饲料粉碎机结构优化设计——基于自适应智能化调节的

王林生，马　瑛

(河南工业职业技术学院，河南 南阳　473000)



饲料粉碎机结构优化设计——基于自适应智能化调节的

王林生，马瑛

(河南工业职业技术学院，河南 南阳473000)

摘要：锤片式饲料粉碎机的作业效率和饲料粉碎质量受到诸多因素的影响，饲料的喂入量和粉碎室的工作效率是主要影响因素之一。为此，提出了一种带加肋板的饲料粉碎机结构，并将PID控制器引入到喂入量控制系统中，提高了饲料粉碎机的自适应智能化调节功能。为了提高粉碎室的工作效率和粉碎质量，将转子设计成了双圆盘形式，并在锤片上添加了肋板结构，在喂入装置中设计了PID调节器，可以根据锤片的阻力和粉碎质量来自适应的调节喂入量。最后，通过测试样机对饲料粉碎机的粉碎性能进行了测试，结果表明：通过测试发现：使用肋板结构可有效地缩短饲料粉碎工作时间，提高工作效率，利用PID调节器可以增强喂入系统的自适应性，提高响应速度，降低超调量，提高饲料的粉碎质量。

关键词：饲料粉碎机；自适应调节；喂入装置；PID控制；加肋板；闸板

0引言

饲料是畜牧业发展的基础，而饲料加工的水平和质量决定了畜牧业发展的规模，影响农业经济的发展和综合效益，直接关系到农业和整个国民经济的发展。因此，要使畜牧业发展壮大，必须解决饲料问题，而饲料的来源是解决问题的关键。由于我国粮食人均水平较低，不可能大量地直接使用粮食作为饲料，这就需要研究新型的饲料粉碎机，利用粗饲料丰富的优势，合理地利用各种饲料资源。新型饲料粉碎机设计需要解决的问题包括工作原理及性能、尺寸参数和材料等方面的问题，主要是解决高成本与低生产率的矛盾，提高饲料机的生成效率和加工质量，满足饲料的实际生产需求。

1新型饲料粉碎机总体设计

饲料粉碎机是饲料加工的基础工具，其工作效率受诸多因素的影响，因此需要对其加工功率影响较大的因素进行分析，优化其机械结构，提高粉碎机的工作效率。本研究的饲料粉碎机总体设计如图1所示。

为了提高饲料粉碎机的工作效率，本研究对饲料粉碎机的结构进行了优化设计，主要包括锤片结构优化、喂入装置优化和转子优化。喂入量的PID调节如图2所示。

图1　新型饲料粉碎机结构总体优化

图2　喂入量PID调节

喂入量的调节主要通过移动闸板来实现。为了实现其自适应调节功能，将闸板设计成可移动式，并使用PID控制器进行调节。PID可以反馈锤片的阻力及粉碎的合格率等信息，从而实现喂入量的自适应反馈调节,如图3所示。

图3　加肋板结构优化

为了提高粉碎机的工作效率，对锤片结构进行改造，将锤片设计成带有肋板的结构。通过肋板可以提高粉碎室的风速和风压，利于进料效率的提高和出料的压差，从而提高饲料粉碎机的粉碎效率。

2新型饲料粉碎机结构优化设计

饲料粉碎机在工作时，粉碎室的转轴通过电动机带动皮带进行高速旋转，粉碎室的物料是利用喂料斗喂入的，中间经过闸板，控制不同的喂入量。物料被锤片打破后，以较高的速度向筛片飞去，进一步摩擦和破碎，最后粉碎成小颗粒。其结构如图4所示。

饲料的加工粒度要求能够通过筛孔，作业主要是利用锤片的冲击和筛片与物料间的摩擦。粉碎机的功率可由经验公式初步计算，即

P=3.6·r·n·k·k1·k2·D2·B/60

(1)

其中，r为饲料的容重；n为转子转速；k为饲料流成环形时的影响系数；k1为喂入量的影响系数；k2为出料的影响系数；D为转子直径；B为粉碎室的高度。粉碎机的配套功率为

N1=C1·P

(2)

其中，C1为调整系数；P为生产率。由公式(2)可以看出：饲料的粉碎功率主要与转子转速、喂入量及粉碎室的结构有关，因此可以通过优化这3个方面来提升饲料粉碎机的工作效率。

将转速采用双圆盘形式，转子中间利用键和套筒进行定位。其中，锤的旋转形成了负压，提高了进料的速率和排料的压差，三维结构如图5所示。

1.喂料斗　2.闸板　3.粉碎室　4.转子

图5　粉碎机三维结构示意图

除了转子外，粉碎机的工作效率受锤片结构和进料口喂入量影响较大，因此需要对这两种结构进行优化，将锤片设计成带有肋板的形式，如图6所示。

图6　有无肋板时饲料粉机锤片示意图

增加肋板后，可以提高粉碎室转动后的风力，从而形成更高的风压，提高饲料的粉碎效率。喂料装置的结构示意图如图7所示。

图7　喂料装置结构示意图

为了提高喂入的效率，将喂料装置设计成径向顶部喂入的形式，可以对物料的喂入起到调节的作用，提高粉碎室的风压，增强排粉的能力。为了实现喂入物料的自适应调节，对闸板结构进行优化设计，如图8所示。

图8　闸板结构示意图

图8中利用闸板结构可以控制进料的流量和速度。为了实现闸板的自适应调节，将闸板设计成可以移动式，在锤片装有阻力传感器，当阻力增大时，可以调节闸板的位移，从而调节饲料的流量。

图9为喂入量的PID总体控制示意图。其中，PID控制器可利用算法进行编程控制，而喂入量的大小调节主要通过闸板的位移来实现；闸板位移可以使用最简单的线性PID控制器来控制，其结构如图10所示。

图9　喂入量PID总体控制示意图

图10　闸板位移PID控制器设计

闸板位移的PID控制器结构主要包括比例调节、积分调节和微分调节环节。假设饲料粉碎机的喂入量为Q，则其PID控制方程可以写成

(3)

其中，kp为PID调节的比例系数；ki为PID调节的积分比例系数；kd为PID调节的微分比例系数；T为采样周期；e为两次流量的调节的误差。

3饲料粉碎机功能测试

为了验证本次研究对新型饲料粉碎机进行优化的有效性和可靠性，根据优化后的结构研制了饲料粉碎机的样机，并对样机进行了测试，项目包括喂入量的调节响应、工作效率和饲料粉碎质量。测试样机如图11所示。

图11中，锤片结构和闸板结构已经进行优化。为了测试其喂入量的调节响应，对喂入量随时间变化曲线进行了统计，结果如图12所示。

图11　饲料粉碎机测试样机示意图

图12　饲料粉碎机喂入量随时间变化曲线

为了验证PID调节的有效性，将非PID和PID调节的结果进行了对比，结果表明：PID调节器增强了系统的自适应性，其响应速度快、超调量较小。

为了验证加肋板对饲料粉碎机的影响，对新型饲料粉碎机的工作效率进行了测试，得到了6组工作效率的对比结果，如表1所示。

表1　粉碎机工作效率测试

由表1可以看出：使用肋板后缩短了饲料粉碎所需时间，有效地提高了粉碎效率。

为了验证PID调节器对饲料粉碎机粉碎质量的影响，对新型饲料粉碎机的粉碎质量进行了测试，得到了6组工作效率的对比结果，如表2所示。由表2可以看出：使用PID控制可以有效对喂入量进行自适应调整，从而提高饲料粉碎的质量。

表2　粉碎机粉碎质量测试

4结论

1)为了提高锤片式饲料粉碎机的作业效率和作业质量，设计了一种新型的饲料粉碎机。该机型电机使用双圆盘转子，在饲料粉碎机的锤片结构上设计了肋板结构，并在喂入装置中设计了PID控制器，实现了饲料加工过程物料喂入量的自适应调节，从而大大提高了饲料粉碎机的工作效率和作业质量。

2)为了验证饲料粉碎机结构优化的可靠性，本文研制了新型饲料粉碎机的样机，并对样机的饲料粉碎性能进行了测试，结果表明：使用肋板和双圆盘转子可以有效地提高饲料粉碎机的工作效率，使用PID控制器可以有效地提高喂入系统的响应速度、降低超调量，提高饲料粉碎的质量，为新型饲料粉碎机的研究提供了较有价值的参考。

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Structural Optimization Design of Feed Mill——Based on Adaptive Intelligent Control

Wang Linsheng, Ma Ying

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China)

Abstract：Feed hammer mills operating efficiency and feed crushing quality is influenced by many factors. The feed quantity and crushing chamber work efficiency is one of the main factors.In order to solve this problem, this paper proposes a stiffened plate of feed grinder structure,and PID controller is introduced into the feed rate control system to improve the feed grinder of intelligent adaptive adjustment function. In order to improve crushing chamber work efficiency and quality of crushing, rotor is designed into double disc.And the hammer is adding ribbed slab structure, in the feeding device design PID regulator.According to hammer resistance and grinding quality from adjust feed rate,the test of the prototype of feed mill crushing performance was tested, and it was found that it can effectively relationship feed grinding time, improve work efficiency by using beam and slab structure.Using PID regulator can enhance the feeding adaptability of the system and enhance the response rate, reduce the overshoot and improve the feed grinding quality.

Key words：feed grinder; adaptive control; feeding device; PID control; ribbed plate; gate

中图分类号：S817.12+2

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0204-05

作者简介：王林生(1981-)，男，河南南阳人，讲师，硕士。通讯作者：马瑛(1982-)，男，河南南阳人，讲师，硕士，(E-mail) maying1982@qq.com。

基金项目：河南省高校重点科研项目(15B535002，14B510011)

收稿日期：2015-08-06