分段螺旋式甘草茎秆揉切装置设计与试验

温宝琴，王凯飞，坎 杂，李景彬，李利桥，刘双印,3,4

·农业装备工程与机械化·

分段螺旋式甘草茎秆揉切装置设计与试验

温宝琴1,2，王凯飞1，坎 杂1,2※，李景彬1,2，李利桥1,2，刘双印1,3,4

（1. 石河子大学机械电气工程学院，石河子 832000；2. 现代农业机械兵团重点实验室，石河子 832000；3. 仲恺农业工程学院信息科学与技术学院，广州 510225；4. 广东省高校智慧农业工程技术研究中心，广州 510225）

针对全混合日粮饲草料揉切需求，该研究设计了一种分段螺旋式甘草茎秆揉切装置，对分段螺旋叶片的主体结构和搅龙结构参数进行设计，建立了刃口曲线方程，分析了装置揉切机理，并试制了分段螺旋式甘草茎秆揉切装置试验台。以搅龙转速、加工时间、填充系数、刀片与底壳间隙为因素，以粒度、破节率、单位质量能耗为指标，开展四因素三水平Box-Behnken试验，对试验结果进行方差分析和二次回归拟合，得出各因素对粒度影响显著性由大到小为加工时间、搅龙转速、填充系数、刀片与底壳间隙；对破节率的影响显著性由大到小为加工时间、填充系数、搅龙转速、刀片与底壳间隙；对单位质量能耗的影响显著性由大到小为填充系数、加工时间、搅龙转速、刀片与底壳间隙。对交互影响因素进行响应曲面分析并进行参数优化验证试验，结果表明：当搅龙转速为25 r/min、加工时间为12 min、填充系数为0.46、刀片与底壳间隙为15 mm时，甘草茎秆的揉切粉碎粒度为11.76 mm，破节率为83.27%，此时单位质量能耗为9 959.82 J/kg，试验值与模型理论值误差不超过7%，参数优化模型合理，满足作业要求。研究结果可为全混合日粮搅拌机的研发提供理论依据。

设计；试验；茎秆；揉搓；切碎；分段螺旋

0 引 言

新疆是中国的主要牧区，随着畜牧业的逐年发展，放牧草场环境日益恶化，饲草资源匮乏已经制约了新疆畜牧业的发展[1]。甘草属灌木状多年生草本植物，地上茎秆部分是优良的豆科牧草[2-4]。新疆是甘草的主产区，其甘草资源占全国的50%以上[5]，甘草茎秆用于牛羊饲喂，可有效缓解新疆饲草资源匮乏的现状。全混合日粮（Total Mixed Ration，TMR）[6-7]可以提高采食量和饲料转化率的同时节省饲料成本和劳动力，已经在牛羊养殖生产中成为主流。TMR搅拌机是一种对秸秆切碎、揉搓并与精料混合搅拌后制成TMR的机械，是TMR饲喂的关键支撑[8-9]。将甘草茎秆利用TMR搅拌机高效揉切是将甘草茎秆引入TMR饲喂的关键所在。

现有的TMR搅拌机研究多集中在结构形式、主轴转速、加工时间等因素对饲草料混合均匀度影响[10-16]。对秸秆的切割、揉碎研究主要集中在粉碎机、揉丝机等设备上。如Chitoiu等[17]针对传统粉碎机械耗能大的问题，以玉米秸秆、穗为试验对象，使用4种不同形状的转子对秸秆进行切碎试验，对能耗问题展开研究；郑智旗等[18]基于支撑滑切原理利用等滑切角理论设计了一种动定刀支撑的秸秆粉碎装置，试验表明其秸秆粉碎长度合格率达91.5%，同时相对无支撑切割降低功耗17.4%。麻乾等[19]从喂入、切碎、揉搓3方面对揉碎机锤片结构对揉碎机制的影响展开研究，设计了有倾角的锤片结构实现对设备内部气流场的调节，达到了更高能效揉碎的效果。

为提升TMR搅拌机揉切性能，提高养殖场饲草利用率，本文设计了一种分段螺旋式甘草茎秆揉切装置，并分析其揉切机理，以甘草茎秆高效揉切，降低工作过程中的能耗为目标，以新疆羊场饲喂的甘草茎秆为试验对象，试制样机并进行试验研究，以期为新型TMR搅拌机的研发提供理论依据。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

分段螺旋式甘草茎秆揉切装置整机结构如图1所示，主要由分段螺旋搅龙（搅龙轴管、分段螺旋叶片、梅花刀片）、定刀、壳体、机架、传动系统、信息采集系统等组成。可以通过更换不同半径底壳调整底壳与刀片之间的间隙，通过变频器调节频率控制电动机转速，达到控制搅龙转速的目的。

1.电源 2.变频器 3.电机 4.减速器 5.联轴器 6.遥测仪扭矩传感器模块 7.带座轴承 8.分段螺旋叶片 9.搅龙轴管 10.梅花刀片 11.卸料门 12.定刀 13.底壳 14.料箱 15.机架 16.数据收集器 17.发射器 18.接收器 19.计算机

1.2 工作原理

分段螺旋式甘草茎秆揉切装置的主要工作目的，一是将甘草茎秆进行切碎，使其粒度达到TMR饲喂的要求；二是将甘草茎秆进行揉搓破节，使得加工后的茎秆柔软蓬松易于牛羊等反刍动物食用。工作时，动力由电动机提供，搅龙做顺时针圆周运动，底壳由螺栓固定，定刀固定在底壳与料箱之间，甘草茎秆由料箱上部投入，根据甘草茎秆所处的位置及状态的不同，将装置的工作区域分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4个区域，如图2所示。甘草茎秆由Ⅰ区喂入，受到自身重力和搅龙摩擦力作用，由Ⅰ区运动至Ⅱ区，此时甘草茎秆在动定刀作用下进行有支撑滑切，待甘草茎秆被切碎到一定粒度后，被切碎的甘草茎秆滑落至Ⅲ区，在底壳支持力和分段螺旋搅龙揉搓力作用下，甘草茎秆破碎，进而在分段螺旋搅龙产生的离心力作用下，在Ⅳ区产生径向输送；同时在轴向上，由于分段螺旋叶片呈螺旋对中排布，搅龙对甘草茎秆进行轴向输送，输送至中部时，形成堆积，超过切碎茎秆的堆积角后，上部甘草茎秆依靠重力沿堆积角滑落至两侧，如此反复实现对甘草茎秆的揉切。装置的主要技术参数如表1所示。

表1 分段螺旋式甘草茎秆揉切装置主要参数

1.分段螺旋搅龙 2.甘草茎秆 3.料箱 4.定刀 5.底壳

1.Segmented helical auger 2.Licorice straw 3.Workbin 4.Fixed blade 5.Bottom case

注：为甘草茎秆受到的重力，N；F1为分段螺旋搅龙对甘草茎秆的支持力，N；1为分段螺旋搅龙对甘草茎秆的摩擦力，N；2为甘草茎秆与甘草茎秆之间的摩擦力，N；F2为梅花刀片作用在甘草茎秆上的合力，N；F为甘草茎秆受到分段螺旋搅龙向外的推力，N；F为甘草茎秆受到的滑切力，N；为甘草茎秆受到的压力，N；F3为底壳对甘草茎秆的支持力，N；3为底壳对甘草茎秆的摩擦力，N；4为箱体对甘草茎秆的摩擦力，N；F为分段螺旋搅龙对甘草茎秆的离心力方向上分力，N；F为分段螺旋搅龙对甘草茎秆的离心力方向上的分力，N；F4为箱体对甘草茎秆的摩擦力，N；为搅龙角速度，(rad·s-1)。

Note:is the gravity force on the licorice straw, N;F1is the supporting force of segmented helical auger and the licorice straw, N;1is the friction force of segmented helical auger and the licorice straw, N;2is the friction force between the licorice straw and the licorice straw, N;F2is the resultant force of torx blade acting on the licorice straw;Fis the thrust force of licorice straw by the segmented helical auger, N;Fis the sliding shear force on the licorice straw, N;is the pressure on the licorice straw, N;F3is the support of the bottom case to the licorice straw, N;3is the friction force between the bottom case and the licorice straw, N;4is the friction force between the workbin and the licorice straw, N;Fis thecomponent of the centrifugal force of the segmented helical auger on the licorice straw, N;Fis thecomponent of the centrifugal force of the segmented helical auger on the licorice straw, N;F4is the friction force between the workbin and the licorice straw, N;is the angular velocity of the auger, (rad·s-1).

图2 甘草茎秆揉切过程示意图

Fig.2 Schematic diagram of licorice straw kneading and cutting process

2 关键部件设计

2.1 分段螺旋叶片

2.1.1 主体结构

传统螺旋叶片如图3a所示[20-23]，两端对称焊接在轴管上构成搅龙，采用螺旋输送原理将物料由两端向中部输送的同时通过固定在螺旋叶片边缘的刀片对物料进行揉切。物料在满面螺旋叶片摩擦力作用下，只能沿着螺旋方向进行轴向位移，在工作时物料还未充分切割、揉搓，就被输送至料箱中部，在中部形成堆积，沿堆积角滑落后再次被揉切。由于刀片沿螺旋叶片外边缘均匀分布，只能作用于外侧物料，单位时间内的切割次数较少，工作过程中需要等待物料滑落后再揉切，加工时间长、功耗大。为降低物料轴向输送速度，增加单位时间径向切割次数，本文将满面螺旋叶片断开，在断开部分采用圆角过渡的方式，设计一种分段螺旋叶片，使物料能够在螺旋叶片间隙内运动，叶片曲面为部分满面螺旋曲面，刃口曲线为多线变螺距螺旋曲线，如图3b所示。

注：1为螺旋叶片内径，mm；1为螺旋叶片外径，mm；为螺旋叶片厚度，mm。

Note:1is the inner diameter of the helical blade, mm;1is the outer diameter of the helical blade, mm;is the thickness of the helical blade, mm.

图3 螺旋叶片结构示意图

Fig.3 Structural sketch of helical blade

使用卷尺测得甘草茎秆捆的平均长度900 mm，拟设计搅龙长度1为1 000 mm，结合文献[23-24]设计分段螺旋叶片内径1为114 mm。

分段螺旋叶片外径直接决定装置的生产率，外径过大，刀片线速度增大，作业生产率升高，但是会导致动力需求提升和动不平衡因素增加；外径过小，装置生产率及能耗利用率达不到要求。本文基于前期研究基础[22]设计分段螺旋叶片外径1为380 mm。

螺距一般取外径的80%～100%[25]，本文取较小值80%：

式中为螺旋叶片螺距，mm。

将1带入式（1）解得=304 mm，取300 mm。

分段螺旋搅龙工作过程中由于甘草茎秆受到重力和摩擦力的作用，对甘草茎秆进行揉切，使其具有特定长度，由碰撞力学理论可知搅龙对甘草茎秆的冲击强度为

式中1为冲击强度，J/m2；1为装置与物料的接触面积，m2；1为冲击能量损耗，J。

由式（2）可知，减小装置与物料的接触面积能够有效减小冲击能量损耗，分段螺旋叶片相较于满面式螺旋叶片减少了叶片表面积，同时由于梅花刀片边缘薄中间厚的结构，可以进一步减少接触面积，基于此本文采用梅花刀片固定在分段螺旋叶片边缘的安装形式，实现对甘草茎秆的揉切。

2.1.2 刃口曲线

分段螺旋叶片的轮廓曲线参数直接影响物料输送以及揉切效果，如图4所示。根据刃口曲线不同位置的作业功能，将其分为4个部分：无支撑切割区ii（BC段）、有支撑切割区iii、iv（CD和DE段）、回落区i、v（AB和EF段）、固定区vi（AF段）。甘草茎秆切割主要依靠固定在螺旋叶片外侧的梅花刀片完成，BC段和CD段是主要的切割区域。

注：i（AB段）、v（EF段）为回落区；ii（BC段）为无支撑切割区；iii（CD段）、iv（DE段）为有支撑切割区；vi（AF段）为固定区；i为圆柱面上任意一点；i1为i点在圆柱底面（xoy）上的投影；θ为oi1与ox之间的夹角，rad；r1为底面圆半径，mm。

无支撑切割区域ii（BC段）固定1块梅花刀片，在工作过程中主要对茎秆进行无支撑切割，搅龙带动梅花刀片进行回转运动，BC段的梅花刀片回转半径小于CD段的2块梅花刀片，在工作过程中线速度较小，所以处于BC段的梅花刀片依靠物料之间的挤压力进行无支撑切割，同时对物料产生扰动，防止在搅龙轴管附近的甘草茎秆形成堵塞。有支撑切割区域iii（CD段），固定的2块梅花刀片转动到定刀的梯形凹槽内时，动定刀相互配合实现有支撑滑切，梅花刀片的凹槽会卡紧若干数量的秸秆，通过与料箱底壳作用，对饲草起到揉搓作用。

选用圆柱螺旋线作为螺旋叶片的刃口曲线，建立分段螺旋叶片三维坐标系（如图4所示），以螺旋叶片平面与搅龙的回转轴线的交点为坐标原点。圆柱面上任意一点，沿圆柱面母线做匀速直线运动的同时又绕圆柱面轴线做匀速圆周运动，所形成的曲线方程如式（3）所示。

结合螺旋叶片内径1为114 mm、分段螺旋叶片外径1为380 mm，螺距为300 mm，BC段采用圆弧相切过渡等因素，将数值带入式（3）进行求解，得出CD段曲线方程为

BC段曲线方程为

物料切碎长度为相邻2块梅花刀片在每次转动时产生的进给量[26-29]，梅花刀片均布在分段螺旋叶片上，由于在实际工作过程中存在甘草与装置、甘草与甘草之间的摩擦，会产生相对滑动，考虑到打滑系数[28]，甘草茎秆的理论切碎长度为

式中为甘草茎秆的理论切碎长度，mm；1为梅花刀片1的轴向高度，mm；2为梅花刀片2的轴向高度，mm；为打滑系数，取0.05[28]。

将式（4）~（5）带入式（6）解得甘草茎秆的理论切碎长度为9.55～11.70 mm，根据TMR饲料的要求[30-31]，TMR中物料长度大于19 mm的比例应为6%～10%，物料长度在8～19 mm之间的比例应为30%～50%，物料长度小于8 mm的比例应为40%～60%，理论切碎长度在TMR饲料长度要求区间内，分段螺旋叶片刃口曲线设计合理。

2.2 分段螺旋搅龙设计

分段螺旋搅龙主要包括搅龙轴管、分段螺旋叶片、梅花刀片、螺栓等部件，如图5所示。结合分段螺旋叶片的内径设计及甘草茎秆捆的长度，搅龙轴管采用直径114 mm，长度1 000 mm的无缝钢管制成；梅花刀片安装在分段螺旋叶片上，由螺栓固定，分段螺旋叶片通过焊接工艺固定在搅龙轴管上；分段螺旋叶片的排列对整个装置的震动及两端轴承受力都有影响，在设计分段螺旋叶片的排列时，应当做到均匀分布，本设计用沿螺旋线对称排列的方式[25]，共10组，相邻2组分段螺旋叶片轴向距离相等，均为90 mm，径向夹角为108°，如图6所示。工作时搅龙整体水平安装在装置料箱内。

1.分段螺旋叶片 2.梅花刀片 3.搅龙轴管 4.螺栓 5.轴

注：为分段螺旋叶片。

2.3 揉切过程动力学分析

如图2所示，揉切过程主要依靠分段螺旋搅龙对甘草茎秆产生切割、挤压和摩擦，使分段螺旋搅龙的动能传递给甘草茎秆，其动能大于甘草茎秆破碎所需能量时，甘草茎秆产生碎裂。根据动量守恒定律和动能定理[32]有：

式中为分段螺旋搅龙和甘草茎秆速度，m/s；1212分别为分段螺旋搅龙揉搓甘草茎秆前后和甘草茎秆被揉搓前后的速度，m/s，其中甘草茎秆进入揉搓区时受到底壳的支持力作用，将1视为0；为分段螺旋搅龙半径，mm；为分段螺旋搅龙转速，r/min；1、2分别为揉搓前后的搅龙转速，r/min；为分段螺旋搅龙和甘草茎秆动能，J；Δ为揉搓甘草茎秆消耗的动能，J；1、2分别为分段螺旋叶片揉搓甘草茎秆前后的动能，J；3为甘草茎秆被揉搓后的动能，J；为分段螺旋搅龙和甘草茎秆质量，kg；1、1分别为分段螺旋叶片和甘草茎秆的质量，kg。

根据冲量定理，甘草茎秆受到的揉切力为

式中1为甘草茎秆受到的揉切力，N；为分段螺旋叶片数量；为加工时间，s。

甘草茎秆受到的摩擦力为

式中F为甘草茎秆受到的摩擦力，N；为甘草茎秆与装置之间的摩擦系数；为分段螺旋叶片与底壳之间的间隙，mm。

分析式（7）～（9）可知：甘草茎秆发生破碎所消耗的动能Δ随分段螺旋搅龙半径、转速的增大而增大，随分段甘草茎秆质量的增大而减小；揉搓力也随分段螺旋搅龙半径的增大而增大，随揉搓时间的增加而减小；摩擦力随梅花刀片与底壳间隙的增大而减小。实际作业中，甘草茎秆质量与料箱填充系数密切相关。综上，可以通过控制搅龙转速、加工时间、填充系数、梅花刀片与底壳间隙等参数来调节装置揉切性能，提升甘草茎秆的加工质量。

3 揉切试验

3.1 试验材料与设备

使用新疆疆南牧业养殖场饲喂用甘草茎秆为试验物料；采用赛多利斯MA100水分测定仪，测定10组茎秆，每组2 g，含水率平均值为16.58%；用卷尺测得草捆长、宽、高为900、500和400 mm，30 kg量程电子秤测得草捆平均质量为16 kg，结合料箱体积0.26 m3计算得出用2.31 kg茎秆来表征0.1填充系数；NJTY3农机通用动态遥测系统进行试验过程中的扭矩等力学特性测定；正泰NVF2G变频器调节电机转速；JM-85003型电子天平称取茎秆样品等，试验装置如图7所示。

1.料箱 2.梅花刀片 3.定刀 4.分段螺旋叶片 5.搅龙轴管

3.2 试验方案

根据饲草加工需求[30-31,33]，试验以不同结构和工作参数下甘草茎秆揉切后粒度1、破节率2、单位质量能耗3作为揉切性能的评价指标。

1）粒度采用四分法取样[34]，每组试样取3份样品，每份200 g，用孔径分别为19、8、5和0 mm（底盘）按孔径大小从上至下叠放组成的宾州筛进行筛分，根据式（10）进行计算[30-31]。

式中为甘草茎秆被揉切后粒度，mm；1、2分别为19和8 mm孔径筛上物料质量占总质量的百分比，%；3为5和0 mm（底盘）孔径筛上物料质量总和占总质量的百分比，%。

2）破节率依据《GB/T 20788－2006饲草揉碎机》[33]进行测定，其计算如式（11）所示。

式中S为破节率，%；G为样品中草节被压扁或破成2瓣以上的带节草总质量，g；G为样品总质量，g。

3）单位质量能耗是指揉切单位质量甘草所需的能耗，衡量装置对单位质量甘草揉切过程中能量消耗的大小，反映装置的工作效率。计算公式如式（12）所示。

式中为单位质量能耗，J/kg；为扭矩，N·m；1为甘草茎秆质量，kg；为搅龙转速，r/min；为单次试验采集扭矩数据次数，次；T为第次采集到的瞬时扭矩，N·m。

根据理论分析及前期预试验可知搅龙转速、加工时间、刀片与底壳间隙、填充系数对揉切效果影响较大。为保证有效揉切，提升工作效率，减少物料堆积，取搅龙转速20～40 r/min；加工时间4～12 min；刀片与底壳间隙15～35 mm；填充系数0.3～0.7。根据Box-Behnken响应面设计理论[35]，将粒度1、破节率2、单位质量能耗3作为响应值，开展四因素三水平响应面试验研究，试验因素和水平如表2所示。

表2 试验因素和水平

3.3 试验结果与分析

3.3.1 试验结果

利用Design-Expert11.0软件设计四因素三水平Box-Behnken试验，试验包括24组分析因子和5组零点估计误差，共29组试验点。试验方案与结果如表3所示。

3.3.2 回归模型建立与显著性检验

使用Design-Expert11.0软件对表3中的数据进行分析和多元回归拟合，方差分析结果如表4所示，建立1、2、3对1、2、3、4的回归方程并对其显著性进行检验。

表3 甘草茎秆揉切试验设计方案与结果

1）粒度显著性分析

粒度方差分析结果如表4所示，1模型<0.000 1，表明此回归模型极显著，其绝对系数²值为0.91，表明该模型可以拟合91%以上的试验结果，其中123232²4²对粒度模型影响极显著，413对粒度模型影响显著，1²对粒度模型影响较显著。各变量对粒度的影响显著性由大到小为加工时间、搅龙转速、填充系数、刀片与底壳间隙。剔除不显著因素，得到各变量对粒度的二次回归方程如式（13）所示，并对其失拟性进行检验，失拟项>0.1，表明二次回归方程拟合度高。

2）破节率显著性分析

破节率方差分析结果如表4所示，2模型<0.000 1，表明此回归模型极显著，其绝对系数²值为0.96，表明该模型可以拟合96%以上的试验结果。其中1、2、3、4对破节率模型影响极显著，12、14对破节率模型影响显著，23、22对破节率型影响较显著。各变量对破节率的影响显著性由大到小为加工时间、填充系数、搅龙转速、刀片与底壳间隙。剔除不显著因素，得到各变量对粒度的因素值二次回归方程如式（14）所示，并对其失拟性进行检验，失拟项>0.1，表明二次回归方程拟合度高。

3）单位质量能耗显著性分析

能耗方差分析结果如表4所示，3模型<0.000 1，表明此回归模型极显著，其绝对系数²值为0.97，表明该模型可以拟合97%以上的试验结果。其中1、2、3、12、13、23、32对破节率模型影响极显著，24、34对粒度模型影响显著。各变量对单位质量能耗模型的影响显著性由大到小为填充系数、加工时间、搅龙转速、刀片与底壳间隙。剔除不显著因素，得到各变量对粒度的因素值二次回归方程如式（15）所示，并对其失拟性进行检验，失拟项>0.1，表明二次回归方程拟合度高。

3.3.3 交互因素对揉切性能的影响

利用Design-Expert11.0软件生成模型的响应曲面图，如图8所示。根据响应曲面分析1、2、3、4的交互因素对响应值1、2、3的影响规律。

1）粒度的影响分析

图8a～图8b分别为1与3、2与3对1交互作用的响应面曲线。由图可知：当填充系数增大时，粒度增大；当转速增大时，粒度先减小后增大；当加工时间增加，粒度减小。

其原因可能是随着填充系数的增加，料箱内物料增多，在时间一定的情况下，装置作用在单位体积甘草茎秆上的作用力减少，导致粒度增大；当搅龙转速增大时，此时刀片线速度增大，刀片与定刀及壳体对茎秆的作用次数增加，对其切割次数增多，粒度随之减小；随着加工时间的增加，装置作用在物料上的次数增加，对甘草茎秆的切割、揉搓次数也随之增加，粒度减小。

2）破节率的影响分析

图8c～图8e分别为1与2、1与4、2与3对2交互作用的响应面曲线。由图可知：当搅龙转速逐渐增大时，破节率快速上升后趋于平稳；当加工时间增长时，破节率上升；当刀片与底壳间隙扩大和填充系数上升时，破节率下降。

其原因可能是随着搅龙转速和加工时间的增加，甘草茎秆受力次数增加，破节率随之上升；当刀片与底壳间隙扩大时，依靠底壳与刀片及螺旋叶片的作用对物料进行的揉搓效果减弱，导致破节率随之下降；当填充系数增加时，料箱内物料随之增多，单位时间内对物料的平均作用次数随之减少，造成破节率下降。

3）单位质量能耗的影响分析

图8f～图8j分别为1与2、1与3、2与3、2与4、3与4对3交互作用的响应面曲线。由图可知：当搅龙转速和加工时间增大时，单位质量能耗上升；在搅龙转速为较低水平时，当填充系数增大，单位质量能耗呈先下降后上升趋势，当搅龙转速为较高水平时，当填充系数增大，单位质量能耗呈现下降趋势；当刀片与底壳间隙逐渐增大，加工时间处于较低水平时，单位质量能耗上升，加工时间处于较高水平时，单位质量能耗下降。

表4 回归方程方差分析

注：＜0.01（极显著）；0.01≤＜0.05（显著）；0.05≤＜0.1（较显著）。

Note:<0.01 (extremely significant); 0.01≤＜0.05 (significant); 0.05≤＜0.1 (more significant).

图8 交互因素对粒度Y1、破节率Y2和单位质量能耗Y3的交互影响

其原因可能是随着搅龙转速的增大，刀片切割甘草茎秆过程中的力随之增大，造成单位质量能耗增加；物料加工质量不变的情况下，随着加工时间的增加，能耗随之增加，粒度迅速下降，破节率上升，物料单位体积密度上升，搅龙作用在物料上对其进行切割揉搓所需的能耗也随之上升，单位质量能耗也增加；搅龙转速较低时，填充系数增大，物料质量也随之增大，填充系数还未增加到一定数值前，加工增加物料所需增加的能耗增长率没有超过填充系数的增长率，造成单位质量能耗的下降，待填充系数超过一定数值，使得加工物料所需增加的能耗的增长率超过填充系数的增长率，造成单位质量能耗的增加，呈现上升趋势；在加工时间处于较低水平时，此时大部分时间用于对整捆甘草茎秆进行破捆，物料粒度还较大，刀片与底壳间隙越大所能进入的刀片与底壳作用区域的物料越多，所需能耗随着刀片与底壳间隙的增加而增加，当加工时间处于较高水平时，此时物料有充足的时间进行加工，粒度较小，间隙中处于物料填充状态，间隙越小，搅龙作用在底壳上的力越大，所需能耗也增大，故随着刀片与底壳间隙的增大，单位质量能耗呈现下降趋势。

3.4 参数优化与验证

为使分段螺旋式甘草茎秆揉切装置性能达到最佳，对样机试验中的影响因子进行优化。根据工作条件、性能要求和上述分析结果，利用DesignExpert11.0软件对模型进行优化分析，约束条件为

求解结果为搅龙转速25.23 r/min、加工时间11.92 min、填充系数0.46、刀片与底壳间隙16.04 mm，此时粒度为12.62 mm；破节率为85.66%；单位质量能耗为9 633.23 J/kg，装置作业性能达到最优。为验证模型的准确性，基于试验条件，圆整转速为25 r/min，加工时间12 min，填充系数0.46，刀片与底壳间隙15 mm，进行3次试验验证，取平均值，结果如表5所示。

表5 模型优化值与验证试验值对比

通过验证试验结果可知，试验值与模型理论优化值误差不超过7%，优化模型合理可行，满足作业要求。

4 结 论

1）设计了一种甘草茎秆揉切装置，采用分段螺旋式搅龙结构，并分析其作业过程，确定结构参数和工作参数对装置作业效果的影响。

2）开展响应面试验研究，建立了甘草茎秆粒度、破节率、单位质量能耗对四因素三水平的二次多项影响模型，确定各因素对粒度影响显著顺序由大到小为加工时间、搅龙转速、填充系数、刀片与底壳间隙；对破节率的影响显著顺序由大到小为加工时间、填充系数、搅龙转速、刀片与底壳间隙；对单位质量能耗的影响显著顺序由大到小为填充系数、加工时间、搅龙转速、刀片与底壳间隙。并分析了搅龙转速、加工时间、填充系数、刀片与底壳间隙对揉切后甘草茎秆粒度、破节率以及单位质量能耗的影响趋势。

3）利用Box-Behnken组合试验法优化分析得出分段螺旋式甘草茎秆揉切装置最优工作参数组合，最终采用搅龙转速25 r/min、加工时间12 min、填充系数0.46、刀片与底壳间隙15 mm，并进行验证试验，最终甘草茎秆的揉切粉碎粒度为11.76 mm；破节率为83.27%；单位质量能耗为9 959.82 J/kg，与预测模型相对误差不超过7%，模型可靠，满足作业要求。

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Design and experiments of segmented helical kneading and cutting device for licorice straw

Wen Baoqin1,2, Wang Kaifei1, Kan Za1,2※, Li Jingbin1,2, Li Liqiao1,2, Liu Shuangyin1,3,4

(1.,,832000,; 2.,832000,; 3.,,510225,; 4.,510225)

Kneading and cutting the licorice stalk for the whole total mixed ration can be used to effectively improve the quality of beef and mutton products. In this study, a segmented helical device was introduced to knead and cut the licorice stalk. The segmented helical auger was placed horizontally in the material box, and rotated in a clockwise to knead and chop the licorice stalk. Meanwhile, it can be transported in the axial direction to make the material accumulate in the middle and fall back, thereby to achieve efficient knead and cut of the licorice stalk repeatedly. The structure style, blade edge curve, and auger structure parameters were designed to reduce the axial conveying speed, while improve material cutting probability. A theoretical analysis and a developed test bench were carried out in the cutting and kneading process of a licorice stalk in the device. A four factors and three levels Box-Behnken test was performed, where the factors included the rotation speed of the segmented helical auger, processing time, fill-factor, clearance between blade and bottom case, while, the particle size, breaking rate, and the energy consumption of unit mass as indexes. The test data was analyzed by variance analysis and quadratic regression fitting. The significant influence of single factors on particle size was ranked in the order from high to low: the processing time, the rotation speed of segmented helical auger, fill-factor, clearance between blade and bottom case. The results showed that the influence factors on the breaking rate were in the order from high to low: processing time, fill-factor, rotation speed of segmented helical auger, clearance between blade and bottom case. The significant influence on the energy consumption of unit mass was in the following order from high to low: fill-factor, processing time, rotation speed of segmented helical auger, clearance between blade and bottom case. Meanwhile, the analysis of response surface showed that the grain size increased as the fill-factor increased. The particle size first decreased, and then increased with the rotation speed increased. The grain size decreased as the process time increased. When the processing time was at a low level, the grain size increased with the increase of the fill-factor. While the process time was at a high level, the grain size decreased with the increase of the fill-factor. The breaking rate increased with the increase of machining time and rotation speed, and decreased with the increase of clearance and fill-factor between the blade and the bottom case. The energy consumption of unit mass increased with the increase of the rotation speed and the processing time. However, when the rotation speed was at a low level, the energy consumption of unit mass decreased first and then increased as the fill-factor increased. When the rotation speed was at a high level, the energy consumption of unit mass decreased with the increase of the fill-factor. When the clearance between the blade and the bottom case increased gradually and the processing time was at a lower level, the energy consumption of unit mass increased, while decreased when the processing time was at a higher level. At the same time, these parameters were optimized and verified through response surface technologies. The experimental results showed that when the rotation speed, processing time, the fill-factor, and the clearance between blade and bottom case were 25 r/min, 12 min, 0.46, and 15 mm, respectively, the particle size and the breaking rate of the licorice stalk were 11.76 mm, 83.27%, respectively. Currently, the energy consumption of unit mass was 9 959.82 J/kg, the error between the experimental value and the theoretical value was not more than 7%, indicating in reasonable agreement with the requirements of crushing operation. This finding can provide a theoretical basis for the research and development of TMR mixer.

design; experiments; straw; kneading; cutting; segmented helical

温宝琴，王凯飞，坎杂，等. 分段螺旋式甘草茎秆揉切装置设计与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(23)：1-11.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.001 http://www.tcsae.org

Wen Baoqin, Wang Kaifei, Kan Za, et al. Design and experiments of segmented helical kneading and cutting device for licorice straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(23): 1-11. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.001 http://www.tcsae.org

2020-08-01

2020-11-24

国家自然科学基金资助项目（51775358，61871475，61471133，61571444）；广东省科技计划项目（2017B0101260016）；广东普通高校工程技术研究中心（2017GCZX0014）；广东省普通高校省级重大科研项目（2016KZDXM0013）；广东省教育厅特色创新项目（2017KTSCX094）；石河子大学2017年度自主资助支持校级科研项目（ZZZC201738B）

温宝琴，博士生，副教授，主要从事畜牧机械研究。Email：wendy-wbq@163.com

坎杂，教授，博士生导师，主要从事农业机械研究。Email：kz-shz@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.001

S817.12

A

1002-6819(2020)-23-0001-11