王德福 黨春雪 黃會男 劉朝賢

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

0 引言

為克服傳統(tǒng)精粗料分飼形式易使反芻動物挑食、引發(fā)代謝性疾病的缺陷，根據反芻動物生長及生產需要，將粗飼料、精飼料及各種添加劑混合均勻的全混合日糧(簡稱日糧)飼喂技術已在國內外得到普遍應用。該技術推廣應用的關鍵是日糧混合機的研發(fā)與應用[1]。

近年來，國內外企業(yè)及學者已對日糧混合機進行了大量研究。國外研究起步較早，主要研發(fā)了立式攪龍日糧混合機和臥式螺旋、卷盤、鏈板、槳葉式日糧混合機，且各機型已趨于系列化、大型化、自動化，研發(fā)工作主要由企業(yè)完成，其研究主要側重于已有機型的選型分析與性能試驗，對日糧混合機混合機理的分析較少。如KAMMEL[2]對日糧混合機的類型和結構特點進行了概括與分析，為日糧混合機的選型提供了參考；BUCKMASTER等[3]利用整粒玉米等作為示蹤劑，對兩種日糧混合機進行試驗，評價其混合性能；STKOVA等[4]研究了日糧不同組分對混合機混合性能的影響。日糧飼喂技術引入中國較晚，國內企業(yè)通過跟蹤國外技術成熟的日糧混合機，已研制出立式攪龍、臥式螺旋等日糧混合機，同時國內學者對日糧混合機也進行了較多研究。文獻[5-8]分別對轉筒與槳葉組合式日糧混合機、轉輪式日糧混合機、臥式日糧混合機與立式日糧混合機進行了試驗，并對混合時間、剪切刀數量、轉子轉速等試驗參數進行了優(yōu)化，但國內對日糧混合機的研究主要是對國外成熟機型的改進或試驗。綜上，國內外對日糧混合機理的研究較少，尤其是國內對于槳葉式日糧混合機的機理研究欠缺。

針對所設計的槳葉式日糧混合機，本文在分區(qū)域分析該混合機內混合方式的基礎上，通過動力學分析及EDEM仿真深入分析槳葉式日糧混合機的混合機理，利用設計的槳葉式日糧混合機試驗裝置進行試驗研究，并對該混合機進行參數優(yōu)化。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

槳葉式日糧混合機試驗裝置主要由機體、轉子、機架和傳動系統(tǒng)等組成(如圖1所示)，其總體尺寸(長×寬×高)為1.7 m×0.7 m×1.4 m，機體尺寸(長×寬×高)為0.7 m×0.5 m×0.65 m，總容積0.226 m3。其中機體由上機體、下機體組成，上機體為長方體，包括進料口，下機體為半圓柱體，包括卸料口；轉子為槳葉式日糧混合機的核心部件，主要由主軸、支撐桿、槳葉組成，為強化混合作用，在中間4組支撐桿中部增加了加強槳葉。為便于對混合室內日糧的混合過程進行觀察，機體由透明的有機玻璃板制作。

圖1 槳葉式日糧混合機試驗裝置結構圖Fig.1 Structural diagram of paddle-type ration mixing experimental equipment1.進料口 2.轉子 3.下機體 4.卸料口 5.機架 6.減速電機 7.上機體

1.2 工作原理

工作時，日糧由進料口進入混合室內，減速電機通過聯(lián)軸器將動力傳遞給轉子，轉子上安裝的槳葉帶動日糧產生混合運動。槳葉在混合室下部推動日糧產生較弱的剪切與對流混合；當槳葉帶動日糧到達混合室上部后，日糧被槳葉拋落或在重力作用下自由滑落，做不規(guī)則、無定向的運動，形成剪切與擴散混合；同時，左、右側兩組槳葉分別推動日糧從混合室兩端向中間移動，形成對流混合，中部支撐桿上各增加的一個加強槳葉促進日糧從中間移動到兩端，強化了對流混合作用。因此，日糧在混合室內會產生一種多方向、多方位的復合運動以實現(xiàn)均勻混合?；旌贤瓿珊?，打開卸料口，日糧在槳葉推力和自身重力的作用下排出機體。

2 關鍵部件設計

2.1 轉子

轉子是槳葉式日糧混合機的關鍵部件。本研究設計的槳葉式日糧混合機的轉子采用臥式單軸結構，主要由主軸、槳葉與連接兩者的支撐桿組成，在主軸上左右各設置一組槳葉，每組槳葉含3根呈螺旋排布的支撐桿(支撐桿1、2、3為一組，支撐桿4、5、6為一組)，其外層槳葉將日糧從混合機的兩側向中間推動，如圖2所示。對于臥式單軸混合機，支撐桿數量與相鄰兩根支撐桿的相位角應滿足[9]

360°≤kψ≤720°

(1)

式中k——主軸上支撐桿數量

ψ——相鄰兩根支撐桿間相位角，(°)

圖2 轉子結構圖Fig.2 Structural diagram of rotor1.支撐桿2 2.加強槳葉 3.支撐桿1 4.主軸 5.支撐桿3 6.外層槳葉 7.支撐桿6 8.支撐桿4 9.支撐桿5

結合機體的尺寸與長寬比，由公式(1)確定支撐桿的相位角為120°。為加強日糧從中間向兩端移動的能力，在中間4根支撐桿中部各設置一加強槳葉，同時為強化混合機兩端槳葉對日糧的回推能力，在主軸兩端各對稱設置兩個槳葉。

2.2 槳葉

為使日糧在槳葉的作用下，保證軸向運動的連續(xù)性，也為減少卸料時的殘留，相鄰兩根支撐桿上的槳葉在軸向投影應有重疊，重疊系數計算式為

ζ=L1/L2

(2)

其中L1=kLjcosα

式中ζ——軸向重疊系數

L1——外層槳葉在軸向投影的長度和，mm

L2——混合室長度，mm

Lj——單個槳葉長度，mm

α——槳葉安裝角，(°)

根據文獻[10]，軸向重疊系數應小于1.25，將其代入公式(2)得槳葉長度為175 mm。

為使外層槳葉與加強槳葉的推料量均勻，使支撐桿受力均勻，考慮到實際混合過程中物料存在空隙，因此兩種槳葉掃掠一圈的體積比應在0.85～1.15之間，在槳葉長度相同的情況下，外層槳葉與加強槳葉的寬度應滿足

(3)

式中p1——外層槳葉旋轉一圈掃掠的體積，mm3

p2——加強槳葉旋轉一圈掃掠的體積，mm3

l——混合機下機體內壁半徑，mm

x——外層槳葉上邊緣到混合機下機體內壁的距離，mm

B1——外層槳葉寬度，mm

B2——加強槳葉寬度，mm

l1——加強槳葉下邊緣到主軸軸心距離，mm

l2——加強槳葉與外層槳葉距離，mm

根據本設計可知混合機下機體內壁半徑為242 mm，外層槳葉上邊緣到混合機下機體內壁的距離為10 mm，將其代入公式(3)，根據設計經驗可得外層槳葉寬60 mm，加強槳葉寬80 mm，加強槳葉下邊緣到主軸軸心距離42 mm，加強槳葉與外層槳葉的距離30 mm。

為保證外層槳葉頂部與混合機下機體內壁的間距均勻，按槳葉安裝角為45°設計外層槳葉頂部結構為兩斜線一圓弧，尺寸如圖3所示。

圖3 外層槳葉結構圖Fig.3 Structural diagram of outer paddle

鑒于每根支撐桿上的加強槳葉與其外層槳葉對日糧的軸向作用力方向相反，其加強槳葉與外層槳葉呈交叉設置，考慮到青貯玉米濕度大、形狀細長，易纏繞、拖帶、成團，為防止外層槳葉的推料面與加強槳葉頂端產生成團托料現(xiàn)象，避免削弱加強槳葉的混合能力，將每個加強槳葉的形狀設計為矩形沿托料側截去ε角(圖4)。

圖4 加強槳葉結構圖Fig.4 Structural diagram of strengthened paddle

其設計分析如下：在加強槳葉托料側沿ε角截斷，日糧在加強槳葉頂端時受重力作用產生下滑力，使日糧可以及時滑落，避免日糧成團隨著槳葉轉動；但截去一角的加強槳葉面積變小，降低了加強槳葉的推料能力。ε角與下滑力及加強槳葉面積的關系為

(4)

式中Fh——日糧在加強槳葉頂端時的下滑力，N

G——日糧重力，N

S——加強槳葉面積，mm2

S0——未截去ε角時矩形加強槳葉面積，mm2

lb——截去長度，為60 mm

公式(4)中，下滑力與加強槳葉的面積越大，混合效果越好，因而可得ε的范圍為35°～45°，取ε=45°。經預試驗研究，截去45°角的加強槳葉可以消除成團托料現(xiàn)象并保證推料能力。

3 混合機理分析

3.1 力學分析

為保證日糧在槳葉的作用下，既能做周向運動，又能做軸向運動，當安裝槳葉的支撐桿到達水平面時，在垂直于支撐桿的平面上，對與槳葉直接接觸的日糧顆粒質點進行受力分析。如圖5所示。

圖5 與槳葉接觸的日糧顆粒質點受力分析Fig.5 Force analysis of ration particle contacting with paddle

槳葉安裝角指槳葉平面與主軸軸線的夾角α(圖5)。槳葉對日糧的驅動力FN垂直于槳葉平面向上，同時日糧受到沿著槳葉平面向上的摩擦力Ff。驅動力FN與摩擦力Ff的合力F0與槳葉平面的垂線夾角為摩擦角θ。F為日糧所受的合力。合力F與槳葉平面的垂線夾角為β。若使日糧在槳葉的作用下在軸向有移動，則需滿足α>β。由圖5可知θ>β，當摩擦因數改變，摩擦角θ逐漸增大時，β也隨之增大，當θ=α時，F(xiàn)0豎直向上，此時β=θ=α，F(xiàn)也豎直向上，日糧在槳葉的作用下只做圓周運動，而無軸向運動。因此只需滿足α>θ就可以滿足α>θ>β，使日糧有軸向運動。f為日糧與槳葉之間摩擦因數，則f=tanθ。因此，日糧沿著軸向運動的條件為α>arctanf。

3.2 運動學分析

槳葉帶動日糧旋轉運動，日糧受到離心力作用，為保證日糧順利下落，需滿足當槳葉到達主軸正上方時，離心力小于重力，根據公式

mg≥mω2r

(5)

式中m——日糧顆粒質點的質量，kg

g——重力加速度，m/s2

ω——轉子角速度，rad/s

r——日糧顆粒質點到主軸軸心的距離，m

圖6 與槳葉接觸的日糧顆粒質點運動學分析Fig.6 Kinematic analysis of ration particle contacting with paddle

可知轉速應小于60 r/min。當安裝槳葉的支撐桿到達水平面時，在垂直于支撐桿的平面上對與槳葉接觸的日糧顆粒質點進行運動學分析，如圖6所示。當槳葉安裝角α滿足α>arctanf時，日糧在槳葉的帶動下，一邊做軸向運動，一邊做周向運動。ve為牽連速度，即槳葉的線速度，vr是日糧顆粒的相對速度，速度方向沿著槳葉平面向下。va是日糧顆粒的絕對速度，由于合力與槳葉平面的垂線之間存在夾角β，因此絕對速度va與槳葉平面的垂線會產生夾角δ，將絕對速度va向軸向和徑向投影得到日糧顆粒的軸向速度v1與周向速度v2，即

(6)

(7)

式中n——轉子轉速，r/min

由式(6)、(7)可知，日糧顆粒的軸向速度v1與周向速度v2都與轉子轉速n成正比。轉子轉速n增大時，牽連速度ve即槳葉運動的線速度也增大，因此，轉子每轉一圈，日糧沿軸向的位移隨著增大。當轉子轉速過大時，日糧被槳葉拋起，由于玉米粉和青貯玉米的粒度、濕度、容重差距較大，易產生離析現(xiàn)象，進而影響混合效果。反之，轉子轉速n減小，日糧沿軸向的運動速度降低，日糧顆粒的軸向速度v1與周向速度v2都降低，會影響混合效率。根據有關資料[11]可知，日糧混合機轉子轉速的取值范圍一般在10～50 r/min，由于青貯玉米粒度大、濕度大，玉米粉碎物粒徑小、含水率低，結合預試驗，將轉子轉速取值范圍定為6～20 r/min。

根據公式(6)可得日糧顆粒的軸向速度v1與槳葉安裝角的關系如圖7所示。圖7顯示夾角δ的正切值分別等于0、0.2、0.4、0.6、0.8、1，槳葉安裝角α由0°到90°變化時，軸向速度v1的變化。因在槳葉安裝角為0°～90°之間時，日糧不能向反方向移動，因此曲線在橫坐標以上有效。由圖7可知，當槳葉安裝角不變時，日糧與槳葉之間的摩擦因數越大，軸向運動速度越??；隨著槳葉安裝角的增大，軸向速度v1先增加后減小。

圖7 槳葉安裝角對軸向速度的影響Fig.7 Effect of installation angle on axial speed

圖8 槳葉安裝角對周向速度的影響Fig.8 Effect of installation angle on circumferential speed

圖9 日糧顆粒軌跡側視圖Fig.9 Side views of ration particle trajectory

根據公式(7)可得周向速度v2與槳葉安裝角α的關系如圖8所示，圖8為夾角δ正切值分別等于0、0.2、0.4、0.6、0.8、1，槳葉安裝角α由0°到90°變化時，周向速度v2的變化。周向速度v2隨著槳葉安裝角α的增大遞減。由此可知，槳葉安裝角影響混合室內軸向和周向的混合速度，兩者混合速度越快、越接近，越能快速地實現(xiàn)均勻混合。轉子轉速n確定的情況下，當槳葉安裝角α增大時，日糧沿槳葉表面軸向移動速度增大，但周向速度降低，因此本試驗中槳葉安裝角取值范圍為20°～60°。根據圖7可知，在不考慮摩擦的理想條件下，槳葉安裝角為45°時槳葉的回推能力最大，由于加強槳葉旋轉半徑較小，且只在中間4根支撐桿上安裝，為強化其軸向推動能力，固定加強槳葉的安裝角為45°；兩端槳葉只將日糧從兩端回推，因此將兩端槳葉的安裝角也確定為45°。本文只討論中間外層槳葉的安裝角對混合性能的影響。

隨著混合不斷進行，日糧的混合均勻度逐漸提高，當混合均勻度達到最高后，如果混合仍在繼續(xù)，會出現(xiàn)過混合現(xiàn)象[12]，這時，不僅增大功耗，增加生產成本，同時由于日糧原料的容重、粒徑相差較大，日糧開始離析，混合均勻度隨之下降。因此混合時間也是影響混合的重要因素。由文獻[13]可知，一般混合機的混合時間為4～10 min，結合預試驗、機體大小以及實際生產中混合時間的范圍，確定本試驗中混合時間范圍為2～8 min。

3.3 運動軌跡分析

為直觀反映出槳葉式日糧混合機的混合效果，利用EDEM軟件對日糧顆粒的運動軌跡進行仿真分析。為簡化仿真模型，以玉米粉(錘片式粉碎機孔徑5 mm篩片粉碎物)與青貯玉米粗飼料(平均切碎長度為10 mm)代表日糧，以大米為示蹤物顆粒，建立顆粒離散元模型。依據理論分析得出的混合參數范圍，模擬一組填充率65%、轉子轉速20 r/min、槳葉安裝角45°、混合時間60 s的混合過程。利用EDEM軟件的Manual Selection功能在混合機右端標記某一示蹤物顆粒，追蹤其不同混合時間的運動軌跡，分析其混合運動特征[14-17]。

由圖9可知，從10 s到40 s，隨著混合進行，顆粒在周向上的軌跡逐漸覆蓋整個混合室的截面，說明加強槳葉的安裝并不阻礙顆粒的周向運動，顆?？梢缘竭_混合室的每一處；顆粒在下機體右側外層槳葉附近時，呈明顯、半徑穩(wěn)定的繞軸旋轉運動，說明顆粒在徑向上幾乎不發(fā)生改變；在下機體右側加強槳葉附近，日糧顆粒軌跡復雜，這是因為加強槳葉使日糧顆粒在日糧間滲透、變位、相互鑲嵌，表明加強槳葉促進了混合過程；在下機體上部、下機體右側處，顆粒軌跡有一向上的拐角，說明此時該顆粒在上升過程中，失去混合機機體的支撐，向槳葉外端滾動并回落；顆粒在上機體右側的軌跡較平緩，在上機體左側的軌跡明顯陡峭，說明發(fā)生的擴散混合與剪切混合較劇烈。

由圖10可知，從10 s到40 s，顆粒軌跡大致按螺旋線沿軸向展開。顆粒運動軌跡可按日糧顆粒軸向運動的往返范圍分為兩種：大循環(huán)，從一端開始做半徑不斷變化的螺旋運動到另一端，由另一端的某個外層槳葉推回；小循環(huán)，從一端做半徑不斷變化的螺旋運動到中間或還未到中間就被某一加強槳葉推回。一個日糧顆粒的運動軌跡中，大小循環(huán)都可能出現(xiàn)，并且一個大循環(huán)中可能包括若干個小循環(huán)。綜上所述，由日糧顆粒運動軌跡可以推斷出日糧的混合運動：日糧在混合室內往復做半徑不斷變化的螺旋運動，并隨機伴有波動。

圖10 日糧顆粒軌跡正視圖Fig.10 Front views of ration particle trajectory

3.4 混合過程分析

根據日糧在不同區(qū)域內發(fā)生的主要混合運動，將混合室按側向分為：積料區(qū)、提料區(qū)、滑落區(qū)、塌落區(qū)。

日糧在積料區(qū)時(圖11a)，由于混合機下機體的支撐作用以及日糧間的相互作用，日糧在徑向的分布幾乎不發(fā)生改變，由于同一支撐桿上加強槳葉與外層槳葉對日糧的軸向力相反，因此同一根支撐桿附近的日糧在外層槳葉與加強槳葉之間發(fā)生分別向左右兩邊移動的層流，同時兩相位角相同的槳葉同時到達積料區(qū)時，使日糧產生對流，進而產生較弱的剪切與對流混合。此區(qū)域內槳葉主要起推送日糧作用。

日糧在提料區(qū)時(圖11b)，槳葉的背面不再接觸日糧。被帶動的日糧與積料區(qū)的日糧出現(xiàn)空隙。當槳葉帶動日糧上升到主軸軸心高度時，少量日糧由于缺少混合機下機體外壁的支撐，在自身重力的作用下滾落回積料區(qū)，發(fā)生擴散混合與對流混合；大部分日糧由槳葉帶入滑落區(qū)，此時支撐桿附近的日糧發(fā)生剪切混合。因此，提料區(qū)是以剪切混合與對流混合為主，并伴有擴散混合。

日糧在滑落區(qū)時(圖11c)，由于滾動摩擦角與槳葉安裝角的存在，部分日糧沿著槳葉面向下滑落或滾落的同時在軸向有一定位移，發(fā)生剪切混合、擴散混合與對流混合。此時加強槳葉起到導流作用：部分頂端的日糧在外層槳葉的作用下向一側運動，當其滾落到加強槳葉處被分流，一部分繼續(xù)之前的方向，一部分沿加強槳葉面向另一側滾落，加強了混合作用。

日糧在塌落區(qū)時(圖11d)，日糧脫離槳葉的作用，在自身重力及離心力作用下，日糧快速向下塌落或拋落到積料區(qū)，發(fā)生較強的擴散混合與剪切混合。

圖11 日糧運動狀態(tài)Fig.11 Movement states of ration

4 試驗與結果分析

為進一步探究槳葉安裝角、轉子轉速以及混合時間對混合過程的影響，根據相關資料與預試驗[18]，將混合機的填充率定為65%，按臥式日糧混合機先干后濕、先精后粗的裝料原則[19]，先加玉米粉碎物后加青貯玉米。以大米為示蹤物，示蹤物被拋撒在已經裝填好日糧的混合機頂部。

4.1 試驗材料與設備

參考文獻[3,13,20]，以干物質質量確定試驗日糧精粗比40∶60，粗飼料為含水率70%的青貯玉米，精飼料為含水率9.5%的玉米粉碎物(40目篩下物、40目篩上物、1 mm篩上物質量比為5∶3∶2)。

示蹤劑：大米(按每噸添加6 kg計)。

槳葉式日糧混合試驗裝置如圖12所示。儀器包括：BSA32025型電子天平、扭矩傳感器、TS-5F型智能數字測試儀、變頻調速控制器、攝像機(Sony FDR-AX700)、卷尺、秒表以及量角器等。

圖12 試驗裝置Fig.12 Experimental equipment1.變頻調速控制器 2.槳葉式日糧混合試驗裝置 3.計算機 4.TS-5F型智能數字測試儀 5.扭矩傳感器

4.2 評價指標

為探究槳葉式日糧混合機的混合性能，依據文獻[21-22]，選用變異系數和凈功耗作為評價指標。

(1)變異系數

選擇大米作為示蹤物，每次試驗后均勻地取出10份樣品，計算每100 g樣品中的大米粒數C，去掉最高最低的兩組，計算其變異系數[23]。

變異系數計算公式為

(8)

式中Y1——變異系數，%

Sc——樣品中大米粒數的標準差

(2)凈功耗

利用扭矩傳感器將試驗裝置工作時的瞬時功率以電信號的形式傳給TS-5F型智能數字測試儀，通過USB轉232串口線與計算機相連，然后利用stc-isp-15xx-v6.85H的串口助手功能將每一次混合過程中的數據收集、保存。采集到的數據是離散的，計算各個混合過程中所消耗的凈功耗

Wi=PiΔt

(9)

(10)

Y2=Wf-Wk

(11)

式中Pi——第i次采集到的瞬時功率，kW

Δt——TS-5F型智能數字測試儀采集數據間隔時間，為0.062 5 s

q——某一次混合過程采集數據次數，次

Y2——凈功耗，主要包括帶動日糧時重心上移及克服內摩擦所需的功耗，kJ

Wf——總功耗，某一混合過程中，維持槳葉式日糧混合試驗裝置、功率測控系統(tǒng)和變頻器等運行所需的功耗，kJ

Wk——空載功耗，空載時維持槳葉式日糧混合試驗裝置、功率測控系統(tǒng)和變頻器等運行所需的功耗，kJ

4.3 試驗方案與結果分析

4.3.1試驗方案與結果

通過混合機理分析及預試驗，確定以混合時間、轉子轉速與槳葉安裝角為試驗因素，以變異系數Y1與凈功耗Y2為試驗評價指標，采用三因素五水平二次回歸正交旋轉組合試驗設計方法安排試驗。通過試驗，對影響試驗評價指標的3個因素進行顯著性分析，根據實際需求對各參數組合進行優(yōu)化，最終獲得較為合適的因素組合。編碼如表1所示，試驗方案及試驗結果如表2所示。A、B、C為因素編碼值。

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

表2 試驗方案與結果Tab.2 Experimental plan and results

4.3.2試驗結果分析

利用Design-Expert軟件對試驗結果進行二次回歸分析，并進行多元回歸擬合，得到以變異系數為試驗指標的回歸方程，并檢驗其顯著性[24]。對表2中變異系數的方差分析結果如表3所示。

表3 變異系數方差分析Tab.3 Variance analysis of variation coefficient

注:斜線后面為剔除不顯著因素后，變異系數Y1方差分析結果；P<0.01為差異極顯著水平；0.010.1為差異不顯著水平。

由P可判斷各因素對變異系數的影響，由表3可知，各試驗因素中，槳葉安裝角對變異系數的影響最大，其次是混合時間，最后是轉子轉速。各因素的交互項和平方項對變異系數的影響由大到小依次為A2、C2、B2、AB、AC、BC。其中，BC不顯著(P>0.1)。將不顯著的交互作用項的回歸平方和及自由度并入殘差項后，再進行方差分析，結果如表3所示。得到各因素對變異系數影響的回歸方程[25]

Y1=80.293 72-14.019 31t-4.401 18n-
0.656 77α+0.345 57tn-0.052 894tα+
1.108 51t2+0.109n2+0.013 562α2

(12)

對回歸方程(12)進行失擬性檢驗，如表3所示，其中P=0.391 0，不顯著(P>0.1)，證明不存在其他影響評價指標的主要因素，試驗因素與試驗評價指標存在顯著的二次關系。

4.3.3響應曲面分析

通過Design-Expert軟件對數據處理，得出混合時間、轉子轉速與槳葉安裝角之間顯著交互作用對變異系數影響的響應曲面，如圖13所示。

圖13 變異系數的響應曲面Fig.13 Response surfaces of variation coefficient

圖13a為槳葉安裝角為40°(中心水平值)時，轉子轉速和混合時間對變異系數的交互作用響應曲面。由圖可知，當混合時間一定，混合時間在3.2～4.1 min時，變異系數隨著轉子轉速增大而降低；混合時間在4.1～6.8 min時，變異系數隨著轉子轉速增大而逐漸增加；最優(yōu)的轉子轉速范圍為8.8～13.0 r/min；當轉子轉速一定時，隨著混合時間的增加，變異系數先減小后增大；最優(yōu)的混合時間范圍為4.1～6.0 min。圖13b為轉子轉速為13 r/min(中心水平值)時，槳葉安裝角和混合時間對變異系數的交互作用響應曲面。由圖可知，當混合時間一定時，變異系數隨著槳葉安裝角的增加先減小后增加；最優(yōu)的槳葉安裝角范圍為28°～45°；當槳葉安裝角一定時，隨著混合時間的增加，變異系數先減小后增大；最優(yōu)的混合時間范圍為4.1～5.9 min。

4.3.4參數優(yōu)化及試驗驗證

利用Design-Expert軟件中Optimization模塊進行參數優(yōu)化，根據混合機的實際工作性能要求及上述相關模型分析結果，選擇優(yōu)化約束條件為

(13)

對其參數進行求解，得到混合性能最優(yōu)時對應的參數組合為：混合時間5.3 min、轉子轉速8.6 r/min、槳葉安裝角34°，此時變異系數為6.95%，凈功耗為49.08 kJ。

根據上述試驗條件以及獲得的優(yōu)化參數進行試驗驗證(各試驗條件與4.1節(jié)相同)，得到變異系數7.01%、凈功耗51.02 kJ，優(yōu)化結果與驗證結果基本一致，誤差在試驗允許范圍內，其混合性能滿足變異系數小于10%的要求[11]，凈功耗較低。

5 結論

(1) 通過對日糧混合過程進行分析，將槳葉式日糧混合機混合室內日糧分布區(qū)域劃分為積料區(qū)、提料區(qū)、滑落區(qū)和塌落區(qū)。積料區(qū)發(fā)生較弱的剪切混合與對流混合；提料區(qū)以剪切混合與對流混合為主，擴散混合為輔；滑落區(qū)發(fā)生剪切混合、擴散混合與對流混合；塌落區(qū)發(fā)生較強的擴散混合與剪切混合。

(2) 通過試驗證實，本研究設計的槳葉式日糧混合機滿足日糧的混合要求。槳葉式日糧混合機在填充率為65%時的最優(yōu)參數組合為：混合時間5.3 min、轉子轉速8.6 r/min、槳葉安裝角34°，此時變異系數可達7.01%，凈功耗為51.02 kJ，其混合性能較優(yōu)，凈功耗較低。