薛雲恒，李景彬，温宝琴，坎 杂

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)

0 引言

近年来，随着我国畜牧业的迅猛发展，肉羊养殖业已成为新疆农村经济的特色优势产业与支柱产业[1]。随着“退耕还林、退牧还草”政策的稳步推进，传统的饲喂方式已经不能满足市场需求，规模化、集约化养殖已成为主流。全混日粮(Total mix-ed ration,TMR)饲喂技术是根据反刍动物在不同生长发育阶段的营养需要，按营养专家设计的日粮配方，保证了反刍动物所采食的饲料营养均衡[2-4]。同传统的饲养相比，TMR饲喂技术可以使肉羊养殖实现从传统到现代化的转变，是羊场提高单产水平、获得更佳经济效益的有效途径。

TMR饲喂机是集剪切、揉搓及混合加工为一体的机械。王德福[5-6]对双轴叶板式混合机进行研究，得出影响叶板式混合效果的参数；于克强[7]揭示了转轮式混合机的混合机理；李景彬[8]得出了影响搅龙式双轴卧式搅拌机混合效果的影响因素；冯静安[9]对立式搅拌机结构进行了设计并对搅龙参数进行了理论分析。

上述研究主要侧重于全混合日粮搅拌机的设计和混合机理分析，然而对目前使用较为广泛的搅龙式全混合日粮搅拌机的揉切过程涉及较少。因此，本文设计一种搅龙式秸秆揉切装置，并对运动过程研究分析，确定主要的揉切区域，探求影响揉切效果的参数，为后期全混合日粮搅拌机揉切装置的设计奠定基础。

1 试验设备与材料

1.1 试验设备

试验设备为自行设计的搅龙秸秆揉切装置，该装置主要由入料口、螺旋搅龙、梅花刀片、定刀、齿板、出料口及活动侧板等组成，如图1所示。

螺旋搅龙为该设备的主要工作部件，其结构采用水平布置，搅龙的套筒上焊接有螺旋叶片，每个螺旋叶片上均匀安装有5个梅花刀片。箱体由侧板和半圆弧焊接而成，箱体和半圆结合处安装定刀，半圆弧上焊接揉搓齿板，在箱体侧壁上焊接活动侧板可调节角度为60°～90°，螺旋搅龙距箱体底部最小间隙为8mm。

1.2 试验材料

本试验材料为新疆石河子本地农田打捆麦秸秆，含水率约为17.86%，平均长度为15cm。

1.3 工作原理

将成捆的秸秆从入料口加入，在螺旋搅龙的转动下，螺旋叶片上安装的动刀拨动成捆的秸秆向箱体侧板转动，在箱体侧板安装定刀的作用下，阻止秸秆继续做圆周运动[10]，转动的螺旋叶片对秸秆进行压缩；当螺旋叶片上均匀分布的动刀和箱体侧板安装的定刀形成剪切面时对秸秆进行切割破捆，破捆的秸秆在螺旋叶片对它摩擦力和推动力的作用下向箱体底部运动；在搅龙压力作用下，箱体底部和搅龙之间形成秸秆挤压层，齿板对秸秆产生的摩擦力增大，揉搓作用加强，秸秆在搅龙的作用下不断地在空间上做循环运动，直至从出料口排出。

1.电机 2.机架 3.联轴器 4.入料口 5.定刀 6.梅花刀片 7.齿板 8.螺旋搅龙 9.拨板 10.出料口 11.箱体 12.活动侧板 13.揉搓室

2 螺旋式搅龙揉切过程机理分析

秸秆加工的基本受力方式主要有弯曲、拉伸、折断、剪切、冲击和揉搓等破坏形式[11]。研究表明，由于秸秆韧性大、易变形等特点，适宜采用的切碎方式主要有揉切、粉碎及切割(砍切、滑切)等[12-13]。经预试验可知：搅龙在转动过程中，利用螺旋叶片对秸秆进行输送，同时螺旋叶片上均匀分布的动刀和箱体侧板上安装的定刀相互作用对秸秆进行切割；随着搅龙转动，秸秆运动到底壳半圆处时，在搅龙压力的作用下箱体底部和搅龙之间形成秸秆挤压层，箱体对秸秆产生的摩擦力增大，揉搓作用加强，在箱体最低点时，搅龙对秸秆的挤压力最大，揉搓作用最强；当秸秆即将脱离底壳半圆处时，搅龙带动秸秆挤压层向斜上方抛去，挤压层破裂，其下落的秸秆随搅龙继续在空间上运动。为更好地描述秸秆在揉切过程中的运动，将搅龙的揉切过程在空间上均匀分为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区，用剖视图对不同区域的秸秆进行受力分析，如图2所示。

图2 秸秆揉切过程中的受力示意图Fig.2 The force diagram of the straw cutting process

图2中：F为搅龙对秸秆的压力(N)；f为搅龙对秸秆的摩擦力(N)；FN为箱体对秸秆的支持力(N)；f1为箱体对秸秆的摩擦力(N)；F1为秸秆之间的作用力(N)；f2为秸秆之间的摩擦力(N),G为秸秆的重力(N)；F2为剪切合力(N)；FN1为搅龙对秸秆的支持力(N)；FN2为定刀对秸秆的支持力(N)；f3为定刀对秸秆的摩擦力(N)；β为箱体倾角(°)。

2.1 秸秆在Ⅰ区的运动分析

在Ⅰ区，随着搅龙的转动，Ⅳ区的秸秆在螺旋搅龙对它支持力FN1、摩擦力f的作用下在空间上做曲线运动；当秸秆运动到搅龙最上方时，螺旋搅龙对秸秆的支持力FN1达到最大值。随着搅龙继续转动，在离心力和重力的作用下秸秆加速向Ⅱ区运动，对Ⅰ区的秸秆进行受力分析，如图2所示。设螺旋搅龙的转速为n、半径为r，则秸秆在竖直方向受力分析公式为

F1=FN1+4π2n2mr

(1)

式中F1—秸秆之间的作用力(N)；

FN1—螺旋搅龙对秸秆的支持力(N)；

n—螺旋搅龙的转速(r/min)；

r—螺旋搅龙的半径(m)。

由式(1)可知:秸秆在作用力F1和支持力FN1的作用下，秸秆随搅龙做圆周运动，搅龙转速越高，F1越大，螺旋搅龙对秸秆的支持力FN1越小。由于越靠近螺旋轴秸秆的速度越大，致使支持力FN1越靠近螺旋转轴越小，则搅龙对秸秆的摩擦力f1也逐渐减小。在转动过程中，离螺旋轴越远，其线速度越慢，使秸秆之间产生速度差，产生滑动摩擦力f2，此过程形成剪切作用。由于秸秆的质量和秸秆之间的摩擦因数较小，使得秸秆之间产生的摩擦力和搅龙对秸秆产生的摩擦力差值较小，几乎不能使秸秆发生剪切断裂。

在Ⅰ区，改变搅龙的转速可以提高搅龙的冲击力，对秸秆进行冲击剪切；但当搅龙转速无限增大到一定值时，秸秆之间的作用力加强，使得秸秆之间形成秸秆层，不利于对秸秆的剪切。

2.2 秸秆在Ⅱ区的运动分析

在Ⅱ区，秸秆在离心力和秸秆自身重力的作用下，揉切Ⅰ区的秸秆加速向揉切Ⅱ区抛洒，与其它秸秆形成扩散作用，在两半圆结合处安装的定刀作用下，阻止秸秆向下运动，在定刀上方形成秸秆堆积层；伴随着搅龙转动螺旋叶片上安装的定刀对堆积层进行挤压，当动、定刀形成剪切面时，对秸秆进行切割；动刀片与垂直线有一定的偏角，此切割主要以滑切为主，定刀能够增加秸秆的抗弯能力，因此该区域在对秸秆进行有支撑切割时不需要很大转速就能够将秸秆切断；切割后的秸秆在搅龙的作用下沿着箱体圆弧做圆周方向上的运动，同时在切割时形成的秸秆堆积层在向心力和摩擦力的作用下向Ⅲ区运动。

秸秆在切割时由于秸秆之间存在摩擦力的作用，秸秆之间产生相对滑动，形成剪切作用；同时，伴随着揉搓作用，在定刀支持力的作用下，秸秆之间的作用力增加，摩擦力增大，揉搓效果增强，但定刀对秸秆产生的作用力时间较短，此区域揉搓效果较弱。

2.3 秸秆在Ⅲ区的运动分析

Ⅱ区的秸秆在搅龙的作用下沿着箱体做圆周运动，当秸秆运动到Ⅲ区时，在齿板的作用下，阻止秸秆在圆周方向上的运动，秸秆的碰撞、剪切、揉搓和摩擦作用增强；在搅龙的作用下，搅龙与箱体之间形成秸秆挤压层，随着搅龙的转动，螺旋搅龙对秸秆产生压力F先变大后变小，在压力F作用下对秸秆进行压缩，当运动到箱体最低点时压缩最显著，搅龙继续转动箱体与搅龙之间的间隙逐渐变大，压力F变小。在搅龙压力F的作用下，箱体对秸秆产生的摩擦力f1先变大后减小，搅龙对秸秆的摩擦力f和箱体对秸秆的摩擦力f1产生大小差，致使秸秆在两力作用下发生揉搓作用；当差值大于秸秆的内聚力时秸秆发生断裂，且在螺旋搅龙达到最低点时，揉搓效果最佳，箱体对秸秆产生的支持力FN最大；揉搓的同时伴随着切割作用，由于搅龙与箱体的间隙较小，秸秆和搅龙之间产生的速度差较小，压碎效果不明显。

对箱体最低点进行受力分析(见图2)可知：秸秆在水平方向上受到搅龙对它的作用力f和箱体对它的摩擦力f1的作用。为使秸秆揉切作用加强，应增大f1和f之间的差值，当差值大于秸秆的内聚力时，秸秆将发生断裂。

2.4 秸秆在Ⅳ区的运动分析

在Ⅳ区，随着搅龙的转动，Ⅲ区产生的挤压层继续做圆周方向上的运动，当运动到箱体侧板与半圆焊接处时，间隙突然变大；此时，搅龙拖动的外部挤压层秸秆由于受到离心力作用沿箱体内壁抛起，并在箱体壁对它的支持力FN、摩擦力f1、重力G的作用下沿箱体壁向下滑动,最后融入到搅龙带动的秸秆中向Ⅰ区运动，下落的秸秆与抛洒的秸秆形成混合作用。为保证切碎均匀度，应增强混合作用[11]，秸秆在与箱体接触时受力分析公式为

(2)

式中G—秸秆的重力(N)；

f2—箱体对秸秆的摩擦力(N)；

β—箱体与水平面的夹角(°)；

m—秸秆的质量(kg)。

由式(2)可知：为了增加混合作用，搅龙的转速和秸秆下落的加速度均较大。β箱体与水平面的夹角β在0°～90°范围内时，sinβ呈递增趋势，所以β与加速度呈递减趋势；当箱体与水平面的夹角变小时，搅龙与箱体壁的间隙也逐渐变大，间隙变大到一定值时，搅龙在转动时无法对秸秆提供向心力，秸秆只能在推动力的作用下沿着箱体壁向出料口运动，直至秸秆排出。

综上所述，秸秆在切碎装置中揉切过程中不断地在Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区内做循环运动，直至秸秆从出料口排出。通过对揉切过程的分析，确定箱体倾角、齿板数量、搅龙转速(切割线速度)对秸秆的揉搓效果影响较大。

3 试验

3.1 试验方法

本试验采用三因素五水平二次回归正交旋转组合设计试验方案，各试验因素的水平编码如表1所示。

表1 因素水平编码表Table 1 Coding table of factors and their levels

续表1

3.2 评价指标

参照有关资料[14-17]，肉羊全混合日粮中粗饲料的适口长度小于等于30mm，选定秸秆粉碎率为评价指标，设定秸秆小于等于30mm为有效长度。测定方法：每组试验取3个样品，在每个样品中取出约100g物料样品，用孔径φ19、φ8、φ5mm和底盘组成的标准筛进行筛分，分别挑选出每层筛上大于30mm的秸秆物料，用电子天平分别称量余下的秸秆质量和挑选秸秆的质量，算出其占总质量的百分数，最后计算3组的平均值作为秸秆粉碎率。秸秆粉碎率的计算公式为

式中m1—长度≤30mm的物料质量(g)；

m2—长度>30mm的物料质量(g)；

δ—粉碎率。

3.3 试验结果与分析

3.3.1 秸秆粉碎率回归方程的建立

应用Design-expert软件对试验结果的分析处理，得到秸秆粉碎率与试验参数的回归方程为

Y=84.06+5.43A+5.65B+3.16C-2.68AB+

3.29AC+1.15BC-1.92A2-4.47B2-1.72C2

对各项进行方差分析，结果如表2所示。失拟性不显著，R2=0.9550，说明模型拟合程度较好，试验误差小，所建立的模型是合适的。从表2可以看出：A、B、C、AB、AC、A2、B2、C2项对秸秆的粉碎率影响显著，BC项对秸秆的粉碎率影响不显著。

表2 粉碎率回归模型的方差分析Table 2 Variance analysis of crushing rate regression model

续表2

3.3.2 单因素对物料粉碎率的影响分析

将其他试验因素固定在零水平，研究各因素对秸秆粉碎率的影响规律，结果如图3所示。由图3可知：当单个因素分别作用时，随着切割线速度、箱体倾角、齿板数量的增大，秸秆粉碎率的上升速度先快后慢。这是因为随着搅龙切割线速度的增加，增强了剪切作用，提高了动定刀相互作用频率，当转速达到一定值，剪切作用减弱，同时搅龙的输送作用增强，秸秆粉碎率增大趋势逐渐减缓；当箱体倾角逐渐变大时，侧板与搅龙的间隙逐渐减小，秸秆随着搅龙做空间运动量增多，增加了秸秆的切割作用，当倾角达到一定值时，箱体倾角影响效果趋于平缓；箱体底部安装的齿板增大了秸秆所受的摩擦力，揉搓作用增强，当齿板达到一定数量时，影响效果减弱。各因素对秸秆粉碎率的影响主次顺序为齿板数量、切割线速度、箱体倾角。

图3 单因素对秸秆粉碎率的影响Fig.3 The effect of single factor on straw crushing rate

3.3.3 双因素影响规律分析

切割线速度和齿板数量交互作用对秸秆粉碎率的影响如图4所示。由图4可知：当箱体倾角固定在零水平时，切割线速度和齿板数量对秸秆粉碎率的影响呈凸曲面变化。当切割线速度和齿板数量都从低水平开始增加时，齿板数量增强了秸秆的揉搓作用，秸秆的粉碎率变大；随着切割线速度和齿板数量的继续增大，齿板数量对秸秆粉碎率的影响逐渐减弱，秸秆粉碎率增大趋势逐渐减缓；切割线速度和齿板数量都取零水平附近值时，秸秆粉碎率达到最大值。

切割线速度和箱体倾角交互作用对秸秆粉碎率的影响如图5所示。由图5可知：当齿板数量固定在零水平时,切割线速度和箱体倾角对秸秆粉碎率的影响呈凸曲面变化。当切割线速度和箱体角度都从低水平开始增加时，箱体倾角变大，秸秆随搅龙在空间上运动的总量变大，同时切割线速度增大加剧了秸秆的揉切频率，秸秆粉碎率迅速上升；当切割线速度和箱体倾角都取高水平时，箱体倾角对秸秆的影响作用逐渐减小，切割线速度的增加使得秸秆在箱体内揉切效果减弱，秸秆粉碎率缓慢降低；切割线速度和箱体角度都取零水平附近值时，秸秆粉碎率最大。

图4 切割线速度和齿板数量交互作用对秸秆粉碎率的影响Fig.4 Effects of cutting line speed and number of tooth plates on straw crushing rate

综上所述，采用频数分析法对试验结果进行优化，最终确定参数的取值范围为：切割线速度22.7～25m/min，齿板数量5～8个，箱体倾角71.8°～75°。

4 结论

1) 对搅龙式秸秆切碎装置的揉切过程进行分析，确定了秸秆切碎过程主要发生在Ⅱ区，揉搓主要发生在Ⅲ区，明确了切割线速度、齿板数量、箱体倾角对秸秆粉碎率影响显著。

2) 秸秆切碎试验表明：对全混日粮搅拌机揉切效果影响参数依次为齿板数量、切割线速度、箱体倾角。搅龙式全混合日粮搅拌机参数优化后取值范围为：切割线速度22.7～25m/min，齿板数量5～8个，箱体倾角71.8°～75°。此时，秸秆粉碎率88.5%～92.3%。