帶回料管錘片式飼料粉碎機(jī)影響玉米粉碎粒度因素的試驗(yàn)研究

■曹麗英 韋安寧 李 震史興華 李魏魏 趙鈺龍

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭041010）

我國(guó)是全球第二大飼料生產(chǎn)國(guó)[1]，國(guó)內(nèi)大約一半以上的飼料是用錘片式粉碎機(jī)粉碎的[2]。許多相關(guān)研究結(jié)果表明：粉碎粒度對(duì)飼料營(yíng)養(yǎng)成分有效利用及畜禽生長(zhǎng)和生產(chǎn)性能有顯著的影響，適宜的粉碎粒度有利于飼料的混合、調(diào)質(zhì)、制粒、膨脹、擠壓膨化等[3-4]。隨著畜禽飼養(yǎng)水平的提高，飼養(yǎng)者對(duì)飼料加工質(zhì)量的要求也不斷提高，因此如何高效率、低耗能的工業(yè)化生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)飼料成為行業(yè)的研究熱點(diǎn)。

本文針對(duì)課題組研制的新型錘片式飼料粉碎機(jī)樣機(jī)，以玉米為原料，根據(jù)不同飼料粒度生產(chǎn)要求，采用正交旋轉(zhuǎn)中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法,對(duì)影響新型錘片式飼料粉碎機(jī)樣機(jī)粉碎后飼料粒度的主要影響因素進(jìn)行試驗(yàn)，確定粉碎后飼料的幾何平均粒度與篩片孔徑、粉碎機(jī)主軸轉(zhuǎn)速和飼料生產(chǎn)時(shí)喂入速度的關(guān)系[5-6]，得到了一些有價(jià)值的數(shù)據(jù)，可供課題組后人和同行參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

玉米：采用2015年收獲的內(nèi)蒙古包頭地區(qū)種植的黃玉米，符合GB/T 17890—2008《飼料用玉米》，常溫保存并堆積。采用帶回料管裝置的新型錘片式飼料粉碎機(jī)，由課題組前期自行研制，如圖1，其主要設(shè)計(jì)工作參數(shù)如表1所示；TYPE Y132S1-2型三相異步電動(dòng)機(jī)（南京韓速電機(jī)有限公司）；標(biāo)準(zhǔn)樣品分析篩（方孔，篩孔孔徑分別為5、6、8、10、12、14、16、18目，河南省鶴壁市天弘儀器有限公司）；ACS-計(jì)價(jià)型電子秤（武義大河電子有限公司），精度0.01 g；SF-011型棉糧含水測(cè)量?jī)x（德州雙豐電子有限公司），精度0.1%;ON START 300型電子秒表（迪卡儂體育用品公司），分辨率0.01 s。

圖1 錘片式飼料粉碎機(jī)

表1 錘片式飼料粉碎機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)流程

依照GB/T 10362—2008《糧油檢驗(yàn) 玉米水分測(cè)定》，用含水測(cè)量?jī)x測(cè)量玉米含水率，將其調(diào)成12%～18%左右。用電子秤分別稱取5、5.5、6、6.5、7 kg 5組喂入量的玉米，以備試驗(yàn)使用。根據(jù)飼料生產(chǎn)及試驗(yàn)要求，選用4、8、14、18、30目5種孔徑的篩網(wǎng)，傾角為60°。主軸轉(zhuǎn)速由變頻器來(lái)調(diào)節(jié)。每組試驗(yàn)保證物料從料斗投入的時(shí)間大致相同，控制在10 s左右，每組試驗(yàn)結(jié)束后清理粉碎機(jī)，保證粉碎室內(nèi)無(wú)飼料殘留，粉碎后飼料按對(duì)應(yīng)編號(hào)裝入袋中，用以供粒度分析使用。

幾何平均粒度是衡量飼料粉碎后質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)性能之一，用它描述顆粒大小更準(zhǔn)確，有利于粉碎后物料在數(shù)值上進(jìn)行有意義的比較[7-9]。本試驗(yàn)以幾何平均粒度為指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，求出試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程，找出本新型錘片式飼料粉碎機(jī)樣機(jī)粉碎玉米飼料原料情況下篩片孔徑、主軸轉(zhuǎn)速和喂入量與幾何平均粒度之間的關(guān)系。

1.2.2 幾何平均粒度的測(cè)定

根據(jù)GB/T 6971—2007《飼料粉碎機(jī) 試驗(yàn)方法》，每組分別稱取試驗(yàn)粉碎后飼料100 g，用標(biāo)準(zhǔn)樣品分析篩進(jìn)行篩分。直到最下層分析篩基本無(wú)物料透篩為止，約5 min，將各層分析篩篩上物分別稱重并記錄。幾何平均粒度計(jì)算方法如式（1）。

式中：Xgm——幾何平均粒度(μm)；

di——第 i層篩篩孔直徑(μm)；

di+1——比第i層篩大的相鄰篩的篩孔直徑(μm)；

Wi——第i層篩上物重量（g）。

1.2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用3因素5水平一次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)法，參考相關(guān)研究以及課題組前期相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果[10-12]，選擇篩片孔徑、主軸轉(zhuǎn)速和喂入量為影響因素，以幾何平均粒度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并以-2、-1、0、1、2分別代表影響因素的各水平，臂長(zhǎng)γ=2，共25組處理組合，每組3個(gè)重復(fù)。x1～x3表示各自變量的真實(shí)值，X1～X3表示各自變量的編碼值，Y表示評(píng)價(jià)指標(biāo)的試驗(yàn)值，如表2所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 18.0軟件對(duì)各因素與試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行回歸分析和檢驗(yàn)。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。

表2 各變量水平設(shè)計(jì)

2.2 試驗(yàn)分析與討論

2.2.1 幾何平均粒度回歸方程

玉米的幾何平均粒度回歸方程分析結(jié)果如表4、表5、表6所示，調(diào)整后R2值為0.982，大于0.800[13],說(shuō)明回歸方程與試驗(yàn)值在整體上符合程度較高。由表4可知，F(xiàn)=444.441，說(shuō)明擬合水平良好，表明方程模型可用于預(yù)測(cè)本錘片式飼料粉碎機(jī)粉碎玉米時(shí)的幾何平均粒度。由表5可知，篩片孔徑、主軸轉(zhuǎn)速、喂入量對(duì)幾何平均粒度的Sig.值分別為0.000、0.003、0.048，均小于0.05，表明篩片孔徑、主軸轉(zhuǎn)速和喂入量與因變量間回歸關(guān)系顯著。由表6中Pearson相關(guān)性可知，各因素間相關(guān)系數(shù)均為0.000，說(shuō)明三者互不相關(guān)，對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響相互獨(dú)立，各因素沒(méi)有交互作用。由表5可知，幾何平均粒度與各因素編碼值的一次回歸方程為式（2）所示。

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果

表4 模型匯總

表5 系數(shù)

表6 相關(guān)性

圖2 單因素與幾何平均粒度關(guān)系

2.2.2 各因素對(duì)幾何平均粒度影響規(guī)律分析

圖2所示，為將另兩個(gè)因素水平編碼值固定在0時(shí)，得到的某一因素的回歸模型線圖。由圖2可知，篩片孔徑對(duì)幾何平均粒度的影響較主軸轉(zhuǎn)速和喂入量對(duì)幾何平均粒度的影響明顯，幾何平均粒度與篩片孔徑、主軸轉(zhuǎn)速和喂入量呈線性關(guān)系。隨著篩片孔徑的增大，幾何平均粒度呈顯著增大趨勢(shì)[14]。篩片孔徑從30目增大到14目，過(guò)篩后飼料幾何平均粒度增大了40.8%，篩片孔徑從14目增大到4目，幾何平均粒度增大了29.0%。篩片孔徑與幾何平均粒度的關(guān)系為：

隨著主軸轉(zhuǎn)速和喂入量的增加，幾何平均粒度呈增大趨勢(shì)，但變化較為平緩，說(shuō)明在本試驗(yàn)的設(shè)置范圍內(nèi)，主軸轉(zhuǎn)速和喂入量的變化對(duì)幾何平均粒度影響不大。當(dāng)飼料在粉碎室內(nèi)被連續(xù)旋轉(zhuǎn)的錘片粉碎時(shí)，絕大部分飼料顆粒在錘片高速撞擊下，在粉碎室內(nèi)與空氣一起隨旋轉(zhuǎn)的錘片形成氣體-固體兩相流體，少部分顆粒在粉碎室內(nèi)進(jìn)行無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)[15]。當(dāng)粉碎后飼料運(yùn)動(dòng)至粉碎室豎直切線方向時(shí)，在空氣流帶動(dòng)和錘片撞擊雙重作用下進(jìn)入分離裝置，并繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至出料口篩片處，符合篩片孔徑粒度的顆粒過(guò)篩，過(guò)大顆粒經(jīng)回料管再次流入粉碎室進(jìn)行循環(huán)粉碎直至粒度減小到可通過(guò)篩片孔隙為止。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為-2和-1水平（即主軸轉(zhuǎn)速小于2 000 r/min）、喂入量為-2和-1水平（即喂入量在5～5.5 kg范圍內(nèi)）時(shí)，粉碎室內(nèi)氣-固兩相流流速較慢，密度較小，運(yùn)動(dòng)至篩片處飼料顆粒較少，單位時(shí)間內(nèi)過(guò)篩的飼料少，導(dǎo)致剩余飼料在粉碎室內(nèi)被多次粉碎，飼料整體過(guò)篩較慢，因此幾何平均粒度??；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為1和2水平（即主軸轉(zhuǎn)速大于2 500 r/min）、喂入量為1和2水平（即喂入量在6.5～7 kg范圍內(nèi)）時(shí)，粉碎室內(nèi)氣-固兩相流流速較快，密度較大，運(yùn)動(dòng)至篩片處飼料顆粒較多，單位時(shí)間內(nèi)過(guò)篩的飼料多，飼料整體過(guò)篩較快，重復(fù)粉碎的現(xiàn)象減少，因此幾何平均粒度較大。

3 結(jié)論

①篩片孔徑對(duì)粉碎后飼料的幾何平均粒度影響較明顯，呈線性關(guān)系,幾何平均粒度隨篩片孔徑增大而增大。依據(jù)線性回歸方程可粗略推算本新型錘片式飼料粉碎機(jī)粉碎玉米原料時(shí)的幾何平均粒度，并可根據(jù)不同粒度生產(chǎn)要求選擇特定孔徑篩片。

②在此次試驗(yàn)設(shè)置范圍內(nèi)，主軸轉(zhuǎn)速和喂入量對(duì)幾何平均粒度有一定影響，主軸轉(zhuǎn)速和喂入量增加，幾何平均粒度呈增大趨勢(shì)，但變化較為平緩。

③每組試驗(yàn)飼料喂入進(jìn)料斗時(shí)間難以嚴(yán)格控制，喂入量誤差難以避免。在大于此試驗(yàn)設(shè)置范圍以外，喂入量越高幾何平均粒度并不一定越大，需要課題組下一步繼續(xù)進(jìn)行研究。