自走式全混合比例混合器加载混合特性的有限元模拟及性能试验

抽象的

对自推进总混合配给混合器的装载和混合装置进行仿真分析和参数优化。为了在装载刀辊的作用下揭示青贮材料的三维运动，后者使用SolidWorks软件进行建模。ANSYS / LS-DYNA软件用于模拟青贮切割过程，其使用与有限元方法相结合的平滑粒子流体动力学进行建模。模拟切割力和功耗，确定青贮饲料的等效应变的行为。结果表明，由于装载刀辊引起的挤压和剪切力，分解了青贮饲料。根据模拟的功耗与经验公式的值一致，确认所提出的建模方法的有效性。为了研究混合性能并获得混合装置的最佳参数，Hertz-Mindlin模型用于材料颗粒和混合装置之间的相互作用。三因素，五级方法用于优化混合性能。将材料混合时间，装载速率和螺旋速度作为实验因素选择，并将其混合均匀性作为评价指标。发现螺旋速度和材料混合时间对混合均匀性具有显着影响。 These results provide reference values allowing the analysis of the crushing of silage and selection of the optimum parameters for mixing performance.

1.介绍

全混合日粮(TMR)是根据反刍动物(牛、羊、鹿等)在不同生长阶段的生理需求进行营养均衡的日粮。TMR的配方是由动物营养专家设计的，包括切碎至适当长度的粗料、精料和按一定比例充分混合的各种添加剂[1-3.］.国外对拌和机的研究和开发工作已开展多年。混合机的垂直和水平结构类型都有自动化和串行操作的趋势，而研究主要集中在处理性能和混合均匀性的测试方法上[4.-10］.在中国，一直集中发展固定或拖尾立式单螺旋搅拌机和卧式双螺旋搅拌机，以及所需的辅助机械设备(如青贮装载机、带式输送机和卸料机)，而研究主要是改进现有的固定和拖尾定量搅拌机的设计[11-17］.然而，在载荷和混合自推进TMR混合器的加载和混合工作特性上有很少的报道[4.那7.那11］.中国乳制品目前需要配备几种单功能的机械设备，从青贮饲养坑进行装载材料的任务，然后将其喂给牛作为其口粮的一部分。这导致运输成本高，复杂的工作程序和营养素损失的问题（由青贮坑的青贮损失代表）。因此，鉴于中国畜牧业的现状，对自推进TMR混合器加工口粮加工机制的研究对加速TMR饲养技术的使用具有重要意义。

青贮窖中物料的切割是一个复杂的过程，涉及各种高度非线性的现象，包括松散物料的大变形和破碎。因此，它的模拟并非易事。光滑粒子流体动力学(SPH)是一种无网格的拉格朗日算法，在解决大变形和自由曲面等高度非线性问题时比有限元法具有明显的优势[18-21.]，但在计算精度和边界条件处理方面不如有限元法。为此，本文提出了一种SPH-FEM耦合算法，为研究青贮材料与加载刀辊之间的相互作用提供了一种新的有效方法。该方法采用有限元法对青贮料切割区小变形区进行建模计算，采用SPH法对网格易变形的大变形区进行建模计算。这种组合提高了计算效率，同时保证了仿真结果的准确性，从而使两种算法的优势最大化[20.那22.］.采用离散元法(DEM)对颗粒状青贮材料与切削机械刚性部件之间的相互作用进行建模，这是一种针对不连续介质问题的数值模拟方法[23.-29.[基于动态松弛方法与牛顿第二法律相结合各种本构关系。

本文的工作主要基于有限元软件ANSYS / LS-DYNA，使用SPH-FEM耦合算法来模拟装载切割辊切割青贮材料。通过在模拟期间在不同时间分析不同时间的当量应变分布，揭示了青贮材料和装载辊之间的相互作用的机理。DEM软件（EDEM）用于模拟混合装置的材料混合过程，探讨箱中材料颗粒组的运动，并分析材料混合时间，装载速度和螺旋速度对材料混合性能的影响．结果预计将提供关于材料混合参数的最佳组合的一些指导。

2.系统设计

2.1。结构

自行式TMR混合器由柴油发动机单元，装载装置，输送机，混合装置和排出装置组成。二维素描如图所示1．整个机器的动力由柴油机提供，柴油机驱动液压泵。通过操作阀门，可以改变液压油流的方向，从而改变驱动车轮的电机的运动方向，从而使整个机器向前或向后移动。装载装置主要由滚轮和切割机组成。在青贮坑的装料过程中，用螺栓固定在螺旋叶片上的旋转刀具将切好的青贮料移到装料装置的中心，并迅速将料抛到输送机上以防止堵塞。混合装置主要由垂直螺旋搅龙和料仓组成，用于混合粗饲料和精饲料。

自推进的TMR混合器设计用于以高效率实现牧场的整合饲料。自推进的TMR混合器，如这里考虑的那个在加速作为饲料的茶草秸秆的利用方面发挥了重要作用。这构成了实施“粮食以饲料”政策的一个组成部分，目的是减轻人们和牲畜竞争粮食时出现的问题。

2．2.操作程序

自推进的TMR混合器实现了硅酸盐坑中装载和输送的组合功能，粗饲料和浓缩物的混合，以及输送和排出口粮。整个机器的3D渲染如图所示2．

当机器工作时，根据膳食制剂加载各种饲料。通过双作用升降液压缸的活塞杆的往复运动实现了载荷装置的装载装置对材料中的材料的提升动作（图）的往复运动（图1（5））。通过旋转装载刀辊切割硅坑中的材料切割（图1(2))，然后切割的材料被运送到料仓(图1(9))的混合装置由输送机(图1(4))。由液压马达驱动的螺旋叶片沿螺旋钻呈径向分布(图)1（8））用中心轴旋转，材料沿着螺旋的圆周和轴向移动。当这种材料堆积到一定的高度时，它可以自由落下。随着螺旋叶片穿过材料，后者经受惯性和摩擦力，这可以在轴向，周向和径向方向上引起三维混合。这种混合过程主要是剪切混合，以及一些扩散和对流混合。结果，混合箱中的各种材料通过螺旋螺旋钻彻底混合。在机器被驱逐到牛棚之后，根据牛的个体需要，通过放电装置直接输送到牛的均匀口，因此完成了从处理供应供应的整个任务。

3.材料和方法

3.1。青贮切割模拟

3.1.1。SPH-FEM耦合模型

SPH颗粒和有限元网格的耦合图如图所示3.．左侧是大变形区域中的SPH颗粒，右侧是小变形区域中的有限元网格[30.那31.］.耦合界面处的SPH粒子与FEM网状节点一对一的对应关系，通过惩罚函数约束来完成机械参数的传输[32.］.对于SPH颗粒和FEM网上的接触边界约束，耦合被定义为来自ANSYS / LS-DYNA 971软件的节点表面接触型的固定断开接触。固定断开连接触点的故障标准是[33.那34.] 在哪里F_n是正常力量（n）;F_年代是剪切力（n）;F_n,失败是正常的失败力（n）;F_{年代,失败}为剪切破坏力(N);米₁为法向力指数;和米₂是剪切力指数。

3.1.2。仿真模型的简化与假设

（1）滚轮与螺旋叶片焊接在一起，刀具与螺旋叶片螺栓连接。在简化模型中，忽略螺栓、螺母等零件，将加载刀辊材料取各向同性、线性弹性，以减少仿真时间[35.-37.］.（2）假设在整个青贮料的切割过程中，加载刀辊的转速和垂直前进速度是恒定的，滚筒轴与青贮料之间的距离定义在同一平面内;即取青贮料的切割深度为常数。

3.1.3。青贮加载刀辊的有限元模型

在SolidWorks软件(2016版)中建立青贮料和刀辊的三维实体模型，并导入ANSYS进行预处理。青贮材料采用ANSYS/LS-DYNA 971的∗MAT_173(∗MAT_MOHR_COULOMB)材料模型建模为整体尺寸为2000 mm × 150 mm × 1000 mm的长方体，该模型适用于颗粒状材料。剪应力强度的经典表达式为[38.] 在哪里τ_马克斯是最大剪切应力（MPa），C是凝聚力（mpa），σ_n是正常应力(MPa)，和φ为内摩擦角(度)。

来自ANSYS/LS-DYNA 971的∗MAT_020(∗MAT_RIGID)刚体材料模型用于装载切割机滚轮，滚轮的材料密度取为7830 kg/m^3.，弹性模量为2 × 10^5.MPa，泊松比为0.3。设计刀辊宽度为1600mm，刀数为48，每刀厚度为4mm。刀具在ANSYS软件中的有限元模型如图所示4.．

根据局部青贮枢塞和来自文献的数据的材料特性[39.，青贮密度取420 kg m^-3，摩擦角34°，剪切模量21 MPa，黏聚力6.2 × 10^-3 MPa, while the other parameters of the silage material are set according to the default values of ∗MAT_173 in ANSYS/LS-DYNA 971. The whole simulation model consists of three parts: the loading cutter roller, the inner silage (SPH), and the outer silage (FEM). There needs to be a space between the inner and outer silage to avoid an initial penetration problem during the simulation. Both the inner and outer silage are divided into hexahedral meshes by the sweeping method, with the mesh size for the outer silage being larger than that for the inner silage. To improve the accuracy of the simulation results, the free meshing method is used for the loading cutter roller, and local mesh refinement is carried out at the cutting edge. The element type of the cutter roller is set as 3D Solid164, and the inner silage is transformed into SPH particles by the solid nodes method. The simplified model of the silage and loading cutter roller is shown in Figure5.．

有限元模型底部的所有节点如图所示5.定义为节点组1，内青贮的所有SPH颗粒定义为节点组2，外青贮附近的一层SPH颗粒定义为节点组3，外青贮的外侧定义为表面组1。添加关键字∗boundary y_spc_set以约束节点组1的所有自由度。添加∗boundary y_non_reflection将表面组1定义为非反射边界，以消除应力波的反射效应。添加∗ERODING_NODES_TO_SURFACE以将节点组2与加载刀具滚轮之间的接触类型定义为节点-表面侵蚀接触(用于表示固体元素的故障)。刀辊为主接触点，节点组2为从接触点。添加∗NODES_TO_SURFACE_CONSTRAINED_OFFSET是为了定义节点组3与外部青贮之间的接触类型。外青贮设为主接点，节点组3为从接点。添加∗boundary y_sph_symmetry_plane设置节点组2的对称平面为yoz.．装载刀辊的转速被置于240°R·min^-1和垂直向前速度为8 m·s^-1（对于自拔的TMR混合器的设计，选择液压马达BM4-390以驱动装载刀辊的旋转，其工作速度为240°率^-1．而且，切割器尖端和辊的中心之间的径向距离为320mm。因此，切割器的前向速度可以从公式计算为8 m·s^-1）.为了确保加载刀辊在模拟时间内能够切割出整个青贮模型区，设置为200 ms。所有的运动约束，除了沿y轴和旋转X轴应用于加载刀辊。

３．２．材料混合的数值模拟

3.2.1。混合装置的结构参数

自推进TMR混合器的混合装置由箱和螺旋螺旋形组成;其三维模型结构如图所示6.．本文采用的料仓结构为截锥形式，体积为 在哪里R.₁和R.₂垃圾桶的底部和顶部的半径是多少H是垃圾箱高度。以1260 mm，1870mm和2300mm的值代替R.₁那R.₂,H分别可以获得体积。

混合箱的体积被发现为17.92米^3.，去除螺旋钻所占的体积(利用三维设计软件SolidWorks计算螺旋钻的体积)，得到料仓的有效搅拌体积约为16 m^3.．这种箱体的侧壁与底壁夹角通常在105°-120°范围内[17]，本文取为106°，满足了混合料沿料仓壁平稳滑动的要求。

箱中材料的混合是一种相对复杂的过程，主要涉及三种剪切，扩散和对流模式;螺旋螺旋刀片的角度，直径和间距是影响材料混合的主要结构参数[11那16］.垂直螺旋钻的临界速度(转速·分钟)^-1)是由 在哪里D.是螺旋刀片的直径（m），α.为叶片的角度(度)，φ_年代是材料和叶片之间的摩擦角度（本文中的叶片是21.8°）[40),而μ._F是材料的休息角度（这里拍摄为55°）。角度α.是（谁）给的 在哪里S.是螺旋螺旋刀的间距（这里拍摄为440毫米）。

服用D.螺旋螺旋刀片的最小直径（768 mm），发现α.= 10.34°和n_C = 32 rev·min^-1，同时服用D.是最大叶片直径（2470 mm），α.= 3.25°和n_C= 15·敏牧师^-1．

螺旋钻的理论临界速度范围，这是螺旋螺旋刀片上的材料粒子的最低速度可以提升，是15-32 rev·min^-1．因为螺旋螺旋钻具有锥形结构，所以材料颗粒的临界速度随刀片上的位置而变化，理论临界速度可以偏离实际混合工作速度。因此，需要通过实验确定用于最佳混合材料的螺旋钻工作速度。

3.2.2。接触力模型

DEM用于模拟材料颗粒组的运动。单个粒子运动会不可避免地导致碰撞，从而在粒子之间的力[24.那27.］.接触型号是DEM的重要组成部分，本文采用了赫兹-MINDLINL接触型号，如图所示7.．该模型假设离散元件是刚性的体，并且在具有软接触特性的元件之间存在点接触（即，在接触点处的刚性离散元件之间允许一定量的重叠）。根据颗粒之间的正常重叠和切向位移来计算接触力，并且通过其与其接触的离散元件的相互作用来确定任何离散元件上的所得的力。

接触力学分析基于以下方程: 在哪里F_n和F_t为法向力和切向力(N)E.^∗为等效弹性模量(Pa)，R.^∗是等效的触点半径（m），δ._n和δ._t为法向和切向重叠(m)，k_n和k_t是法向刚度和切向刚度(N·m^-1），F_n那D.和F_t那D.为法向和切向阻尼力(N)，β是阻尼比率，米^∗是否等效质量(kg)，和和法向相对速度和切向相对速度(m·s^-1）.

3.2.3。EDEM粒子模型的建立

SolidWorks 3D软件用于模拟旋转螺旋螺旋钻和混合装置的固定箱。为了便于模拟，在混合运动期间与材料接触无关的装置的部件被移除并以IGES格式进入EDEM软件，如图所示8.．

存在许多有关实际工业规模应用的DEM应用的局限性和困难。对粒度的限制主要是由于待考虑的颗粒数量较多的颗粒的计算限制导致的计算限制导致必要的计算急剧增加。此外，计算工作随着时间步长而导致的粒度的降低显着增加，这导致必要的迭代数量增加。在DEM仿真中，时间步， 那被定义为每次迭代之间的时间。只有当所采用的时间步长到临界时间步长时，才能稳定稳定， 那这通常被定义为等效质量弹簧系统的固有频率的一部分。对于商业EDEM软件，关键时间步长被定义为关键的瑞利时间步骤，T._R.，如下[41.]： 在哪里T._R.是颗粒性质如半径和密度的函数，R.是粒子半径（m），ρ颗粒密度为(kg·m^-3），G是剪切模量(MPa)，和泊松比。

剪切模量,G，对关键时间步长有重大影响。为了任意降低剪切模量的值，因为这显着增加了临界时间步骤，仿真时间减小。但是，已经表明这种方法可能导致模拟结果中的错误[42.］.因此，建立了几何相似性、力学相似性和动力学相似性三原则，在这三原则下，数值模型能够准确地再现物理模型的力学行为。在一般动态情况下，确保物理模型和比例模型之间精确等价的所有条件可以总结为[43] 在哪里H为比例因子，R._米和R._p为任意粒子在比例模型和物理模型中的半径(m)，ρ_米和ρ_p是缩放和物理模型的密度（kg·m^-3），u_米和u_p是缩放和物理模型（m）的位移，F_米（u_米那R._米） 和F_p（u_p那R._p）是来自缩放和物理模型（n）的相邻粒子的相互作用力，以及问：_米（t） 和问：_p（t)是适用于按比例和物理模型(N)的粒子的任何外力。

众所周知，在国际单位制中，机械系统有三个基本量:长度(L.）， 大量的 （m)，以及时间(T.）.选定三个基本量后，原则上可任意设定物理模型与比例模型之间的对应换算或比例因子。

密度作为可以直接获得的材料的基本参数，以及质量密度（ρ)取代了质量作为一个基本量，但长度和时间仍然是另外两个基本量。这三个量对应的比例因子，λ._L.那λ._T.,λ._ρ被特别选为[44] 我。e., the length scale factor is the same as the (spatial) scale factor, h, as expected, and the temporal (or time) scale is the same as the spatial factor, while the density is kept the same for both systems.

因为本文中研究的垃圾箱的体积大（16米^3.）材料颗粒的尺寸相对较小，以避免CPU的“假碰撞”状态[25.那45因此，基于上述相似性原理，在模拟模型中，箱子和螺旋钻的尺寸在现实模型中的尺寸减少到0.25;类似地，箱中材料颗粒的运动时间尺度也缩放到原件的0.25。

根据文献资料[11那13，精料与粗料的比例为35:65(基于干物质质量的比例)，用于确定试验日粮的组成。EDEM颗粒厂生产的混合料总质量设置为1000 kg，作物秸秆与球形玉米粒、青贮块的质量比为10:35:55。混合料中的所有颗粒均假定为球形，根据实际混合料的测量，三种组分的平均颗粒半径分别为作物秸秆、球形玉米颗粒和青贮块的2 mm、4 mm和3 mm。采用Hertz-Mindlin接触模型对物料颗粒与搅拌装置的相互作用进行分析，将各作物颗粒模型定义为刚性颗粒。离散元模型中的三种物质颗粒如图所示9（a）-9（c）．为清晰显示颗粒在仓内的运动情况，EDEM中将作物秸秆、球状玉米粒和青贮块颗粒分别涂成黄色、红色和绿色，如图所示9（d）．

DEM的准确性取决于模拟参数的合理性，在模拟前需要对模拟参数进行校准[41.］.仿真试验基于对休息角的物理测试的结果，通过测量recose角度来校准离散元件参数[46那47］.GEMM(通用EDEM材料模型)数据库包含数千种材料模型，它们代表了广泛的材料，如岩石、土壤和矿石。它特别适合于在采矿，建筑和农业行业的工程师，谁设计这样的重型设备处理材料。关键接触特性参数包括恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数可从GEMM数据库中获得[48那49］.为了提高粒子生成的效率，为这三种材料粒子创建了三种不同的静态BOX类型的虚拟工厂。当螺旋钻启动旋转时间为0.5 s后，总模拟时间设为100 s。因此，本文根据GEMM数据库和文献中的数据[50那51]时，材料力学性能和材料接触性能参数如表所示1和2， 分别。

3.2.4。因素和评价指标

物料颗粒的混合均匀性是评价混合装置性能的最重要指标[1那7.那15］.本文采用网格法建立了该指标的评价模型。在EDEM软件中采用bin方法将模拟区域划分为6 × 6 × 6 = 216个网格，如图所示10．

如果模拟模型的网格尺寸过小，则单个网格内的粒子数量不足以准确反映其分散情况，而如果网格尺寸过大，则结果将没有统计学意义。因此，为了保证网格单元数据统计的有效性，每个网格单元都应该包含足够数量的物质颗粒，需要对定义的网格进行初步筛选，去除物质颗粒小于1000的网格单元。采样比为每个网格单元中样本粒子与总粒子数之比，所有物料中样本粒子与总粒子数之比为总比。样品的标准偏差计算为 和材料颗粒的混合均匀性计算为 在哪里n为网格单元格的数量，X_我是样品粒子的抽样比，和是样品颗粒的总比例。

根据文献[11那13那14那16[影响混合装置性能的因素包括材料混合时间，装载速率和螺旋钻速度。从上面描述的螺旋钻的临界速度和使用配给混合器的实际经验来计算，在模拟中采用以下这些因子的值：混合时间为30-150秒，装载速度为50-90％，螺旋速度为8-40圈·min^-1．三因素，五级模拟旨在分析材料颗粒的混合，使球状玉米粒的混合均匀是作为评价混合性能的指标。表中显示了三个因素和五个级别3.．

4.结果和讨论

4．1.负荷特性

4.1.1。切割过程的青贮饲料

通过如上所述的物质性质，接触类型和边界约束，如上所述的青贮饲料和装载刀具的有限元模型，在设置控制参数之后，关键字文件将导出到LS-DYNA求解器，并进行后处理分析仿真结果文件D3Plot在LS-Preptost中执行。数字11显示在四种不同时间（20ms，60ms，100ms和200ms）的载荷切割器中的青贮切割的效果。

为了便于观察在青贮枢塞表面上的应变，加载刀辊被隐藏如图所示(11日)和11 (b)．从数字中可以看出(11日)在20ms的运行时间，切割辊开始与青贮枢成接触，并且后者经受切割器的外边缘的切割力。此时，最大等效应变值为0.15。从图中11 (b)在60ms时，可以看出，随着刀辊向下旋转，切割辊之间的接触面积逐渐增加，并且来自切割器的青贮饲料上的剪切力相应地增加。从数字中可以看出11（c），在100ms的运行时间，切割器完全切入青贮饲料中，内部受损区域已经扩大，并且与前一次相比，青贮切割层的变形显然增加。当变形变得足够大时，可以破坏青贮血，其材料颗粒撕开并沿切割器的切线移动。这些颗粒在离心力下扩散到切割辊的螺旋叶片的两侧。颗粒凸出并受到0.34的最大当量应变值。从图中可以看出11 (d)和11 (e)，在200 ms的运行时间内，滚轮已经切割出青贮模型区域，飞溅青贮颗粒在惯性和扰动力的作用下继续进行抛掷运动。从这个青贮饲料切削过程的概述,可以看出,内部挤压和剪切的双重作用下的螺旋叶片加载刀辊、青贮材料的变形和位移主要集中在青贮饲料和辊之间的接触面积。

4.1.2。切削力和功率消耗的变化

加载刀辊在青贮料切割过程中切削力的变化如图所示12．可以看出，切割力从零逐渐增加，然后当辊切换了青贮区时，再次跌至零。随着辊子与青贮饲料之间的接触面积增加，切割力显示出在克服青贮材料的弹性变形阶段时呈现急剧上升趋势。当青贮血颗粒之间的粘合发生故障时，切割力达到约1.24kN的峰值。一旦切割器完全浸入青贮渣中，切割力就会在一定范围内上下波动。由于装载刀辊部分切出了青贮材料，因此青贮材料的堆积密度也随着持续切割而降低，其变形范围开始减少。然后，青贮材料开始软化，切割力显示出降低趋势。整个切割过程中的力波动从切割到分离中切割成的青贮饲料相对较小，切割过程相对稳定。

青贮切割的总能量消耗包括维持加载刀辊旋转所消耗的动能和加载刀辊与青贮相互作用所消耗的内能。如图所示13，在青贮切割的初始阶段，作为辊子和青贮啮合地接触，发生青贮变形并且功耗迅速增加。一旦滚筒切出了青贮区，它就会闲置;同时，由于青贮血残破，并且功耗降低，青贮血颗粒之间的结合力降低。从图中可以看出13整个青贮切割过程的最大功耗为3.87 kW，而稳定青贮切割过程中滚筒的功耗在2.69 kW左右波动。通过ANSYS/LS-DYNA仿真，可以估算青贮切割的功率消耗，从而为刀辊结构的优化提供实用参考。

4.1.3。切割功耗的验证

根据农业机械设计手册的经验公式[52，则加载刀辊切割青贮所需的功率(kW)为 在哪里问：_r是青贮生产率（kg·min^-1），L.为滚筒轴向长度(mm)，是沿着装载装置的壳体（= 1.2在本文中的壳体的电阻系数（= 1.2），H是青贮饲料的高度（= 5000 mm），和η.为校正因子(=1.4)。问：_r是（谁）给的 在哪里D.为滚筒螺旋叶片外径(=500 mm)，λ.是螺旋叶片和壳之间的间隙（= 8毫米），D.为滚筒内径(= 400mm)，φ为加载装置的物料加载率(=0.4)，t是螺旋刀片的间距（= 285毫米），n是装载刀辊的旋转速度（= 240 Rev·min^-1），γ.青贮料的容重(=420 kg·m ?^-3),C为螺旋叶片倾斜输送系数(=0.75)。

将各量的值代入方程(12)和(13)，我们可以得到N_r= 2.78千瓦。这个值的经验公式基本上是一致的价值从ANSYS 2.69千瓦/ LS-DYNA模拟,因此,有限元切削模型可以用来预测青贮饲料的功耗降低加载刀辊,该验证仿真使用SPH-FEM耦合算法的可行性。

4．2.混合特性

4.2.1。准备材料粒子在轴向的路径

为了分析物质粒子的运动，提取给定粒子的路径，如图所示14．颗粒与围绕螺旋螺旋刀片的切向方向的颗粒组与围绕它的颗粒组相互作用，以及沿螺旋钻的轴向提升。当颗粒达到一定高度时，克服与箱的侧壁的摩擦，并且颗粒在其自身的重力下落下。三种类型的材料颗粒彼此碰撞，并且在给定位置不能保持静止。因此，颗粒从箱的底部和螺旋螺旋桨的顶部向上移动到各种位置。在螺旋螺旋螺旋钻的旋转动作下，粒子经历周期性运动。因此，混合过程涉及不同材料颗粒的剪切，扩散和对流。

4.2.2。不同螺旋速度的径向材料流动

模拟混合装置的箱中的材料流动的材料混合时间为100秒，加载速率为70％，不同的螺旋速度为15转速度^-125岁的牧师·分钟^-1和35 rev·min^-1．EDEM软件的后处理模块中的剪切功能用于沿垂直于螺旋轴的方向产生二维横截面，以提供箱中材料颗粒的混合的视觉表示，如图所示15．

从数字中可以看出15（a），当螺旋速度为15次ref·min时^-1，颗粒混合的总体强度较弱，这三种类型的颗粒填充了箱子空间，以及不同密度的颗粒和尺寸在重力作用下容易沉积和聚集。颗粒运动主要由与箱壁和其他颗粒的碰撞引起的。当颗粒轴向移动时，挤出和摩擦与周围颗粒和箱的壁的影响更大，降低了颗粒扩散和对流运动的强度;在周向混合过程中颗粒之间的相对运动也更加困难，因此，颗粒间混合是不充分的。因此，低螺旋速度对于颗粒的均匀混合是不利的。

螺旋钻转速为25转·分钟^-1和35牧师·分钟^-1，在EDEM后处理界面中混合料显示形式由默认粒子状态变为矢量流(获得出料装置靠近料仓底壁位置的二维截面)。数字15（b）显示螺旋钻转速为25 rev·min时^-1，三种粒子的密度分布基本相同，这些粒子均匀分布在垃圾箱的空间中。随着混合过程的继续，颗粒的对流混合增强。在螺旋钻叶片的推动下，颗粒不断被提升、翻滚，与周围的颗粒群扩散混合。因此，粒子之间的混合趋于动态平衡。

如图所示15（c），以螺旋速度为35档·分钟^-1时，料仓内颗粒混合的整体强度较大。螺旋钻叶片周围颗粒的线速度明显高于其他区域，导致“沸腾”效应。螺旋钻轴周围的颗粒数量减少，减少了颗粒在料仓中的滞留时间。螺旋钻的高转速容易造成物料颗粒的偏析和分级，降低了三种颗粒之间接触的可能性。物料颗粒容易在仓壁边缘堆积，分布不再均匀。因此，提高搅拌装置的搅龙速度时要注意，因为如果搅龙速度过高，会降低物料颗粒分布的均匀性。

4.2.3。各因素对混合均匀性的影响

在单因素模拟中，其他两个因素保持在其中央水平的值(即第3级的值)不变，并且在每次模拟结束时，注意到15组模拟示例的混合均匀性。各因素对混合均匀性的影响如图所示16．

在物料加载速率和螺旋钻速度不变的情况下，物料混合时间对混合均匀性的影响如图蓝线所示16．混合均匀性首先增加，然后随着混合时间的增加而降低。在混合的初始阶段中，颗粒在沿圆周方向上滚动的同时沿着螺旋螺旋螺旋螺旋螺旋螺旋轴垂直抬起。然后通过剪切，对流和扩散逐渐混合它们，导致三种类型的材料颗粒的均匀分布。然而，由于三种类型的颗粒之间的物理性质的差异继续增加，因此它们变得易于偏析，导致混合均匀性降低至70.7％。

通过混合时间和螺旋速速度保持恒定，材料加载率对混合均匀性的影响由图中的绿线显示16．在低材料加载速率（50％）时，混合均匀性为77.8％。随着装载速率的增加，由颗粒挤出层产生的剪切和对流运动变得更强，并且彼此接触的颗粒的概率增加，这增加了颗粒的交叉混合并增加了混合均匀性至90.7％。当材料加载速率进一步增加时，箱中的剩余空间变小，阻碍了颗粒在圆周混合过程中的相对运动。由于箱中材料质量的增加，轴向混合过程中颗粒的挤压性也增加，粒子对流和扩散的强度降低，并且混合均匀性降至74.9％。

在物料混合时间和加载速率不变的情况下，螺旋钻速度对混合均匀性的影响如图红线所示16．由于螺旋速度从低值增加，箱的不同区域中的颗粒经受剪切，对流和扩散的组合，并且产生圆周和轴向三维混合运动，导致高度均匀的粒子分布，当螺旋速度处于中央级时，混合均匀性为91.2％（24 Rev·Min）^-1）.螺旋桨速度的进一步增加增强了螺旋螺旋刀片在颗粒上的推动效果，并增加了颗粒上的离心力，导致具有相同物理性质的颗粒。这导致三种不同类型的颗粒的分离和灰度，并且混合均匀性急剧下降至67.1％。

模拟结果表明，三个实验因素对混合均匀性的影响基本一致，均随各因素的增大先增大后减小。从图中可以看出16螺杆转速对混合均匀性的影响比混合时间的影响更显著，而混合时间的影响又比物料加载速率的影响更显著。

4.2.4。原型的性能测试

为了验证理论分析和数值模拟的可靠性，2018年12月，使用原型自行式TMR混合器的青贮饲料和材料混合性能测试（图17）在山东省成景市中力乳制品合作中进行。根据中国标准JB / T 11438-2013“总混合配给混合器”均匀配制测试材料[53，精料(含玉米粉20%、豆粕10%、玉米粒5%示踪)和粗料(含青贮55%、秸秆10%)的质量分数分别为35%和65%。测试仪器主要是电子秤(TCS-01型，精度0.5 g)、秒表(精度1 s)和取样袋。按照标准规定的试验方法，在22 rev·min不同螺杆转速下，测量物料混合时间为8 min、装载率为75%时混合装置料仓内的混合均匀度^-124岁的牧师·分钟^-1和26 rev·min^-1．通过对实际样机的性能测试，利用公式(11) [11-13］.3次混合均匀度分别为90.9%、92.3%和90.1%，平均混合均匀度为91.1%，在畜牧业中具有较好的实际应用价值。

根据仿真和性能测试结果，结合实际生产，螺钻转速为22-26转速·min^-1，物料混合时间为6-8分钟(模拟物料混合时间见表)3.应缩放到材料的实际混合时间），并且载荷速率为70-75％，均匀的混合均匀性大于90％，满足国家标准规定的材料混合要求[53］.此外，螺旋钻的最佳转速为22-26转速·min^-1从仿真中得到的转速在理论临界转速15-32 rev·min范围内^-1，间接证实了DEM的可靠性在分析材料混合特性方面。这些结果表明，当优化自行式TMR混合器的混合性能时，所提出的方法可以为工作参数提供参考值。

5.结论

（1）对于自行式TMR混合器的装载装置，SPH-FEM耦合算法已用于建立青贮和装载刀辊的有限元模型。使用ANSYS / LS-DYNA进行青贮切割的数值模拟。研究了青贮菌株的分布和切割力和功耗的变化，结果表明，由于装载切割辊的螺旋叶片，基于挤压和剪切力，分解了青贮血。最大切割力为1.24 kN，功耗波动约2.69千瓦，最大值为3.87千瓦。通过从已建立的经验公式获得的验证结果已经验证了模拟结果。（2）针对自走式TMR混合器的混合装置，建立了三种离散元材料颗粒的Hertz-Mindlin动态接触模型，模拟了颗粒的运动轨迹，分析了混合机理。物料沿螺旋钻的轴向运动，沿圆周方向翻滚，导致料仓不同区域的剪切、扩散和对流运动相结合。混合性能模拟结果表明，螺杆转速、混合时间和加载速率对混合性能的影响依次减小，且螺杆转速为22 ~ 26 rev·min时，螺杆转速对混合性能的影响依次减小^-1，6-8分钟的混合时间，加载速率为70-75％，给出了最佳的混合效果。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求可从相应的作者获得。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者承认中国国家重点研发计划（2016年2016YFD0701701），山东省重点技术研发计划的财政支持（No.1007GNC10123）和山东省重点研发计划（No.206CyJS05A02）。

参考文献

1. P. Turiello，A.LARRISTRA，F. BARGO，A. RELLED和W.WEISS，“玉米青贮饲料和商业乳制品农场总混合口粮的变化来源”职业动物科学家第34卷第3期2，pp。148-155,2018。视图:出版商网站|谷歌学术
2. S. Bai，Z.-J.Cao，X. Jin，Y.-J.王，H.-J.杨和s.-l。李，“霍尔斯坦牛瘤胃瘤胃和牛奶中脂肪酸谱的总混合口粮中饲料组合的肢体和牛奶的效果。综合农业杂志，卷。17，不。8，pp.1833-1842,2018。视图:出版商网站|谷歌学术
3. 陈勇，田飞，闫艳，宋哲，李飞，张志军，“国内外TMR饲料技术及混合机的研究进展”，中国农业机械化学报，卷。38，不。12，pp。19-29,2017。视图:谷歌学术
4. Y. Trillo, A. Lago和N. Silva-del-Río，“加州奶牛场高产奶量奶牛的混合日粮配方制备和喂养时间”，职业动物科学家第33卷第3期4, pp. 401-408, 2017。视图:出版商网站|谷歌学术
5. M. Spanghero, G. Magni, E. Boselli, M. Piombino, F. Mason，和G. Cozzi，“基于测量到两个tmr分数的产气量预测泌乳奶牛商业全混合日粮(tmr)的代谢能含量”，动物饲料科技，卷。226，第65-70,2017。视图:出版商网站|谷歌学术
6. M. L. Eastridge，R. A. Starkey，P. N.Gott等，“奶牛喂养来自玉米青贮，苜蓿干草，小麦秸秆和玉米秸秆以及玉米秸秆的等效饲料中性洗涤剂纤维的等效浓度具有相似的牛奶产量和总影响性消化率”动物饲料科技， 2017, vol. 225, pp. 81-86。视图:出版商网站|谷歌学术
7. C. Bisaglia和E. Romano，“一种用于拦截金属异物总体对象的新型磁性装置，”农业应用工程第33卷第3期1, pp. 55-61, 2017。视图:出版商网站|谷歌学术
8. T. J. Oelberg和W. Stone，“监控混合口粮和饲料输送系统，”北美的兽医诊所：食物动物实践，卷。30，没有。3，pp。721-744,2014。视图:出版商网站|谷歌学术
9. M. Halidan, G. R. Chandratilleke, S. L. I. Chan, a . B. Yu, J. Bridgwater，“叶片式混合器中粒子二元混合物混合行为的预测”，化学工程科学，卷。120，pp。37-48,2014。视图:出版商网站|谷歌学术
10. A. Kirchner, A. Feil, R. Colovic, D. Vukmirovic，和J. Levic，“在密集混合器中不连续地向不同粒径分布的动物补充饲料添加小体积液体，”粉技术，卷。239，pp。358-365,2013。视图:出版商网站|谷歌学术
11. 王德辉，李春华，林林，“叶片式混合机的机理分析与参数优化”，农业机械学报，第48卷，第48期12，pp。98-104,2017。视图:谷歌学术
12. 李磊，王德强，“旋转式全混合定量混合器混合均匀性检测方法的比较，”，甘肃农业大学学报号，第52卷。3，页136-139,2017。视图:谷歌学术
13. L. Li，D. Wang，C.LI，D.LI，Z. Z.江和Z.Ping，鼓和刀片组合式配给搅拌机的设计和实验优化，“农业机械学报，第48卷，第48期10，页67-75,2017。视图:谷歌学术
14. Q.郭，J.LI和Z.Kan，“绵羊总混合配给混合器混合系统的实验研究”中西县学院学报（自然科学版）第34卷第3期3，pp。385-390,2016。视图:谷歌学术
15. K. Yu，X. He，L. Li，D. Wang，Q. Zhang和M. na，“混合均匀性检测方法的实验研究”沈阳农业大学学报第46卷，第46期4, pp. 440-448, 2015。视图:谷歌学术
16. K. Yu，L. Li，X. He，D. Wang，Zhang和M. na，“桨式总混合配给混合器的实验设计和原理分析”农业机械学报第46卷，第46期7，pp。109-117，2015。视图:谷歌学术
17. L. Zuo，C. Yin和J. Zhang，“垂直TMR搅拌机螺旋钻的设计和压力分析”中国农业机械化学报第35期5、pp. 58-63, 2014。视图:谷歌学术
18. F. Elisa和P. Marta，“通过残差迭代的平滑粒子流体动力学方法”，应用力学与工程中的计算机方法，卷。352，pp。237-245,2019。视图:出版商网站|谷歌学术
19. A. W. Mark, N. B. George, S. Nigel, N. Tim，“用平滑粒子流体动力学模拟直升机迫降”，航空航天科技，卷。85，pp。277-292,2019。视图:出版商网站|谷歌学术
20. “基于SPH/FEM耦合算法的土壤切割动力学仿真与研究”，“基于SPH/FEM耦合算法的土壤切割动力学仿真与研究”，“基于SPH/FEM耦合算法的土壤切割动力学仿真与研究”，“基于SPH/FEM耦合算法的土壤切割动力学仿真与研究”，作者：王莹，中国农业机械化研究第39卷第3期7，页21-27,2017。视图:谷歌学术
21. F.CAI和Z.刘，“使用SPH-FEM耦合算法”岩石爆破过程的数值模拟与分析“采矿与安全工程学报，第32卷，第2期5，PP。840-845,2015。视图:谷歌学术
22. Zh型。张宏强，“SPH-FEM接触算法在碰撞动力学仿真中的应用”，中国固体力学杂志，第32卷，第2期3，页319 - 324,2011。视图:谷歌学术
23. X. Hou，T. Ding，T. Chen，Y. Liu，M.LI和Z. Deng，“不规则形状的月球土壤模拟颗粒的组成特性”粉技术，第346卷，137-149页，2019。视图:出版商网站|谷歌学术
24. R. Khasenova，S. Komarov，S.Ishihara，J. Kano和V. Y. Zadorozhnyy，“铝基衬底上复合涂层机械电镀的离散元素仿真”，“表面及涂层技术，卷。349，pp。949-958,2018。视图:出版商网站|谷歌学术
25. X. Zhang，Y. Liu，L. Li，Z. Tong，D. Yang和Z. Hou，“多段式螺旋钻的设计和性能实验”有机肥生产过程中，“农业工程学报第34卷第3期3，第49-56页，2018。视图:谷歌学术
26. “基于EDEM的双螺旋奶牛饲养装置的饲养性能分析与试验研究”，齐建军，阚志忠，李成才，李勇，“基于EDEM的双螺旋奶牛饲养装置的饲养性能分析与试验研究”，农业工程学报第33卷第3期24, pp. 65-71, 2017。视图:谷歌学术
27. “基于EDEM的气动组合孔玉米精密排种装置的充种性能仿真与验证，”农业工程学报第31卷第1期3, pp. 62-69, 2015。视图:谷歌学术
28. P. W. Cleary和M. D. Sinnott，“颗粒混合和造粒设备的混合特性评估”，粒子科学与技术，第6卷，第2期6，页419-444,2008。视图:出版商网站|谷歌学术
29. F. Bertrand，L. A. Leclaire和G. LeveCque，“用于混合颗粒材料的模型”，“化学工程科学，卷。60，否。8-9，pp。2517-2531,2005。视图:出版商网站|谷歌学术
30. F. M. Sonia，J. Bonet和A. Huerta，“与有限元素持续混合SPH”，计算机与结构，卷。83，没有。17-18，PP。1448-1458,2005。视图:出版商网站|谷歌学术
31. G. R. Johnson，R. A. Stryk和S. R. Beissel，“高速影响计算的SPH”，应用力学与工程中的计算机方法，卷。139，没有。1-4，pp。347-373,1996。视图:出版商网站|谷歌学术
32. T.Rabczuk，S.P. Xiao和M. Sauer，“耦合与有限元的无网线方法：基本概念和测试结果”国际生物医学工程中数学杂志，卷。22，没有。10，pp。1031-1065,2006。视图:出版商网站|谷歌学术
33. 田勇，段国强，孙勇，“基于SPH-FEM耦合方法的圆锯切割数值模拟，”机械设计杂志第34卷第3期2，第33-38页，2017。视图:谷歌学术
34. 王伟，“基于SPH和FEM的金属切削加工仿真研究”，系统仿真学报第21卷第2期16，第5002-5005页，2009。视图:谷歌学术
35. 李勇，张国栋，张志勇，胡涛，曹强，“小型竖井深耕机低功耗多螺旋旋耕机的研制”，农业工程学报第35期4，第72-80页，2019。视图:谷歌学术
36. H.Mansoori和H.Zarei，“使用LS-DYNA软件的流体动力RAM事件的FSI模拟”薄壁结构，第134卷，310-318页，2019。视图:出版商网站|谷歌学术
37. Y. Meng，J.Wei，J.Wei，H. Chen和Y.Cui，“桑树切割机圆锯锯切系统的ANSYS / LS-DYNA仿真和实验研究”农业计算机和电子产品，卷。157，pp。37-48,2019。视图:出版商网站|谷歌学术
38. 张舒，吴舒，“岩石真三轴强度的研究及mohl - coulomb准则形状函数的改进方法，”岩石力学与工程学报第35期S1，PP。2608-2619,2016。视图:谷歌学术
39. 《玉米秸秆的剪切试验》，中国农业机械化学报第36卷第2期3, pp. 63-66, 2015。视图:谷歌学术
40. J. Feng，H. Zhang，W. Mei和W.Cao，“垂直TMR搅拌机混合理论和螺旋钻参数的设计”中西县学院学报（自然科学版）第27卷第2期4，第503-506页，2009。视图:谷歌学术
41. M. Michele和S. E. Hugh，“工业应用的离散元方法(DEM):圆柱形颗粒模型的校准和验证评论”，科纳粉和粒子杂志， vol. 32, pp. 236-252, 2015。视图:出版商网站|谷歌学术
42. S. Lommen, D. Schott，和G. Lodewijks，“Dem加速:块体材料的刚度效应”，颗粒， vol. 12, pp. 107-112, 2014。视图:出版商网站|谷歌学术
43. Y. T. Feng，J. Loughran和D. R. J. Owen，“关于离散元素模型的上升：相似性原则”工程计算，卷。26，不。6，PP。599-609,2009。视图:出版商网站|谷歌学术
44. 冯玉涛，“大尺度粒子系统的离散元模型- i:精确尺度律”，计算粒子力学， vol. 1, no. 12, pp. 159-168, 2014。视图:出版商网站|谷歌学术
45. “基于EDEM的稳定土搅拌均匀性研究”，国家自然科学基金面上项目，道路机械和施工机械化，第32卷，第2期11，第49-53,2015。视图:谷歌学术
46. M. UCGUL，J. M. Fielke和C. Saunders，“耕作的三维离散元素建模：确定合适的接触模型和粘性土壤的参数”生物系统工程， vol. 121, pp. 105-117, 2014。视图:出版商网站|谷歌学术
47. C. J. Coetzee和D. N. J. Els，“离散元件参数的校准和筒仓排放和桶装料建模”，农业计算机和电子产品，第65卷，第5期2，页198-212,2009。视图:出版商网站|谷歌学术
48. F.Peng，H. Wang，F. Fang和Y. Liu，基于注射截面法的颗粒饲料的离散元素模型参数校准“农业机械学报，卷。49，没有。4，pp。140-147,2018。视图:谷歌学术
49. “考虑颗粒间黏聚力的粘性土离散元模型参数的校正，”华南农业大学学报，卷。38，不。3，pp。93-98,2017。视图:谷歌学术
50. 问：郭，肉羊用饲料混合机的优化与试验研究，石河大学，西河，中国，2016，中文。
51. k . Yu桨轮全混合比例混合器的试验研究及机理分析，东北农业大学，哈尔滨，中国，2015，中文。
52. 陈振中，华国华，李淑珍，农业机械设计手册，中国农业科学技术出版社，北京，2007。
53. 吴东，孙勇，肖胜，马旭东，李辉，赵敏，总混合口粮混合器（JB / T 11438-2013），中华人民共和国机械行业标准，北京，中国，2013，中文。

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