水產(chǎn)硬顆粒飼料切割技術(shù)探討

■張衛(wèi)東 趙德福 張遠(yuǎn)方 張 玲

（河南省水產(chǎn)科學(xué)研究院水產(chǎn)動物營養(yǎng)所，河南鄭州450044）

水產(chǎn)（魚、蝦）硬顆粒飼料在水產(chǎn)養(yǎng)殖中有著廣泛的應(yīng)用。此類飼料對顆粒的制粒和品質(zhì)要求非常高，其中顆粒品質(zhì)的一個重要指標(biāo)就是外觀質(zhì)量。水產(chǎn)硬顆粒飼料外觀質(zhì)量包含了多個方面，其中又以長短一致性、切口平整度、色澤一致性為重點(diǎn)。本文就顆粒切割長短一致性和切口平整度兩方面加以探討。

1 飼料顆粒的切割機(jī)理

壓輥在擠壓區(qū)攫取物料后將顆粒從環(huán)?？字袛D出，顆粒只在壓輥與環(huán)模相切位置被擠出，此后長度不變。隨環(huán)模旋轉(zhuǎn)的顆粒與制粒切刀相對運(yùn)動時顆粒被切斷或被碰觸斷裂，完成飼料顆粒的切割，見圖1。

2 影響顆粒長短一致性和切口平整度的因素及對策探討

在影響顆粒長短一致性和切口平整度的眾多因素中，顆粒的切割是不容忽視的環(huán)節(jié)，它主要涉及到以下幾個方面：切刀與環(huán)模外圓面的距離，切刀的向下調(diào)整，切刀產(chǎn)生鋸齒狀磨損后的更換，切刀的厚度和材料以及硬度，模孔排列方向?qū)η械睹娴挠绊?，切割角度。要?shí)現(xiàn)高質(zhì)量的顆粒切割，理論上應(yīng)保持刀片足夠鋒利、足夠薄、切割面應(yīng)平整呈直線磨損、切割面與環(huán)模直接接觸。

圖1 飼料顆粒的切割

實(shí)際生產(chǎn)中，有不少工作者就各個方面進(jìn)行了摸索、研究和改進(jìn)并取得了良好的效果，使水產(chǎn)硬顆粒的切割品質(zhì)有了很大提高：如改變環(huán)?？椎呐帕蟹较驕p少切刀典型的鋸齒狀磨損；采用厚度為0.5～0.8 mm的切割刀片；切割刀片選用預(yù)硬的工具鋼或彈簧鋼材料提高耐磨性；在切割面加工出鋒利刃口；定期檢查并向下調(diào)整刀片與環(huán)模外圓的距離；定期更換切割刀片；采用復(fù)雜特制刀片或圓弧傾斜刀片等。

從行業(yè)整體來看，水產(chǎn)飼料硬顆粒的切割仍然存在有待改進(jìn)的空間。在大多數(shù)的生產(chǎn)中并不能保持每把切割刀都與環(huán)模外圓接觸，因?yàn)槊總€壓輥的工況并不相同：如模輥間隙不同、物料供給量不同、物料分布不同都導(dǎo)致不同壓輥擠出的顆粒長度不同。此時若把切刀均與環(huán)模接觸反而不能獲得工藝所要求的顆粒長度和長短一致性，往往需要把某把切刀離開環(huán)模表面進(jìn)行切割，這就增加了顆粒切割的復(fù)雜性。

在?？着帕蟹矫姘殉Ｒ?guī)三角形排列調(diào)整為旋轉(zhuǎn)90度直排列后，由于切刀任意工作面都會與飼料顆粒接觸，切刀面磨損更為均勻，大大降低了鋸齒狀磨損的程度（見圖2），但同時也帶來了缺陷：一是鋒利的切刀在模具外圓切割出波紋棱帶，讓切刀不能與環(huán)模表面貼平，嚴(yán)重影響切割顆粒的品質(zhì)；二是?？自谳S向距離縮小后，環(huán)模軸向強(qiáng)度不足，易開裂，或發(fā)生玉米狀脫落現(xiàn)象，因此常規(guī)三角形排孔并不能在水產(chǎn)顆粒生產(chǎn)中被完全否定。在切割刀片的維護(hù)方面，通常每生產(chǎn)3 h后需要人工檢查刀片磨損狀況以及更換或打磨刀片，更換時需要停機(jī)拆裝刀片，這樣既影響生產(chǎn)效率，同時又增加了顆粒切割質(zhì)量的不可控性。

圖2 模孔排列對切刀磨損狀態(tài)的影響

針對顆粒切割的不足，國內(nèi)某公司開發(fā)了一種制粒機(jī)動態(tài)橫割切刀，在很大程度上改善了水產(chǎn)顆粒切割中存在的不足。動態(tài)橫割切刀的設(shè)計(jì)思路是讓切刀片沿著環(huán)模軸向周期反復(fù)移動以實(shí)現(xiàn)整個切割面的磨損一致性，其間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)由微型電機(jī)驅(qū)動凸輪實(shí)現(xiàn)切刀片直線橫割（見圖3）。切刀片增加了橫割運(yùn)動后，即使在常規(guī)三角形排列的環(huán)模上也有效解決了部分切刀面無顆粒通過導(dǎo)致嚴(yán)重鋸齒狀磨損現(xiàn)象，切刀面磨損平整；在直排列的環(huán)模上進(jìn)一步降低了切割面的波浪狀。切刀橫移運(yùn)動與顆粒隨環(huán)模的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動同時動作復(fù)合為斜向的主動切割運(yùn)動，這也提高了飼料顆粒切口的平整度。由于切刀的切割面磨損更趨向于直線，因此切割刀片的更換周期由3 h延長到10～12 h，減少了停機(jī)帶來的效率損失，這對目前的飼料生產(chǎn)有著積極的意義。

圖3 橫向反復(fù)移動的切割

3 智能切刀的構(gòu)想及工作機(jī)理

筆者在動態(tài)橫割切刀的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)提出了創(chuàng)造性的智能切刀，即在切刀上下移動方向增加伺服電動執(zhí)行結(jié)構(gòu)，見圖4，實(shí)現(xiàn)切刀的快速上下和精密定位運(yùn)動。機(jī)械機(jī)構(gòu)上采用伺服電缸，伺服電缸工作原理是通過絲桿傳動將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為軸的直線位移，通過對伺服電機(jī)的控制即可達(dá)到在直線方向的任意位置可編程精準(zhǔn)定位以及可編程力矩控制，因此在很多行業(yè)中形成替代氣缸的趨勢。

圖4 伺服智能切刀模型

飼料工廠目前的現(xiàn)狀是切刀上下調(diào)節(jié)往往是敲打軸頭調(diào)節(jié)，費(fèi)時費(fèi)力且位置精度低。采用伺服電缸后，電缸軸與切刀軸集成，刀片安裝在電缸軸末端，電缸軸在伸出位置可以做到良好的密封（現(xiàn)有切刀機(jī)構(gòu)密封效果差導(dǎo)致使用不靈活，操作者不得不敲打）。

在控制模式上，智能切刀采用兩種控制狀態(tài)：位置和力矩比較。當(dāng)系統(tǒng)檢測到顆粒機(jī)環(huán)模停止轉(zhuǎn)動后，所有切刀自動返回機(jī)械零點(diǎn)（高位）。當(dāng)系統(tǒng)檢測到顆粒機(jī)環(huán)模旋轉(zhuǎn)且顆粒機(jī)門已關(guān)閉時切刀自動貼近環(huán)模表面規(guī)定的位置（稍高于表面），這可以通過在系統(tǒng)中輸入環(huán)模厚度和刀伸長度來實(shí)現(xiàn)，此時根據(jù)顆粒實(shí)際長度和目標(biāo)長度在系統(tǒng)上輸入微調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)，直到精準(zhǔn)控制顆粒長度。若調(diào)整有誤，如數(shù)據(jù)輸錯導(dǎo)致切刀將扎進(jìn)環(huán)模時系統(tǒng)報(bào)警且不執(zhí)行。若需要某把切刀貼平環(huán)模表面時，可在微調(diào)切刀時選擇這把刀進(jìn)行力矩比較，比較值可在手動狀態(tài)或經(jīng)驗(yàn)獲得，一旦調(diào)整到切刀微步前進(jìn)時系統(tǒng)檢測到伺服電機(jī)力矩平均數(shù)據(jù)達(dá)到比較值時，切刀不再前進(jìn)，此時切刀已經(jīng)緊貼環(huán)模表面。

可以看出伺服智能切刀具備停機(jī)自動回零，開機(jī)自動到達(dá)，可微調(diào)控制、故障識別等自動化功能，大大提高了顆粒機(jī)切刀的自動化控制程度，同時減少人工操作、避免了野蠻操作、提高了水產(chǎn)顆粒切割的可控性。此機(jī)構(gòu)與顆粒機(jī)接口非常簡單因此機(jī)型適應(yīng)范圍廣，方便舊設(shè)備的智能化改造。同時應(yīng)看到盡管伺服控制定位技術(shù)在各個行業(yè)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但結(jié)合到工況和環(huán)境惡劣的飼料顆粒機(jī)上原本簡單的機(jī)械機(jī)構(gòu)和控制更為復(fù)雜，其穩(wěn)定性、可操作性、成本接受程度有待在實(shí)際生產(chǎn)中得到檢驗(yàn)和不斷改進(jìn)。可以預(yù)見這是飼料工廠設(shè)備自動化發(fā)展的方向，是不可逆轉(zhuǎn)的潮流。