全混合日粮制备机优化及粗饲料粒度试验

2021-05-05魏元振张军薛明马啸

农业装备与车辆工程 2021年4期

魏元振，张军，薛明，马啸

（1.250100 山东省济南市山东省农业机械科学研究院；2.050011 河北省石家庄市河北省农业农村厅）

0 引言

中国作为世界上奶牛存栏量较多的国家之一，2016 年奶牛存栏量1 340 万头，原奶产量3 602 万t。传统奶牛养殖普遍采用精、粗分饲的饲养方式，这种饲养方式易引发代谢性疾病，影响奶产品质量[1]。全混合日粮是一种根据反刍牲畜在不同生理阶段的营养需求，将精、粗饲料及各种饲料添加剂按照一定配比均匀混合，然后由发料车发送至散放厩让牲畜自由采食的饲养技术，该技术省工省时，可提高单产7%～10%[2-4]。

在国内，全混合日粮饲养技术起步较晚，规模化牧场比例较低，全混合日粮制备机的研制及相关理论较少，其中，王德福等人对全混合日粮制备机的研究相对较多，制备机结构多采用卧式与轮转式，混合效果较好，但受限于制备机结构，混合容量较小，不适用于大规模化牧场；冯静安等人选用单螺旋立式搅拌机，搅龙叶片呈螺旋锥形结构，吨料能耗低，但其采用单螺旋搅龙，同样不符合大规模牧场生产需求。此外，部分相关企业基于国外现有机型，主要针对小型牧场生产单螺旋立式和三螺旋卧式全混合日粮制备机，种类单一。随着我国奶牛养殖科学化、集约化、规模化水平不断提高，现有全混合日粮制备机类型已无法满足奶牛养殖场的需求[5-10]。

针对我国现阶段全混合日粮制备机存在的技术问题，对高效全混合日粮制备机主要部件进行优化设计，通过对该制备机试验分析，确定了粗饲料粒度的影响因素程度、较优组合，以满足粗饲料粒度制备需求。

1 饲料制备机结构与工作原理

全混合日粮制备机结构如图1 所示，主要包括定刀、搅拌箱、卸料装置、搅龙装置、牵引式底盘、传动系统、称重系统和液压系统。

牵引式底盘前置牵引装置与拖拉机挂接，其后部设有行走轮。搅拌箱位于拖拉机后端，搅拌箱底部与牵引式底盘通过重力传感器实现连接。搅拌箱一侧外壁焊接有爬梯，前、后弧形端板处各放置一个可拆卸定刀，内部放置有2 个对称分布的立式锥形螺旋搅龙装置。搅龙装置底端与变向齿轮箱由螺栓固接，拖拉机通过传动杆与变向齿轮箱将动力传输至搅龙装置，搅龙装置旋进方向自下而上。称重系统由称重显示仪和4 支分别均布在搅拌箱底板的称重传感器组成。卸料装置安装在搅拌箱前置弧形端板处，由液压马达提供动力。

作业时，拖拉机通过传动杆与变向齿轮箱将动力传输到搅龙装置，带动搅龙装置旋转，然后由上料机将所需混合的各种物料投放至搅拌箱内，并由称重系统控制投料量，完成物料的配比和计量。在搅龙装置的搅拌作用下，物料各成分不断混合渗透。混合完成后，启动液压系统，开启卸料门的同时，液压马达带动投料装置开始工作，将混合物料抛撒到指定位置，完成投喂过程。

2 主要结构设计

2.1 搅拌箱

搅拌箱是全混合日粮制备机的主要附件之一，用作物料混合容器，搅拌箱结构如图2 所示。

图2 搅拌箱结构图Fig.2 Structure diagram of mixing box

在物料混合过程中，物料的物料特性以及物料与搅拌箱内壁的摩擦因数将影响物料各成分在搅拌箱箱体内的混合流动过程。为克服混合饲料与箱体内壁的内摩擦角，避免物料在搅拌过程中受压后出现结拱现象，搅拌箱弧形端板壁面与底板夹角最大为120°，符合物料沿壁面顺利下滑的要求。搅龙装置的作业空间为圆锥体，为避免2 个搅龙与2 个梯形侧板围成的盲区出现饲料堆积，在该区域添加4 个呈对称分布的衬板，衬板由3 条具有一定弧度的边界线扫掠成型的曲面凹板，在盲区构成填充空间，使物料混合更加充分。

2.2 搅龙装置

搅龙装置结构如图3 所示，主要包括切割刀、搅龙轴、搅龙叶片、平底刀、刮料板，其中，搅龙轴又包括锥套、法兰盘、轴筒、弧形盖、防尘盖、座圈、哈夫盖。搅龙装置通过法兰盘与变相齿轮箱固接。锥套的外壁设有弧形盖罩，观察锥套内部运行状况。锥套上端与法兰盘下外沿焊接，轴筒下端焊接在法兰盘上表面。防尘盖设置在轴筒上端。法兰盘上表面焊接底圈，底圈与哈夫盖通过螺栓固接，构成封闭空间，避免作业过程中物料进入装置内部影响机具运转。搅龙叶片由4 段螺旋钢板组成，呈立式锥形螺旋结构，焊接于搅龙轴外壁。搅龙叶片底端焊接强度高、耐磨的平底刀，平底刀前置方向安置刮料板，沿螺旋叶片边缘位置安置8把切割刀。

图3 搅龙装置结构图Fig.3 Structure diagram of auger device

搅龙装置呈立式锥形螺旋结构。随着搅龙装置的旋转，平底刀将搅拌箱底板的物料铲起，搅龙叶片提升物料。物料从底部提升至顶部过程中，安置在搅龙叶片边缘的动刀与可拆卸定刀之间产生剪切运动，对粗饲料进一步切割处理。同时，随着搅龙叶片物料承载面的逐渐减少，部分物料在搅龙装置旋转产生的离心力作用下，沿着搅龙装置旋转半径作径向扩散，与外层物料混合，落至搅拌箱底部。物料在搅龙装置作用下不断被剪切、揉搓、搅拌，产生强烈的对流混合、扩散混合和剪切混合，从而实现物料快速混合。

2.3 卸料装置

卸料装置结构如图4 所示,主要包括支座、罩壳、弹齿、皮带、滚动轴、皮带轮、传送带和液压马达。支座固定在牵引式底盘，支座两端分别安装有滚动轴，滚动轴两端又分别安置有皮带轮，同侧皮带轮由皮带带动。液压马达安置在滚动轴一端，罩壳固定在支座两侧，在罩壳两端内部分别安置弹齿，传送带绕在2 个滚动轴。作业时，启动液压系统，开启卸料门和液压马达，在搅龙装置的旋转作用下，混合物料由卸料门排出，落在传送带上，液压马达带动传送带输送物料，物料抛出之前，弹齿将部分成团的物料打散，从而保证卸料的均匀度。液压马达具有双向制动机理，该投料装置可根据投料需求实时调整投料方向。

图4 卸料装置结构图Fig.4 Structure diagram of unloading device

3 试验方法与分析

3.1 试验方法

奶牛全混合日粮的适口粗饲料长度一般为1～5 cm，适口长度粗饲料占总粗饲料的比例越大越有利于奶牛进食。因此，本试验选用适口长度粗饲料质量与总粗饲料质量的比值作为粗饲料粒度的评价指标。每搅拌批次试验物料混合完成后，开启70%的卸料门，在卸料口处每隔10 s 抽取一个样本，数量为5 个，然后用孔径为19，8，5 mm的冲孔筛和底盘组成的简易装置进行筛分，将适口长度的粗饲料与其他长度粗饲料分离，并对两部分粗饲料分别进行称量。按式（1）计算样本的粗饲料粒度。

式中：δ——粗饲料粒度，%；m1——长度为1～5 cm 的粗饲料质量，g；m2——长度小于1 cm和大于5 cm 的粗饲料质量之和，g。

3.2 试验分析

根据对该类产品用户调查，初步确定试验各因素取值范围为：搅龙转速10～50 r/min、混合时间10～20 min、充满系数30%～70%。在此基础上采用正交组合设计进行试验。试验因素水平编码如表1所示。其中，x1为搅龙转速，x2为混合时间，x3为填充系数。

表1 因素水平编码表Tab.1 Coding and level of experimental factors

根据正交组合设计25 组试验，试验方案与结果见表2。其中，y 为粗饲料粒度。

表2 试验方案与结果Tab.2 Schemes and results of experiment

采用正交试验L25(35)设计,由表2 分别进行单因素方差分析，见表3 所示。

表3 方差分析Tab.3 Analysis of variance of factors

通过各因素对粗饲料粒度方差分析可知，由于F0.05=4.04，各因素F 值都超过F0.05，故搅龙转速、混合时间和填充系数对粗饲料粒度具有十分显著的影响；对于粗饲料粒度的影响程度由大到小为混合时间、搅龙转速、填充系数。

粗饲料粒度越高，越有利于反刍牲畜取食，综合考虑高效、低能耗的实际要求，一般粗饲料粒度大于70%即可。表2 试验数据体现了不同填充系数情况下的较优组合：第9 组数据，粗饲料粒度达70.1%，搅龙转速50 r/min、混合时间20 min，填充系数61.89%。

3.3 响应曲面分析

运用Design-Expert 软件对试验数据进行响应面分析，得到图5粗饲料粒度的双因素响应曲面。

当填充系数处于0 水平（x3=50%）时，混合时间与搅龙转速对粗饲料粒度的影响如图5（a）所示。粗饲料粒度随着混合时间的增大而增大，随着搅龙转速的增大而增大。粗饲料的尺寸大小主要取决于搅龙装置对粗饲料的剪切运动。当时间一定时，搅龙转速越快，动刀与定刀之间形成的剪切力越大，对粗饲料的切割效果越明显；当搅龙转速一定时，随着混合时间的增加，刀片对粗饲料的剪切频率增大，同样可以提高粗饲料粒度。

当混合时间处于0 水平（x2=15 min）时，填充系数与搅龙转速对粗饲料粒度的影响如图5（b）所示。粗饲料粒度随着搅龙转速的增大而增大，随着填充系数的增大而减小。当搅龙转速较低时，随着填充系数的增大，粗饲料粒度变化较小，主要原因在于动定刀剪切力达不到对粗饲料的切割力；当搅龙速度较高时，随着填充系数的增大，搅龙叶片与搅拌箱之间的物料增多，动刀与定刀之间的剪切力增大，对粗饲料的切割增强，从而提高粗饲料粒度。