檸條顆粒飼料壓制機(jī)的分析與研究

陳海林，劉春生，王小陽

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，山西太原030031）

檸條顆粒飼料壓制機(jī)的分析與研究

陳海林，劉春生，王小陽

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，山西太原030031）

通過介紹檸條顆粒機(jī)的技術(shù)參數(shù)和技術(shù)特點(diǎn)，以及主要工作原理和工作部件，分析影響制粒的主要因素和控制方法，優(yōu)化檸條顆粒壓制機(jī)的設(shè)計(jì)性能、自動(dòng)化程度等，為檸條顆粒飼料機(jī)械的進(jìn)一步研究提供了理論依據(jù)。

檸條顆粒飼料壓制機(jī)；給料；調(diào)質(zhì)；自動(dòng)控制

0 引言

檸條又叫白檸條，根系發(fā)達(dá)、枝葉繁茂，具有保持水土、涵養(yǎng)水源和美化環(huán)境的作用，在我國(guó)“三北”地區(qū)自然分布和人工栽培的檸條已達(dá)到數(shù)百萬公頃[1]。因檸條的生物特性，每3～5年必須平茬1次[2]，經(jīng)實(shí)地平茬試驗(yàn)，高度在1.0～1.5 m的檸條林平茬畝產(chǎn)達(dá)到900 kg左右，產(chǎn)量非常可觀。

檸條枝葉的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高，檸條從開花至結(jié)實(shí)期，鮮葉、嫩枝含粗蛋白質(zhì)22～48 g/kg，粗脂肪4.98 g/kg。檸條開花期每1 kg風(fēng)干枝葉所含的可消化粗蛋白相當(dāng)于2.67 kg玉米、0.88 kg豌豆或0.64 kg大豆所含的可消化粗蛋白[1]。但由于檸條含有鞣酸及揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)，鮮草有特別重的苦味，適口性比較差；并且檸條復(fù)葉尖及葉基部有小刺，莖稈木質(zhì)素含量高，比較堅(jiān)硬，不經(jīng)過加工牛羊采食率很低[3]。

針對(duì)檸條的生物和物理特性，檸條枝葉作為良好的飼用植物，可加工成檸條草粉與其他飼料配合成全日糧飼料，還可配上適宜的飼料添加劑，調(diào)制成精飼料或壓制成顆粒飼料，進(jìn)行綜合利用。因此，就檸條飼料加工過程中的關(guān)鍵設(shè)備——檸條顆粒壓

制機(jī)進(jìn)行分析與研究。

1 主要技術(shù)參數(shù)與技術(shù)特點(diǎn)

顆粒壓制成型一直是飼料生產(chǎn)過程中非常重要的一道工序，對(duì)飼料產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)成本起著決定性作用[4]。此檸條顆粒飼料壓制機(jī)是山西省農(nóng)機(jī)院與山西信成源科技有限公司合作，通過對(duì)已有秸稈加工技術(shù)、加工機(jī)械進(jìn)行大量的對(duì)比試驗(yàn)，然后集成創(chuàng)新，開發(fā)出適合山西省檸條飼料生產(chǎn)的新型檸條顆粒飼料壓制機(jī)。

檸條顆粒飼料專用壓制機(jī)外觀見圖1。

圖1 檸條顆粒飼料專用壓制機(jī)外觀

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

主電機(jī)功率55 kW，生產(chǎn)率1 t/h，環(huán)模內(nèi)直徑350 mm，環(huán)模寬度100 mm，壓輥直徑171 mm，工作寬度100 mm，給料器功率1.1 kW，調(diào)質(zhì)器功率4 kW，環(huán)?？讖?～20 mm，環(huán)模工作溫度≤90℃，熱蒸汽壓力0.30～0.6 MPa。

1.2 主要技術(shù)特點(diǎn)

檸條顆粒飼料壓制機(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：①通過單電機(jī)V帶傳動(dòng)，傳動(dòng)比合理、驅(qū)動(dòng)扭矩大、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲較低；②可選配3～20 mm孔徑的環(huán)模；③通過電磁調(diào)速電機(jī)控制給料電機(jī)轉(zhuǎn)速，另外還配有過載保護(hù)；④生產(chǎn)過程通過PLC可編程系統(tǒng)實(shí)行自動(dòng)控制。

2 主要工作原理及工作部件

2.1 工作原理

檸條顆粒飼料壓制機(jī)主要工作部件分為給料器、調(diào)質(zhì)器、顆粒機(jī)主機(jī)、環(huán)模與壓輥、電器及自動(dòng)控制系統(tǒng)等5個(gè)部分。壓制機(jī)工作時(shí)，經(jīng)粉碎機(jī)粉碎合格的檸條草粉，從待制粒倉通過電給料器攪龍的推動(dòng)作用，把適量的物料均勻送入調(diào)質(zhì)器里；進(jìn)入調(diào)質(zhì)器的物料與熱蒸汽混合并調(diào)質(zhì)；調(diào)質(zhì)后的物料溫度控制在65～90℃，物料濕度14%～18%時(shí)就可進(jìn)入制粒室制粒；制粒完成后，成品檸條顆粒通過出料門進(jìn)入料倉。

2.2 主要工作部件

2.2.1 給料器

給料器包括電磁調(diào)速電機(jī)、配套傳動(dòng)裝置、給料攪龍等。由調(diào)速器調(diào)整減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使給料攪龍?jiān)?～140 r/min的轉(zhuǎn)速內(nèi)攪動(dòng)，將檸條粉物料流均勻地送入調(diào)質(zhì)器內(nèi)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

2.2.2 調(diào)質(zhì)器

調(diào)質(zhì)器包括減速電機(jī)、不銹鋼殼體、不銹鋼主軸、不銹鋼槳葉、熱蒸汽入口等。調(diào)質(zhì)器的功能主要是使檸條粉物料與熱蒸汽等充分混合均勻，將物料溫度、濕度控制在制粒所要求的工藝范圍內(nèi)。蒸汽系統(tǒng)要保證熱蒸汽的壓力要求，為0.2～0.4 MPa，須配置1 t以上的蒸汽鍋爐。進(jìn)入調(diào)質(zhì)器的蒸汽與檸條草粉充分接觸，草粉含水率達(dá)到15%～18%，溫度達(dá)60～90℃時(shí)，就可進(jìn)行檸條顆粒的壓制；冷凝水應(yīng)由蒸汽系統(tǒng)管路排出，不得留在調(diào)質(zhì)器內(nèi)[2]。

顆粒壓制機(jī)給料器、調(diào)質(zhì)器見圖2。

2.2.3 顆粒壓制機(jī)主機(jī)

顆粒壓制機(jī)主機(jī)包括機(jī)架、功率55 kW主電機(jī)、主軸、環(huán)模系統(tǒng)、壓輥系統(tǒng)、機(jī)門系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、導(dǎo)流刮刀、切斷刀等。

圖2 顆粒壓制機(jī)給料器、調(diào)質(zhì)器

壓制機(jī)工作時(shí)，將調(diào)質(zhì)好含水率≤18%的檸條物料，從調(diào)質(zhì)器通過門系導(dǎo)料口均勻地送入制粒室中，刮刀推動(dòng)物料進(jìn)入壓制區(qū)，通過高速運(yùn)轉(zhuǎn)的環(huán)模、壓輥將物料源源不斷地?cái)D壓到環(huán)?？變?nèi)成型，然后在切斷刀的作用下制成長(zhǎng)度均勻的圓柱體顆粒。

2.2.4 環(huán)模與壓輥

目前，顆粒飼料成型設(shè)備大多采用環(huán)模式顆粒壓制機(jī)，靠環(huán)模與壓輥將粉狀物料擠壓出環(huán)?？字瞥深w粒。環(huán)?？壮叽缇取⒐鉂嵍纫蟾?，要求用高鉻合金鋼鍛制而成，機(jī)加工后還要進(jìn)行真空熱處理；環(huán)模厚度、環(huán)模孔徑可根據(jù)用戶要求選定，該機(jī)可配直徑3～20 mm多種孔徑和厚度的環(huán)模。

環(huán)模出料見圖3。

圖3 環(huán)模出料

2.2.5 電器及自動(dòng)控制系統(tǒng)

制粒系統(tǒng)的核心是通過電器自動(dòng)控制系統(tǒng)，來保證顆粒壓制機(jī)在工作時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

（1）制粒機(jī)調(diào)質(zhì)溫度的自動(dòng)控制。調(diào)質(zhì)溫度控制是制粒中非常重要的參數(shù)，為了避免人工調(diào)節(jié)溫度的缺陷，特開發(fā)出了檸條顆粒壓制機(jī)調(diào)質(zhì)溫度自動(dòng)控制技術(shù)裝置。操作人員首先在觸摸屏中設(shè)定某批飼料所要求的調(diào)質(zhì)溫度數(shù)據(jù)，制粒過程開始后，由溫度傳感器不斷地把飼料調(diào)質(zhì)溫度變化引起的電流變化信號(hào)傳輸?shù)絇LC控制中心，PLC再把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為溫度信號(hào)和之前所設(shè)定的溫度數(shù)據(jù)比較，根據(jù)比較結(jié)果來決定蒸汽調(diào)節(jié)閥開啟的大小，直到控制溫度達(dá)到設(shè)定值為止，此次調(diào)質(zhì)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)完成。應(yīng)用該調(diào)質(zhì)溫度自動(dòng)控制技術(shù)，可使調(diào)質(zhì)溫度范圍控制在±5℃之內(nèi)，達(dá)到了生產(chǎn)的要求，制出的顆粒均勻，且大大減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）制粒機(jī)給料速度的自動(dòng)控制。給料速度自動(dòng)控制技術(shù)主要是為了保證制粒機(jī)工作電流的穩(wěn)定性，從而保證制粒機(jī)正常生產(chǎn)，防止堵死導(dǎo)致停機(jī)。主要工作原理如下：采用變頻器控制給料器電機(jī)轉(zhuǎn)速，給料器電機(jī)轉(zhuǎn)速變化引起的電流變化，在電控中心通過PLC控制，因物料在制粒前要進(jìn)入調(diào)質(zhì)器進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)后進(jìn)入制粒室需要一定時(shí)間，給料電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化引起主電機(jī)電流的變化會(huì)有一個(gè)時(shí)間間隔，通過PLC可編程控制技術(shù)，可以保證檸條顆粒機(jī)工作電流的穩(wěn)定性。

（3）制粒機(jī)旁通門卸荷機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制技術(shù)。制粒機(jī)旁通門卸荷機(jī)構(gòu)的控制技術(shù)原理如下：在制粒過程中，一旦有堵機(jī)現(xiàn)象出現(xiàn)，控制中心就會(huì)檢測(cè)到實(shí)際電流超過電流正常設(shè)定值，會(huì)傳給旁通門上控制氣缸開閉的電磁閥一個(gè)打開信號(hào)，直至旁通門打開卸出堵料后，電流隨之下降，旁通門電磁閥會(huì)收到一個(gè)關(guān)閉信號(hào)并自動(dòng)關(guān)閉，機(jī)器進(jìn)入正常生產(chǎn)狀態(tài)。此自動(dòng)控制技術(shù)可避免檸條顆粒飼料壓制機(jī)隨時(shí)出現(xiàn)的堵機(jī)現(xiàn)象，減少了操作人員停機(jī)卸荷的工作量，提高了生產(chǎn)效率。

3 壓制機(jī)制粒的影響因素分析

3.1 物料成分及添加劑的影響

檸條顆粒飼料的生產(chǎn)需要在原材料中添加適量的蛋白質(zhì)、淀粉等輔助材料，目的是要增加飼料的營(yíng)養(yǎng)成分和動(dòng)物的適口性。飼料的添加成分是決定顆粒成型的主要因素，蛋白質(zhì)顆料在成型過程中受力后容易變性塑化，有利于顆粒的成型。纖維素含量的高低是植物細(xì)胞所需機(jī)械壓力的重要指標(biāo)，決定著顆粒成型壓力的大小。檸條纖維素含量是玉米稻稈纖維素含量的2.6倍，可見檸條顆粒的成型比稻稈成型對(duì)壓力的要求更大，檸條顆粒的成型對(duì)模具的要求也更高[5]。

3.2 物料含水率對(duì)制粒的影響

在顆粒通過環(huán)?？讛D出成型過程中，水分能夠在成型顆粒表面形成水膜，減少顆粒與環(huán)?？妆谀Σ磷枇Γ欣谖锪贤ㄟ^環(huán)?？?。但如果物料含水率太高，一方面容易使物料打滑，不利于顆粒的成型；另一方面，顆粒與環(huán)?？妆谀Σ辽鸁嵩斐纱罅克魵庋杆僬舭l(fā)，引起成型顆粒表面裂縫。但物料含水率如果偏低，會(huì)影響水分對(duì)檸條木素的軟化、塑化作用，影響顆粒成型。因此，物料含水率是否達(dá)到要求，對(duì)于成型顆粒的產(chǎn)量和品質(zhì)都有顯著影響。為了保證檸條顆粒飼料的品質(zhì)，物料水分應(yīng)15%～20%為宜，顆粒最終水分應(yīng)不高于12.5%，更不能超過13%，否則容易引起顆粒發(fā)霉變質(zhì)[6]。

3.3 物料粒度的影響

檸條物料的粒度分為粗粒、中粒和細(xì)粒。一般情況，粒度小于3 mm的物料更容易與蒸汽充分接觸并發(fā)生反應(yīng)，所以中粒和細(xì)粒都具有很好的成型能力，也能保證成型顆粒的品質(zhì)。而粗粒不易與水蒸氣充分反應(yīng)，顆粒之間比較松散，不易成型。顆粒飼料的直徑通常為4～6 mm，該機(jī)生產(chǎn)率為1 t/h，環(huán)?？讖綖?0 mm，經(jīng)試驗(yàn)研究應(yīng)選用粉碎物料介于2.0～2.5 mm的中?；蛐∮? mm的細(xì)粒。

3.4 調(diào)質(zhì)器喂入量的影響

喂入量的影響主要是指物料喂入的多少影響著物料與成型室壁接觸的面積大小，喂入量越大，物料與成型室內(nèi)壁接觸面積就大，摩擦力就越大，成型顆粒的密度就越大，達(dá)到極限就會(huì)堵塞?？祝绊懗隽?；反之，喂入量太小，成型顆粒密度小，容易碎裂，并且影響生產(chǎn)率。所以該壓制機(jī)經(jīng)多次試驗(yàn)改進(jìn)，設(shè)計(jì)了低速、單筋主動(dòng)破拱裝置，保證了給料器物料的不間斷喂入，同時(shí)給料器采用變頻電機(jī)，采用PLC控制技術(shù)調(diào)節(jié)給料速度，保證了正常的物料喂入量。

3.5 物料溫度的影響

物料對(duì)溫度的要求主要體現(xiàn)在溫度高低決定物料中木素的軟化程度，溫度越高越有利于木素軟化，便于顆粒成型的塑性變形；溫度太低，木素達(dá)不到軟化塑性變形的條件，不利于檸條顆粒的成型。

3.6 顆粒成型壓力的影響

成型壓力影響主要表現(xiàn)在壓力大小與顆粒的密度和硬度成正比，即壓力越大，成型顆粒的密度和硬度越大。經(jīng)多次試驗(yàn)并參考相關(guān)數(shù)據(jù)，檸條顆粒飼料的成型壓力為4 kN，成型效果較為理想又不影響動(dòng)物適口性。

3.7 環(huán)模參數(shù)的影響

3.7.1 模輥間隙

模輥間隙一般控制在0.05～0.30 mm[5]，模輥間隙過大時(shí)，會(huì)減小壓輥對(duì)檸條物料的擠壓力，降低物料的擠出率，物料容易堆積在成型室內(nèi)，不利于被壓入?？?，導(dǎo)致?？锥氯蛩罊C(jī)；如果模輥間隙太小，就必須減少物料的喂入量，這樣會(huì)降低機(jī)器的生產(chǎn)率、增大摩擦阻力，增加成型設(shè)備的能耗。

3.7.2 環(huán)模厚度

環(huán)模越厚，壓制出的顆粒密度越高、粒度越硬。一般通過改變環(huán)模?？子行чL(zhǎng)度，來獲得不同密度和硬度的顆粒。

3.7.3 模孔壓縮比

一般用壓縮比來衡量?？椎墓ぷ鲄?shù)，環(huán)模的壓縮比為?？字睆脚c模孔有效長(zhǎng)度之比。?？椎膲嚎s比決定顆粒成品的品質(zhì)和產(chǎn)量，壓縮比越小說明?？子行чL(zhǎng)度越長(zhǎng)，顆粒成型過程中產(chǎn)生的阻力就越大，擠出的顆粒密度越大，硬度也越高，相應(yīng)的機(jī)器能耗越大，產(chǎn)量也越小，容易堵死。所以對(duì)于粗纖維物料，為了保證顆粒能正常出料，且獲得較高的成型率，壓縮比一般為1∶5～1∶8[7]。

3.7.4 模孔開孔率

環(huán)?？讖酱_定之后，開孔率的大小決定成型顆粒的出料率，但也不能為了提高出料率而一味地減小模孔間距，那樣會(huì)減弱模板和模孔的強(qiáng)度，容易使它們變形甚至損壞。因此，模孔開孔率要合理安排，才能在提高生產(chǎn)率的同時(shí)延長(zhǎng)模板壽命。

4 結(jié)論

通過對(duì)檸條顆粒飼料壓制機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理的分析，對(duì)影響制粒的因素和對(duì)影響制粒因素控制的研究，說明經(jīng)過顆粒飼料的加工過程，提高了動(dòng)物對(duì)顆粒飼料的消化吸收利用率。另外，采用電機(jī)軟啟動(dòng)裝置，改善電機(jī)啟動(dòng)條件，自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)保證機(jī)器的正常運(yùn)行。與物料接觸的部分均采用0Cr18NI9全不銹鋼制作，保證了設(shè)備的耐腐蝕性。過負(fù)荷全自動(dòng)保護(hù)、皮帶打滑監(jiān)視、蒸汽電磁閥控制等，使設(shè)備操作方便?？傊?，檸條顆粒飼料壓制機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)、自動(dòng)化程度高，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，可以進(jìn)行廣泛推廣及生產(chǎn)應(yīng)用，同時(shí)也為以檸條為主飼料的集約化、規(guī)?；B(yǎng)殖提供檸條飼料加工技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備和配套設(shè)備的選型，并對(duì)檸條顆粒飼料制粒機(jī)械的進(jìn)一步研究提供一定經(jīng)驗(yàn)借鑒和理論依據(jù)。

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Analysis and Research of Caragana Pellet Feed Press

CHEN Hailin，LIU Chunsheng，WANG Xiaoyang
（Shanxi Academy of Agricultural Mechanization，Taiyuan，Shanxi 030031，China）

This paper introduces the technical parameters and technical characteristics of Caragana pellet machine，working principle and main parts.Analyzes the main factors influencing the granulation and control method，the particles press in the design，performance，automation etc，provides some experience and theoretical basis for further research on mechanical Caragana pellet feed.

Caragana pellet feed press；feeding；quenching and tempering；automatic control

S817.12

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.08.043

1671-9646（2017）08b-0037-04

2017-07-09

新型飼料智能收獲和精益制備技術(shù)與裝備研究（2012AA10A509-03）。

陳海林（1974—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械。