1、羊用撒料试验台的设计与试验 付威 温宝琴 薛雲恒 刘富强 尚凤娇 李景彬 石河子大学机械电气工程学院 摘 要： 为了寻求抛撒不同羊食用物料最佳效果时撒料车的最佳工作参数和结构参数匹配, 设计了固定式羊用撒料试验台。该试验台可灵活调节影响撒料效果的工作参数和结构参数, 可模拟撒料车行走撒料的功能。本文对该试验台机械结构和工作原理进行了介绍, 对关键机构双向投料搅龙进行设计, 确定其最大转速为150r/min, 对刮板输送机装置进行设计, 确定其具有平移整体物料作用。以玉米青贮和玉米粉混合物为试验物料, 以投料均匀度和投料量为试验指标, 以刮板输送机线速度 A、挡料辊转速 B、双向搅龙转速 C、拨
2、叉长度 D 为试验因素设计四因素三水平两指标正交试验。试验结果表明:投料量影响因素显著程度顺序为 ABCD;投料均匀度影响因素显著程度顺序为 ACDB;最优参数匹配组合 A为 0.1m/s, B 为 150r/min, C 为 15r/min, D 为 1 3 0 mm, 对应的投料量为 7.1 3 kg/s, 投料均匀度为 9 2.2 1%。该撒料试验台的性能参数满足设计要求。关键词： 撒料试验台; 投料均匀度; 撒料量; 正交试验; 作者简介：付威 (1977-) , 男 (满) , 黑龙江五常人, 副教授, 博士, 硕士生导师, (E-mail) 。作者简介：李景彬 (1980-) ,
3、男, 新疆石河子人, 教授, 硕士生导师, (E-mail) 。收稿日期：2017-01-24基金：农科技型中小企业创新基金项目 (14C26216513810) Design and Experiment of Spilling Feed Test-bed for Feeding SheepFu Wei Wen Baoqin Xue Yunheng Liu Fuqiang Shang Fengjiao Li Jingbin College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University; Abstract： In or
4、der to find the optimal working parameters and structural parameters matching of spilling feed car when throwing different food materials for sheep, the fixed type spilling feed test-bed for feeding sheep that can adjust flexibly the working parameters and structural parameters and simulate the func
5、tion of feeding car walking and spilling feed was designed.This paper introduced the mechanical structure and working principle of test-bed, and designed the bidirectional feeding auger that maximum speed was 150r/min, and designed the Scraper conveyor equipment that can translate the integrated mat
6、erial, and designed the four factors and three levels orthogonal test with two indexes that test materials were corn silage and corn flour mixture, test indexes were spilling feed uniformity and spilling feed amount, test factors were the line speed of scraper conveyor A, speed of feed roller B, spe
7、ed of bidirectional auger C, length of fork-lever D.The test results showed that the significant degree of spilling feed amount influencing factors was A B C D;the significant degree of spilling feed uniformity influencing factors was A C D B;the optimal parameter matching combination were A 0.1m/s,
8、 B 150r/min, C 15r/min and D 130 mm, the corresponding spilling feed amount was 7.13kg/s and corresponding spilling feed uniformity was 92.21%.The test results show that the performance parameters of the test-bed meet the design requirements.Keyword： spilling feed test-bed; spilling feed uniformity;
9、 spilling feed amount; orthogonal design; Received： 2017-01-240 引言规模化舍饲养殖技术提高了肉羊产量和质量, 而饲养最关键是饲料抛撒的均匀性和高效性。传统的人工撒料劳动强度大、劳动效率低, 容易造成人畜共患病, 随着农牧业自动化技术的提高, 撒料机械逐步替代了人工撒料1-4。国外具有撒料作用的饲喂机械, 如 TMR 设备4-5及饲喂机器人6, 虽然先进化程度比较高, 但由于价格昂贵、养殖场设施改造困难等问题难以在我国推广。国内常用的自走式全混合日粮机7、传动带投料撒料车8及双向搅龙投料撒料车, 虽然结构简单、造价低廉, 但存在投料
10、均匀性不足、工作效率较低等问题。因此, 寻求新的解决方法成为关键。本文设计并搭建了羊用撒料试验台, 旨在通过寻找影响撒料工作质量的影响因素, 通过试验优化组合为撒料装备的设计与优化奠定基础。1 结构与工作原理1.1 总体结构试验台主要由料箱、刮板输送机装置、挡料辊装置、双向搅龙输送装置及带式输送机装置 5 部分组成, 如图 1 所示。其中, 料箱主要用来装载物料和供给物料;刮板输送机装置设置在料箱底侧, 实现连续输送物料到料箱尾部功能;挡料辊装置设置料箱中间位置, 可有效阻碍物料整体平移;双向搅龙输送装置设置在料箱尾部, 输送物料于料箱两侧;带式输送机装置设置在料箱外侧, 避免搅龙出料口堵料及
11、模拟撒料车行走撒料。1.2 工作原理试验前, 按试验方法预先设置撒料效果影响因素:带式输送机装置、投料搅龙装置、挡料辊装置、刮板输送机装置转速及拨叉长度。试验时, 顺序启动带式输送机装置、投料搅龙装置、挡料辊装置、刮板输送机装置;刮板输送机装置转动, 料箱底部物料在刮板输送机刮板力作用下向料箱尾部运动, 料堆上侧的物料在自身重力作用下以及克服摩擦力和内聚力而向下运动, 继续接受刮板力作用;物料运动到逆向转动挡料辊位置时, 受到阻碍, 仅部分物料继续前进;前进的物料撒落到料箱尾部对中设计的双向投料搅龙位置处, 转动的搅龙推力把物料输送到料箱两侧;带式输送机装置接收搅龙输出物料, 并输送物料于输送
12、机尾部。2 关键工作部件设计2.1 料箱料箱是试验台主要工作部件之一, 料箱整体结构根据肉羊食用物料一般特性及结合羊圈建设情况设计。料箱尺寸 (长宽高) 为 3 100mm1 500mm2 000mm;料箱横截面设计成 U 型, 底部水平;料箱箱体前壁面与相邻两壁面底侧与水平面夹角设计为 110, 可有效防止物料结拱。为方便尾部下料以及装载搅龙, 料箱后壁与箱体底侧设计成开口状。料箱整体结构如图 2 所示。图 1 试验台机械结构图 Fig.1 Mechanical structure of the test bed 下载原图1.料箱 2.挡料辊装置 3.刮板输送机装置 4.搅龙输送机装置 5.
13、带式输送机装置图 2 料箱 Fig.2 Feed box 下载原图2.2 刮板输送机装置设计2.2.1 刮板输送机装置结构刮板输送机装置设置在料箱箱底, 具体结构如图 3 所示。图 3 试验台刮板输送机装置 Fig.3Scraper conveyor device for test bench 下载原图1.主动链轮 2.驱动轴 3.刮板链条 4.刮板 5.从动链轮 6.从动轴其主要由主动链轮、驱动轴、刮板链条、刮板、从动链轮及从动轴组成, 刮板输送机装置在驱动轴作用下循环运行, 料箱内物料被刮输送到料箱尾部。2.2.2 刮板输送机装置输送能力撒料工作时, 刮板之间的散粒物料受到内摩擦力和机槽两
14、壁之间的外摩擦力作用。当被刮板拖动的物料层对其上的物料层的内摩擦力大于物料与机槽两壁之间的外摩擦力时, 上层物料整体随刮板链条向前运动;被刮板拖动的物料层对其上的物料层的内摩擦力小于物料与机槽两壁之间的外摩擦力时, 物料便发生层流。现假设物料在料箱内足够高, 刮板输送机输送转动时, 物料上下两层相对滑动, 下层物料受到刮板在运动方向的压力作用而直接被推着沿料槽底部向前滑动;下层物料又通过料层间的内摩擦作用, 把上层物料一起携带向前输送。为方便受力分析, 现假设料箱为长方体, 选取横截面为受力分析面。假设刮料板垂直上方 h 物料平移, 现取一个刮板节距间的物料作为一个单元体, 对其高度为 h 的
15、上层物料的受力情况进行分析。单元体上层物料的受力如图 4 所示。图 4 物料受力 Fig.4The stress of material 下载原图由图 4 知物料整体运动的极限状态为内摩擦力与外摩擦力相等, 即将式 (1) 与式 (2) 代入式 (3) , 可得其中, F 为内摩擦力;F 0为外摩擦力;h 为物料层高度;b 为机槽宽度, 设计值1.15m;a 为刮料板间距; 0为物料内摩擦因数, 设计值为 1.07; 为外摩擦因数, 设计值为 0.78; 为物料的侧压因数, ; 为散粒物料容重。计算可得:h=10.1m。由料箱高度为 2m 可知, 若料箱后侧没有妨碍物, 物料在刮板输送机作用力
16、下可倾箱而出。2.3 双向投料搅龙装置设计双向投料搅龙装置由搅龙槽、左旋搅龙、右旋搅龙及链轮机构组成, 安装在料箱后侧, 输送料箱输出物料, 如图 5 所示。左旋搅龙与右旋搅龙完全对称, 装配在搅龙槽内, 搅龙槽中间位置上部由两钢板装配成分流的三角状, 下部由两块竖直钢板分割开, 叉开的中间位置安装搅龙动力传动件链轮机构, 两端搅龙反向对称。图 5 双螺旋投料搅龙结构图 Fig.5The structure of feeding auger with double helix 下载原图1.搅龙槽 2.左旋搅龙 3.右旋搅龙 4.链轮机构双向投料搅龙主轴转速选择是否合适, 会影响搅龙输送功能。因
17、此, 搅龙螺旋转速是撒料试验台撒料的枢纽环节。搅龙输送物料时要求物料在轴向移动但要限制物料上下圆周运动的翻滚。搅龙输送物料时, 物料受到与螺旋叶片间的摩擦力作用和物料相互间摩擦作用, 要保证物料在输送过程当中不产生离析, 那么物料在搅龙输送过程中自身重力应大于离心力。由此可推出搅龙临界转速式为令 带入式 (5) 得其中, n max为搅龙临界转速;D 为螺旋直径, 此处取值 250mm;A 为物料的综合特性系数, 此处取值 86。计算得 nmax=160r/min, 最大值选择 150r/min。3 试验验证3.1 材料与实验条件1) 试验时间:2016 年 3 月 1-15 日。2) 试验地
18、点:石河子开发区石大锐拓机械装备有限公司车间。3) 试验装置:加工制造羊用撒料试验台如图 6 所示。试验台主要技术参数:整体尺寸 (长宽高) 为 3 300mm2 500mm2 500mm;料箱容积 5m;带式输送机转速 0.65m/s。物料收集器尺寸 (长宽高) 为 650mm400mm400mm。图 6 羊用撒料试验台 Fig.6Sheep with material test bench 下载原图4) 试验对象:质量比为 8515 玉米青贮 (2016 年 3 月 1 日取自西部牧业养殖场青贮塔) 和玉米粉 (符合中华人民共和国国家标准 GB10463-89) 混合物, 总质量 800k
19、g。3.2 试验指标投料量和投料均匀性为撒料试验台性能的重要指标, 试验台投料量可以用单侧出料口单位时间内的投料质量来衡量。投料均匀度可以用变异系数间接表示。均匀度越大, 投料均匀性越好, 具体公式为其中, 为单组取样平均值 (kg) ;S 为样品质量的标准差;C v为变异系数;M 为投料均匀度。3.3 试验方法及结果分析3.3.1 试验方法选取刮板输送机水平线速度 A、投料搅龙转速 B、挡料棍转速 C、拨叉长度 D 4个因素为自变量, 以投料量和下料均匀度为因变量, 采用 4L9 (3) 正交表进行正交试验, 因素和水平如表 1 所示。表 1 极差分析表 Table 1 The range analysis results 下载原表 3.3.2 试验结果分析每组试验取样 9 次, 计算每组平均投料量及根据式 (8) 、式 (9) 计算投料均匀度, 并对试验结果进行极差分析, 分析结果如表 2 所示。第 9 组为投料量最
