飼料油脂后噴涂系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

■周 鵬 陳 慧 羅細(xì)芽舒 娟 李模其

（江西省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，江西南昌330000）

我國(guó)飼料行業(yè)起步于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，已形成了飼料行業(yè)的主導(dǎo)地位，而隨著科技發(fā)展，飼料行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨加激，呈現(xiàn)“大魚(yú)吃小魚(yú)”的集團(tuán)化整合發(fā)展，為了追逐飼料微利，高品質(zhì)飼料生產(chǎn)控制是飼料集團(tuán)保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的主要途徑。目前，膨化飼料、顆粒飼料生產(chǎn)技術(shù)是飼料高品質(zhì)控制的重要手段，其生產(chǎn)過(guò)程中的高溫、高濕、高壓的調(diào)質(zhì)工藝[1]，可使原料淀粉糊化、蛋白質(zhì)發(fā)生變性、鈍化抗?fàn)I養(yǎng)因子、殺滅原料中的沙門(mén)氏菌等有害病菌等，改善飼料適口性、提高蛋白質(zhì)利用率、防止有害病菌的影響，能有效保障水產(chǎn)、乳豬、禽類(lèi)等動(dòng)物的健康成長(zhǎng)；同時(shí)，膨化飼料、顆粒飼料生產(chǎn)的高溫、高濕、高壓的調(diào)質(zhì)工藝，針對(duì)飼料中必需的熱敏性營(yíng)養(yǎng)元素[2-5]（如酶制劑、維生素、生物菌等）具有極大的破壞性，如：維生素?fù)p失達(dá)10%以上，而酶制劑、生物菌在調(diào)質(zhì)溫度達(dá)到100℃以上幾乎損失殆盡。為避免飼料必需的熱敏性營(yíng)養(yǎng)元素不受膨化飼料、顆粒飼料生產(chǎn)的高溫、高濕、高壓調(diào)質(zhì)的破壞影響，擬采用油脂后噴涂新技術(shù)，以保障熱敏性營(yíng)養(yǎng)元素在飼料中的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[6-8]。本研究將按照油脂后噴涂技術(shù)要求，設(shè)計(jì)一套飼料油脂后噴涂系統(tǒng)，以滿(mǎn)足飼料行業(yè)中油脂后噴涂需求。

1 油脂后噴涂技術(shù)

油脂后噴涂技術(shù)屬于液體后添加范疇，飼料加工中將必需的熱敏性營(yíng)養(yǎng)元素制成液態(tài)，在制?；蚺蚧葻峒庸どa(chǎn)之后再添加的新技術(shù)，并由此開(kāi)發(fā)的滿(mǎn)足該技術(shù)要求的各種后添加工藝設(shè)備。通過(guò)安裝在飼料熱加工之后，既滿(mǎn)足了制?；蚺蚧a(chǎn)加工的飼料品質(zhì)，又保存了飼料中必需的熱敏性元素的營(yíng)養(yǎng)成分。近年來(lái)，該技術(shù)在世界各地得到迅速普及，成為飼料加工領(lǐng)域的一大發(fā)展趨勢(shì)，德國(guó)的Kahl和Chevita、瑞士的Buhler、丹麥的Sprout-Matador、美國(guó)的Finnfeads、荷蘭的Wijnveen等眾多歐、美公司，都投入到液體后添加設(shè)備的研制行列中來(lái)，并有新產(chǎn)品不斷的投放到市場(chǎng)使用。國(guó)內(nèi)油脂后噴涂技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后，油脂添加多數(shù)采用在混合機(jī)中進(jìn)行，飼料在混合機(jī)攪拌過(guò)程中添加油脂，該方式下油脂添加量不能超過(guò)3%，添加量過(guò)高后會(huì)影響后續(xù)加工工藝，影響飼料品質(zhì)；也有在膨化后通過(guò)冷卻滾筒進(jìn)行油脂添加的，此添加方式的油脂添加精度、均勻性、添加比例都無(wú)法精確控制。

2 飼料油脂后噴涂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)國(guó)內(nèi)油脂后噴涂技術(shù)應(yīng)用情況，為滿(mǎn)足制?；蚺蚧葻峒庸ず笥椭砑拥男枰瑢?duì)油脂后噴涂技術(shù)進(jìn)行研究分析。程繡花等[9]對(duì)真空油脂后噴涂技術(shù)及裝備進(jìn)行了論述,相對(duì)于常規(guī)油脂后噴涂技術(shù)，真空噴涂雖然具有一定的優(yōu)勢(shì)，但其在解除真空時(shí)易使物料破碎，造成物料粉化率提高，同時(shí)較好的真空噴涂設(shè)備價(jià)格昂貴。尹枝松等[10]對(duì)水產(chǎn)膨化料后噴涂設(shè)備進(jìn)行了研究，其提出的螺旋立式噴涂機(jī)具有良好的噴涂效果，但其螺旋輸送易造成物料破碎，限制了該設(shè)備應(yīng)用范圍。

通過(guò)上述研究分析，本研究設(shè)計(jì)了飼料油脂后噴涂系統(tǒng)，對(duì)其核心設(shè)備噴涂機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用旋轉(zhuǎn)離心力方式，使物料在重力作用下形成物料簾，液態(tài)油脂形成霧化液體簾，兩股逆向運(yùn)動(dòng)，充分接觸，完成油脂均勻快速?lài)娡?；并?duì)其油脂噴涂量、噴涂精度、均勻性、添加比例進(jìn)行試驗(yàn)分析，表明其噴涂效果的優(yōu)良。同時(shí)，本油脂噴涂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)成本低，物料在其重力下輸送，避免了物料的破碎，相對(duì)其他油脂噴涂設(shè)備具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.1 系統(tǒng)工藝流程

筆者研究分析了國(guó)內(nèi)外液體添加技術(shù)及工藝發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合自身長(zhǎng)期從事飼料機(jī)械生產(chǎn)工藝及裝備研究設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)膨化飼料、顆粒飼料等加工后油脂噴涂，設(shè)計(jì)了飼料油脂后噴涂機(jī)，并根據(jù)飼料油脂后噴涂生產(chǎn)工藝要求，配套設(shè)計(jì)了物料供應(yīng)系統(tǒng)、油脂供應(yīng)系統(tǒng)、電控控制系統(tǒng)，形成了飼料油脂后噴涂系統(tǒng)工藝流程[11-12]（見(jiàn)圖1）。

圖1 飼料油脂后噴涂系統(tǒng)工藝流程

2.2 油脂后噴涂機(jī)

油脂后噴涂機(jī)作為系統(tǒng)的核心設(shè)備（見(jiàn)圖2），其設(shè)計(jì)主要由進(jìn)料口、主電機(jī)、噴涂機(jī)構(gòu)、噴油管、物料調(diào)節(jié)門(mén)、噴涂室、混合室、爬料機(jī)構(gòu)、爬料電機(jī)和出料口等組成。主要結(jié)構(gòu)由噴涂室、混合室形成密閉結(jié)構(gòu)，其中主要工作部件噴涂機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖3），通過(guò)軸承安裝在噴涂室頂部機(jī)架上，其由從動(dòng)軸機(jī)構(gòu)、主軸大皮帶輪、主軸小皮帶輪、軸承、機(jī)架、主電機(jī)皮帶輪、套筒軸皮帶輪、中心軸、套筒軸、物料盤(pán)、液體盤(pán)等組成。油脂后噴涂機(jī)工作過(guò)程中，物料和油脂分別由物料供應(yīng)系統(tǒng)和油脂供應(yīng)系統(tǒng)完成，物料通過(guò)進(jìn)料口進(jìn)入物料盤(pán)，油脂通過(guò)噴油管進(jìn)入液體盤(pán)，物料由噴涂機(jī)構(gòu)在噴涂室完成油脂噴涂工作后，進(jìn)入混合室，在爬料機(jī)構(gòu)的工作下，確保混合均勻性，再?gòu)某隽峡谶M(jìn)入下一個(gè)工序。

圖2 油脂后噴涂機(jī)

圖3 噴涂機(jī)構(gòu)

為更好地完成油脂噴涂工作，噴涂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙軸結(jié)構(gòu)，即套筒軸中心設(shè)有中心軸，兩軸末端分別設(shè)有物料盤(pán)和液體盤(pán)；中心軸頂端設(shè)有直徑分別為200、90 mm的皮帶輪，其由主電機(jī)帶動(dòng)，主電機(jī)皮帶輪直徑160 mm，按照《現(xiàn)代飼料加工技術(shù)》設(shè)計(jì)要求，主電機(jī)選擇額定功率為2.2 kW的Y100L1-4電機(jī)，其轉(zhuǎn)速為1 430 r/min，則中心軸轉(zhuǎn)速V中=1 430×160/200=1 144 r/min；套筒軸中上部設(shè)有直徑為400 mm的皮帶輪，其由從動(dòng)軸機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，從動(dòng)軸機(jī)構(gòu)設(shè)有直徑為400 mm和90 mm，從動(dòng)軸由中心軸小皮帶輪帶動(dòng)，其轉(zhuǎn)速V從=1 144×90/400=257.4 r/min，則套筒軸轉(zhuǎn)速V套=257.4×90/400=57.9 r/min。這樣，噴涂機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中，物料盤(pán)在套筒軸帶動(dòng)下，以57.9 r/min快速運(yùn)轉(zhuǎn)，其中的物料在此離心力和自身的重力作用下，在360°范圍向外拋出，并形成向下均勻物料簾；液體盤(pán)設(shè)計(jì)成錐形，在中心軸帶動(dòng)下，以1 144 r/min高速運(yùn)轉(zhuǎn)，其中的液態(tài)油脂在此離心力和錐度的作用下形成360°向上的半霧化的液體簾，兩種逆向運(yùn)動(dòng)的物料簾和液體簾在噴涂室充分接觸融合，完成噴涂工作。同時(shí)，噴涂機(jī)構(gòu)的噴涂工作的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，也是提高油脂噴涂量的有效保證。

2.3 物料供應(yīng)系統(tǒng)

為更好控制油脂噴涂機(jī)物料的供應(yīng)，在其進(jìn)料口上方設(shè)計(jì)一個(gè)緩沖料倉(cāng)，在料倉(cāng)上設(shè)有上、中、下三個(gè)料位器（見(jiàn)圖1），通過(guò)料位器控制來(lái)保證進(jìn)入料倉(cāng)中物料的供給量，同時(shí)通過(guò)油脂噴涂機(jī)上的物料調(diào)節(jié)門(mén)，根據(jù)油脂噴涂需求控制進(jìn)入噴涂機(jī)的物料流恒定、均勻，從而保障了系統(tǒng)油脂噴涂過(guò)程中的物料供應(yīng)需求。

2.4 油脂供應(yīng)系統(tǒng)

油脂供應(yīng)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），由油脂儲(chǔ)罐、蒸汽加熱管、油泵、球閥、過(guò)濾器、電磁閥、壓力表、油路管件等組成。油脂在該系統(tǒng)中，通過(guò)進(jìn)油泵進(jìn)入油脂儲(chǔ)罐，在蒸汽加熱管作用下，油脂完全液態(tài)化；通過(guò)噴油泵將液態(tài)的油脂輸送到油脂噴涂機(jī)的液體盤(pán)中，完成油脂的供應(yīng)。油脂供應(yīng)系統(tǒng)中，通過(guò)過(guò)濾器、球閥、溢流閥、電磁閥、壓力表等油路管件，來(lái)清除油脂中的雜質(zhì)，并保證油脂在供應(yīng)過(guò)程中安全供應(yīng)；同時(shí)，噴油泵采用變頻控制，以滿(mǎn)足飼料油脂后噴涂過(guò)程不同油脂添加比例的控制要求。

2.5 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)采用PLC控制器設(shè)計(jì)，利用其自動(dòng)化控制優(yōu)勢(shì)，將油脂后噴涂機(jī)、物料供應(yīng)系統(tǒng)、油脂供應(yīng)系統(tǒng)有機(jī)聯(lián)合成飼料油脂后噴涂系統(tǒng)整體?？刂七^(guò)程中，電控系統(tǒng)發(fā)出控制指令，分別控制油脂后噴涂機(jī)、物料供應(yīng)系統(tǒng)、油脂供應(yīng)系統(tǒng)共同工作（見(jiàn)圖4），完成油脂在物料表面的均勻噴涂；同時(shí)電控系統(tǒng)收集并反饋物料供應(yīng)系統(tǒng)料倉(cāng)料位器，油脂供應(yīng)系統(tǒng)溢流閥、電磁閥、壓力表等的工作狀態(tài)，以便及時(shí)處理系統(tǒng)工作中出現(xiàn)的一些狀況，從而更好完成整個(gè)系統(tǒng)油脂后噴涂工作。

圖4 油脂后噴涂電控系統(tǒng)框圖

3 飼料油脂后噴涂系統(tǒng)試驗(yàn)

本飼料油脂后噴涂系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)該系統(tǒng)油脂后噴涂機(jī)（見(jiàn)圖5）、料倉(cāng)、油脂儲(chǔ)罐等進(jìn)行加工生產(chǎn)，并將其安裝到顆粒飼料生產(chǎn)線(xiàn)上（見(jiàn)圖6），進(jìn)行制粒生產(chǎn)和油脂后噴涂，并針對(duì)其生產(chǎn)率、油脂噴涂比例、噴涂均勻度進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明：生產(chǎn)率為5～20 t/h，噴涂比例為2.5%～10%，噴涂均勻度＞90%，滿(mǎn)足飼料生產(chǎn)油脂后噴涂要求。具體試驗(yàn)過(guò)程如下。

圖5 油脂后噴涂樣機(jī)

圖6 顆粒飼料生產(chǎn)工藝

3.1 生產(chǎn)率試驗(yàn)

生產(chǎn)率試驗(yàn)主要測(cè)定系統(tǒng)油脂后噴涂生產(chǎn)的最低生產(chǎn)率及最高生產(chǎn)率。試驗(yàn)過(guò)程將該系統(tǒng)置于手動(dòng)生產(chǎn)狀態(tài)，先將油脂后噴涂機(jī)的物料調(diào)節(jié)門(mén)調(diào)為最低狀態(tài)，啟動(dòng)油脂噴涂機(jī)及物料供應(yīng)（不啟動(dòng)油脂供應(yīng)），測(cè)定每分鐘油脂噴涂機(jī)工作過(guò)程中物料供應(yīng)的重量，測(cè)定3次，取其平均值，得其最小生產(chǎn)率；然后將噴涂機(jī)的物料調(diào)節(jié)門(mén)調(diào)為最高狀態(tài)重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)定其3次油脂噴涂機(jī)工作過(guò)程中物料供應(yīng)的重量，取其平均值，得其最大生產(chǎn)率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，試驗(yàn)結(jié)果：最低生產(chǎn)率84.42 kg/min，即為5.07 t/h；最高生產(chǎn)率325.00 kg/min，即為19.5 t/h。

表1 油脂后噴涂系統(tǒng)生產(chǎn)率(kg/min)

3.2 噴油量測(cè)定

為測(cè)定噴油泵每分鐘每1 Hz的噴油量，在油脂儲(chǔ)罐內(nèi)泵入600 kg左右的油脂（室溫低于25℃時(shí)需將油脂加熱），將系統(tǒng)置于手動(dòng)狀態(tài)，變頻器頻率設(shè)為10 Hz，單獨(dú)啟動(dòng)噴油泵，將油脂排入準(zhǔn)備好的塑料桶中，達(dá)到穩(wěn)定的流量之后停止泵油。將塑料桶中油脂倒回油脂儲(chǔ)罐內(nèi)，并置于電子秤上去皮歸零，啟動(dòng)噴油泵，同時(shí)秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)，1 min后停止噴油泵，得到噴油重量，連續(xù)測(cè)定3次，取平均值L1；將變頻器頻率分別設(shè)為20 Hz和30 Hz，重復(fù)上述試驗(yàn)，每次測(cè)定3次，取其平均值，得到L2、L3。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 油脂后噴涂噴油量測(cè)定數(shù)據(jù)(kg/min)

試驗(yàn)結(jié)果可測(cè)定噴油量L=(L1+L2+L3)÷（10+20+30）=(4.14+8.26+12.24)÷60=0.41 kg/(Hz·min)。

油泵每分鐘噴油量與變頻器頻率變化關(guān)系如圖7所示，從圖中可知，每分鐘噴油量和噴油泵頻率基本呈線(xiàn)性關(guān)系，生產(chǎn)中根據(jù)噴油泵頻率控制噴油量，是一種安全、精度較高的控制方式。

圖7 每分鐘噴油量隨頻率變化的情況

3.3 油脂噴涂比例試驗(yàn)

油脂噴涂比例試驗(yàn)，在油脂后噴涂系統(tǒng)最大生產(chǎn)率狀態(tài)下，以油脂添加比例為3%、4%、8%下進(jìn)行。油脂添加比例通過(guò)控制油脂供應(yīng)系統(tǒng)中噴油泵變頻器的頻率進(jìn)行控制，計(jì)算公式如下。

式中：H——變頻器控制頻率（Hz）；

G——油脂添加比例（%）；

M——生產(chǎn)率(最大生產(chǎn)率狀態(tài)下為325 kg/min)；

L——噴油量（kg）。

計(jì)算油脂添加比例為3%、4%、8%的變頻器控制頻率。油脂添加比例為3%的變頻器控制頻率H1=3%×325÷0.41=23.78 Hz，油脂添加比例為4%的變頻器控制頻率H2=4%×325÷0.41=31.7 Hz，油脂添加比例為8%的變頻器控制頻率H3=8%×325÷0.41=63.4 Hz。

按照三種變頻器控制頻率，在油脂后噴涂系統(tǒng)最大生產(chǎn)率狀態(tài)下，控制油脂后噴涂系統(tǒng)進(jìn)行油脂添加比例分別為3%、4%、8%噴涂試驗(yàn)，每種添加比例生產(chǎn)10 min，每隔1 min取一個(gè)樣，共10個(gè)樣品。試驗(yàn)完好將得到的所有樣品送到專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)，對(duì)樣品中油脂含量比例進(jìn)行檢測(cè)，得到噴涂比例試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

油脂理論與實(shí)際添加比例試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，通過(guò)本系統(tǒng)油脂添加比例能夠達(dá)到8%以上，并根據(jù)不同的油脂添加比例要求，將油脂很好地噴涂到飼料中。

3.4 噴涂均勻度試驗(yàn)

噴涂均勻度試驗(yàn)，以油脂添加比例為3%時(shí)進(jìn)行，試驗(yàn)取10個(gè)樣品送檢，測(cè)定其樣品中的油脂含量如表4所示，根據(jù)以下公式計(jì)算出噴涂均勻性變異系數(shù)CV。

表3 樣品中油脂含量比例（%）

表4 油脂添加比例為3%時(shí)試驗(yàn)樣品的油脂含量(g/kg)

式中：Xˉ——油脂含量的平均值(g/kg)；

S——標(biāo)準(zhǔn)差。

經(jīng)計(jì)算可得Xˉ=29.04 g/kg，S=2.054 37，CV=7.07%。試驗(yàn)表明，油脂后噴涂變異系數(shù)CV小于10%，即通過(guò)本系統(tǒng)油脂噴涂后，油脂噴涂均勻度大于90%。

4 結(jié)論

本研究分析了膨化飼料、顆粒飼料油脂后噴涂技術(shù)在飼料加工業(yè)中的重要作用，設(shè)計(jì)了一套油脂后噴涂系統(tǒng)，對(duì)油脂噴涂機(jī)、物料供應(yīng)系統(tǒng)、油脂供應(yīng)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)進(jìn)行了介紹；通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的生產(chǎn)率、油脂噴涂比例、噴涂均勻性等主要性能指標(biāo)，取得了一定的成果，本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

①設(shè)計(jì)了核心設(shè)備油脂噴涂機(jī)，通過(guò)該設(shè)備中的噴涂機(jī)構(gòu)，應(yīng)用同心軸的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，形成了較佳的物料和液態(tài)油脂的運(yùn)動(dòng)方式，在重力和離心力作用下，物料簾和離心霧化狀的液態(tài)油脂簾充分接觸融合，并在爬料機(jī)構(gòu)作用下充分混合，保證了噴涂效果。

②設(shè)計(jì)了物料和油脂的供應(yīng)系統(tǒng)，物料通過(guò)油脂噴涂機(jī)的物料調(diào)節(jié)門(mén)實(shí)現(xiàn)油脂噴涂的產(chǎn)量控制，液態(tài)油脂通過(guò)改變變頻器頻率實(shí)現(xiàn)油脂添加比例調(diào)節(jié)。

③整個(gè)系統(tǒng)由PLC電控系統(tǒng)控制完成，分別控制核心設(shè)備油脂后噴涂機(jī)工作，物料和油脂的供應(yīng)，系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)生產(chǎn)率為5～20 t/h，噴涂比例為2.5%～10%，噴涂均勻度＞90%，能夠滿(mǎn)足膨化飼料、顆粒飼料等生產(chǎn)油脂后噴涂需求。