顆粒飼料單?？讛D壓成型裝置設(shè)計與試驗研究

■ 彭 飛 王紅英 方 芳 方 鵬 孔丹丹 金 楠 段恩澤

(1.中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京100083；2.北京工商大學材料與機械工程學院，北京100048；3.鄭州大學化工與能源學院，河南鄭州450001)

制粒成型是飼料成型技術(shù)之一，是指粉狀飼料原料或粉狀飼料經(jīng)過水、熱調(diào)質(zhì)，經(jīng)由模輥等機械部件擠壓作用，強制通過?？撞⒕酆铣尚偷倪^程。經(jīng)過制粒加工的顆粒飼料，相對于粉料具有以下優(yōu)點：能夠改善動物挑食情況，提高飼料報酬率，貯存運輸更為經(jīng)濟、管理方便，避免不同成分分層，減少因粉塵引起的對動物飲水及環(huán)境的污染，殺滅部分有害微生物，提高動物適口性，提高飼料利用率和動物生產(chǎn)性能等。

顆粒飼料的擠壓成型過程，是建立在粉粒體間存在間隙的基礎(chǔ)上，在摩擦力、擠壓力和溫度等綜合因素的作用，粉粒體的空隙縮小，最后形成具有一定密度和強度的顆粒。在飼料粉料由松散到致密這個成型過程中，力學行為較為復(fù)雜，大致可以分為供料區(qū)、變形壓緊區(qū)和擠壓成型區(qū)[1]。影響飼料粉料成型的因素分為兩個方面：一是內(nèi)部因素，即粉料的物料特性，如原料成分及配比、含水率[2]、物料溫度[3-5]等；二是外部因素，即加工設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，如喂入量、?？讕缀纬叽纭嚎s載荷等[6-8]。由于制粒機結(jié)構(gòu)空間的封閉性以及工作時模輥高速旋轉(zhuǎn)的特點，其擠壓作業(yè)過程中的力學行為很難用儀器直接進行測定[9]。為研究擠壓成型規(guī)律及物料特性、加工工藝參數(shù)對顆粒成型品質(zhì)的影響，本文借鑒國內(nèi)外學者有關(guān)生物質(zhì)等物料擠壓成型研究理論與方法[10-12]，重點研究單個?？變?nèi)顆粒飼料的致密成型過程。

應(yīng)力松弛是農(nóng)業(yè)物料擠壓過程中顯著的流變學特性，對其擠壓過程中的能耗、生產(chǎn)率以及農(nóng)業(yè)物料的品質(zhì)和穩(wěn)定性等有重要的影響。國內(nèi)外學者對農(nóng)業(yè)物料成型過程中應(yīng)力松弛現(xiàn)象進行了一定的研究。閆國宏等[13]指出農(nóng)業(yè)纖維物料壓縮應(yīng)力松弛的研究意義，并綜述了國內(nèi)外關(guān)于農(nóng)業(yè)纖維物料壓縮應(yīng)力松弛研究現(xiàn)狀，馬彥華等[14]通過自行設(shè)計的壓縮試驗系統(tǒng)，研究了玉米秸稈振動壓縮過程中應(yīng)力松弛現(xiàn)象及規(guī)律，王春光[15]分析了牧草應(yīng)力松弛時間及應(yīng)用條件，范仲民等[16]指出農(nóng)業(yè)纖維物料應(yīng)力松弛行為是?？變?nèi)壁正壓力及摩擦力產(chǎn)生的主要因素，鐘磊等[17]通過Fluent模擬，分析指出顆粒飼料從成型到出口存在應(yīng)力松弛現(xiàn)象。研究[10-11,18]為顆粒飼料單模孔應(yīng)力松弛測定提供了參考，國內(nèi)外文獻[15-17，19]為探索顆粒飼料擠壓過程中力學行為和顆粒飼料的品質(zhì)提供了研究方法等理論依據(jù)。

本文基于自主設(shè)計搭建的單?？讛D壓成型裝置，通過單?？讛D壓成型試驗，旨在研究不同條件下飼料原料應(yīng)力松弛特性、擠壓成型的顆粒飼料外觀與硬度，分析不同溫度、含水率和載荷條件對物料松弛模量、顆粒飼料外觀和硬度的影響，以期為顆粒飼料擠壓成型相關(guān)技術(shù)的研究和發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 主要材料

本研究選用的試驗對象為飼料廠正常生產(chǎn)的仔豬粉料，飼料配方的組成成分及比例如表1所示。通過賦水處理[20]，將原料含水率處理為10%、12%、14%、16%、18%、20%（w.b.）。

表1 乳仔豬料配方組成成分及比例

1.2 試驗儀器與方法

1.2.1 顆粒飼料單?？壮尚驮囼炑b置設(shè)計

①模具設(shè)計

單模孔成型模具結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，賦水處理后的原料經(jīng)Φ10的填充腔及其下部的錐孔結(jié)構(gòu)，在壓桿壓力作用下進入到成型腔，即緩慢填入Φd的柱孔內(nèi)，在壓桿擠壓力和成型腔溫度的作用下（通過電加熱圈將成型腔加熱到設(shè)定溫度，創(chuàng)造與實際加工生產(chǎn)過程相近的擠壓條件），松散狀態(tài)的飼料原料被擠壓成單個的飼料顆粒。由顆粒飼料直徑尺寸范圍，設(shè)計若干個成型腔孔徑Φd不等的模具供多種飼料擠壓成型試驗使用。成型模具上部加工有2×Φ10的安裝孔，該孔與模具支架固定連接。

圖1 模具結(jié)構(gòu)尺寸

②單?？壮尚驮囼炑b置設(shè)計

研究設(shè)計的單?？壮尚驮囼炑b置主要由壓桿、模具、支撐桿、支撐底板、支架、電加熱圈、溫度傳感器、溫控儀等部分組成，裝置實物如圖2所示。其中，陶瓷電加熱圈（Φ30×H35型，國斌五金機電有限公司）套裝在Φ30圓柱體外側(cè)，智能溫控器（型號DH48WK，北京東昊力偉科技有限責任公司）與該陶瓷電加熱圈連接，基于內(nèi)部自帶的PID程序算法，監(jiān)測和控制模具的溫度；通過溫度傳感器（型號PT100，北京優(yōu)普斯科技中心）實時測量?？變?nèi)部的環(huán)境溫度。

圖2 單模孔成型試驗裝置

③單?？壮尚瓦^程及原理

通過調(diào)整支撐底板，取放支撐桿，實現(xiàn)“閉式”和“開式”兩種擠壓狀態(tài)的轉(zhuǎn)換：當頂桿放入?？椎撞繒r，壓縮成型腔是封閉的，模具底孔出料口被密封堵死，壓桿受到的壓縮力包括擠壓物料的變形力、物料擠出時與腔內(nèi)壁的摩擦力、來自頂桿的支撐阻力，此為“閉式”狀態(tài)，壓縮力會隨著壓桿向下移動而增大，當壓桿運行到行程終點時，壓縮力達到最大值，顆粒密度也達到最大值；當頂桿拆卸下來后，壓縮成型腔一端是開放的，此為“開式”狀態(tài)，材料試驗機帶動壓桿繼續(xù)向下運動，將?？變?nèi)的顆粒飼料擠出。

試驗時，將該裝置平穩(wěn)放置在萬能材料試驗機（Instron-4411型，英斯特朗公司）的試驗平臺上，壓桿上端與試驗機的上活動模塊固定，并隨其垂直運動實現(xiàn)對物料的壓縮。壓縮試驗前，調(diào)整壓桿與成型模具的相對位置，從而保證壓桿壓入模具時不與孔壁接觸，同時保證壓桿軸不偏心，對心性良好，空載壓縮3～5次。在試驗前通過手動模式調(diào)整試驗機上的活動模塊，當壓桿底端面與成型模具上端面對齊時，將程序內(nèi)位移值設(shè)置為零；通過試驗機自帶的程序，設(shè)置壓縮參數(shù)，控制壓縮試驗的進行。當載荷達到設(shè)定壓力值時，壓桿停止運動，之后對壓縮物料保壓90 s，被擠壓的物料在腔體內(nèi)發(fā)生應(yīng)力松弛，作用力會產(chǎn)生一定的衰減現(xiàn)象，實時采集該段時間內(nèi)物料的應(yīng)力變化數(shù)據(jù)并繪制應(yīng)力曲線。

④試驗條件參數(shù)設(shè)計

在材料試驗機自帶軟件中設(shè)定程序，控制壓縮參數(shù)，加載速度為20 mm/min，采樣頻率為20 S/s。選用?？字睆綖? mm的模具，利用測力系統(tǒng)實時采集并存儲壓桿受到的擠壓應(yīng)力及位移數(shù)據(jù)。設(shè)定5種水平的載荷值，分別為：0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 kN，轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的應(yīng)力值為：5.09、10.19、15.28、20.37、25.46 MPa。通過溫度控制裝置，對模具進行加熱，設(shè)定3種加熱溫度，分別為：60、70、80 ℃。

1.2.2 硬度的測定

試驗儀器：GW-1型谷物硬度儀，浙江托普儀器有限公司。

試驗方法：用鑷子夾取顆粒飼料并徑向固定，然后旋轉(zhuǎn)手輪使得底座緩慢上移并對顆粒飼料逐漸加壓直至顆粒飼料破碎。在顆粒飼料壓碎瞬間指針壓力數(shù)達到最大值，該值即為顆粒飼料硬度；再次測定時，按下硬度儀表盤上的回零按鈕，指針數(shù)值歸零，可以開始下一次測試。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2007進行統(tǒng)計，采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析及顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓應(yīng)力松弛特性

2.1.1 應(yīng)力-時間變化過程

試驗對象為賦水處理后的仔豬粉料，通過不同加熱溫度、加載載荷條件模擬不同加工工藝條件，研究原料應(yīng)力松弛-時間關(guān)系。不同條件下原料壓縮松弛過程相似，應(yīng)力松弛曲線如圖3所示，曲線表示的應(yīng)力隨時間變化規(guī)律與 Talebi等[21]、Tabil等[22]研究相似。擠壓過程結(jié)束后，迅速發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，應(yīng)力急速衰減；加載載荷對應(yīng)力松弛影響顯著，加載載荷越大，松弛后殘留在物料內(nèi)的應(yīng)力值越大。該現(xiàn)象與大麥、燕麥、油菜、小麥稈壓塊及苜蓿草粉的應(yīng)力松弛等研究相似[23]。

根據(jù)擠壓過程中應(yīng)力曲線變化狀態(tài)，將擠壓過程劃分為3個階段，如圖3所示。

第一階段（phase1）：在開始階段，通過多次填料將原料填入到成型模具腔體內(nèi)，壓桿以恒定速度向下空載擠壓，直至與原料接觸，此時應(yīng)力值為0；接著，壓桿繼續(xù)向下運動，由于擠壓處于閉式狀態(tài)，隨著壓桿對原料持續(xù)擠壓，擠壓應(yīng)力值持續(xù)增大，同時原料被向前推移，直至擠壓力達到設(shè)定的載荷值；此后壓桿停止運動，對原料進行保壓。

第二階段（phase2）：此階段為應(yīng)力迅速衰減期，不同條件下應(yīng)力衰減曲線相似，主要發(fā)生在保壓開始后的半分鐘內(nèi)。

圖3 70℃時仔豬粉料的應(yīng)力-時間關(guān)系

第三階段（phase3）：此階段為應(yīng)力緩慢衰減期，隨著保壓不斷進行，應(yīng)力衰減緩慢，應(yīng)力趨于某一個穩(wěn)定值。

分析對比不同溫度（60、70、80℃）、不同含水率（10%、12%、14%、16%、18%、20%）、不同載荷條件下（5.09、10.19、15.28、20.37、25.46 MPa）原料的應(yīng)力松弛量PSR和應(yīng)力松弛率SRR，結(jié)果如表3所示。

物料的應(yīng)力松弛量是在試驗結(jié)束即時間t=120 s時，由下面公式求得：

式中：PSR(percentage stress relaxation)——應(yīng)力松弛量，在松弛時間為t時，應(yīng)力松弛總量和施加載荷的比值(%)；

σ0——施加載荷值(MPa)；

σt——時間為t時的殘余應(yīng)力值(MPa)。

試驗結(jié)果如表2所示，在3種加熱溫度（60、70、80℃）條件下，原料的應(yīng)力松弛量范圍分別為48.82%～80.25%、51.19%～76.98%、58.59%～78.37%。由結(jié)果分析可知，在擠壓過程中，隨著載荷的增加，原料應(yīng)力松弛量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。施加載荷增大，原料應(yīng)力松弛量減小，這說明在一定程度上提高擠壓力有助于飼料在?？變?nèi)的擠壓成型；但同時殘余應(yīng)力也會較大，殘余應(yīng)力過大，不利于擠壓成型后飼料顆粒的穩(wěn)定性，在顆粒飼料擠出模孔、應(yīng)力釋放以后，可能會出現(xiàn)裂紋率較高等缺陷。當載荷≥15.28 MPa時，隨著含水率的增加，原料應(yīng)力松弛量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，該結(jié)果表明，適當提高含水率，有助于提高擠出顆粒的密度及穩(wěn)定性，這可能是因為含水率增加使得淀粉糊化度增加，進而黏度增加，同時原料更容易軟化成型，因此顆粒飼料穩(wěn)定性提高。隨著含水率進一步增加，松弛量呈現(xiàn)降低趨勢，這表明飼料在成型過程中，含水率過高不利于顆粒飼料的粘結(jié)成型，這和實際飼料加工生產(chǎn)現(xiàn)象一致。對比3種加熱溫度條件可知，應(yīng)力松弛量隨溫度的變化不明顯。有研究表明溫度升高可以提高原料淀粉糊化度，有助于顆粒的粘結(jié)成型[24-25]。本文試驗結(jié)果尚未發(fā)現(xiàn)溫度和應(yīng)力松弛量的關(guān)系，這可能是因為本文裝置試驗條件與飼料實際生產(chǎn)加工存在一定差距，待今后進一步探究兩者之間的內(nèi)在聯(lián)系。

原料應(yīng)力松弛率在應(yīng)力達到最大值后的應(yīng)力松弛30 s內(nèi)的時間段發(fā)生，此時超過80%的殘余應(yīng)力釋放。SRR(stress relaxation rate)反映原料較短時間內(nèi)應(yīng)力松弛速度的快慢，其計算公式為：

式中：SRR——應(yīng)力松弛時間30 s內(nèi)的應(yīng)力松弛量與松弛總量的比值(%)；

σ0——施加載荷值(MPa)；

σt=30——應(yīng)力松弛時間為30 s的殘余應(yīng)力值(MPa);

σt=120——應(yīng)力松弛時間為120 s的殘余應(yīng)力值(MPa)。

由圖3可知，在應(yīng)力開始后第一個階段（phase2），殘余應(yīng)力迅速衰減，由表3中SRR值分析可知，在應(yīng)力松弛開始后30 s內(nèi)有超過80%的松弛量發(fā)生。在應(yīng)力松弛開始后第二個階段（phase3），殘余應(yīng)力緩慢衰減到某一數(shù)值并逐漸穩(wěn)定，說明加載到物料上的應(yīng)力沒有完全衰減，此時物料處于密度相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.1.2 松弛模型及松弛模量

國內(nèi)外學者通過單?？讐嚎s平臺研究物料特性及其制粒、壓餅和壓塊等過程，涉及工業(yè)粉料、金屬粉末、粉體及固體食品、生物質(zhì)等領(lǐng)域[4]。其中，Peleg等[21]通過改進固態(tài)食品壓縮特性應(yīng)力松弛模型，得到以下公式：

式中：F0——應(yīng)力松弛初始值(kN)；

F(t)——時間為t時的壓力值(kN)；

t——松弛時間(s)；

k1和 k2——常量。

Moreyra等[6]基于應(yīng)力松弛試驗，通過非線性回歸分析確定了固態(tài)和粉態(tài)實物應(yīng)力松弛過程的漸近線系數(shù)EA，該系數(shù)可用于表征物料壓縮后保持應(yīng)力的能力，其計算公式為：

式中：EA——漸近線系數(shù)(MPa)；

ε——應(yīng)變；

Aα——橫截面積(m2)。

利用該模型對松弛數(shù)據(jù)進行非線性回歸分析，分別得到k1和k2值。將該值代入到式（4）中可得到漸進線系數(shù)，即松弛模量EA。匯總不同溫度、含水率和載荷條件下的擬合松弛模量，結(jié)果如表3所示。分析可知，原料松弛模量值隨含水率的增高而減小，隨溫度的升高而減?。辉纤沙谀Ａ恐惦S載荷的增加而增大。

表3 不同溫度、含水率和載荷條件下物料擬合松弛模型的松弛模量（MPa）

為分析不同溫度、含水率和載荷對原料松弛模量的影響，對原料松弛模量值作主效應(yīng)分析，結(jié)果如表4所示。模型的P值小于0.05，因此該模型有效。由表4可知，載荷和物料含水率對原料松弛模量有顯著影響（P＜0.05）。李永奎等[18]、郭磊[23]通過秸稈生物質(zhì)粉料單孔擠壓成型試驗，研究結(jié)果表明，載荷和物料含水率對粉料松弛模量有顯著的影響，這與本文研究結(jié)論一致。溫度因素的P值大于0.05，說明溫度對原料松弛模量的影響不顯著。

表4 原料松弛模量值影響因素主效應(yīng)分析

2.1.3 松弛模量響應(yīng)面分析

采用Design-Expert軟件建立松弛模量隨影響因素的響應(yīng)面模型，由于溫度因素影響不顯著，因此只將加載載荷和含水率設(shè)置為變量，結(jié)果如圖4所示，其中，縱坐標為因變量松弛模量，橫坐標為自變量加載載荷和含水率。由該圖分析可知，松弛模量EA隨著含水率的增加而減小，隨著載荷的增加而增大，這一結(jié)果與朱凱等[26]、呂慧杰等[27]關(guān)于粉料松弛模量研究的結(jié)論一致。

圖4 載荷-含水率對原料松弛模量的3D響應(yīng)面

2.2 顆粒形態(tài)特征

圖5所示為模具加熱溫度70℃，加載擠壓0.4 kN時，由單模孔擠壓出來的飼料顆粒形態(tài)。

當飼料原料含水率在10%～12%時，通過單模孔擠壓出的顆粒飼料顏色較淺，基本與擠壓前原料顏色相同，這是因為淀粉未經(jīng)過糊化，同時顆粒粘結(jié)強度很低，因此含粉率較高，且極易破碎成小塊和細小粉末。當飼料原料含水率達到14%～18%以后，隨著含水率增加，淀粉糊化度提高，含水率高的淀粉糊化充分，擠壓成型的顆粒飼料顏色逐漸加深，同時顆粒間粘結(jié)強度逐漸增大，顆粒穩(wěn)定性提高，不易松散和碎裂。當原料含水率達到20%時，飼料原料經(jīng)閉式擠壓后，在開式擠出過程中，由于顆粒飼料處于濕熱軟的狀態(tài)，此時極易因顆粒間或外力的作用發(fā)生變形。

圖5 70℃、0.4 kN條件下顆粒形態(tài)特征

2.3 顆粒硬度

試驗前顆粒放置方式和試驗結(jié)束瞬間顆粒破碎形態(tài)如圖6所示，顆粒飼料硬度測試結(jié)果如表5所示。

不同溫度、含水率和載荷條件下顆粒飼料的硬度如表5所示。為了分析各個因素對顆粒飼料硬度的影響，對顆粒飼料硬度作主效應(yīng)分析，結(jié)果如表6所示。當P＜0.05時，模型有效，因此該分析結(jié)果可靠。由主效應(yīng)分析結(jié)果可知，不同溫度、含水率和載荷均對顆粒飼料硬度有極顯著影響（P＜0.01）。加熱溫度和物料含水率越高、加載載荷越大，顆粒飼料的硬度越大。韓浩月[28]、Thomas等[29]通過模輥擠壓過程理論分析、飼料加工制粒成型試驗等方法，研究結(jié)果表明，調(diào)質(zhì)時間、調(diào)質(zhì)溫度、模輥間隙對顆粒飼料硬度有一定影響，這與本文單模孔試驗得到的結(jié)論基本一致。

3 結(jié)論

①提出了一種顆粒飼料擠壓成型研究方法，自主研制了單?？讛D壓成型裝置，可以構(gòu)建不同溫度、含水率、擠壓載荷等條件，模擬顆粒飼料實際生產(chǎn)中的作業(yè)情況。

圖6 硬度儀測試

表5 不同含水率和載荷條件下顆粒飼料的硬度（kg）

表6 顆粒飼料硬度影響因素主效應(yīng)分析

②擠壓過程結(jié)束后的瞬間，迅速發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，有超過80%的應(yīng)力松弛值在應(yīng)力松弛開始后的30 s內(nèi)，此階段應(yīng)力衰減速度較快；載荷越大，應(yīng)力松弛結(jié)束后物料殘余的應(yīng)力值越大。在原料擠壓過程中，隨著載荷的增加，應(yīng)力松弛量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。說明在一定程度上提高壓縮力有助于飼料在?？變?nèi)的擠壓成型；當載荷≥15.28 MPa時，隨著含水率的增加，飼料顆粒松弛量呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，表明提高含水率有助于提高擠壓顆粒飼料的穩(wěn)定性，這可能是因為含水率增加使得淀粉糊化度增加、粉粒黏度提高，同時原料更容易軟化成型，因此顆粒飼料穩(wěn)定性提高。當含水率進一步提高時，松弛量呈現(xiàn)降低趨勢。

③擠壓載荷和物料含水率對原料松弛模量有顯著影響（P＜0.01），溫度因素對原料松弛模量的影響不顯著（P＞0.05）。松弛模量隨載荷的增大而增大，隨含水率的提高而減小。以模具加熱溫度70℃為例，當載荷為0.1 kN、含水率為20%時，原料松弛模量值EA最小。

④不同溫度、含水率和載荷均對顆粒飼料硬度有極顯著影響（P＜0.01）。加熱溫度高、物料含水率高，則淀粉糊化度越高，顏色越深，顆粒粘結(jié)強度越高，其硬度值越大。加載載荷大，顆粒致密程度高，其硬度值也越大。

本文提出了一種顆粒飼料擠壓成型研究方法，自主研制了單模孔擠壓裝置，得到仔豬粉料在不同參數(shù)下擠壓特性、應(yīng)力松弛特性、壓制的顆粒飼料外觀形態(tài)和硬度，為研究顆粒飼料成型機理提供了測試方法和相關(guān)力學參數(shù)。