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        基于離散元的自走式家禽飼料喂料機(jī)設(shè)計及仿真

        2022-03-27 05:59:38孟慶軍邱俊柱

        孟慶軍, 邱俊柱

        (東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

        目前我國是家禽養(yǎng)殖大國,已連續(xù)21年成為禽蛋產(chǎn)量最多的國家,伴隨著肉雞產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,中國已成為繼美國之后世界第二大雞肉生產(chǎn)國。我國養(yǎng)殖企業(yè)對家禽添加飼料方式多種多樣,資金雄厚的企業(yè)都選用自動化養(yǎng)殖設(shè)備,但很多喂料設(shè)備都是大型設(shè)備[1],價格昂貴、維修養(yǎng)護(hù)費用高昂、靈活性差等不符合家庭式養(yǎng)殖模式。因此,設(shè)計一款針對于中小規(guī)模的家庭式養(yǎng)殖企業(yè)的喂料機(jī)具有十分重要的意義。

        目前我國家禽喂料方式屬于多種方法并存的情況,添加飼料的方式分為人工添加和喂料機(jī)添加。我國的喂料機(jī)種類主要有手推喂料車、漏斗式喂料設(shè)備、播種式喂料機(jī)、行車式喂料機(jī)等[2]。然而,以某設(shè)備廠家行車式喂料機(jī)為例,行車喂料機(jī)高大,需有足夠高的養(yǎng)殖建筑,增加籠架間的過道寬度,從而減少等面積內(nèi)家禽的飼養(yǎng)數(shù)量;此外缺乏理論設(shè)計依據(jù)及實際場地試驗過程,缺少飼養(yǎng)家禽數(shù)量多少、家禽的成長期等因素試驗分析,我國現(xiàn)有喂料機(jī)出現(xiàn)了功率浪費大[3-4],過多浪費電能,不能及時調(diào)整飼料輸出流量,導(dǎo)致飼料堆積形成添加飼料不均勻的現(xiàn)象[5]。因此目前適合于中小規(guī)模的喂料機(jī)都存一些缺點,不符合家庭式養(yǎng)殖模式的養(yǎng)殖要求,與小規(guī)模養(yǎng)殖企業(yè)資金情況和養(yǎng)殖環(huán)境等條件不匹配。

        為解決中小規(guī)模家庭式養(yǎng)殖模式的喂料問題,實現(xiàn)在多層籠架添加飼料,本文詳細(xì)介紹了自走式喂料機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和填充飼料的工作原理;對其螺旋排料機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)定后計算其理論排料量;最后利用模擬仿真軟件對進(jìn)料口開口高度和前行過程的排料量進(jìn)行實驗驗證,滿足自走式家禽喂料機(jī)設(shè)計要求。

        1 自走式家禽喂料機(jī)組成及工作原理

        1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)組成

        自走式家禽喂料機(jī)主要包括:驅(qū)動裝置、傳動裝置、自走裝置、排料裝置、料斗、整體機(jī)架和控制部分等。驅(qū)動裝置主要由伺服電動機(jī)和蓄電池組成;傳動裝置包括減速器、鏈條、齒形帶、錐齒輪、傳動軸、鏈輪和帶輪等;自走裝置由主動輪、輪軸、萬向從動輪、輔助輪和剎車系統(tǒng)等;排料裝置包括:螺旋擠出軸、料筒、料筒安裝架、進(jìn)料口調(diào)節(jié)擋板。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 喂料整機(jī)結(jié)構(gòu)1.驅(qū)動電機(jī);2.蓄電池;3.驅(qū)動鏈條;4.傳動齒形帶;5.主動輪;6.從動輪;7.輔助輪;8.剎車系統(tǒng);9.螺旋擠出軸;10.料筒;11.料斗;12.調(diào)節(jié)擋板;13.控制器;14.出料口;15.整體機(jī)架

        1.2 自走式喂料機(jī)工作原理

        家禽飼料由粉碎攪拌機(jī)放入自走式喂料機(jī)料斗內(nèi),飼養(yǎng)員關(guān)閉排料裝置進(jìn)料口閥門,在進(jìn)入禽舍后調(diào)整好排料口與料槽的位置;打開進(jìn)料口閥門,啟動喂料機(jī)驅(qū)動電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)換后帶動皮帶輪依次帶動排料機(jī)構(gòu)底部的第二皮帶輪,第二皮帶輪與排料機(jī)構(gòu)的螺旋攪籠軸相固定,因此通過第二皮帶輪驅(qū)動螺旋擠出軸轉(zhuǎn)動,料斗內(nèi)的飼料在重力的作用下,由進(jìn)料口進(jìn)入螺旋擠出軸的螺旋葉片內(nèi),螺旋擠出軸轉(zhuǎn)動形成擠壓力,螺旋擠出軸在外殼的作用下沿料筒方向擠出,最后由排料口排出到料槽內(nèi)。與此同時,驅(qū)動電機(jī)輸出軸通過鏈條與減速器輸入端相連,輸出端利用鏈輪與喂料機(jī)主動輪軸一端固定的鏈輪相配合;通過驅(qū)動電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動即可驅(qū)動喂料機(jī)前行,也可以帶動螺旋攪籠軸進(jìn)行排料,喂料機(jī)工作過程與籠架位置擺放如圖2所示。

        圖2 喂料機(jī)和籠架工作關(guān)系1.地面;2.喂料機(jī)整機(jī);3.螺旋排料機(jī)構(gòu);4.延長軟管;5.籠體支架;6.鐵絲籠體;7.料槽;8.排糞地溝

        2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

        2.1 螺旋排料機(jī)構(gòu)設(shè)計原理

        通過分析橫向螺旋排料機(jī)構(gòu)的瞬時旋轉(zhuǎn)排料特性,設(shè)計帶有傾斜角度螺旋擠出排料的排料機(jī)構(gòu),通過螺旋葉片的轉(zhuǎn)動與進(jìn)料口形成周期性開合的狀態(tài),螺旋擠出軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)沿矢量方向的推力,保證螺旋勻速穩(wěn)定的飼料填充率,實現(xiàn)飼料從料斗內(nèi)填充到家禽食槽內(nèi)的填充過程。

        2.2 螺旋排料機(jī)構(gòu)工作原理

        螺旋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示,螺旋排料機(jī)構(gòu)主要由螺旋機(jī)構(gòu)外殼和轉(zhuǎn)動部件與外殼及軸承配合的螺旋擠出軸組成,其進(jìn)料口設(shè)置在料筒底部,排料口位于料筒頂部,設(shè)置成錐形變徑口,變徑口前端成直筒便于連接延長軟管。工作狀態(tài)時,料斗內(nèi)的飼料在重力的作用下不斷向進(jìn)料口填充,由進(jìn)料口進(jìn)入螺旋擠出軸的螺旋葉片內(nèi),螺旋擠出軸轉(zhuǎn)動形成擠壓力,螺旋擠出軸在外殼的作用下沿料筒方向擠出,將排料口的飼料排出至料槽內(nèi)。

        圖3 螺旋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)1.排料口;2.頂部軸承座;3.螺旋擠出軸;4.料筒;5.緊固螺栓;6.進(jìn)料口調(diào)整閥;7.固定板;8.進(jìn)料口;9.底部軸承座

        2.3 螺旋排料機(jī)構(gòu)理論排量計算

        螺旋擠出軸葉片的轉(zhuǎn)動與進(jìn)料口形成周期性的開合,會導(dǎo)致螺旋排料機(jī)構(gòu)吸入飼料量不均勻,飼料在螺旋排飼器中充填率為70%~80%[6],通過式(2)得出,剖面線B面面積與螺旋葉片螺旋升角、大徑、螺旋葉片厚度、小徑等參數(shù)有關(guān),標(biāo)注參數(shù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        圖4 螺旋擠出軸

        (1)

        (2)

        式中:l1為螺旋葉片厚度,mm;D為螺旋葉片大徑直徑,mm;d為螺旋葉片小徑直徑,mm;ψ為螺旋升角,°;S為導(dǎo)程,mm;SB1為螺旋葉片橫截面積,mm2;l1為螺旋葉片小徑截面弧長,mm;l2為螺旋葉片大徑截面弧長,mm。螺旋機(jī)構(gòu)排料量的理論計算充填率取值為1,可根據(jù)式(3)計算:

        (3)

        式中:W表示排料量,g;ρ表示飼料密度,g/mm3;ω表示排飼螺旋的填充系數(shù)(取0.75),%;γ為螺旋擠出軸轉(zhuǎn)速,rad/s;t表示時間,s。

        理論計算中d=25 mm,螺旋排肥輪外徑D=80 mm,螺旋排肥輪螺距S=45 mm,螺牙厚度為h=2 mm,排肥口直徑為D=60 mm,計算得出螺旋升角ψ為26.6°,飼料密度取1.8 g/mm3,每秒排料量500 g可以滿足家禽的次進(jìn)食量,時間t為1 s,理論計算得出螺旋擠出軸轉(zhuǎn)速48 rad/s。

        3 建立仿真模型及單因素試驗

        3.1 建立仿真模型

        離散元法(discrete element method,DEM)是一種分析與求解復(fù)雜離散系統(tǒng)運動規(guī)律與力學(xué)特性的數(shù)值分析方法[7],可實現(xiàn)分離顆粒介質(zhì)的仿真運動,因此對螺旋機(jī)構(gòu)排料過程的仿真,具有直觀性和顯著性的優(yōu)勢。

        參考相關(guān)文獻(xiàn)確定所選用以玉米為主要材料的養(yǎng)殖禽雞飼料的相關(guān)參數(shù),以及與排料裝置(Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼為主要材料)之間的接觸力學(xué)參數(shù)[8-11],設(shè)置離散元仿真參數(shù)見表1。

        表1 全局變量參數(shù)

        利用三維軟件NX12.0對仿真機(jī)構(gòu)建立模型導(dǎo)入EDEM2018軟件中將其打開,螺旋擠出軸轉(zhuǎn)速48 rad/s,在料斗內(nèi)設(shè)置顆粒工廠,顆??倲?shù)為150 000顆,以料槽向后0.5 m/s的速度形成相對運動,在仿真開始時將排料口料槽處設(shè)置成一個觀測區(qū),監(jiān)測排料機(jī)構(gòu)2 s行進(jìn)1 m料槽內(nèi)排出飼料顆??傎|(zhì)量及每100 mm內(nèi)排料質(zhì)量的對比,仿真過程為5 s,記錄數(shù)據(jù)間隔0.05 s,分別對不同開口高度的進(jìn)料口的螺旋機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真。開口高度為60 mm仿真及測量結(jié)果如圖5所示。

        圖5 仿真分格測量

        3.2 單因素試驗

        影響螺旋排料機(jī)構(gòu)排料流量效果的主要因素是進(jìn)料口開口高度。為分析螺旋排料機(jī)構(gòu)開口高度變化對排料流量的影響,試驗用排料機(jī)構(gòu)進(jìn)料口開口寬度為50 mm,分別以高度20 mm,30 mm,40 mm,50 mm,60 mm,70 mm,80 mm,90 mm,100 mm的進(jìn)料口作為試驗因素,在螺旋排料機(jī)構(gòu)穩(wěn)定排料后截取監(jiān)測區(qū)0.5 m內(nèi)飼料質(zhì)量波動變化數(shù)據(jù)。

        單因素方差分析過程如圖6所示,方差分析結(jié)果得出P<0.000 1,證明開口高度對螺旋機(jī)構(gòu)排料量有極顯著影響。成年禽雞產(chǎn)蛋期蛋雞每只禽雞日糧為100 g左右,每日三次添加飼料平均每只蛋雞每次需進(jìn)食量為34 g,籠架養(yǎng)殖蛋雞為470 mm的隔層內(nèi)養(yǎng)殖4只蛋雞,每470 mm內(nèi)飼料重量多于140 g就可以滿足蛋雞每次進(jìn)食量的需求[12]。排料量關(guān)系圖如圖7所示,通過調(diào)節(jié)進(jìn)料口高度可以滿足喂料機(jī)前行過程填充飼料。

        圖6 方差分析過程

        圖7 排料量關(guān)系圖

        4 結(jié)論

        本文通過分析家庭式養(yǎng)殖模式的特點,針對現(xiàn)有的喂料機(jī)進(jìn)行分析,確定自走式喂料機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù),針對螺旋排料機(jī)構(gòu)中的具體參數(shù)螺旋升角和理論排料量進(jìn)行理論計算并確定具體數(shù)值。通過EDEM軟件對螺旋排料機(jī)構(gòu)仿真驗證,可實現(xiàn)添加飼料的功能,利用Design-expert軟件單因素試驗方法對仿真數(shù)據(jù)分析,得到螺旋排料機(jī)構(gòu)的進(jìn)料口高度對喂料機(jī)的排料量有極顯著影響的結(jié)果。

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