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摘要
全混合日粮（TMR）饲养技术是现代集约化畜牧养殖的核心技术之一，其关键在于将粗饲料、精饲料及各种添加剂按营养配方精确混合，形成营养均衡的日粮。混合均匀度是评价TMR作业机性能的核心指标。针对现有立式螺旋式、卧式搅龙式TMR搅拌机存在的混合死角、能耗高、对纤维物料切割揉搓效果不均等问题，本文提出一种新型交错转轮式全混合日粮作业机设计方案。该设计核心在于采用多组轴线平行的转轮，相邻转轮旋向相反、转速可调，且转轮叶片在轴向和周向上呈交错布局。作业时，物料在交错旋转的叶片作用下，经历强烈的对流、剪切与扩散混合，同时叶片边缘对长纤维物料具有良好的切割与揉搓功能。本文详细阐述了该机的整体结构、动力传动系统、关键部件（转轮组、箱体、卸料机构等）的设计计算与选型依据。通过离散元法（DEM）仿真分析，初步验证了物料在机内的运动轨迹与混合机理。试制样机后，以混合均匀度变异系数（CV）和物料粒度分布为主要评价指标，进行了不同物料配比、填充系数、转轮转速及混合时间的正交试验。试验结果表明：该机在典型工况下（转轮转速35-45 r/min，-，混合时间240-300 s），对含有长干草、青贮玉米、精料补充料的全混合日粮，其混合均匀度变异系数可稳定在5%以下，达到优级标准；且混合后物料粒度分布合理，有效避免了过度混合导致的饲料分离和粒度过细问题。该设计为高性能TMR设备的开发提供了新思路。
关键词：全混合日粮；TMR搅拌机；交错转轮；混合均匀度；变异系数；离散元法；畜牧机械
一、引言
全混合日粮（Total Mixed Ration, TMR）技术通过将粗饲料、精饲料、矿物质、维生素及其他添加剂按科学配比充分混合，确保每一口饲料都含有均衡的营养成分，能有效提高饲料利用率、预防奶牛营养代谢疾病、提升产奶量和繁殖性能。TMR搅拌车（或称TMR作业机）是实现该技术的关键装备。目前市场上主流机型包括立式螺旋搅拌机和卧式搅龙搅拌机。立式机型占地面积小，填充系数高，但对长纤维物料的切割揉搓能力相对较弱，底部易存在混合死角；卧式机型混合强度大，但对动力要求高，且存在物料轴向移动导致的混合不均问题。
理想的TMR混合过程应同时具备高效的混合能力（快速达到高均匀度）和温和的处理方式（避免过度破坏饲料物理结构，防止分离）。基于对现有机型优缺点分析，本研究提出一种基于交错转轮原理的新型TMR作业机设计方案。其核心创新点在于利用多组旋向相反、转速可调、叶片空间交错的转轮，形成复杂的流场，实现对物料的强对流和剪切混合，并兼具良好的纤维切割功能。本文旨在系统介绍该机型的设计理念、结构细节，并通过试验验证其混合性能。
二、整机结构与工作原理
（一） 设计目标与主要技术参数
* 设计目标：混合均匀度变异系数CV ≤ 5%；适应物料范围广，尤其擅长处理长纤维粗饲料；能耗低于同级传统机型；卸料残留率低。
* 主要技术参数：
* 料箱有效容积：10 m³
* 外形尺寸（长×宽×高）：4500 mm × 2200 mm × 2500 mm
* 配套动力：75 kW 拖拉机动力输出轴（PTO）
* 转轮数量：4组
* 转轮转速范围：20 - 60 r/min（可调）
* 卸料方式：底部链板式或液压驱动侧翻门
（二） 整体结构布局
整机主要由料箱、转轮总成、传动系统、液压系统、卸料装置和机架等部分组成。料箱采用U形或方圆形截面，底部过渡圆滑，以减少物料残留。四组转轮平行布置于料箱底部上方，贯穿料箱全长。传动系统位于料箱一端或两端，通过齿轮箱或链轮链条将动力传递至各转轮。
（三） 核心工作部件：交错转轮总成
转轮总成是核心混合部件。每组转轮由转轴、叶片、支撑臂等构成。
1. 叶片设计：叶片采用高强度耐磨钢板制成，其边缘可设计为锯齿状或刃口，以增强切割能力。叶片在转轴上的安装方式为螺旋排列，但相邻转轮上叶片的螺旋方向相反。更重要的是，相邻转轮的叶片在轴向和周向位置上均相互错开，即一组转轮的叶片扫过区域，恰好是另一组转轮叶片的间隙区域。这种“交错”布局确保了物料在机内受到连续、无死角的搅拌作用。
2. 旋向与转速：相邻转轮的旋转方向相反。通过独立控制或分组控制转轮转速，可以调节混合强度。例如，提高转速差可增强剪切混合。
（四） 工作原理
工作时，物料从顶部投入料箱。启动转轮后，相邻转轮相对旋转。由于叶片交错布置，物料在机内受到以下综合作用：
1. 对流混合：相反旋向的转轮推动物料形成宏观循环流，使物料在箱体内上下、左右剧烈运动。
2. 剪切混合：在相邻转轮叶片交错区域，物料受到强烈的剪切作用，实现组分的快速分散。
3. 扩散混合：物料颗粒在运动中的随机碰撞和渗透，进一步促进均匀化。
4. 切割揉搓：旋转的叶片边缘对长纤维物料进行切割和揉搓，使其长度适中，利于采食和消化。
整个混合过程是以上几种机制协同作用的结果，从而实现快速、均匀、温和的混合效果。
三、关键部件设计与计算
（一） 转轮直径与转速确定
转轮直径D主要根据料箱宽度和结构强度确定。转速n是影响混合效果和功耗的关键参数。其设计需考虑弗劳德数（Fr = n²D/g）以平衡离心力与重力作用，避免物料贴壁旋转。初步确定范围后，通过仿真和试验优化。最终设计D = 600 mm，工作转速n = 30-50 r/min。
（二） 叶片形状与安装参数
叶片倾角、螺距、叶片数量影响物料的轴向移动速度和混合强度。通过离散元仿真优化，确定叶片采用渐开线形状，安装倾角15°，螺距800 mm，每组转轮安装6片叶片。
（三） 功率计算
总功率消耗主要包括：提升和抛洒物料的功率、克服物料间摩擦和变形的功率、机械传动损失。采用经验公式并结合离散元仿真载荷分析，估算满负荷工况下所需最大功率约为60 kW，选用75 kW拖拉机PTO驱动留有足够裕量。
P_total ≈ k * ρ * V * n * D² （k为经验系数，ρ为物料密度，V为有效容积）
（四） 传动系统设计
采用中央齿轮箱分流，通过万向联轴器将动力传递至各转轮轴。齿轮箱设计有差速功能或采用独立液压马达驱动，以实现转速调节。
（五） 卸料机构设计
卸料门位于料箱底部侧方或后方，由液压缸驱动。门体密封可靠，开启面积大，确保快速、低残留卸料。卸料时，转轮可低速旋转辅助排料。
四、基于离散元法的混合过程仿真分析
为预测混合性能并优化结构参数，采用EDEM软件建立机具和饲料颗粒（玉米秸秆、精料等）的离散元模型。
1. 模型建立：创建料箱和转轮几何模型，设定颗粒工厂生成不同属性的饲料颗粒群。
2. 接触参数设置：根据文献和试验测定饲料颗粒间的碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数等。
3. 仿真结果分析：
* 颗粒运动轨迹：清晰显示物料在交错转轮作用下的复杂三维运动，形成强烈的对流循环。
* 混合指数：通过追踪示踪粒子（如代表精料的特定颜色颗粒）的位置变化，计算混合度随时间的变化曲线。仿真表明，该结构能在较短时间内达到高混合度。
* 功耗估算：通过计算转轮扭矩和转速，估算混合过程的功率消耗，与理论计算相互验证。
仿真结果初步证实了交错转轮设计在混合效率上的优势。
五、样机试制与性能试验
（一） 试验材料与方法
1. 试验物料：按典型奶牛TMR配方配制，包括苜蓿干草、全株玉米青贮、羊草、精料补充料（玉米、豆粕、麸皮等）、预混料。以氯化钠（NaCl）作为示踪剂。
2. 评价指标：
* 混合均匀度：混合至设定时间后，在卸料过程中按标准方法（如十点采样法）采集样品，测定样品中NaCl含量，计算变异系数（CV）。
* 物料粒度：使用宾州筛（PSPS）测定混合后物料的粒度分布。
* 功耗：使用功率分析仪记录混合过程中的实时功率。
* 卸料残留率：卸料后称重料箱内残留物料重量，计算残留率。
（二） 试验方案
采用正交试验法，研究转轮转速（A：30, 40, 50 r/min）、填充系数（B：, ,
）、混合时间（C：180, 240, 300 s）三个因素对混合均匀度（CV值）和功耗的影响。每个试验重复3次。
（三） 试验结果与分析
1. 混合均匀度：极差分析和方差分析表明，各因素对CV值影响的主次顺序为：混合时间 > 转轮转速 > 填充系数。在最优水平组合（A2B2C2：转速40 r/min，，时间240 s）下，% ± %，显著优于（CV ≤ 5%）。
2. 物料粒度：宾州筛分析显示，混合后物料上层（长纤维）比例适中，中层和底层分布均匀，避免了精料沉底和粗料上浮的分离现象，且纤维长度得到有效控制，满足TMR物理特性要求。
3. 功耗：在额定工况下，平均功耗约为55 kW，低于同容积卧式搅龙机型的典型功耗。
4. 卸料性能：卸料顺畅，%。
六、结论与展望
本文提出的交错转轮式TMR作业机设计，通过转轮旋向相反、叶片空间交错的独特结构，有效融合了对流、剪切、扩散混合机制，实现了高效、均匀的混合效果。
离散元仿真和样机试验结果表明，该机型混合均匀度高（CV可稳定低于5%），对纤维物料处理效果好，功耗相对较低，卸料残留少，主要性能指标达到或超过了设计预期。
该设计为解决现有TMR搅拌机存在的混合死角、能耗高、纤维处理不均等问题提供了一种有效的技术方案。
未来研究可进一步优化叶片形线、研究转轮转速智能匹配控制策略、开发基于近红外光谱（NIRS）的在线成分监测功能，并向更大容量和智能化方向发展。
（全文约3500字）