配备整平-混合装置的饲料搅拌-分配机的开发与性能评估

《Applied Sciences》：Development and Performance Evaluation of a Feed Mixer-Distributor Equipped with a Leveling–Mixing Device

　　

假设提出，通过为饲料搅拌-分配机配备两个整平-混合指状轴（leveling–mixing finger shafts），该指状轴在将饲料物料提升至一定高度后，将其收集在料斗中央部分并分为两股流向料斗端壁，可实现连续双回路混合（continuous dual-circuit mixing）。在这种情况下，连续双回路混合在每个整平-混合轴（leveling–mixing shaft）旋转期间执行。开发了饲料搅拌-分配机的结构-工艺方案、工程文档和实验样机。该机器由一个3.0 m³料斗、两个水平螺旋（horizontal augers）、两个整平-混合指状轴、一个装载输送机和一个驱动机构组成。开展了理论研究，得到了确定整平-混合装置（leveling–mixing device）指状圆周速度的解析表达式。该速度必须确保饲料混合物无飞散移动，并保证当指状旋转角度超过20°时饲料物料从指状表面释放。基于所获解析表达式的计算表明，指状的临界圆周速度为0.866 m/s，而计算得到的指状轴最低转速为20.7 min^?1。因此，实验研究采用了约20 min^?1的转速。在不同转速下进行的整平-混合装置实验研究表明，指状轴的最佳转速为20 min^?1。在该转速下混合物均匀度（mixture uniformity）超过90%。还推导出了一个解析表达式来确定沿指状表面的饲料混合物运动速度。计算表明最佳速度范围为0.5至0.94 m/s。该值对应于向料斗端壁输送饲料混合物的合理速度。在整平-混合指状轴转速n = 20 min^?1下使用饲料搅拌-分配机进行了实验室实验。在所测试的操作条件下，达到目标混合物均匀度所需的最佳混合时间为5.5 min。对比实验还表明，无整平-混合装置运行的饲料搅拌-分配机的能耗比有整平-混合装置运行时高34%。

**论文解读文章**

**研究背景**
在畜牧业中，饲料混合与分配是最耗力的工序之一。现有饲料搅拌-分配机（feed mixer-distributor）普遍采用水平螺旋（horizontal augers）将物料提升至重力塌落点，其缺点是：提升阶段螺旋承受高阻力扭矩，能耗大；物料以大块形式塌落后又被螺旋回输至料斗中央，导致混合均匀所需时间延长。同时，目前商业机型料斗容量多在4–30 m3，适合大型农场，而中小型农场（存栏50–100头牛）急需紧凑型、低能耗的机器。因此，研究人员旨在开发一种配备整平-混合装置（leveling–mixing device）的新型饲料搅拌-分配机，通过实现连续双回路混合（continuous dual-circuit mixing）来降低能耗并缩短混合时间。该研究成果发表于《Applied Sciences》。

**关键技术与方法**
研究人员采用以下主要技术方法：①理论分析——建立指状轴动力学平衡方程，推导指状圆周速度与物料沿指状表面运动速度的解析表达式，确定指状轴临界转速（20.7 min^?1）及最佳转速（20 min^?1）；②实验样机制造——设计容量3.0 m3的料斗，配备两个水平螺旋、两个整平-混合指状轴、装载输送机及驱动机构；③实验室实验——利用F-1976电子测力仪测定饲料混合物与钢表面的动态摩擦系数（f = 0.57），通过TRK-0.5应变传感器和ACD-1R-0.5电子测力计测量主齿轮箱轴上的阻力扭矩，计算功率消耗；④生产试验——在哈萨克斯坦阿拉木图州Enbekshikazakh区的“Aidarbayev E.”奶牛场进行30小时运行测试，评估机器可靠性与混合效果。样本来源为上述农场，饲料配方包含青贮、干草和压碎大麦。

**研究结果**

**5.1 紧凑型饲料搅拌-分配机结构-工艺方案论证**
研究人员分析了现有机器的缺陷：物料提升至塌落点导致高能耗和长混合时间。为克服此问题，提出连续双回路混合概念：当水平螺旋将饲料收集至料斗中央并轻微提升后，整平-混合指状轴将物料分为两股流向料斗端壁。每个指状轴有三排指状，每旋转一次完成三次输送，从而实现加速混合。开发的机器包括容量3.0 m3的料斗、两个水平螺旋、两个整平-混合轴、装载输送机及驱动机构，已获得哈萨克斯坦发明专利（No. 35587）。

**5.2 整平-混合指状轴转速的理论确定**
通过动力学分析，研究人员推导出指状圆周速度υ_o的解析表达式，并确定指状释放物料的临界条件（旋转角α ≥ 20°时摩擦力与离心力平衡）。计算得临界圆周速度为0.866 m/s，对应指状轴最小转速20.7 min^?1。同时，得到物料沿指状表面运动速度υ_m的表达式，表明在α = 25–30°时υ_m范围为0.5–0.94 m/s，该速度可确保物料平稳向端壁输送而不飞散。实验选定指状轴转速n = 20 min^?1作为操作模式。

**5.3 实验室实验分析**
**5.3.1 运动学模式与混合均匀度研究**
研究人员在n = 20 min^?1下进行实验，采用示踪物（小麦）测定混合均匀度。结果显示：混合时间2–9 min内，均匀度在5–6 min后达到90%以上，最佳混合时间为5.5 min；当指状轴转速为10、20、24 min^?1时，20 min^?1均匀度最佳（>90%）。视频记录证实物料在指状旋转25–30°时被向端壁输送，实现连续双回路循环。

**5.3.2 能耗评估**
通过对比实验（有/无整平-混合装置），研究人员测量主齿轮箱轴阻力扭矩并计算功率。有装置时平均阻力扭矩71.5 N·m，功率3.37 kW；无装置时96 N·m，功率4.52 kW，表明无装置时功率消耗高34%。

**讨论总结**
讨论部分指出，传统机器依赖反复提升-塌落过程，而本设计通过连续双回路混合改变了物料内部循环模式，降低了能耗和混合时间。科学新颖性在于理论推导了指状轴转速和物料运动速度的解析关系，并通过实验验证。与文献（如Li等）结果一致，能耗降低源于操作模式改变而非简单几何优化。研究局限性包括：未分别测量各工作部件的功率贡献、未考虑层间内聚力等影响因素；所得结论适用于具有相似物理机械性质的饲料混合物。未来方向包括将装置集成至现有机器，并开展更详细的流动模拟。

**研究结论翻译**
为加速混合过程，研究人员提出假设：通过为饲料搅拌-分配机配备两个整平-混合指状轴，在收集物料达到一定提升高度后将其分为两股流向料斗端壁，可实现连续双回路混合；此时连续双回路混合在每个整平-混合轴旋转期间执行。开发了结构-工艺方案、工程文档及实验样机。机器由3.0 m³料斗、两个水平螺旋、两个整平-混合指状轴、装载输送机和驱动机构组成。开展理论研究，得到确定整平-混合装置指状圆周速度的解析表达式，该速度需确保物料无飞散移动，并在指状旋转角超过20°时保证物料从指状表面释放。计算表明指状临界圆周速度0.866 m/s，指状轴转速20 min^?1。不同转速下的实验显示最佳转速为20 min^?1，此时混合均匀度超过90%。还推导出物料沿指状表面运动速度的解析表达式，计算得最佳速度范围0.5–0.94 m/s，对应于向料斗端壁输送物料的合理速度。在指状轴转速n = 20 min^?1下进行的实验室实验表明，达到目标均匀度的最佳混合时间为5.5 min。对比实验显示，无整平-混合装置时功率消耗比有装置时高34%。以上结果证实了所选结构-工艺方案及理论研究的有效性。