基于离散元的自走式家禽饲料喂料机设计及仿真

孟庆军， 邱俊柱

(东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

目前我国是家禽养殖大国，已连续21年成为禽蛋产量最多的国家，伴随着肉鸡产业的发展，中国已成为继美国之后世界第二大鸡肉生产国。我国养殖企业对家禽添加饲料方式多种多样，资金雄厚的企业都选用自动化养殖设备，但很多喂料设备都是大型设备[1]，价格昂贵、维修养护费用高昂、灵活性差等不符合家庭式养殖模式。因此，设计一款针对于中小规模的家庭式养殖企业的喂料机具有十分重要的意义。

目前我国家禽喂料方式属于多种方法并存的情况，添加饲料的方式分为人工添加和喂料机添加。我国的喂料机种类主要有手推喂料车、漏斗式喂料设备、播种式喂料机、行车式喂料机等[2]。然而，以某设备厂家行车式喂料机为例，行车喂料机高大，需有足够高的养殖建筑，增加笼架间的过道宽度，从而减少等面积内家禽的饲养数量；此外缺乏理论设计依据及实际场地试验过程，缺少饲养家禽数量多少、家禽的成长期等因素试验分析，我国现有喂料机出现了功率浪费大[3-4]，过多浪费电能，不能及时调整饲料输出流量，导致饲料堆积形成添加饲料不均匀的现象[5]。因此目前适合于中小规模的喂料机都存一些缺点，不符合家庭式养殖模式的养殖要求，与小规模养殖企业资金情况和养殖环境等条件不匹配。

为解决中小规模家庭式养殖模式的喂料问题，实现在多层笼架添加饲料，本文详细介绍了自走式喂料机的结构组成和填充饲料的工作原理；对其螺旋排料机构参数设定后计算其理论排料量；最后利用模拟仿真软件对进料口开口高度和前行过程的排料量进行实验验证，满足自走式家禽喂料机设计要求。

1 自走式家禽喂料机组成及工作原理

1.1 整机结构组成

自走式家禽喂料机主要包括：驱动装置、传动装置、自走装置、排料装置、料斗、整体机架和控制部分等。驱动装置主要由伺服电动机和蓄电池组成；传动装置包括减速器、链条、齿形带、锥齿轮、传动轴、链轮和带轮等；自走装置由主动轮、轮轴、万向从动轮、辅助轮和刹车系统等；排料装置包括：螺旋挤出轴、料筒、料筒安装架、进料口调节挡板。整机结构如图1所示。

图1 喂料整机结构1.驱动电机；2.蓄电池；3.驱动链条；4.传动齿形带；5.主动轮；6.从动轮；7.辅助轮；8.刹车系统；9.螺旋挤出轴；10.料筒；11.料斗；12.调节挡板；13.控制器；14.出料口；15.整体机架

1.2 自走式喂料机工作原理

家禽饲料由粉碎搅拌机放入自走式喂料机料斗内，饲养员关闭排料装置进料口阀门，在进入禽舍后调整好排料口与料槽的位置；打开进料口阀门，启动喂料机驱动电机输出轴转换后带动皮带轮依次带动排料机构底部的第二皮带轮，第二皮带轮与排料机构的螺旋搅笼轴相固定，因此通过第二皮带轮驱动螺旋挤出轴转动，料斗内的饲料在重力的作用下，由进料口进入螺旋挤出轴的螺旋叶片内，螺旋挤出轴转动形成挤压力，螺旋挤出轴在外壳的作用下沿料筒方向挤出，最后由排料口排出到料槽内。与此同时，驱动电机输出轴通过链条与减速器输入端相连，输出端利用链轮与喂料机主动轮轴一端固定的链轮相配合；通过驱动电机输出轴转动即可驱动喂料机前行，也可以带动螺旋搅笼轴进行排料，喂料机工作过程与笼架位置摆放如图2所示。

图2 喂料机和笼架工作关系1.地面；2.喂料机整机；3.螺旋排料机构；4.延长软管；5.笼体支架；6.铁丝笼体；7.料槽；8.排粪地沟

2 关键部件的设计

2.1 螺旋排料机构设计原理

通过分析横向螺旋排料机构的瞬时旋转排料特性，设计带有倾斜角度螺旋挤出排料的排料机构，通过螺旋叶片的转动与进料口形成周期性开合的状态，螺旋挤出轴转动实现沿矢量方向的推力，保证螺旋匀速稳定的饲料填充率，实现饲料从料斗内填充到家禽食槽内的填充过程。

2.2 螺旋排料机构工作原理

螺旋机构结构如图3所示，螺旋排料机构主要由螺旋机构外壳和转动部件与外壳及轴承配合的螺旋挤出轴组成，其进料口设置在料筒底部，排料口位于料筒顶部，设置成锥形变径口，变径口前端成直筒便于连接延长软管。工作状态时，料斗内的饲料在重力的作用下不断向进料口填充，由进料口进入螺旋挤出轴的螺旋叶片内，螺旋挤出轴转动形成挤压力，螺旋挤出轴在外壳的作用下沿料筒方向挤出，将排料口的饲料排出至料槽内。

图3 螺旋机构结构1.排料口；2.顶部轴承座；3.螺旋挤出轴；4.料筒；5.紧固螺栓；6.进料口调整阀；7.固定板；8.进料口；9.底部轴承座

2.3 螺旋排料机构理论排量计算

螺旋挤出轴叶片的转动与进料口形成周期性的开合，会导致螺旋排料机构吸入饲料量不均匀，饲料在螺旋排饲器中充填率为70%～80%[6]，通过式(2)得出，剖面线B面面积与螺旋叶片螺旋升角、大径、螺旋叶片厚度、小径等参数有关，标注参数结构如图4所示。

图4 螺旋挤出轴

(1)

(2)

式中：l1为螺旋叶片厚度，mm；D为螺旋叶片大径直径，mm；d为螺旋叶片小径直径，mm；ψ为螺旋升角，°；S为导程，mm；SB1为螺旋叶片横截面积，mm2；l1为螺旋叶片小径截面弧长，mm；l2为螺旋叶片大径截面弧长，mm。螺旋机构排料量的理论计算充填率取值为1，可根据式(3)计算：

(3)

式中：W表示排料量，g；ρ表示饲料密度，g/mm3；ω表示排饲螺旋的填充系数(取0.75)，%；γ为螺旋挤出轴转速，rad/s；t表示时间，s。

理论计算中d=25 mm，螺旋排肥轮外径D=80 mm，螺旋排肥轮螺距S=45 mm，螺牙厚度为h=2 mm，排肥口直径为D=60 mm，计算得出螺旋升角ψ为26.6°，饲料密度取1.8 g/mm3，每秒排料量500 g可以满足家禽的次进食量，时间t为1 s，理论计算得出螺旋挤出轴转速48 rad/s。

3 建立仿真模型及单因素试验

3.1 建立仿真模型

离散元法(discrete element method，DEM)是一种分析与求解复杂离散系统运动规律与力学特性的数值分析方法[7]，可实现分离颗粒介质的仿真运动，因此对螺旋机构排料过程的仿真，具有直观性和显著性的优势。

参考相关文献确定所选用以玉米为主要材料的养殖禽鸡饲料的相关参数，以及与排料装置(Q235碳素结构钢为主要材料)之间的接触力学参数[8-11]，设置离散元仿真参数见表1。

表1 全局变量参数

利用三维软件NX12.0对仿真机构建立模型导入EDEM2018软件中将其打开，螺旋挤出轴转速48 rad/s，在料斗内设置颗粒工厂，颗粒总数为150 000颗，以料槽向后0.5 m/s的速度形成相对运动，在仿真开始时将排料口料槽处设置成一个观测区，监测排料机构2 s行进1 m料槽内排出饲料颗粒总质量及每100 mm内排料质量的对比，仿真过程为5 s，记录数据间隔0.05 s，分别对不同开口高度的进料口的螺旋机构进行模拟仿真。开口高度为60 mm仿真及测量结果如图5所示。

图5 仿真分格测量

3.2 单因素试验

影响螺旋排料机构排料流量效果的主要因素是进料口开口高度。为分析螺旋排料机构开口高度变化对排料流量的影响，试验用排料机构进料口开口宽度为50 mm，分别以高度20 mm，30 mm，40 mm，50 mm，60 mm，70 mm，80 mm，90 mm，100 mm的进料口作为试验因素，在螺旋排料机构稳定排料后截取监测区0.5 m内饲料质量波动变化数据。

单因素方差分析过程如图6所示，方差分析结果得出P<0.000 1，证明开口高度对螺旋机构排料量有极显著影响。成年禽鸡产蛋期蛋鸡每只禽鸡日粮为100 g左右，每日三次添加饲料平均每只蛋鸡每次需进食量为34 g，笼架养殖蛋鸡为470 mm的隔层内养殖4只蛋鸡，每470 mm内饲料重量多于140 g就可以满足蛋鸡每次进食量的需求[12]。排料量关系图如图7所示，通过调节进料口高度可以满足喂料机前行过程填充饲料。

图6 方差分析过程

图7 排料量关系图

4 结论

本文通过分析家庭式养殖模式的特点，针对现有的喂料机进行分析，确定自走式喂料机的整机结构和参数，针对螺旋排料机构中的具体参数螺旋升角和理论排料量进行理论计算并确定具体数值。通过EDEM软件对螺旋排料机构仿真验证，可实现添加饲料的功能，利用Design-expert软件单因素试验方法对仿真数据分析，得到螺旋排料机构的进料口高度对喂料机的排料量有极显著影响的结果。