6所示。

        圖6 刀片安裝模型

        3 結(jié)語

        本文設(shè)計(jì)一種自走式精確飼喂車,重點(diǎn)研究其攪拌系統(tǒng)等關(guān)鍵部件,經(jīng)過分析與研究,確定了攪拌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理,經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算,確定了攪拌系統(tǒng)中攪龍等部件的參數(shù),進(jìn)一步確保了該方案的可行性和實(shí)用性。

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