单轴双螺旋带式饲料混合机的优化设计与试验

谢佳珺

（东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引言

畜牧业的高速发展离不开高质量的饲料，而如何在生产过程中保证饲料的营养均衡、品质稳定和成本可控是一个重要的问题[1]。饲料混合是解决这个问题的关键步骤之一，指的是将不同的饲料原料按照一定的比例、配方和程序混合在一起，形成一种营养均衡、口感适宜、易于消化吸收的饲料[2-3]。饲料混合可以大幅提高饲料的营养价值和稳定性，同时也能够减少浪费和降低成本。因此，饲料混合技术已经成为现代畜牧业中不可或缺的环节[4]。

螺旋混合机是一种常见的饲料混合设备，也被称为双轴混合机。它是由两个相互转动的龙门搅拌器和一个混合桶组成的。螺旋混合机的主要作用是将不同的饲料原料按照一定的比例和配方混合在一起，形成均匀的饲料。与其他混合设备相比，螺旋混合机的混合效果更好、混合时间更短，同时还具有结构紧凑、运转平稳、易于维护等优点[5-7]。但当前我国对于在单个轴上采用双搅龙的结构设计鲜有研究，故本文通过不同旋向叶片的对中反向旋转来实现饲料的连续混淆，分析了饲料混合机搅龙螺距、搅龙叶片宽度对其饲料混合性能的影响，设计了二次通用旋转组合试验，结合离散元仿真对不同参数饲料混合机的秸秆混合系数、青贮混合系数进行方差分析和优化，并对优化后的饲料混合机进行不同转速的仿真试验，以期提高单轴双螺旋带式饲料混合机的混合性能，为单轴双螺旋带式饲料混合机的优化设计提供参考[8-9]。

1 整机结构与工作原理

单轴双螺旋带式饲料混合机结构如图1所示，主要由仓盖、搅拌仓、单轴双螺旋带、出料口、机架、电机、减速器、控制器组成，工作时先将定量的秸秆饲料和青贮饲料倒入搅拌仓中，然后在控制器中设定搅拌时间和搅拌速度，秸秆饲料和青贮饲料在单轴双螺旋带的连续转动下不断混搅，最后将混合均匀的饲料在出料口排出以供畜禽食用。

图1 单轴双螺旋带式饲料混合机

2 饲料混合性能仿真与优化

2.1 仿真参数设定

本研究试验需要使用的秸秆和青贮颗粒大多数类似于球形，少量有一定不规则形状，但考虑到不规则形状颗粒相互接触的作用复杂，容易导致EDEM中计算量巨大，仿真无法进行下去。因此在不影响主体的情况下，将秸秆和青贮颗粒均视为球形颗粒进行仿真，在EDEM中分别设定秸秆饲料直径为15 mm、青贮饲料直径为20 mm，颗粒建模采用纯球体。假定饲料颗粒干燥且无结块，则秸秆颗粒与青贮颗粒、颗粒与搅拌仓和搅龙之间均采用Hertz-Mindlin（noslip）模型，查阅相关文献[10]，仿真模型的相关参数设定如表1所示。

表1 全局变量参数设置

2.2 仿真试验

利用SolidWorks 2020对不同参数的饲料混合机进行建模，并对不必要的结构进行简化处理，将SolidWorks中的模型转换成IGS文件导入EDEM中，依据表1填入各项参数，设置工厂生成速率为10 000颗/s，在搅拌仓上方分别建立秸秆颗粒工厂（生成颗粒5 000颗）和青贮颗粒工厂（生成颗粒5 000颗），所有饲料颗粒生成后搅龙再开始转动。搅龙转速为30 r/min，仿真步长为9.25×10-6s，数据记录间隔为0.01 s。单轴双螺旋带式饲料混合机的EDEM仿真模型如图2所示。

图2 EDEM仿真模型图

2.3 试验指标

为了准确评价离散元仿真中饲料混合机不同结构参数对饲料掺混均匀程度的影响，采用网格法对混合均匀性进行数据统计，监测区将搅拌仓均分为32份，对监测区不同时间下的饲料数量进行统计，通过公式（1）～（3）得出秸秆a和青贮b的混合标准差。

式中，γi——饲料在单元网格中的质量占比；ni——饲料在单元网格中的质量，单位为g；nt——单元网格中饲料的总质量，单位为g。

式中，φi——饲料在监测区中的质量占比；Ni——饲料在监测区中的质量，单位为g；Nt——监测区中饲料的总质量，单位为g。

式中，γi——饲料在单元网格中的质量占比；ηi——饲料在当前单元格中的混合偏离度。

式中，ηj——第j个网格内的饲料混合偏离度；n——监测区均分网格单元的数量，n=10；ηa——网格单元内饲料颗粒的平均混合偏离度；σi——单循环周期饲料混合系数。

饲料混合系数表示各单元格下秸秆饲料和青贮饲料的混合偏离度与总体偏离程度，混合系数越小说明饲料混合越均匀。

2.4 响应曲面试验

2.4.1 试验设计

查阅相关文献[11]，为满足作业需求选取螺旋叶片螺距范围在550 mm～850 mm之间。为确保搅龙转动时叶片之间相互啮合且不发生碰撞，选取搅龙叶片宽度范围为8 mm～14 mm。采用二次通用旋转组合试验方法[12]，试验因素水平表如表2所示。应用Design-Expert 8.0.6软件进行数据处理和统计分析。

表2 试验因素水平表

2.4.2 试验结果与分析

不同试验因素下的试验结果如表3所示，根据试验结果，秸秆混合系数方差分析和青贮混合系数方差分析分别如表4、表5所示。

表3 试验结果

表4 秸秆混合系数方差分析

表5 青贮混合系数方差分析

2.5 试验因素对试验指标的影响

根据表中数据可知，秸秆混合系数、青贮混合系数的回归模型显著性检验结果均为极显著（P＜0.01）；秸秆混合系数、青贮混合系数的失拟项检验结果均为不显著（P＞0.05），表明回归模型在试验范围的拟合程度较好。

各因素与秸秆混合系数、青贮混合系数的回归方程为：

式中，y1为秸秆混合系数；y2为青贮混合系数。

搅龙螺距、搅龙叶片宽度对秸秆混合系数的响应曲面如图3所示，在搅龙叶片宽度位于低水平时，随着搅龙螺距的增大，秸秆混合系数增大；在搅龙叶片宽度位于高水平时，随着搅龙螺距的增大，秸秆混合系数降低；搅龙螺距在任何水平下，随着搅龙叶片宽度的增大，秸秆混合系数先降低然后增高。

图3 搅龙螺距、搅龙叶片宽度对秸秆混合系数的响应曲面

搅龙螺距、搅龙叶片宽度对青贮混合系数的响应曲面如图4所示，在搅龙叶片宽度位于低水平时，随着搅龙螺距的增大，青贮混合系数增大；在搅龙叶片宽度位于高水平时，随着搅龙螺距的增大，青贮混合系数降低；搅龙螺距在任何水平下，随着搅龙叶片宽度的增大，青贮混合系数先降低然后增高。

图4 搅龙螺距、搅龙叶片宽度对青贮混合系数的响应曲面

2.6 参数优化

饲料颗粒的混合系数越小，表明饲料的混合均匀性越好，根据相关文献[13]，若要使饲料混合满足工作要求，则需设定秸秆和青贮的混合系数≤10%，利用Design-Expert 8.0.6多目标优化方法，得到优化方程如下：

基于优化方程式（7），得到优化区间，如图5所示，优化区间分别为搅龙螺距662.5 mm～750 mm、搅龙叶片宽度10.5 mm～11.5 mm。

图5 参数优化分析

3 验证试验

3.1 仿真验证

为验证优化结果的正确性，在优化区间分别为搅龙螺距662.5 mm～750 mm、搅龙叶片宽度10.5 mm～11.5 mm中选取参数，考虑到现实生产中的原材料成本问题，最后验证试验中选定搅龙螺距662.5 mm和搅龙叶片宽度10.5 mm。将参数模型导入EDEM中，设置颗粒工厂位于搅拌仓上方20 mm，待所有秸秆饲料和青贮饲料稳定落入搅拌仓后，将单轴双螺旋带轴转速设置为30 r/min，设置搅拌时间为5 min，验证模型如图6所示。

图6 试验验证图

3.2 试验评价指标

通过EDEM后处理，采用网格法对饲料混合系数进行数据收集，将搅拌仓均匀划分为32个网格，通过公式（4）、公式（5）得出秸秆混合系数和青贮混合系数，网格划分结果如图7所示。

图7 网格划分图

3.3 试验结果

为验证饲料混合机的饲料混合性能，分别在转速30 r/min～90 r/min下进行验证试验，不同转速下的饲料混合性能如表6所示。结果如下：在不同转速下，秸秆混合系数和青贮混合系数均小于10%，满足优化区间要求，仿真验证试验结果与预期基本一致，可为单轴双螺旋带式饲料混合机的设计提供参考。

4 结论

本文针对我国饲料混合机的发展需要及其混合

机理的研究现状，对单轴双螺旋带式饲料混合机进行了机理分析与参数优化。利用EDEM建立了不同结构参数的饲料混合机离散元仿真模型，以搅龙螺距、搅龙叶片宽度为试验因素，以秸秆混合系数、青贮混合系数为试验指标，设计二因素五水平的二次通用旋转回归组合试验，根据所建立的饲料混合系数回归模型得出试验因素对试验指标的影响情况。发现搅龙螺距、搅龙叶片宽度对秸秆混合系数的影响分别为显著（0.01＜P＜0.05）、极显著（P＜0.01）；搅龙叶片宽度对青贮混合系数的影响为极显著（P＜0.01），搅龙螺距对青贮混合系数的影响为不显著（P＞0.05）。在秸秆混合系数≤10%、青贮混合系数≤10%，制造成本最小的假设下，优化得到饲料混合机的最佳参数为搅龙叶片宽度10.5 mm，搅龙螺距662.5 mm。为验证优化分析结果的准确性，进行仿真验证试验，发现不同转速下的秸秆混合系数和青贮混合系数均小于10%，优化后的饲料混合机混合均匀性更好，该研究可为单轴双螺旋带式饲料混合机的优化设计提供参考。