摘要： 【目的】推料機(jī)的推料效果是牧場(chǎng)推料機(jī)器人性能的一個(gè)重要指標(biāo)，為得出皮帶式推料機(jī)器人最佳作業(yè)參數(shù)，研究推料機(jī)器人作業(yè)參數(shù)對(duì)推送率和推送效率的影響，本文基于EDEM 軟件對(duì)推料機(jī)器人推料過(guò)程進(jìn)行模擬仿真分析?！痉椒ā炕陔x散元法，通過(guò)試驗(yàn)與仿真標(biāo)定得出TMR 飼料間、飼料與接觸裝置間的接觸參數(shù)；運(yùn)用EDEM 軟件建立3 種離散單元物料顆粒的Hertz-Mindlin 接觸模型，以皮帶式推料機(jī)裝置的推料角度、皮帶速度、前進(jìn)速度作為試驗(yàn)因素，以推送率和推送效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用三因素三水平的正交試驗(yàn)方法進(jìn)行推料仿真試驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。以推料機(jī)的推送率和推料效率最大為目標(biāo)值，通過(guò)響應(yīng)面進(jìn)行優(yōu)化求解?！窘Y(jié)果】仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：本文推料機(jī)理論最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為推料角度30°、皮帶速度2.99 m/s、前進(jìn)速度0.83 m/s 時(shí)，推送率為94.6%，推送效率為724.5 kg/min。對(duì)于推送率而言，皮帶速度和前進(jìn)速度對(duì)其影響極顯著（Plt;0.01），推料角度的影響顯著（Plt;0.05）；對(duì)于推送效率而言，皮帶速度和前進(jìn)速度對(duì)其影響極顯著（Plt;0.01），推料角度對(duì)其影響不明顯（Pgt;0.05）?！窘Y(jié)論】本研究驗(yàn)證了推料機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性，為自動(dòng)推料機(jī)器人推料作業(yè)參數(shù)組合提供了參考。

關(guān)鍵詞： 皮帶式推料機(jī)；TMR 飼料；仿真分析；推送率；推送效率

中圖分類(lèi)號(hào)： S817.3；TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1001-411X（2024）05-0685-09

奶牛養(yǎng)殖業(yè)在畜牧業(yè)發(fā)展中具有極其重要的地位[1]。集成化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖已成為保證奶牛進(jìn)食量、提高牛奶產(chǎn)量及保障乳制品品質(zhì)的必然選擇[2]。對(duì)于奶牛飼養(yǎng)，自由采食能提高飼料攝入量和牛奶產(chǎn)量，但奶牛進(jìn)食時(shí)易將飼料拱出飼喂區(qū)，造成飼料的分散，不利于奶牛的進(jìn)食。這樣不僅浪費(fèi)飼料，最重要的是影響奶牛的營(yíng)養(yǎng)攝入量，最終影響產(chǎn)奶量和產(chǎn)奶質(zhì)量[3-4]。目前，國(guó)外很多牛場(chǎng)采用以Lely、Valmetal 公司的PRO-FEED 為代表的推料機(jī)器人，Lely 推料機(jī)器人[5] 通過(guò)旋轉(zhuǎn)的圓柱形外殼將飼料推回到欄桿下，PRO-FEED 推料機(jī)器人[6] 是螺旋式結(jié)構(gòu)，通過(guò)滾動(dòng)的螺旋式葉片將飼料推回到欄桿下。這兩種機(jī)器人在推進(jìn)過(guò)程中能對(duì)飼料進(jìn)行一定的攪拌，推料效果較好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大?，F(xiàn)如今國(guó)內(nèi)牛場(chǎng)養(yǎng)殖的推料方式有三種，一是人工掃料，二是人工駕駛的刮板式推料車(chē)，三是自走式推料機(jī)器人[7]。3 種推料工作中，傳統(tǒng)的人工掃料方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，需要投入大量的人力[8]。張勤等[9] 研發(fā)的基于信息融合的智能推料機(jī)器人是采用刮板的推料方式，雖然刮板式推料車(chē)刮板小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作，但推料效果一般，且在縱向方向上有推料現(xiàn)象，影響奶牛采食?，F(xiàn)有的自旋式推料機(jī)器人[5] 推料效果較好，沒(méi)有漏料情況，但推料效率較低；螺旋式推料機(jī)器人推料效率較高，但推料效果不好，有漏料現(xiàn)象。

對(duì)于皮帶式推料機(jī)，具有代表性的是德國(guó)RMH-futterschieber 皮帶式推料機(jī)，針對(duì)含水率高、撒料量和撒料面積大的青飼料的推料效果較好。因此，本文對(duì)皮帶式推料機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其推料過(guò)程進(jìn)行仿真試驗(yàn)，為自動(dòng)推料機(jī)實(shí)際推料作業(yè)參數(shù)提供參考。該研究利用離散元軟件EDEM 創(chuàng)建顆粒實(shí)體的參數(shù)化模型，此外，將材料力學(xué)特性和其他物理特性添加到EDEM 中，形成顆粒模型和力學(xué)分析過(guò)程；基于Design-Expert 軟件進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，運(yùn)用EDEM 在不同試驗(yàn)條件下對(duì)皮帶式推料機(jī)進(jìn)行虛擬試驗(yàn)仿真和分析，探究推料機(jī)推料過(guò)程中物料顆粒群的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析推料機(jī)不同推料角度、皮帶速度、前進(jìn)速度3 個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)推送率和推送效率的影響，以期為尋求推料機(jī)推料最優(yōu)參數(shù)組合提供一定的指導(dǎo)。

1 推料機(jī)器人結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

可變角度皮帶式推料機(jī)器人主要由大容量鋰電池、機(jī)器人主體部分、控制系統(tǒng)、精料拋撒裝置、TMR 攪拌撒料裝置、激光雷達(dá)、RGB 相機(jī)和IMU以及皮帶式推料機(jī)組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

工作時(shí)，首先，推料機(jī)器人融合RGB 和雷達(dá)信息智能識(shí)別牛舍飼料帶，控制機(jī)器人沿著飼料帶自主行走；其次，根據(jù)飼料帶是否存在飼料，機(jī)器人控制推料電機(jī)帶動(dòng)推料皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶上的推板將草料推回飼料帶，從而完成推料作業(yè)。

1.2 皮帶式推料機(jī)結(jié)構(gòu)

皮帶式推料機(jī)采用的是立式結(jié)構(gòu)，外形尺寸長(zhǎng)×寬×高為1 000 mm × 460 mm × 550 mm。如圖2所示，皮帶式推料機(jī)主要由1 個(gè)伺服電機(jī)、2 個(gè)滾筒、軟質(zhì)PVC 帶、推料機(jī)支撐架和可變角度連接架組成。

其中，滾筒的尺寸直接影響其與皮帶的接觸面積與摩擦力，這將影響皮帶推料效率。滾筒的直徑越大，皮帶與滾筒的接觸面積越大，兩者之間的摩擦力越大，皮帶運(yùn)動(dòng)越穩(wěn)定。然而，滾筒直徑過(guò)大會(huì)導(dǎo)致設(shè)備整機(jī)尺寸增大，增大能量消耗。因此，本設(shè)計(jì)選用的滾筒直徑為155 mm、高度為450 mm、材質(zhì)為碳鋼、壁厚為2.5 mm，滾筒表面采用車(chē)床粗加工，以增加表面的摩擦力，滿足推料作業(yè)的實(shí)際需求，三維模型如圖3 所示。

2 TMR 飼料特性參數(shù)測(cè)量與接觸參數(shù)仿真標(biāo)定

2.1 試驗(yàn)材料

TMR 飼料于2024 年4 月取自山東省泰安市岱岳區(qū)滿莊鎮(zhèn)泥溝村的金蘭奶牛養(yǎng)殖牧場(chǎng)，分別在撒料1、2、3 h 后進(jìn)行取料，含水率（w） 為55%～70%。

2.2 飼料特性參數(shù)測(cè)量

2.2.1 TMR 飼料休止角測(cè)量

利用TMR 飼料休止角對(duì)飼料間的恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行仿真標(biāo)定試驗(yàn)，間接得出飼料間的恢復(fù)系數(shù)。采用排出法對(duì)TMR 飼料的休止角進(jìn)行測(cè)定，如圖4 所示。將一定量的飼料裝入無(wú)底圓筒中，向上提升圓筒使飼料緩慢排出，待料堆穩(wěn)定后，測(cè)量料堆豎直高度（h） 與底面直徑（d） 的尺寸大小，通過(guò)公式（1） 計(jì)算其休止角[10]，試驗(yàn)重復(fù)3 次取平均值，測(cè)得休止角為45°～47°，平均46.75°。為降低摩擦因數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，圓筒材質(zhì)選用鋼制。

休止角計(jì)算公式：

2.2.2 滑動(dòng)摩擦角測(cè)量

通過(guò)飼料與皮帶、飼料與地面間的滑動(dòng)摩擦角，可以仿真標(biāo)定飼料與皮帶、飼料與瓷磚地面間的恢復(fù)系數(shù)。飼料滑動(dòng)摩擦角測(cè)量所用儀器為斜面儀，摩擦面材料為PVC 皮帶和瓷磚。將所取飼料樣本放置在水平摩擦面上，緩慢勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，使摩擦面一端緩慢上升，避免振動(dòng)。如圖5 所示，當(dāng)飼料試樣開(kāi)始向下滑動(dòng)時(shí)，記錄此時(shí)的摩擦面傾角，即為飼料滑動(dòng)摩擦角（θ）。測(cè)得飼料與皮帶間的滑動(dòng)摩擦角平均值為37°，飼料與瓷磚間的滑動(dòng)摩擦角平均值為42°。

2.2.3 摩擦系數(shù)測(cè)定

使用MXD-2 型摩擦因數(shù)試驗(yàn)儀，測(cè)定飼料之間、飼料與皮帶之間以及飼料與瓷磚地面之間的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)，如圖6 所示。測(cè)定飼料之間的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)時(shí)，將飼料用膠水平整均勻地固定在水平試驗(yàn)臺(tái)上，并在試驗(yàn)儀滑塊底面也均勻粘固一層飼料，使2 個(gè)面上的飼料平整接觸，啟動(dòng)試驗(yàn)儀后2 個(gè)接觸面上的飼料產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，滑塊產(chǎn)生一定距離的相對(duì)移動(dòng)后，儀器根據(jù)摩擦力的大小自動(dòng)計(jì)算摩擦系數(shù)。試驗(yàn)重復(fù)5 次取平均值，結(jié)果如表1 所示。

2.3 TMR 飼料接觸參數(shù)仿真標(biāo)定

采用試驗(yàn)測(cè)試與離散元仿真相結(jié)合的方法對(duì)飼料進(jìn)行仿真參數(shù)標(biāo)定及優(yōu)化。試驗(yàn)時(shí)，以實(shí)測(cè)的休止角、滑動(dòng)摩擦角為響應(yīng)值設(shè)計(jì)中心組合試驗(yàn)方案，利用Design-Expert 軟件分析各因素的編碼值和數(shù)據(jù)，對(duì)各項(xiàng)進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，分析仿真參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響，確定飼料EDEM 的最優(yōu)參數(shù)。TMR 飼料仿真離散元模型建立方法如下。

1）TMR 飼料模型。由作物秸稈、球形米粒和青貯塊組成奶牛飼料，并進(jìn)行仿真建模。采用理想球形顆粒組合法對(duì)實(shí)際物料進(jìn)行替代。對(duì)混合物料幾何尺寸進(jìn)行實(shí)測(cè)并取平均值[11]，3 種球形填充物料顆粒的直徑分別設(shè)為12、10 和8 mm。物料離散元模型如圖7a～7c 所示。

2） 接觸模型。利用EDEM 軟件對(duì)推料作業(yè)進(jìn)行仿真。由于不考慮傳熱及磨損等問(wèn)題，選用HertzMindlin（no slip） 模型作為離散元仿真中飼料顆粒與皮帶的接觸模型[12]。

3） 碰撞恢復(fù)系數(shù)仿真標(biāo)定試驗(yàn)。利用EDEM離散元參數(shù)標(biāo)定對(duì)飼料堆積過(guò)程進(jìn)行仿真，如圖8 所示；對(duì)飼料滑動(dòng)摩擦角測(cè)定過(guò)程進(jìn)行仿真，如圖9 所示。通過(guò)優(yōu)化碰撞恢復(fù)系數(shù)，使飼料仿真堆積過(guò)程的休止角與實(shí)際休止角一致，以及飼料仿真過(guò)程的滑動(dòng)摩擦角與實(shí)際滑動(dòng)摩擦角一致，從而預(yù)測(cè)碰撞恢復(fù)系數(shù)，為推料仿真分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[13]。

4） 仿真參數(shù)。TMR 飼料模型參數(shù)包括材料參數(shù)和接觸參數(shù)。其中，材料參數(shù)包括TMR 飼料、皮帶、地面的密度、泊松比、剪切模量等[5， 10， 14-15]，具體數(shù)值如表2 所示。

通過(guò)以上測(cè)量試驗(yàn)、仿真測(cè)定及查閱相關(guān)文獻(xiàn)，得到飼料與飼料之間、飼料與推料皮帶裝置之間、飼料與瓷磚地面之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)均為0.30。

3 EDEM 推料仿真試驗(yàn)

3.1 EDEM 推料仿真模型及參數(shù)設(shè)置

為便于推料仿真的計(jì)算，本研究去除了與物料運(yùn)動(dòng)無(wú)接觸關(guān)系的部件。推料機(jī)的皮帶與飼料直接接觸，其材質(zhì)為軟質(zhì)PVC 材料，將其導(dǎo)入EDEM中，如圖10 所示。

根據(jù)表1、2 和標(biāo)定的碰撞恢復(fù)系數(shù)設(shè)置仿真參數(shù)，通過(guò)動(dòng)態(tài)生成的方式在顆粒工廠中生成物料顆粒，設(shè)定顆?？傎|(zhì)量為180 kg，作物秸稈、球形米粒、青貯塊的質(zhì)量比為35∶10∶55。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[14] 可知，推送率隨著飼料含水率的增加而增大。本研究推料機(jī)皮帶速度、推料角度以及前進(jìn)速度的定義圖如圖11 所示。

在推料機(jī)構(gòu)作用下，飼料顆粒間相互作用，飼料顆粒沿著皮帶表面速度方向運(yùn)動(dòng)。如圖12 所示，當(dāng)推料角度為0°時(shí)，飼料運(yùn)動(dòng)軌跡垂直運(yùn)動(dòng)方向，若運(yùn)動(dòng)速度增大會(huì)將未及時(shí)推送到飼喂區(qū)的飼料向斜前方推送，出現(xiàn)飼料分布不均勻現(xiàn)象；隨著推送角度增大，飼料運(yùn)動(dòng)軌跡開(kāi)始向斜后方運(yùn)動(dòng)，在一定前進(jìn)速度下，飼料可以更好地被推到原位置；但當(dāng)推料角度超過(guò)30°時(shí)，會(huì)出現(xiàn)將已推過(guò)去的飼料帶到皮帶后面的現(xiàn)象。

選取推送率（Y1） 和推送效率（Y2） 作為推料效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算方式如公式（2） 和（3）。設(shè)置圖13中陰影區(qū)域的顆粒質(zhì)量為150 kg，仿真完成后對(duì)未被推到撒料帶的飼料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

式中，m：推送前陰影區(qū)域飼料的質(zhì)量，kg； ：推送后未推到撒料帶飼料的質(zhì)量，kg；t：推料時(shí)間，min。

3.2 推料試驗(yàn)仿真分析

以推料機(jī)推料角度（x1）、皮帶速度（x2） 和前進(jìn)速度（x3） 為研究因素，設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)表，如表3所示。

以各因素編碼值x1、x2、x3 為自變量， Y1 和Y2 為目標(biāo)值，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表4 所示。

對(duì)各因素與推送率和推送效率的關(guān)系進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表5、6 所示。依據(jù)表5，利用響應(yīng)面法建立推送率與試驗(yàn)因素編碼值的關(guān)系模型為

Y1=94.140 0+0.600 0x1+1.750.0 x2?2.100 0x3?0.125 0x1x2?0.125 0x1x3+0.325 0x2x3?0.057 5x12?0.157 5x22?0.408 0x32。

由表5 可知，推送率與試驗(yàn)因素編碼值之間的關(guān)系是極顯著的（Plt;0.01），失擬項(xiàng)影響不顯著（Pgt;0.05），表示模型合理。其中x1 對(duì)推料率影響顯著，x2 和x3 對(duì)推送率影響極顯著，其余各項(xiàng)都影響不顯著。從單因素分析來(lái)看，各因素對(duì)推送率的影響由大到小為x3gt;x2gt;x1。從各因素交互作用來(lái)看，交互作用項(xiàng)對(duì)推送率的影響由大到小為x2x3gt;x1x3gt;x1x2。

各因素的交互作用對(duì)推送率的響應(yīng)面如圖14。當(dāng)推料角度在中間水平時(shí)，推送率隨皮帶速度增加而增大；當(dāng)皮帶速度在中間水平時(shí)，推送率隨推料角度增加而增大。當(dāng)推料角度在中間水平時(shí)，推送率隨前進(jìn)速度增加而明顯降低；當(dāng)前進(jìn)速度在中間水平時(shí)，推送率隨推送角度增加而增加。當(dāng)前進(jìn)速度在中間水平時(shí)，推送率隨皮帶速度增加而明顯增高。

依據(jù)表6，利用響應(yīng)面法建立推送效率與試驗(yàn)因素編碼值之間的關(guān)系模型為

Y2=564.840+3.410x1+10.010x2+268.280x3?0.750x1x2?0.075x1x3+3.380x2x3+0.630x12?1.920x22?8.740x32。

由表6 可知，推送效率與試驗(yàn)因素編碼值之間的關(guān)系是極顯著的（Plt;0.01），失擬項(xiàng)影響不顯著（Pgt;0.05）；這表明模型合理，可以用來(lái)預(yù)測(cè)推料機(jī)推送效率。其中，x2、x3 和x32 對(duì)推料機(jī)推送效率影響極顯著，其余各項(xiàng)均不顯著。從單因素分析來(lái)看，各因素對(duì)推送效率的影響由大到小為x 3 gt; x 2 gt;x1。從各因素交互作用來(lái)看，交互作用項(xiàng)對(duì)推送效率的影響由大到小為x2x3gt;x1x2gt;x1x3。

各因素的交互作用對(duì)推送效率的響應(yīng)面如圖15。推料角度和皮帶速度對(duì)推料效率的影響不明顯。當(dāng)推料角度和皮帶速度分別在中間水平時(shí)，推料效率都會(huì)隨著前進(jìn)速度增加而明顯增高。

以推料機(jī)的推送率和推料效率最大為目標(biāo)值，通過(guò)響應(yīng)面法進(jìn)行優(yōu)化求解，得到推料機(jī)理論最優(yōu)作業(yè)參數(shù)水平組合：推料角度30°、皮帶速度2.99 m/s、前進(jìn)速度0.83 m/s。在此作業(yè)參數(shù)下，推送率和推送效率分別為94.6%、724.5 kg/min。

4 樣機(jī)的推料試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

如圖16 所示，在泰安市金蘭奶牛場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，選取推料機(jī)理論最優(yōu)作業(yè)參數(shù)水平組合和仿真結(jié)果較好的2 組試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。每次推料前對(duì)圖13 陰影區(qū)域TMR 飼料的質(zhì)量進(jìn)行記錄，推料作業(yè)完成后收集未推到撒料區(qū)的TMR 飼料并稱(chēng)質(zhì)量，推料過(guò)程中TMR 飼料水分損失忽略不計(jì)，每組試驗(yàn)重復(fù)3 次。選取推送率和推送效率作為推料效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，將結(jié)果與EDEM 仿真試驗(yàn)結(jié)果做對(duì)比，測(cè)試皮帶式推料機(jī)器人在真實(shí)工作情況下的推料效果。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用TMR 飼料進(jìn)行試驗(yàn)，推料機(jī)器人3 次推料試驗(yàn)推送率為91%～96%，推送效率為720～820kg/min。當(dāng)推料前進(jìn)速度為1.5 m/s 時(shí)，機(jī)器人推料效率最高；但是當(dāng)皮帶速度低于2 m/s 時(shí)，皮帶無(wú)法及時(shí)完成推料作業(yè)，導(dǎo)致大量飼料堆積在皮帶前方。當(dāng)推料機(jī)器人推送到位的飼料較少，剩余飼料會(huì)導(dǎo)致飼料流反向運(yùn)動(dòng)，造成飼料分布不均勻。前進(jìn)速度和皮帶速度一定時(shí)，當(dāng)推料角度為0°時(shí)，飼料運(yùn)動(dòng)軌跡是斜前方，當(dāng)推送角度逐漸增大時(shí)，飼料運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸向斜后方運(yùn)動(dòng)，但是推送角度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)將已推過(guò)去的飼料帶到皮帶后面的現(xiàn)象，即漏料現(xiàn)象。當(dāng)皮帶速度為3 m/s 時(shí)，無(wú)論推料機(jī)器人的前進(jìn)速度是高速還是低速，在3 個(gè)工作角度下的推料效果都是良好的；在皮帶高速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，皮帶通過(guò)摩擦力和皮帶表面凸起將飼料從一側(cè)帶動(dòng)到另一側(cè)，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的皮帶能快速地將飼料推送到指定位置，從而驗(yàn)證了本文的推料機(jī)推料效果可以滿足牧場(chǎng)需求。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了推料機(jī)結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)的合理性。

5 結(jié)論

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)采用螺旋式推料機(jī)器人對(duì)含水率高、撒料量多的TMR 飼料推料效果不好等問(wèn)題，研制了一種皮帶式推料機(jī)，采用旋轉(zhuǎn)的皮帶將飼料推回到奶牛采食區(qū)域。皮帶式推料機(jī)試驗(yàn)表明，推送效率達(dá)到牧場(chǎng)的要求，仿真模擬結(jié)果為皮帶式推料機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析和參數(shù)優(yōu)化提供了參考。

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【責(zé)任編輯 李慶玲】

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（32072786）