三维运动混合机及在饲料加工中的应用

■王进红 王忠文 刘定炜 罗 斌 周玉姣

（江西省农业机械研究所，江西南昌 330044）

混合是饲料添加剂生产的关键工序之一，混合均匀度是反映加工质量的重要指标，是加工工艺中的重要检测项目。随着我国饲料工业的发展，生产企业越来越重视产品的质量和企业的生产效率，加大投入引进先进的生产工艺和设备[1]。添加剂混合设备从锥形混合机到腰鼓形混合机到V形混合机，产品质量得到不断的提高，对强化基础饲料营养价值，提高动物生产性能，保证动物健康，节省饲料成本，改善畜产品品质等方面有明显的效果。文中通过Pro/E仿真技术分析三维运动混合机的运动特性及与V形混合机的对比实验，表明三维运动混合机利用空间特殊的六杆机构学中的“三度摆动原理”，实现了三维空间运动方式，使混合运动成为平移、转动和翻转三种运动的叠加，使混合时间大大缩短，均匀度大幅提高，且不受混合时间的影响，是一种高效率、高精度的混合设备，适合于饲料添加剂的生产，对我国饲料工业的发展具有促进作用。

1 三维运动混合机的结构和混合原理

三维运动混合机结构简图如图1所示。由传动机构和空间六杆机构组成：机架、主动轴、主动拨叉、料筒、从动拨叉、从动轴。主动轴与从动轴互相平行，其与相邻转动副的轴线则相互正交，当主动轴以等速回转时，从动轴则变速反方向旋转，从而使筒体同时具有平移、自旋和翻转运动，以迫使筒体内的物料受到连续的交替脉动作用而产生沿简体环向、径向和轴向的三向流转，使被混物料交替地处于凝聚和扩散运动中，达到高效的混合效果。

2 三维运动混合机的仿真分析

2.1 Pro/E机构模型

运用Pro/E建立三维运动混合机（容积200 L）空间六杆机构的运动仿真模型如图2。机构的Pro/E模型连接特征如表1。料筒三维运动模拟如图3。

图1 三维混合机结构

表1 Pro/E模型连接特征

图2 三维运动混合机运动仿真模型

图3 料筒三维运动模拟

2.2 运动仿真分析

进入Pro/E软件的应用程序中的机构分析，为了研究料筒的运动，在料筒几何中心线上取对称a（被动端）、b（主动端）点作为分析点，设置主动轴的转速为16 r/min，则主动轴旋转周期为3.5 s。

分析测量a、b点在X、Y、Z方向的位移如图4。从图4可看出a、b点均作空间三维运动，在X、Y轴上位移的方向相反，Z轴方向相同，Y轴的位移最大，X轴位移最小。主动轴旋转一周，料筒作二次周期运动。分析测量a、b点在X、Y、Z方向的速度如图5。从图5可看出，a、b点始终作变速运动，且运动方向相反。分析a、b点的位移和速度可知筒体的几何中心线在三维空间周期性地变速改变其位置，而筒体在空间的任何位置上始终绕其回转中心线周期性变速旋转。正是由于三维运动混合机结构具有这种复杂的空间运动特性，致使容器中的物料在混合中抛落颠倒、平移翻转和交替脉动，在三维空间进行对流、扩散，使物料在无离心力下进行混合，解决了物料比重差异形成的偏析和积聚湍流等现象，因此它的效率和混合质量比其他回转型混合机都要高[2]。

图4 a、b点在X、Y、Z方向的位移

图5 a、b点在X、Y、Z方向的速度

3 三维运动混合机与V形混合机的对比实验

3.1 混合对比实验一[3-4]

实验装置为三维混合机XPDl（容积0.96 L）、XPD2（容积50 L）与V型混合机（50 L）。

第一组被混合物料为α-Al203和NaCl。其重量比为α-Al203含量95%，NaCl含量5%。

混合物粒度：α-A1203为9 μm，NaCl为200目标准筛下。混合物料堆比重：α-Al203为1.16 g/cm3，NaCl为0.54 g/cm3。分析方法采用原子吸收光谱法。

第二组被混物料为高纯度低钠Al203和小米，其重量比为Al203含量95%，小米含量5%。混合物料堆比重：Al203为 1.169 g/cm3，小米为 0.849 g/cm3。分析方法为物理方法。

实验结果见表2。三维运动混合机在装填系数为72%和12.5%的情况下均能在较短的时间内达到较高的混合均匀度。而且随着时间的增加，其混合均匀度越好，不会出现离析的现象，对于比重、比例和粒径相差较大的物料，也可迅速达到混合均匀状态,而对于V形混合机，达到理想混合状态时间较长，而且随着时间的增长，混合状态不稳定，出现明显的离析状态，混合时间点难以掌握[5]。

表2 对比实验一，混合均匀度（%）

3.2 混合对比实验二[6]

实验装置为三维运动混合机（1 L）、V形混合机（0.8 L），实验采用食盐和硅粉作为实验物料,混合物粒度：食盐约为0.62 mm,硅粉为0.25 mm。运用质量组成法分析，混合机的混合变异系数ν与时间的关系如图6。

图6 变异系数ν与时间的关系

从图6可看出，三维运动混合机的ν随时间的减少较快，随着时间的延长趋于稳定。V形混合机ν随时间的减少较三维混合机慢得多。

3.3 混合对比实验三

实验装置为三维运动混合机（50 L）、V形混合机(100 L)。实验采用甲基紫示踪法。按GB/T 5918-2008规定进行。分析纯(Q/YSQN51-91)经研磨,全部通过150目标准铜丝网筛。物料为玉米粉(2 mm筛孔)。

实验结果见表3，数据表明三维运动混合机用玉米粉作混合物实验结果与前面实验有相同的结论，三维运动混合机依然具有高效稳定的特性，同时，由于料筒形状简单、外形流畅，物料残留率比其它混合机要低，清理也方便，能较好的满足饲料添加剂的生产要求。

表3 对比试验三，混合均匀度（%）

4 结语

①三维运动混合机具有复杂的空间运动特性，物料在三维空间进行对流、扩散，在无离心力下进行混合，解决了物料比重差异形成的偏析和积聚湍流等现象，混合均匀度可达97%以上。

② 三维运动混合机装填系数范围大（10%～80%），残留量小、混合时间短。混合时间延长能保持较高的混合均匀精度。因此，三维运动混合机是一种高效、高精度的混合设备，极其适合饲料添加剂的生产，具有广泛的应用前景。