聶傳斌，孫衛(wèi)明，張燕軍，李佳眙，邢煜斌，龔道清

(1. 揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州，225127； 2. 揚(yáng)州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州，225009)

0 引言

我國(guó)是鵝的飼養(yǎng)與消費(fèi)大國(guó)[1]，近年來(lái)鵝肉市場(chǎng)消費(fèi)需求持續(xù)攀升，對(duì)養(yǎng)鵝產(chǎn)業(yè)鏈的源頭—優(yōu)質(zhì)種鵝的質(zhì)量提出了更高要求。傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式無(wú)法對(duì)家禽個(gè)體的生長(zhǎng)特性以及采食規(guī)律進(jìn)行精細(xì)化掌控，常常出現(xiàn)投喂過(guò)多或投喂過(guò)少造成的飼喂不均衡等問(wèn)題，嚴(yán)重的甚至?xí)l(fā)家禽營(yíng)養(yǎng)性疾病高發(fā)等問(wèn)題[2]。為培育出優(yōu)質(zhì)鵝的品種和品系，現(xiàn)有育種技術(shù)普遍根據(jù)種鵝的生長(zhǎng)速度和飼料轉(zhuǎn)化率等[3]指標(biāo)進(jìn)行個(gè)體選育，但是采用較為粗放的人工投料飼喂方式，難以及時(shí)準(zhǔn)確獲得投料量、鵝只的采食量、鵝只體重等重要數(shù)據(jù)，進(jìn)而直接影響優(yōu)質(zhì)種鵝的選育工作。

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)、RFID、電子信息、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，使得通過(guò)智能化的手段進(jìn)行動(dòng)物飼養(yǎng)、篩選和檢測(cè)成為可能，如已有報(bào)道將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于種雞、蛋雞的生產(chǎn)管理中，實(shí)現(xiàn)對(duì)家禽質(zhì)量進(jìn)行追溯、將RFID及云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于雞育種、基于RFID與Zigbee的牛場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等等。邱麥迪[4]設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能養(yǎng)殖管理設(shè)備，通過(guò)智能傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)羊只重量和羊飼料重量的動(dòng)態(tài)測(cè)定。何俊等[5]設(shè)計(jì)了基于4G網(wǎng)絡(luò)的妊娠母豬精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)。

受限于鵝本身獨(dú)特的活動(dòng)習(xí)性和生理特點(diǎn)，目前缺乏有關(guān)種鵝的精準(zhǔn)飼喂管理方法，如何對(duì)種鵝進(jìn)行單元化管理，實(shí)時(shí)掌握個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育情況，精準(zhǔn)追蹤種鵝在飼養(yǎng)過(guò)程中的飼料轉(zhuǎn)化率情況是解決現(xiàn)有問(wèn)題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文針對(duì)種鵝選育在飼喂方面存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了精準(zhǔn)飼喂裝置，通過(guò)RFID技術(shù)識(shí)別種鵝個(gè)體編號(hào)并同步感知個(gè)體的體重?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)采食位的種鵝個(gè)體信息從喂料口輸出與之生長(zhǎng)發(fā)育階段對(duì)應(yīng)的飼料量進(jìn)行精準(zhǔn)化飼喂。為實(shí)現(xiàn)定量投喂飼料，結(jié)合飼料的形態(tài)特點(diǎn)[6]設(shè)計(jì)微型螺旋輸送機(jī)構(gòu)，基于離散元方法對(duì)精準(zhǔn)飼喂裝置的飼料輸送過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，綜合考慮飼料顆粒質(zhì)量流率、出輸送管道的速度以及螺旋葉片扭矩等因素，對(duì)微型精準(zhǔn)飼喂螺旋輸送機(jī)構(gòu)的輸送管道截面形狀、螺旋葉片的類型和螺距等進(jìn)行優(yōu)選，為解決種鵝傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式中存在的人工投料飼喂方式粗獷、難以及時(shí)獲得種鵝個(gè)體飼料轉(zhuǎn)化率等難題提供技術(shù)支撐。

1 精準(zhǔn)飼喂裝置總體方案設(shè)計(jì)

1.1 精準(zhǔn)飼喂裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合種鵝的采食特點(diǎn)設(shè)計(jì)精準(zhǔn)飼喂裝置，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括飼料盛放筒、飼料輸送機(jī)構(gòu)、進(jìn)食平臺(tái)模塊和控制器等，飼料存儲(chǔ)模塊由倒錐形的特制的無(wú)底飼料桶構(gòu)成，飼料輸送模塊由攪拌下料棒、L形輸送管道、螺旋葉片構(gòu)成，步進(jìn)電機(jī)在輸送管道的一端與螺旋葉片相連，提供驅(qū)動(dòng)力。在輸送過(guò)程中飼料顆粒首先經(jīng)飼料桶底部下落至輸送管道入口所在平面，由攪拌下料棒將飼料均勻推送至每個(gè)輸送管道入口，最后飼料受轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋葉片的作用被輸送至飼料槽。進(jìn)食平臺(tái)模塊由斜扇形進(jìn)食平臺(tái)、壓力傳感器、RFID線圈、飼料槽、料槽隔板構(gòu)成，斜扇形進(jìn)食平臺(tái)符合種鵝側(cè)身位伸長(zhǎng)脖子進(jìn)食的生活習(xí)性；壓力傳感器用于感知種鵝個(gè)體的體重；RFID線圈可讀取種鵝腳踝處的RFID腳環(huán)編號(hào)數(shù)據(jù)識(shí)別個(gè)體身份；料槽隔板將環(huán)形料槽隔成多個(gè)獨(dú)立的飼料槽單元。控制器模塊通過(guò)識(shí)別種鵝個(gè)體身份、體重，結(jié)合生長(zhǎng)發(fā)育曲線，驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)螺旋輸送機(jī)構(gòu)的定量出料。

圖1 精準(zhǔn)飼喂裝置結(jié)構(gòu)組成示意圖

種鵝精準(zhǔn)飼喂裝置的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：(1)設(shè)計(jì)獨(dú)立的進(jìn)食平臺(tái)，并為每只鵝分配單獨(dú)的飼料槽段，確保種鵝在進(jìn)食過(guò)程中不受其他個(gè)體的干擾，便于準(zhǔn)確追蹤種鵝個(gè)體的進(jìn)食量和控制對(duì)其的飼料投喂量。(2)利用飼料顆粒和螺旋葉片之間的摩擦和推力進(jìn)行飼料輸送，建立步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、工作時(shí)間、功率和飼料質(zhì)量流率之間的關(guān)系，達(dá)到精準(zhǔn)輸出、精細(xì)把控的目的。(3)通過(guò)壓力傳感器對(duì)種鵝個(gè)體準(zhǔn)確稱重，并建立種鵝生長(zhǎng)周期的體重變化曲線，隨時(shí)隨地掌握飼喂過(guò)程中飼料轉(zhuǎn)化率情況。(4)采用RFID射頻閱讀器在種鵝站上進(jìn)食平臺(tái)時(shí)讀取種鵝RFID腳環(huán)電子標(biāo)簽，識(shí)別種鵝品種類型、所處生長(zhǎng)周期等信息，建立可溯源的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)種鵝的信息化管理和精準(zhǔn)化飼喂。

1.2 精準(zhǔn)飼喂裝置控制方法

種鵝精準(zhǔn)飼喂裝置的控制方法和流程為：當(dāng)種鵝站上站板時(shí)，站板下方的壓力傳感器采集鵝的體重?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)RFID射頻閱讀器讀取鵝的RFID腳環(huán)，通過(guò)藍(lán)牙傳輸將信息傳輸至計(jì)算機(jī)連接云平臺(tái)。云平臺(tái)根據(jù)不同品種的鵝在對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)周期的理論投喂量，并根據(jù)其體重信息進(jìn)行調(diào)控和修正，最終確定實(shí)際投喂量，計(jì)算出控制飼料輸出的步進(jìn)電機(jī)的當(dāng)用功率，反饋至步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行飼料輸出。其中單次輸出飼料的總時(shí)長(zhǎng)為定值，通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)智能化調(diào)節(jié)飼料投喂量，達(dá)到精準(zhǔn)飼喂的目的。

螺旋輸送機(jī)構(gòu)的飼料輸出量計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中：Q——輸送量；

D——螺旋葉片直徑；

n——螺旋軸轉(zhuǎn)速；

t——螺距；

ρ——物料松散密度，即物料容重；

φ——物料填充系數(shù)，即物料輸送過(guò)程中物料堆積截面積與螺旋輸送機(jī)構(gòu)截面積的比值；

C——傾斜系數(shù)。

2 精準(zhǔn)飼喂裝置優(yōu)選方法

2.1 優(yōu)選總體方案

精準(zhǔn)飼喂的實(shí)現(xiàn)主要是根據(jù)螺旋輸送機(jī)構(gòu)運(yùn)輸顆粒及散體物料時(shí)運(yùn)輸量可控的原理，針對(duì)種鵝精準(zhǔn)飼喂裝置特點(diǎn)和實(shí)際飼喂量、精度需求，對(duì)微型螺旋輸送機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)選。

微型螺旋輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是精準(zhǔn)飼喂裝置功能實(shí)現(xiàn)的核心環(huán)節(jié)，本文以微型螺旋輸送機(jī)構(gòu)輸送飼料時(shí)的輸送效率、定量輸送的精度把控以及速度的限制為優(yōu)化方向，重點(diǎn)研究飼料輸送的質(zhì)量流率、螺旋葉片的扭矩和飼料顆粒的輸出速度等指標(biāo)，對(duì)螺旋輸送機(jī)構(gòu)的輸送管道截面形狀、螺旋葉片的類型和螺距進(jìn)行優(yōu)選。

2.2 優(yōu)選方法

對(duì)精準(zhǔn)飼喂裝置中螺旋輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分為三部分：首先是確定飼料顆粒的本征參數(shù)，選取合適的仿真模型；其次是設(shè)計(jì)螺旋輸送機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)和結(jié)構(gòu)的組成方案，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)飼料輸出效果進(jìn)行仿真模擬；最后根據(jù)仿真結(jié)果和模擬數(shù)值制作樣機(jī)，分析試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的誤差。

精準(zhǔn)飼喂裝置中使用的螺旋輸送機(jī)構(gòu)為水平安裝方式，而螺距、螺旋輸送機(jī)構(gòu)截面形狀和螺旋軸類型為影響水平螺旋輸送機(jī)構(gòu)輸送能力的主要因素，因此本研究以螺旋輸送機(jī)構(gòu)的截面形狀、螺距和螺旋軸類型為變量，使用控制變量的方法交叉組合設(shè)計(jì)了6組仿真模擬方案，最終確定精準(zhǔn)飼喂裝置中使用的螺旋輸送機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型與關(guān)鍵參數(shù)。

2.3 模型簡(jiǎn)化

仿真過(guò)程中被輸送物質(zhì)的物理性質(zhì)和材料特性也是需要重點(diǎn)關(guān)注的因素[7]，參數(shù)設(shè)計(jì)不合理不僅會(huì)影響傳輸精度和效率，造成耗能增加，而且會(huì)導(dǎo)致物料破損[8]。傳統(tǒng)養(yǎng)殖使用的飼料是養(yǎng)殖戶使用麥麩、豆粕、玉米、米糠等原料兌水?dāng)嚢韬笮纬傻暮隣钗?，這種人工配比的傳統(tǒng)飼料存在營(yíng)養(yǎng)性不均衡的缺陷。精準(zhǔn)裝置使用的飼料是經(jīng)原材料加工完成后的固體顆粒飼料，在進(jìn)行數(shù)值模擬仿真時(shí)可以不考慮飼料顆粒之間的粘滯性作用；又因?yàn)檠b置中采用的螺旋輸送機(jī)構(gòu)為短距離傳輸，輸送管道內(nèi)氣流對(duì)飼料顆粒的影響可以忽略不計(jì)，因此本研究建立的模型是單相固體顆粒離散元仿真模型。

3 仿真參數(shù)標(biāo)定

離散元法(Discrete Element Method, DEM)是把研究對(duì)象分離為剛性元素的集合，以牛頓第二定律作為理論基礎(chǔ)，解決不連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題的數(shù)值模擬方法[9]，利用EDEM軟件對(duì)螺旋輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真設(shè)計(jì)，具有成本低、周期短、精度高等優(yōu)勢(shì)。在使用EDEM軟件進(jìn)行仿真時(shí)，Michele等[10]認(rèn)為關(guān)鍵在于對(duì)仿真模型的微觀參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，包括接觸參數(shù)和本征參數(shù)，微觀參數(shù)的精度決定了仿真結(jié)果是否能夠與現(xiàn)實(shí)情況相吻合。其中接觸參數(shù)包括顆粒與顆粒之間、顆粒與環(huán)境材料之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)以及滾動(dòng)摩擦系數(shù)[11]，本征參數(shù)包括宏觀物性參數(shù)和微觀物性參數(shù)，微觀物性參數(shù)包括顆粒和環(huán)境材料的密度、泊松比以及彈性模量，宏觀物性參數(shù)包括顆粒的尺寸、形狀等[12]。

為提高仿真結(jié)果的可靠性，本研究使用模擬仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)上述涉及參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)。分別采用堆積角實(shí)驗(yàn)[13]、碰撞彈跳實(shí)驗(yàn)、斜面滑移實(shí)驗(yàn)、斜面滾動(dòng)實(shí)驗(yàn)[14]來(lái)標(biāo)定和校準(zhǔn)顆粒與顆粒之間的接觸參數(shù)、顆粒與螺旋輸送機(jī)構(gòu)材料之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、滾動(dòng)摩擦系數(shù)。

3.1 本征參數(shù)確定

1) 飼料容重。飼料顆粒在堆積時(shí)顆粒之間會(huì)形成不均勻間隙，因此密度(單位體積飼料的質(zhì)量)不再能夠表示飼料整體的物理特性。飼料顆粒在不受外部擠壓力的情況下自然堆積，當(dāng)堆積體積相等時(shí)，其總質(zhì)量也是相等的，這就是飼料的容重。本文通過(guò)精密天平和定體積容器測(cè)量和計(jì)算得到飼料顆粒的容重為584.43kg/m3。

2) 飼料顆粒的篩選和分類。飼料顆粒在儲(chǔ)存、運(yùn)輸過(guò)程中受外界擠壓、碰撞以及顆粒之間的作用力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致飼料顆粒破碎并產(chǎn)生大小不均勻的顆粒和粉末。一般可采用先人工篩分后稱重的方法來(lái)測(cè)定飼料的含粉率[15]，本研究采用的飼料形狀近似為圓柱體，故以飼料顆粒的軸徑比γ為分類標(biāo)準(zhǔn)，選取一定量的飼料樣本將飼料分為大、中、小顆粒以及粉末四種，最終計(jì)算獲得各成分的含量，分類標(biāo)準(zhǔn)和各組分含量見(jiàn)表1。

表1 飼料顆粒的分類及含量Tab. 1 Classification and content of feed granules

3) 飼料的彈性模量和泊松比。González-Montellano等[16]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)顆粒在沒(méi)有嚴(yán)重受到壓縮時(shí)對(duì)其進(jìn)行仿真試驗(yàn)，楊氏模量與泊松比的參數(shù)取值對(duì)仿真結(jié)果的影響不大。本文確定的飼料的泊松比為0.4，楊氏模量為273.9 MPa[13]。

4) 螺旋輸送機(jī)構(gòu)材質(zhì)。制作精準(zhǔn)飼喂裝置樣機(jī)時(shí)，螺旋輸送機(jī)構(gòu)選用表面質(zhì)量高、韌性表現(xiàn)優(yōu)異、適合結(jié)構(gòu)驗(yàn)證的ASTMD 638新型樹脂材料，其物性參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 ASTMD 638材料參數(shù)表Tab. 2 Material parameter table of ASTMD 638

3.2 顆粒模型建立

本文在建立顆粒模型時(shí)，首先將飼料顆粒人工篩選并分成大顆粒飼料、中等顆粒飼料、小顆粒飼料和飼料粉末4種(圖2)，然后建立顆粒模板并劃分網(wǎng)格，在EDEM中使用自動(dòng)填充生成顆粒模型。其中大飼料顆粒為長(zhǎng)9.8 mm，截面直徑3.5 mm的圓柱體；中等飼料顆粒為長(zhǎng)5.3 mm，截面直徑3.5 mm的圓柱體；小飼料顆粒為長(zhǎng)2.8 mm，截面直徑3.5 mm的圓柱體；飼料粉末為直徑小于0.25 mm的圓球，且上述四種大小顆粒的體積均服從正態(tài)分布。

(a) 大顆粒

(c) 小顆粒

(d) 粉末

圖2 飼料顆粒模型

Fig. 2 Model diagram of feed particles

3.3 接觸模型確定

在顆粒接觸力學(xué)[17]中，常見(jiàn)的顆粒接觸理論有Hertz接觸理論、JKR接觸理論和DMT接觸理論等。其中Hertz接觸理論[18]是顆粒曲面彈性接觸問(wèn)題的理論基礎(chǔ)，適用于球體、柱體等形狀顆粒的彈性接觸。JKR接觸理論[19]在Hertz接觸理論的基礎(chǔ)上考慮了顆粒接觸表面分子或原子間的黏連作用，適用于大粒徑、低黏附能的低彈性模量材料。DMT接觸理論考慮了顆粒接觸面間的范德華力，適用于小粒徑、高黏附能的高彈性模量材料。

本文采用的飼料顆粒為相對(duì)干燥的柱狀顆粒，顆粒之間不存在受水分作用產(chǎn)生的液橋力和受范德華力作用發(fā)生的黏附現(xiàn)象，因此綜合考慮選擇經(jīng)典的Hertz-Mindlin接觸模型作為研究過(guò)程中飼料顆粒的接觸模型。

3.4 飼料顆粒間接觸參數(shù)確定

堆積角(圖3)是顆粒材料屬性和接觸屬性的宏觀表現(xiàn)形式，常用來(lái)判定離散元仿真中參數(shù)設(shè)置的合理性。本文通過(guò)建立飼料顆粒堆積的數(shù)值計(jì)算模型，利用EDEM軟件仿真模擬，逆向標(biāo)定和校準(zhǔn)計(jì)算模型中顆粒與顆粒間接觸參數(shù)的設(shè)定值。

圖3 堆積角試驗(yàn)裝置圖

試驗(yàn)裝置由堆積平面、臺(tái)架裝置和漏斗裝置構(gòu)成，使用臺(tái)架將預(yù)置有飼料顆粒的漏斗容器提升后使飼料顆粒自由落下，待飼料堆穩(wěn)定后測(cè)定飼料堆顆粒的堆積角。為減小試驗(yàn)誤差，重復(fù)試驗(yàn)并從前視、后視、左視和右視方向水平拍攝飼料堆的堆積角(圖4)，利用Matlab軟件先對(duì)所拍攝的照片進(jìn)行二值化圖像處理，再使用GetData軟件在二值化后的圖像輪廓的一側(cè)邊緣上取點(diǎn)后使用直線擬合，該直線與水平方向的夾角即為堆積角，計(jì)算其平均值，得到飼料顆粒的堆積角的試驗(yàn)值為28.15°。

圖4 堆積角α示意圖

使用Solid works建立堆積角試驗(yàn)裝置的簡(jiǎn)易三維幾何模型，導(dǎo)入EDEM進(jìn)行仿真(圖5)。在預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)置不同組合的飼料顆粒與顆粒之間的靜摩擦系數(shù)、碰撞恢復(fù)系數(shù)和滾動(dòng)摩擦系數(shù)，分別進(jìn)行仿真模擬，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比，選取最優(yōu)組合。當(dāng)飼料顆粒與顆粒之間的靜摩擦系數(shù)、碰撞恢復(fù)系數(shù)和滾動(dòng)摩擦系數(shù)分別為0.4、0.2和0.01時(shí)，仿真模擬得到的堆積角為29.74°，與試驗(yàn)值相比較存在的誤差僅為5.6%，表明仿真結(jié)果比較精確，選取該組參數(shù)為最終標(biāo)定結(jié)果。

圖5 仿真過(guò)程示意圖

3.5 飼料與環(huán)境間接觸參數(shù)確定

1) 靜摩擦系數(shù)確定。本文根據(jù)斜面法的試驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的斜面儀器，通過(guò)平面滑移試驗(yàn)測(cè)定飼料顆粒與螺旋輸送機(jī)構(gòu)所用材料之間的靜摩擦系數(shù)。在試驗(yàn)中為防止飼料顆粒滾動(dòng)，降低測(cè)量結(jié)果的誤差，將3顆飼料顆粒粘連在一起，初始時(shí)刻將其放于水平的樹脂材料斜面上，緩慢增大斜面傾角，當(dāng)飼料顆粒開始滑移時(shí)停止增大，用電子量角器測(cè)量并記錄此時(shí)斜面傾斜角度。重復(fù)試驗(yàn)并計(jì)算其平均值，得到使飼料顆粒開始滑移的斜面傾斜角度的試驗(yàn)值θ1=28.64°。

根據(jù)物料靜摩擦因素與靜摩擦角的數(shù)值關(guān)系式μ=tanθ1，得到飼料顆粒與螺旋輸送機(jī)構(gòu)材料之間的靜摩擦系數(shù)μ=0.546。

2) 滾動(dòng)摩擦系數(shù)的確定。根據(jù)能量守恒原理，顆粒在固定的高度從固定傾角的斜面滾下時(shí)，在水平面上的滾動(dòng)位移取決于顆粒與平面之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，本文采用斜面滾動(dòng)試驗(yàn)來(lái)標(biāo)定飼料顆粒與樹脂材料之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)。

將飼料顆粒放置于傾斜角α=30°的樹脂材料斜面上，使其從垂直高度h=150 mm的位置以零初速度沿斜面向下滾動(dòng)，飼料顆粒最終靜止在樹脂材料水平面上。測(cè)量飼料顆粒的水平滾動(dòng)距離，重復(fù)試驗(yàn)計(jì)算其平均值，得到飼料顆粒的水平滾動(dòng)距離的試驗(yàn)值s=208.43 mm。

建立斜面滾動(dòng)試驗(yàn)的等效模型，使用EDEM進(jìn)行模擬仿真標(biāo)定滾動(dòng)摩擦系數(shù)。由于在進(jìn)行該試驗(yàn)時(shí)是測(cè)量單顆飼料顆粒的水平滾動(dòng)距離，所以飼料顆粒與顆粒之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)和滾動(dòng)摩擦系數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響；又因?yàn)轱暳项w粒是靜止無(wú)初速度放置在斜面上且只有無(wú)滑動(dòng)的純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，故飼料顆粒與斜面之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)和靜摩擦系數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果也沒(méi)有影響。為了避免干擾，在EDEM仿真試驗(yàn)中，將上述參數(shù)均設(shè)置為0。

經(jīng)過(guò)預(yù)仿真試驗(yàn)，飼料顆粒與樹脂材料之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)λ的范圍是0.01～0.06，以0.01為步長(zhǎng)，進(jìn)行6組仿真試驗(yàn)，每組進(jìn)行5次試驗(yàn)并取平均值，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與結(jié)果如表3所示。

表3 滾動(dòng)摩擦系數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab. 3 Experimental design and results of rolling friction coefficient

擬合上述數(shù)據(jù)得到水平滾動(dòng)距離s和滾動(dòng)摩擦系數(shù)λ之間的關(guān)系式如式(2)所示。

s=-957.1λ2-918.5λ+246.9

(2)

經(jīng)計(jì)算得到該擬合的誤差平方和為R2=0.998 2，接近于1，表明擬合優(yōu)度較高。取水平滾動(dòng)距離s為208.43 mm，得到飼料顆粒與樹脂材料之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)為λ=0.040 2。

3) 碰撞恢復(fù)系數(shù)的確定。碰撞恢復(fù)系數(shù)是反映物體碰撞損失的重要參數(shù)[20]，已知碰撞恢復(fù)系數(shù)的計(jì)算公式如式(3)所示。

(3)

式中：v2——發(fā)生碰撞時(shí)樹脂材料的速度；

v20——碰撞后樹脂材料的速度；

v1——發(fā)生碰撞時(shí)飼料顆粒的速度；

v10——碰撞后飼料顆粒的速度；

v2-v1——發(fā)生碰撞后兩物體的分離速度；

v10-v20——發(fā)生碰撞前兩物體的接近速度。

(4)

設(shè)計(jì)碰撞彈跳試驗(yàn)來(lái)測(cè)量計(jì)算飼料顆粒與樹脂材料之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)。將飼料顆粒用鑷子提升到距樹脂材料平面高度為15 cm處，靜止無(wú)初速度釋放后，使用工業(yè)高速相機(jī)系統(tǒng)對(duì)下落過(guò)程和反彈過(guò)程進(jìn)行拍攝，并將飼料反彈至最高點(diǎn)的單幀畫面導(dǎo)出，根據(jù)比例尺測(cè)量計(jì)算并記錄數(shù)值。重復(fù)試驗(yàn)，取平均值，得到飼料顆粒碰撞后的最大反彈高度為23.4 mm，計(jì)算出碰撞恢復(fù)系數(shù)e=0.394。

4 飼料輸送過(guò)程仿真與分析

由于精準(zhǔn)化飼喂的實(shí)現(xiàn)主要依靠螺旋輸送機(jī)構(gòu)輸送物料時(shí)輸送量可控的特點(diǎn)，因此對(duì)種鵝精準(zhǔn)飼喂裝置飼料輸出模塊中采用的螺旋輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)選至關(guān)重要。

4.1 仿真試驗(yàn)組設(shè)計(jì)

根據(jù)精準(zhǔn)飼喂裝置實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)要求確定螺旋輸送機(jī)構(gòu)輸送管道和螺旋葉片的基本尺寸，分別控制輸送管道截面形狀、螺旋葉片類型、螺旋葉片螺距為單一變量，設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)組(表4)。

建立螺旋輸送機(jī)構(gòu)三維模型，根據(jù)上文中相關(guān)參數(shù)的標(biāo)定和測(cè)量結(jié)果在EDEM中設(shè)置仿真參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，通過(guò)飼料顆粒的質(zhì)量流速率、輸出速度和螺旋葉片的扭矩來(lái)分析不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的螺旋輸送機(jī)構(gòu)的傳輸效果。

圖6所示為不同截面形狀和螺旋葉片螺距的螺旋輸送機(jī)構(gòu)仿真過(guò)程示意圖，圖中箭頭方向表示飼料顆粒在輸送過(guò)程中的流向，箭頭的顏色表示飼料顆粒的速度大小。

表4 試驗(yàn)組設(shè)計(jì)Tab. 4 Design of experimental group

圖6 仿真過(guò)程示意圖

4.2 質(zhì)量流率分析

4.2.1 以截面形狀為變量

以輸送管道的截面形狀為研究變量，選取有螺旋軸且螺距為25 mm的螺旋葉片為例，通過(guò)仿真試驗(yàn)得到輸送管道截面形狀為圓形的螺旋輸送機(jī)構(gòu)在輸送飼料過(guò)程中的平均質(zhì)量流率為10.47 g/s，而輸送管道截面形狀為U形的螺旋輸送機(jī)構(gòu)在輸送飼料過(guò)程中的平均質(zhì)量流率為7.32 g/s。質(zhì)量流率隨仿真時(shí)間變化的曲線如圖7所示，從圖中可知在輸料過(guò)程中，輸送管道截面形狀為圓形時(shí)的飼料輸出質(zhì)量流率明顯大于輸送管道截面形狀為U形的螺旋輸送機(jī)構(gòu)。

圖7 不同截面形狀下的質(zhì)量流率

4.2.2 以螺旋葉片類型為變量

以螺旋葉片的類型為研究變量，選取圓形截面輸送管道，對(duì)于螺旋葉片螺距為25 mm的螺旋輸送機(jī)構(gòu)，通過(guò)仿真試驗(yàn)得到螺旋葉片類型為有軸的圓形截面螺旋輸送機(jī)構(gòu)在輸送飼料過(guò)程中的平均質(zhì)量流率為10.47 g/s，而螺旋葉片類型為無(wú)軸的圓形截面螺旋輸送機(jī)構(gòu)在輸送飼料過(guò)程中的平均質(zhì)量流率為7.35 g/s。質(zhì)量流率隨仿真時(shí)間變化的曲線如圖8所示，從圖8中可知螺旋葉片含有螺旋軸的螺旋輸送機(jī)構(gòu)在輸送飼料過(guò)程中的質(zhì)量流率要明顯大于螺旋葉片不含螺旋軸的螺旋輸送機(jī)構(gòu)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是位于無(wú)軸螺旋葉片空腔位置的較小飼料顆粒在輸送過(guò)程中得不到有效的、持續(xù)的推力作用，且由于飼料顆粒之間存在的運(yùn)動(dòng)阻力，導(dǎo)致部分飼料在輸送管道內(nèi)滯留的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；而有軸的螺旋葉片不僅能夠持續(xù)提供推力，還能有效減少輸送管道內(nèi)飼料顆粒的接觸和互相阻礙作用。

圖8 不同螺旋葉片類型下的質(zhì)量流率

4.2.3 以螺旋葉片螺距為變量

以螺旋葉片螺距為研究變量，選取U形截面輸送管道、螺旋葉片類型為有軸的螺旋輸送機(jī)構(gòu)為例，通過(guò)仿真試驗(yàn)得到螺旋軸螺距為20 mm的輸送機(jī)構(gòu)飼料輸出質(zhì)量流率的方差為20.67，而螺旋軸螺距為25 mm的輸送機(jī)構(gòu)飼料輸出質(zhì)量流率的方差為15.74。輸送過(guò)程中不同時(shí)刻的質(zhì)量流率的分布如圖9和圖10所示。

圖9 螺距為20 mm時(shí)的質(zhì)量流率分布

圖10 螺距為25 mm時(shí)的質(zhì)量流率分布

從圖9和圖10可知采用截面形狀為U形、螺旋軸類型為有軸的螺旋輸送機(jī)構(gòu)，在輸送飼料過(guò)程中，螺旋軸螺距為25 mm時(shí)飼料輸出的質(zhì)量流率更加符合正態(tài)分布，這說(shuō)明在控制其他變量相同情況下，螺旋軸螺距為25 mm的輸送機(jī)構(gòu)輸出飼料時(shí)質(zhì)量流率更穩(wěn)定，隨時(shí)間的脈動(dòng)性更小。

4.3 顆粒速度分析

飼料顆粒經(jīng)螺旋輸送機(jī)構(gòu)輸送到輸送管道出口后，可視為做以輸出口顆粒速度為初速度的平拋運(yùn)動(dòng)，為避免飼料顆粒落入飼料槽外，需要限制顆粒輸出速度，并根據(jù)顆粒速度設(shè)計(jì)合適的螺旋葉片轉(zhuǎn)速。根據(jù)種鵝精準(zhǔn)飼喂裝置實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，螺旋輸送機(jī)構(gòu)出口位于飼料槽上方5 cm處，且距離飼料槽最外側(cè)邊緣20 cm，使用平拋運(yùn)動(dòng)位移計(jì)算公式(5)，計(jì)算得出飼料顆粒從輸送管道飛出的速度要小于0.25 m/s。

(5)

圖11所示為顆粒速度仿真分析結(jié)果，從圖11中可知當(dāng)設(shè)置螺旋葉片的轉(zhuǎn)速為18.85 rad/s時(shí)，6個(gè)試驗(yàn)組對(duì)應(yīng)的飼料顆粒飛出速度能夠滿足上述條件，其中約90%的飼料顆粒飛出速度均集中0.15～0.2 m/s。

圖11 顆粒速度分析圖

4.4 螺旋葉片扭矩分析

在螺旋葉片的轉(zhuǎn)速相同情況下，螺旋輸送機(jī)構(gòu)輸送飼料顆粒所需的功率取決于螺旋葉片的扭矩，如式(6)所示。

P=T×ω

(6)

式中：P——功率；

T——螺旋葉片扭矩；

ω——螺旋葉片角速度。

螺旋葉片的在輸送過(guò)程中的扭矩越大，步進(jìn)電機(jī)需要提供的功率越大。分別以輸送管道的截面形狀、螺旋葉片的螺距和螺旋葉片的類型為研究變量，分析得到飼料顆粒輸送過(guò)程中扭矩與上述變量的關(guān)系圖(圖12～圖14)。

圖12 不同截面形狀下的扭矩分析

(a) U形截面

圖14 不同螺距下的扭矩分析

由圖12可知，圓形截面輸送管道的螺旋輸送機(jī)構(gòu)在輸送過(guò)程中，螺旋葉片的扭矩明顯大于U形截面輸送管道的螺旋輸送機(jī)構(gòu)，其中圓形截面輸送管道在輸送過(guò)程中的螺旋葉片平均扭矩為29.30 N·m，而U形截面輸送管道在輸送過(guò)程中的螺旋葉片平均扭矩為19.71 N·m。主要原因是U形輸送管道的容量更大，在輸送等量的飼料時(shí)，飼料顆粒的填充率(圖13)要小于圓形輸送管道。填充率大導(dǎo)致飼料顆粒之間、飼料顆粒與管道和螺旋葉片之間的碰撞擠壓頻率增加，因此需要更大的扭矩來(lái)維持螺旋葉片的轉(zhuǎn)速。

由圖14可知，螺距為25 mm的螺旋葉片在輸料過(guò)程中所需的扭矩為19.71 N·m，而螺距為20 mm的螺旋葉片在輸料過(guò)程中所需的扭矩為40.86 N·m。因?yàn)槁菥嘣叫?，螺旋葉片的圈數(shù)越密集，其占據(jù)的空間越大，在輸送管道長(zhǎng)度和截面尺寸一定的情況下，留給飼料顆粒的空間越小(圖15)，導(dǎo)致大量的飼料顆粒在有限的空間內(nèi)受到碰撞和擠壓作用，因此需要更大的扭矩來(lái)驅(qū)動(dòng)螺旋葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。

(a) 螺距20 mm

(b) 螺距25 mm

由圖16可知，在其他變量相同的情況下，無(wú)軸螺旋葉片和有軸螺旋葉片在輸料過(guò)程中所需的扭矩基本相同，分別為19.71 N·m和19.04 N·m，而包含螺旋軸的螺旋輸送機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高。對(duì)于無(wú)軸螺旋葉片，因?yàn)樗哂休^強(qiáng)的抗纏繞和防堵料特性，常用于有軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)不能或不宜輸送的粘附性較強(qiáng)的物料、糊狀粘稠物料以及易纏繞物料的輸送工況[21]。

4.5 飼喂裝置螺旋輸送機(jī)構(gòu)定型

種鵝精準(zhǔn)飼喂裝置精準(zhǔn)投料功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠螺旋輸送機(jī)構(gòu)在輸送顆粒物料時(shí)運(yùn)輸量可控的特點(diǎn)，由上文仿真分析已知：輸送管道截面形狀為U形、螺旋葉片螺距為25 mm、螺旋葉片類型為有螺旋軸的螺旋輸送機(jī)構(gòu)相比于其他結(jié)構(gòu)和型號(hào)的螺旋輸送機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)飼料顆粒質(zhì)量流率分布符合正態(tài)分布，且質(zhì)量流率更小，更有利于精準(zhǔn)投料的把控。(2)輸送同等質(zhì)量的飼料時(shí)螺旋葉片所需的扭矩更小，在相同螺旋葉片轉(zhuǎn)速下，步進(jìn)電機(jī)的消耗功率更小，有利于減少能耗。(3)在輸送過(guò)程中飼料顆粒的填充率更小，能夠有效降低飼料顆粒之間、飼料顆粒與輸送管道、螺旋葉片之間的碰撞頻率和擠壓程度，有利于減少飼料顆粒在輸送過(guò)程中的破碎情況和提高裝置的使用壽命。

圖16 不同螺旋葉片類型下的扭矩分析

5 結(jié)論

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外種鵝優(yōu)質(zhì)品種品系選育產(chǎn)業(yè)存在的問(wèn)題設(shè)計(jì)了種鵝精準(zhǔn)飼喂裝置，在解決飼喂不均衡和飼料浪費(fèi)等問(wèn)題的同時(shí)，為種鵝飼喂過(guò)程中飼料轉(zhuǎn)化率的精細(xì)化研究提供了可能性。

基于DEM仿真技術(shù)對(duì)精準(zhǔn)飼喂裝置飼料輸送過(guò)程進(jìn)行仿真分析，綜合飼料顆粒質(zhì)量流率、飛出輸送管道的速度以及螺旋葉片扭矩等因素，對(duì)螺旋輸送機(jī)構(gòu)的輸送管道截面形狀、螺旋葉片的類型和螺距進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，達(dá)到降低能耗、提高輸送效率、減少飼料破損率、增加裝置使用壽命的目的。研究結(jié)果表明：在精準(zhǔn)飼喂裝置中，針對(duì)柱狀種鵝飼料(大飼料顆粒為長(zhǎng)9.8 mm，截面直徑3.5 mm的圓柱體；中等飼料顆粒為長(zhǎng)5.3 mm，截面直徑3.5 mm的圓柱體；小飼料顆粒為長(zhǎng)2.8 mm，截面直徑3.5 mm的圓柱體；飼料粉末為直徑小于0.25 mm的圓球，且上述四種大小顆粒的體積均服從正態(tài)分布)，采用輸送管道截面形狀為U形、螺旋葉片螺距為25 mm、螺旋葉片類型為有螺旋軸的螺旋輸送機(jī)構(gòu)時(shí)，飼料顆粒輸出的平均質(zhì)量流率為7.32 g/s，螺旋葉片收到的平均扭矩為19.04 N·m，約90%的飼料顆粒飛出速度均集中0.15～0.2 m/s，相比于其他結(jié)構(gòu)形式的輸送機(jī)構(gòu)具有輸送精度高、飼料破損率低、輸送扭矩小等優(yōu)勢(shì)。