20世纪90年代以后,中国生猪养殖业迅速发展,已经成为农业支柱产业之一。多年来,中国是世界猪肉消费的第一大国,生猪养殖业在世界一直保持举足轻重的地位。然而中国却不是养猪强国,60%以上中小型规模猪场缺乏必要的装备设施,养殖工程的机械化、自动化、智能化技术水平较低。随着生猪养殖规模化、养殖过程自动化及至智慧化发展,深入开展养殖机械研究非常必要。喂饲作业是生猪养殖场的一项繁重作业,实现机械化是其规模化发展的关键,饲喂器作为生猪喂饲所必须的终端设备,是喂饲作业中的一种关键设备,其排料性能的优劣严重影响猪只采食质量,故针对猪用饲喂器的研究极其重要、且亟待深入。针对目前生猪保育、妊娠及哺乳等重要阶段配套使用的智能饲喂设备作业过程中存在易结拱、排料量计量误差大等问题,未见对其精确供料装置——拨片排料式、螺旋排料式供料装置深入的机理研究与理论创新。本文在综合分析国内外猪用饲喂器发展现状的基础上,以常见的猪用颗粒饲料为试验材料,采用理论分析、虚拟仿真、高速摄像、试验测试等相结合的方法,深入研究拨片排料式及螺旋排料式供料装置的排料机理,探究其内部颗粒饲料流动特性及排料性能。主要的研究内容如下:(1)颗粒饲料特性测定研究选取猪用颗粒饲料为试验材料,自主搭建饲料特性测定试验台,采用基础试验方法测定各饲料的几何尺寸、密度及容重等基础物理特性参数,饲料与饲料间及饲料与几何模型间静摩擦系数、滚动摩擦系数、休止角、内摩擦角、剪切模量及碰撞恢复系数等力学特性参数。在此基础上,通过虚拟标定方法开展自然休止角测定,验证试验测定饲料特性参数的真实性,为后续关键结构优化设计和虚拟排料试验研究提供理论依据。(2)猪用饲喂器精确供料装置建模与分析针对保育猪和母猪采用的智能饲喂器精确供料装置,即拨片排料式供料装置和螺旋排料式供料装置,分别阐述其总体结构及工作原理,建立供料装置排料过程运动学与动力学模型,探究解析其排料作业机理,对其贮料装置(简称“料斗”和“方斗”)、排料单元等关键结构进行优化设计,以有效提高供料装置作业质量。(3)拨片排料式供料装置料斗内颗粒饲料流动特性分析与排料性能数值模拟研究以建立的拨片排料式供料装置为研究载体,结合数值模拟技术和单因素试验方法,运用离散元仿真软件EDEM进行虚拟排料试验。探究料斗内部颗粒饲料的运动机理,分析排料过程中斗壁倾角、出料口直径和主轴转速对料斗内颗粒饲料流动特性的影响规律以及各参数下其排料性能的变化规律,确定影响供料装置工作性能的各参数合理范围,依此完成供料装置试验样机试制。应用高速摄像技术追踪颗粒运动轨迹验证仿真分析的正确性,优化上述各参数合理影响范围,为后续排料性能试验奠定基础。(4)螺旋排料式供料装置方斗内颗粒饲料流动特性分析与排料性能数值模拟研究以建立的螺旋排料式供料装置为研究载体,对送料槽内颗粒流动过程进行机理分析以验证前期理论分析的正确性,同时以斗壁倾角、螺旋叶片直径和螺旋轴转速为试验因素进行单因素虚拟仿真试验,并利用后处理模块导出数据获得各因素对流动特性及排料性能指标的影响规律,依此完成供料装置试验样机试制。借助高速摄像技术对排料过程中颗粒饲料运动规律进行分析,确定影响供料装置工作性能的各参数合理范围,为后续排料性能试验奠定基础。(5)拨片排料式供料装置的性能试验及参数优化以建立的拨片排料式供料装置为研究载体,利用自主搭建的排料性能测试台架进行性能试验。选取斗壁倾角、出料口直径和主轴转速为试验因素,流量和变异系数为评价指标,分别展开单因素和多因素排料性能优化试验。基于Design-Expert8.0.10软件对流量与变异系数进行多目标优化,综合分析得到当斗壁倾角、出料口直径和主轴转速分别为70°、110mm和30r/min时,变异系数为3.64%、流量为152.98g/s。并采用上述最优参数组合进行验证试验研究,结果表明,拨片排料式供料装置饲槽内颗粒饲料分布均匀且排料效率较高,其变异系数相对误差为3.12%,流量相对误差为4.14%,验证拨片排料式供料装置优化设计参数合理。(6)螺旋排料式供料装置的性能试验及参数优化以建立的螺旋排料式供料装置为研究载体,利用自主搭建的排料性能测试台架进行性能试验。选取斗壁倾角、螺旋叶片直径和螺旋轴转速为试验因素,变异系数和相对误差为评价指标,分别展开单因素和多因素排料性能优化试验以分析各因素对指标的影响主次顺序。同时,基于Design-Expert8.0.10软件对模型进行多目标优化,综合分析可得,当斗壁倾角、螺旋叶片直径和螺旋轴转速分别为55°、48mm和60r/min时,方斗内排料过程较均匀且经送料槽单位时间颗粒质量流率与理论值差异较小,变异系数为2.62%、相对误差为5.10%。并采用上述最优参数组合进行试验研究,结果表明,螺旋排料式供料装置排料稳定性及精确度较高,其变异系数和相对误差产生的误差分别为3.60%和2.24%,验证螺旋排料式供料装置优化设计参数合理。