范國強 滕 翔 姜軍鵬 董和銀 王玉亮 齊自成

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，泰安 271018；2.山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實驗室，泰安 271018；3.泰安意美特機械有限公司，新泰 271215；4.泰安市畜牧智能裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，新泰 271215；5.山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院，濟南 250100)

0 引言

我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)飛速發(fā)展，集約化、規(guī)?；蜆?biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖已成為持續(xù)提高牛奶產(chǎn)量、保障乳制品品質(zhì)及安全的必然選擇[1]。國內(nèi)外研究表明，奶牛喜歡趴臥在墊料充足、平整的臥床表面，臥床的舒適度與平整度是影響奶牛產(chǎn)奶量和乳品品質(zhì)及發(fā)病與否的重要因素[2-8]。當(dāng)臥床舒適度與平整度達不到所需標(biāo)準(zhǔn)時，奶牛趴臥時間會相對減少，從而導(dǎo)致奶牛生理變化，最終影響奶牛健康。不達標(biāo)的臥床表面還會引起奶牛乳房炎和肢體疾病,導(dǎo)致產(chǎn)奶量減少、奶品質(zhì)下降，降低了養(yǎng)殖經(jīng)濟效益。為保持舒適平整、適宜躺臥的臥床表面，需每天加鋪厚度2 cm左右的新墊料，并進行平整。在臥床墊料中，沙子臥床對乳房炎和蹄病有改善作用[4]。

目前，歐美發(fā)達國家采用法國庫恩8100 ProTwin Slinger為代表的側(cè)式拋撒機，該機采用高速旋轉(zhuǎn)的錘頭拋撒溝肥、泥漿、堆肥、廄肥、沙糞肥和墊料等物料，對干燥物料和含水率達99%的物料都具有非常好的拋撒效果。錘頭可自由擺動，能夠吸收高速作業(yè)時大部分異物的撞擊力，沖擊小，作業(yè)效果良好。國內(nèi)基本采用拖拉機將墊料運進圈舍，然后依靠人工進行拋撒，其作業(yè)效率低，勞動強度大。部分養(yǎng)殖企業(yè)采用膠帶式拋撒裝置進行作業(yè)，但拋撒幅寬小、均勻性差。隨著養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴大，臥床維護工作也越發(fā)繁重，由于缺乏專業(yè)墊料拋撒機械，使臥床舒適度較差，導(dǎo)致奶牛單產(chǎn)水平低，這成為制約奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的瓶頸。

針對我國奶牛養(yǎng)殖現(xiàn)狀，本文設(shè)計一種錘式奶牛臥床墊料拋撒機，重點對錘式拋撒機構(gòu)進行設(shè)計與試驗，以期實現(xiàn)墊料拋撒全程機械化。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

錘式奶牛臥床墊料拋撒機主要由輕卡底盤、車廂、螺旋輸送機構(gòu)、墊料拋撒機構(gòu)和液壓傳動系統(tǒng)組成，整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

輕卡底盤的內(nèi)燃機為行走系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)提供動力，車廂裝載墊料。為了減小墊料殘留，車廂采用V形結(jié)構(gòu)，如圖2所示。螺旋輸送機構(gòu)安裝在車廂底部，主要由2個徑向柱塞馬達和螺旋輸送器組成。徑向柱塞馬達帶動螺旋輸送器轉(zhuǎn)動，將墊料由前向后輸送。墊料到達車廂后部，被撥片推向出料口，錘式墊料拋撒機構(gòu)將墊料從左側(cè)拋撒到臥床表面。

臥床墊料拋撒機設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 整機設(shè)計參數(shù)

1.2 工作原理

奶牛臥床墊料拋撒機在作業(yè)前，首先通過液壓缸將出料口的料門打開，分別通過徑向柱塞馬達和軸向柱塞馬達啟動螺旋輸送機構(gòu)和墊料拋撒機構(gòu)，墊料經(jīng)螺旋輸送機構(gòu)從前輸送到后面，再由墊料拋撒機構(gòu)從車廂的左側(cè)均勻地拋到臥床上，完成墊料運輸與拋撒作業(yè)。

1.2.1墊料拋撒機構(gòu)

墊料拋撒機構(gòu)主要由出料門、錘頭、拋撒主軸、拋料罩、下?lián)醢?、上擋板和箱體出料門液壓缸組成，如圖3所示。

出料門液壓缸能調(diào)整出料口的開啟大小，控制墊料拋撒量。呈螺旋狀排列的錘頭安裝在拋撒主軸上，由柱塞馬達帶動高速旋轉(zhuǎn)，將墊料拋出。通過調(diào)整下?lián)醢褰嵌?，可以控制拋撒墊料的最近距離，使墊料落在臥床上。通過調(diào)整上擋板角度，可以控制墊料拋撒距離。

1.2.2傳動系統(tǒng)

采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動墊料螺旋輸送機構(gòu)與拋撒機構(gòu)，液壓原理如圖4所示。

2 結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計

2.1 錘頭回轉(zhuǎn)半徑

錘頭回轉(zhuǎn)半徑對拋撒主軸的平衡和振動影響較大，目前秸稈與根茬粉碎還田機的動刀回轉(zhuǎn)半徑在240～300 mm范圍內(nèi)[9-12]。沙子較重，考慮錘頭末端線速度和主軸動平衡等因素，選取錘頭的回轉(zhuǎn)半徑R為240 mm。

2.2 拋撒轉(zhuǎn)速

圓盤式鏟拋機把土拋到拋撒幅寬5 m左右的末端線速度應(yīng)大于20 m/s，國內(nèi)外青飼料拋送裝置徑向葉片的端部線速度為30～43 m/s[13-15]，以30～43 m/s為參照初選拋送主軸的轉(zhuǎn)速范圍，則

vc=ωR

(1)

其中

ω=2πn′/60

(2)

式中vc——錘頭回轉(zhuǎn)末端線速度，m/s

ω——主軸角速度，rad/s

n′——拋送主軸轉(zhuǎn)速，r/min

計算可得:1 194 r/min≤n′≤1 712 r/min。

由于墊料拋撒距離較近，選取拋撒主軸轉(zhuǎn)速n′為1 200 r/min，錘頭回轉(zhuǎn)末端線速度vc為30 m/s。

2.3 物料拋出角及錘頭數(shù)量

物料拋出角γ是影響拋送效率以及消耗功率的關(guān)鍵因素，試驗證明葉片式拋送裝置物料拋出角最佳范圍為60°～130°[16-17]。本研究采用75°≤γ≤105°(γ起始于錘頭末端沿拋撒室外殼開始圓周運動，終止于沙子離開拋撒室外殼)，拋料切線角β為20°～50°，上擋板開啟角δ為30°～100°。錘頭數(shù)量和排列對拋撒機構(gòu)的受力、振動、能耗和拋撒質(zhì)量影響較大：增加錘頭數(shù)量能提高拋撒質(zhì)量，利于機構(gòu)平衡，但功耗增大；減少錘頭數(shù)量能降低功耗，但拋撒質(zhì)量降低，且難以平衡。拋送青貯飼料或谷物的葉片式拋送機構(gòu)葉片數(shù)常取4[13,18-20]，本研究拋送密度較高的沙子，采用單螺旋線排列，在一周螺旋線上等間隔安裝6片錘頭，如圖5所示。

2.4 錘頭設(shè)計

沙子在拋送過程中受到的離心力主要聚集在錘頭端部，形成一種穩(wěn)定的流態(tài)，如圖5所示。根據(jù)體積相等原則得

(3)

式中u——錘頭纏繞圈數(shù)

ST——錘頭纏繞螺距，m

h1——拋送區(qū)墊料平均厚度，m

L1——墊料拋撒寬度，取5 m

S1——拋撒機每秒前進距離，取1.1 m

h2——臥床補充墊料厚度，取0.02 m

r——落在臥床的墊料百分比，取95%

降低拋送區(qū)物料的厚度能減小錘頭拋送力，降低沖擊。沙子的密度較大，初選h1為0.024 m,由此得0.57 m≤uST≤0.81 m。

為防止漏拋，選錘頭端部在螺旋軸線方向的重合度ε1=50%。取u=1，則錘頭端部長度L7為0.19～0.27 m，此時錘頭端部的尺寸較長。取u=2，共有12把錘頭，重合度ε1=50%時，端部長度為0.095～0.135 m。在每個拋送角，總有2把錘頭，相距1個螺距，有利于提高拋撒性能。最終確定的錘頭參數(shù)如表2所示。

表2 錘頭主要參數(shù)

墊料拋撒主要依靠錘頭的慣性力，錘頭上部質(zhì)量對慣性力和拋撒影響較小。減小上部尺寸能夠減小錘頭質(zhì)量，降低整個拋送機構(gòu)的質(zhì)量，錘頭形狀尺寸如圖6所示。

拋撒機構(gòu)工作時錘頭作高速旋轉(zhuǎn)運動，在離心力作用下，錘頭處于圓周徑向位置，錘頭工作時的受力分析如圖7所示，F(xiàn)為錘頭平均拋送力；F1為離心力；mg為錘頭的重力；R1為拋撒主軸中心到錘頭重心的距離；θ為錘頭工作偏轉(zhuǎn)角；L2為離心力F1到銷軸中心的力臂；L3為拋撒主軸中心到銷軸中心的距離；L4為銷軸中心到錘頭端部的距離；L5為銷軸中心到錘頭重心的距離；L6為拋送阻力到錘頭銷軸中心的力臂。

取物料拋出角γ=105°，設(shè)錘頭將區(qū)域內(nèi)的所有沙子全部以30 m/s的速度拋出，根據(jù)動能守恒定律有

(4)

式中ms——單錘頭拋送沙子質(zhì)量，取1.58 kg

S2——單錘頭沙子拋送距離，取0.44 m

計算錘頭平均拋送力F=1 616 N，忽略銷軸對錘頭的摩擦力矩，由圖7可得

(5)

作用在錘頭上,相對于銷軸中心O1的力矩平衡方程為

FL4cosθ=mgL5sinθ+mω2R1L2

(6)

式中m——機構(gòu)質(zhì)量，kg

g——重力加速度，取9.8 m/s2

整理得

(7)

由式(7)和式(4)可知，增大m、L5/L4和ω可以降低錘頭偏轉(zhuǎn)角θ，選擇錘頭厚度分別為30、40、50 mm，對錘頭的偏轉(zhuǎn)角、機構(gòu)偏心距與離心力進行計算，結(jié)果如表3所示。

表3 不同厚度錘頭的偏轉(zhuǎn)角、機構(gòu)偏心距與離心力

由表3可知，當(dāng)錘頭厚度為50 mm時，錘頭的偏轉(zhuǎn)角為30.5°，此時錘頭端部與拋料罩之間的間隙較小，能有效地實現(xiàn)拋料，離心力也顯著降低。由于錘頭高速旋轉(zhuǎn)，不斷與沙子產(chǎn)生摩擦，磨損比較嚴(yán)重，因此錘頭材質(zhì)選用16Mn。

3 仿真分析

3.1 仿真模型建立

3.1.1仿真模型與物料特性參數(shù)選擇

顆粒離散單元法(Discrete element method，DEM)是模擬顆粒系統(tǒng)仿真分析的一種物體系統(tǒng)動力學(xué)數(shù)值計算方法。為簡化計算過程，將沙子等效為球型顆粒，直徑為3 mm，密度為1 600 kg/m3。對物料特性參數(shù)進行測定，結(jié)果如表4所示。

表4 物料特性參數(shù)

在UG中建立拋撒裝置的三維實體模型，以.stp格式導(dǎo)入EDEM中。

3.1.2仿真試驗設(shè)計

采用EDEM軟件的Hertz-Mindlin無滑動接觸模型，設(shè)定顆粒總數(shù)為1 187 500，每秒產(chǎn)生475 000個顆粒，初始速度2 m/s。根據(jù)預(yù)試驗，可知影響拋撒機構(gòu)的關(guān)鍵因素為拋撒轉(zhuǎn)速、上擋板開啟角、拋料切線角和上擋板長度，以沙子拋撒幅寬、地面堆積物料厚度、拋撒均勻性變異系數(shù)(CV)為拋撒性能指標(biāo)。單因素試驗各因素水平如表5所示。

表5 單因素試驗的因素水平

在測區(qū)內(nèi)沿拋撒寬度確定的中心線上，間隔0.5 m選定3個小區(qū)，每個小區(qū)連續(xù)取3個測量段，每個測量段的縱向長度為0.05 m，寬度為拋撒寬度的0.06倍。在規(guī)定的作業(yè)速度下作業(yè)，測量每個測量段的沙子質(zhì)量，計算沙子拋撒均勻性變異系數(shù)。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1拋撒轉(zhuǎn)速

仿真條件：拋料切線角為50°，上擋板開啟角為85°，上擋板長度為180 mm。如圖8所示，拋撒轉(zhuǎn)速對地面堆積物料厚度、拋撒幅寬和拋撒均勻性變異系數(shù)影響顯著。隨著拋撒轉(zhuǎn)速增加，地面堆積物料平均厚度分別為30.4、29、27 mm，拋撒幅寬分別為2.4、3.6、4.4 m，拋撒均勻性變異系數(shù)分別為33.82%、27.39%和22.43%。

顆粒拋撒速度分布如圖9所示，隨著轉(zhuǎn)速增加，拋送區(qū)內(nèi)沙子厚度減小，物料回流較少，絕大部分沙子被高速拋出。高速運動的沙子與上擋板發(fā)生激烈碰撞后，撒布面變寬，顆粒分布較均勻。因此提高拋撒轉(zhuǎn)速能夠減少顆?；亓?，提高拋撒幅寬和均勻性，降低平均厚度。

如圖10所示，從上往下統(tǒng)計撒料口3個區(qū)域顆粒垂直分布情況。

如圖11所示，隨著轉(zhuǎn)速增加，顆粒在垂直方向的分布變均勻，沿物料拋撒方向，地面堆積物料的橫向分布均勻性變好。

3.2.2拋料切線角

仿真條件：主軸轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，上擋板開啟角為55°，上擋板長度為180 mm。如圖12所示，拋料切線角對地面堆積物料厚度、拋撒幅寬和拋撒均勻性變異系數(shù)影響顯著。隨著拋料切線角增加，地面堆積物料平均厚度分別為15.4、16.4、27.8 mm，拋撒幅寬分別為6、5.5、2.5 m，拋撒均勻性變異系數(shù)分別為26.74%、33.88%和37.57%。

顆粒拋撒速度分布如圖13所示，隨著物料拋出角的增加，物料回流增加，拋送區(qū)內(nèi)的沙子厚度增大。拋出的沙子與上擋板發(fā)生激烈碰撞后，撒布面變窄，顆粒分布不均勻程度增加。因此減小拋料切線角，能夠減輕顆?；亓鳜F(xiàn)象，提高拋撒幅寬和均勻性，降低平均厚度。

如圖14所示，隨著拋料切線角的增大，顆粒在撒料口垂直方向主要集中在區(qū)域1內(nèi)，地面堆積物料橫向分布均勻性變差。

3.2.3上擋板開啟角

仿真條件：拋撒主軸轉(zhuǎn)速400 r/min，拋料切線角50°，上擋板長度180 mm。如圖15所示，上擋板開啟角對地面堆積物料厚度、拋撒幅寬和拋撒均勻性變異系數(shù)影響顯著。隨著開啟角的增加，地面堆積物料平均厚度分別為32、30.5、27 mm，拋撒幅寬分別為2、2.5、3.5 m，拋撒均勻性變異系數(shù)分別為44.42%、39.25%和33.82%。

顆粒拋撒速度分布如圖16所示，隨著上擋板開啟角的增加，物料回流減小，拋送區(qū)內(nèi)的沙子厚度變小。拋出的沙子與上擋板碰撞較輕，撒布面變寬，顆粒分布均勻度增加。因此增加上擋板開啟角，能夠減輕顆?；亓鳜F(xiàn)象，提高拋撒的幅寬和均勻性，降低平均厚度。

如圖17所示，隨著上擋板開啟角的增加，顆粒在撒料口垂直方向的分布變均勻，地面堆積物料橫向分布均勻性變好。

3.2.4上擋板長度

仿真條件：上擋板開啟角70°，拋料切線角35°，拋撒主軸轉(zhuǎn)速800 r/min。如圖18所示，隨著擋板長度由180 mm增加至220 mm，地面堆積物料平均厚度由25.6 mm增加至32.1 mm，拋撒幅寬由3.5 m減少至3 m。但擋板長度由220 mm增加到260 mm時，對地面堆積物料平均厚度和拋撒幅寬影響不顯著。隨著擋板長度增加，拋撒均勻性變異系數(shù)顯著增大，分別為38.13%、49.81%和55.41%，地面堆積物料的橫向分布均勻性變差。

顆粒拋撒速度分布如圖19所示，隨著上擋板長度的增加，物料回流和拋送區(qū)內(nèi)的沙子厚度變化不明顯。但拋出的沙子與上擋板發(fā)生激烈碰撞后，撒布面變窄，顆粒分布不均勻程度增加。因此減小擋板長度，能夠提高拋撒的幅寬和均勻性，降低平均厚度。

如圖20所示，上擋板長度由220 mm降至180 mm時，顆粒在撒料口垂直方向的分布變均勻，地面堆積物料橫向分布均勻性變好。

4 試驗

4.1 試驗條件與測試指標(biāo)

試驗在寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市眾鑫牧場進行，沙子直徑小于等于3 mm，含水率為3%，圖21為奶牛臥床尺寸。

為了便于采集試驗數(shù)據(jù)，先在干凈平整的地面進行拋撒試驗并測量試驗數(shù)據(jù)，如圖22a所示，臥床作業(yè)情況如圖22b所示。由仿真結(jié)果可知，提高拋撒轉(zhuǎn)速、減小拋料切線角、增大上擋板開啟角、減小上擋板長度，拋撒的距離、幅寬和均勻性越好。為提高拋撒均勻性，并盡可能地使物料落在臥床上，選取拋撒轉(zhuǎn)速為1 200 r/min、拋料切線角為35°、上擋板開啟角為70°、上擋板長度為180 mm和行駛速度為4 km/h進行仿真分析和現(xiàn)場試驗，取3次測量數(shù)據(jù)的平均值進行分析。主要測試指標(biāo)：拋撒幅寬、地面堆積物料平均厚度、拋撒均勻性變異系數(shù)和機具作業(yè)穩(wěn)定性。

4.2 試驗結(jié)果與分析

仿真與試驗對比如圖23所示，兩者基本吻合，證實了仿真分析的可靠性。試驗測試的拋撒幅寬為5.1 m，地面堆積物料平均厚度為22 mm，拋撒均勻性變異系數(shù)為31.96%，均達到了設(shè)計目標(biāo)，滿足了養(yǎng)殖場的使用要求。

試驗過程中，拋撒機各關(guān)鍵部件工作穩(wěn)定，能夠可靠地完成墊料的拋撒，沒有發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了由輕卡底盤、螺旋輸送機構(gòu)、液壓傳動系統(tǒng)和錘式墊料拋撒機構(gòu)組成的奶牛臥床墊料拋撒機，實現(xiàn)了墊料的機械化拋撒作業(yè)。建立了錘式墊料拋撒機構(gòu)作業(yè)的理論模型，并對錘頭回轉(zhuǎn)半徑、拋撒轉(zhuǎn)速、物料拋出角、錘頭數(shù)量和錘頭尺寸進行了設(shè)計與計算。

(2)采用EDEM對拋撒轉(zhuǎn)速、拋料切線角、上擋板開啟角和上擋板長度等關(guān)鍵因素進行了仿真分析，結(jié)果表明，提高拋撒轉(zhuǎn)速、減小拋料切線角、增大上擋板開啟角和減小上擋板長度，能夠顯著增大物料拋撒幅寬、提高拋撒均勻性，并能夠降低地面堆積物料平均厚度。

(3)針對幅寬5 m的臥床，選取拋撒轉(zhuǎn)速為1 200 r/min、拋料切線角為35°、上擋板開啟角為70°、上擋板長度為180 mm和行駛速度為4 km/h進行EDEM仿真分析和現(xiàn)場作業(yè)試驗，結(jié)果表明，仿真分析與試驗結(jié)果基本一致，證實了仿真分析的可靠性。試驗測試拋撒幅寬為5.1 m，地面堆積物料平均厚度為22 mm，拋撒均勻性變異系數(shù)為31.96%，達到了設(shè)計目標(biāo)，滿足養(yǎng)殖場的使用要求。拋撒機各關(guān)鍵部件工作穩(wěn)定，能夠可靠地完成墊料的拋撒。