基于輥式粉碎機(jī)的玉米粒度均勻性研究及模型構(gòu)建*

黃 偉，陶琳麗，楊秀娟，王 靜，佟薈全，李美荃，張 曦

(1.昆明學(xué)院 農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650214；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201)

粉碎是飼料生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵性工段，不僅需粉碎的物料占比大、粉碎工序耗電量高，而且粉碎質(zhì)量也是影響成品飼料質(zhì)量的重要因素。目前，中國(guó)飼料工業(yè)廣泛使用錘片式粉碎機(jī)，其具有粉碎效率高和產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在能耗高、粉碎粒度不均勻和噪音大等問(wèn)題[1]。而輥式粉碎機(jī)具有粉碎產(chǎn)品溫升小、功耗小、噪音低、粉塵少和粒度均勻等特點(diǎn)[2]。輥式粉碎機(jī)由機(jī)架、喂入輥、1 對(duì)直徑相同的圓柱形磨輥、清潔刷及其調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，其磨輥一般為一上一下，上輥為快輥，下輥為慢輥[3]。輥間隙和線速度是影響輥式粉碎機(jī)工作效果的主要因素。輥間隙影響粉碎產(chǎn)品的粒度，輥間隙小，對(duì)物料的擠壓作用大，粉碎后的物料粒度??；輥間隙大，對(duì)物料的擠壓作用小，粉碎后的物料粒度大[4-5]。磨輥線速度即磨輥的圓周速度，通常指快輥線速度，主要影響粉碎區(qū)內(nèi)物料的運(yùn)動(dòng)速度和粉碎效率，研究表明提高磨輥線速度可提高輥式粉碎機(jī)的生產(chǎn)能力[6]。在實(shí)際生產(chǎn)中，輥式粉碎機(jī)的生產(chǎn)能力并不是隨著磨輥線速度的增加而線性提高，且磨輥線速度的提高對(duì)輥式粉碎機(jī)的性能要求也較高，故不能一味地通過(guò)提高磨輥線速度來(lái)提高生產(chǎn)量。

本研究針對(duì)云南本地玉米的籽粒理化特性與其粉碎工藝特性，探討輥式粉碎機(jī)的輥間隙與快輥線速度對(duì)其粉碎粒度分布及粒度均勻性的影響，使粉碎產(chǎn)品粒度相對(duì)集中分布在符合特定養(yǎng)殖對(duì)象消化生理特點(diǎn)的粒徑范圍，以期滿足后續(xù)工段混合均勻度要求及制粒工段均勻熟化工藝要求，提高生產(chǎn)效率，降低能耗，提高飼料消化率。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

云南玉米，產(chǎn)地為云南省彌勒市，由昆明西爾南飼料有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用3×3 雙因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別研究輥式粉碎機(jī)輥間隙和快輥表面線速度對(duì)玉米飼料原料粉碎粒度的影響。輥間隙設(shè)3個(gè)水平，分別為0.5、1.0 和1.5 mm；快輥表面線速度設(shè)3個(gè)水平，分別為4、6 和8 m/s；試驗(yàn)共9 組處理。

1.3 觀測(cè)指標(biāo)及測(cè)定方法

玉米取樣2 kg，參照《飼料分析及飼料質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)》[7]的方法測(cè)定其含水量、硬度、容重、粗蛋白和總能。

玉米經(jīng)輥式粉碎機(jī)(快輥與慢輥速比為 2.5∶1，齒數(shù)為12 齒/英寸) 1 次粉碎，每個(gè)處理采樣 1 kg，混合均勻后按照四分法取樣，采用BT-2900 動(dòng)態(tài)圖像顆粒分析系統(tǒng)(丹東百特儀器有限公司)測(cè)定樣品粒度，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3 次；按照十五層篩法[8]劃分樣品粒度分布區(qū)間為：1～53、＞53～75、＞75～106、＞106～150、＞150～212、＞212～300、＞300～425、＞425～600、＞600～850、＞850～1 180、＞1 180～1 700、＞1 700～2 360、＞2 360～3 350、＞3 350～4 750和＞4 750 μm；以15個(gè)區(qū)間中分布最大值所在的3個(gè)區(qū)間為粒度分布的目標(biāo)區(qū)間。根據(jù)樣品在各區(qū)間的分布情況計(jì)算樣品在目標(biāo)區(qū)間的占比；按照以下公式計(jì)算重量幾何平均粒徑(dgw)和重量幾何標(biāo)準(zhǔn)差(Sgw)。其中，粒度大小以dgw表示，粒度分布狀況以Sgw表示。dgw值越小，表示粉碎粒度越??；Sgw值越小，表示粉碎成品粒度越均勻[8]。

式中：di為第i層篩孔尺寸，μm；di+1為比i層篩大一號(hào)的篩孔尺寸，μm；為第i層篩上物的幾何平均直徑，μm；Wi為第i層篩上物比例；W為粉體試樣質(zhì)量，g。

1.4 玉米粉碎粒度預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建

玉米粉碎粒度模型的構(gòu)建采用SAS 公司的JMP 軟件，使用最小二乘法擬合線性回歸方程，以簡(jiǎn)便地求得未知數(shù)據(jù)，并使這些數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的擬合置信曲線顯示在杠桿圖中，可直觀地表明所關(guān)注的檢驗(yàn)在5%水平下是否顯著。若曲線之間95%的置信區(qū)間包含表示假設(shè)的水平線，則效應(yīng)不顯著；若曲線之間95%的置信區(qū)間跨越水平線，則效應(yīng)顯著。此外，杠桿圖可直觀地演示在模型中添加輥間隙或線速度后各點(diǎn)對(duì)檢驗(yàn)的影響，即水平方向距離圖中心較遠(yuǎn)的點(diǎn)與接近中心的點(diǎn)相比，對(duì)輥間隙或線速度檢驗(yàn)的影響更大。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010 軟件整理，結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示；采用SPSS 19.0 進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)。單因素方差分析采用Duncan氏法進(jìn)行處理間均值的多重比較，雙因素試驗(yàn)采用 S-N-K (Student Newman Keuls) 法進(jìn)行多重比較，以P＜0.05 作為差異顯著性判斷標(biāo)準(zhǔn)；各因素對(duì)總變異的影響程度用 Eta2值表示，Eta2值越大，說(shuō)明各因素對(duì)指標(biāo)的影響程度越大。

2 結(jié)果與分析

2.1 飼用玉米理化指標(biāo)

試驗(yàn)飼用玉米理化指標(biāo)為：水分含量11.13%，粗蛋白含量8.41%，總能16.49 MJ/kg，硬度256.87 N，容重772.68 g/L。

2.2 輥式粉碎機(jī)粉碎結(jié)果

當(dāng)輥間隙為0.5 mm 時(shí)，粒度分布的最大值落在850～1 180 μm，目標(biāo)區(qū)間為600～1 700 μm；當(dāng)輥間隙為1.0 mm 時(shí)，粒度分布的最大值落在1 180～1 700 μm，目標(biāo)區(qū)間為850～2 360 μm；當(dāng)輥間隙為1.5 mm 時(shí)，粒度分布的最大值落在1 700～2 360 μm，目標(biāo)區(qū)間為1 180～3 350 μm。

由表1 可知：dgw以處理7 最大、處理3 最小，且與其他處理差異顯著(P＜0.05)；Sgw以處理3 最?。荒繕?biāo)區(qū)間占比以處理5 最高；即：當(dāng)輥間隙為1.5 mm、線速度為4 m/s 時(shí)，dgw值最大；當(dāng)輥間隙為0.5 mm、線速度為8 m/s 時(shí)，dgw和Sgw值均最??；當(dāng)輥間隙為1.0 mm、線速度為6 m/s 時(shí)，目標(biāo)區(qū)間占比最高。由因子間結(jié)果分析可知：輥間隙水平顯著影響輥式粉碎機(jī)粉碎玉米的dgw、Sgw和目標(biāo)區(qū)間占比(P＜0.05)，隨著輥間隙的增大，dgw和Sgw均增大，目標(biāo)區(qū)間占比降低；線速度水平顯著影響輥式粉碎機(jī)粉碎玉米的dgw(P＜0.05)，隨著線速度增加，dgw減??；輥間隙和線速度的交互作用顯著影響dgw(P＜0.05)。由Eta2值可知：輥間隙水平對(duì)dgw的影響程度最大。

表1 不同粉碎工藝條件對(duì)玉米dgw、Sgw 和目標(biāo)區(qū)間占比的影響Tab.1 Effect of different grinding process conditions on the maize dgw,Sgw and target interval proportion

2.3 輥式粉碎機(jī)粉碎預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

由圖1 可知：輥式粉碎機(jī)粉碎工藝參數(shù)對(duì)dgw預(yù)測(cè)值的均方根誤差為56.514，決定系數(shù)為0.98；預(yù)測(cè)值的殘差多數(shù)在±50 μm 以內(nèi)。由圖2 可知：杠桿圖曲線置信區(qū)間跨越粉碎粒度均值的水平線，說(shuō)明輥間隙與線速度2個(gè)因子對(duì)dgw影響顯著(P＜0.05)。采用JMP 軟件中的最小二乘法多元線性回歸模型擬合得出輥式粉碎機(jī)工藝參數(shù)的計(jì)算粒度模型為：dgw=701.82X1-62.23X2+1 000.30 (X1為輥間隙，X2為線速度)。

圖1 輥式粉碎機(jī)粉碎工藝參數(shù)對(duì)dgw 的預(yù)測(cè)Fig.1 The prediction of crushing process parameters of roller crusher for dgw

圖2 輥式粉碎機(jī)粉碎工藝參數(shù)對(duì)dgw 影響的杠桿圖Fig.2 The effect of leverage figure grinding process of roller crusher for dgw

由圖3 可知：輥式粉碎機(jī)粉碎工藝參數(shù)對(duì)Sgw預(yù)測(cè)值的均方根誤差為0.057 2，決定系數(shù)為0.84；預(yù)測(cè)值的殘差多數(shù)在±0.05 μm 以內(nèi)。由圖4 可知：杠桿圖曲線置信區(qū)間跨越粉碎粒度均值的水平線，說(shuō)明輥間隙與線速度2個(gè)因子對(duì)Sgw影響顯著(P＜0.05)。采用JMP 軟件中的最小二乘法多元線性回歸模型擬合得出輥式粉碎機(jī)工藝參數(shù)的計(jì)算粒度模型，Sgw=0.26X1-3.70e-17X2+2.07 (X1為輥間隙，X2為線速度)。

圖3 輥式粉碎機(jī)粉碎工藝參數(shù)對(duì)Sgw 的預(yù)測(cè)Fig.3 The prediction of crushing process parameters of roller crusher for Sgw

圖4 輥式粉碎機(jī)粉碎工藝參數(shù)對(duì)Sgw 影響的杠桿圖Fig.4 The effect of leverage figure grinding process of roller crusher for Sgw

3 討論

3.1 輥間隙對(duì)粉碎粒度的影響

粉碎是飼料生產(chǎn)中的重要工序之一，是影響飼料質(zhì)量、產(chǎn)量和生產(chǎn)成本的重要因素。將原料進(jìn)行粉碎，能增大飼料表面積，增加飼料顆粒和消化酶的接觸，有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收[9]。此外，還能改善和提高配料、混合及制粒等后序工段的效率和質(zhì)量[10]。在國(guó)外，輥式粉碎機(jī)是飼料粉碎常用的粉碎機(jī)類(lèi)型[11]。合理的擠壓力和速度差可以使物料在經(jīng)過(guò)研磨區(qū)時(shí)最大限度地被磨輥之間的間隙磨碎，輥間隙起著類(lèi)似于錘片式粉碎機(jī)篩片的作用，很大程度上決定了被粉碎物料的產(chǎn)品粒度[12-13]。GEBHARDT 等[14]指出：輥間隙會(huì)顯著影響輥式粉碎機(jī)的性能，且對(duì)成品的粉碎粒度、粒度分布和粉碎效率等有明顯影響，通過(guò)調(diào)節(jié)輥間隙，可以得到不同粒度的粉碎成品。本試驗(yàn)中，輥間隙顯著影響玉米粉碎成品的dgw和Sgw(P＜0.05)，減小輥間隙，增加兩輥對(duì)原料的磨碾壓力，顯著減小粉碎粒度。這一結(jié)果與GEBHARDT等[14]的觀點(diǎn)一致。WONDRA 等[9]研究發(fā)現(xiàn)：成品粒度的均勻性隨著原料粉碎粒度的減小有增加的趨勢(shì)，與本試驗(yàn)結(jié)果相同。輥式粉碎機(jī)輥間隙的減小，改變了物料在粉碎過(guò)程中的受力程度，在降低玉米粉碎粒度的同時(shí)產(chǎn)生更多粒度一致的細(xì)小顆粒。

3.2 快輥表面線速度對(duì)粉碎粒度的影響

輥式粉碎機(jī)主動(dòng)輥的轉(zhuǎn)速不同，施加于喂料的剪切力也不相同，最終影響粉碎成品的粒度及其分布[15-16]。輥式粉碎機(jī)的磨輥以不同的速度相對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速顯著高于破碎機(jī)和壓片機(jī)的輥速[17]。直徑12 英寸磨輥的圓周速度為7.62～15.24 m/s 或更高，磨輥的線速度越大，物料在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)研磨區(qū)的數(shù)量越多，磨粉機(jī)的產(chǎn)量也越高，產(chǎn)生的細(xì)粉越多，成品粉碎粒度越小，粒度的一致性越高[8]?？燧伇砻婢€速度越大，單位時(shí)間內(nèi)有較多物料通過(guò)研磨區(qū)，磨粉機(jī)的產(chǎn)量提高；如飼料流量固定不變，通過(guò)研磨區(qū)的物料流層厚度減小，可加強(qiáng)刮剝作用[8]。PéREZ-BONILLA 等[18]采用輥式粉碎機(jī)在輥間隙0.6 mm、快輥線速度16.34 m/s 條件下粉碎玉米，所得成品粒徑為955 μm。本試驗(yàn)所得粉碎玉米的最適快輥表面線速度與以往的報(bào)道存在一定差異，這可能是由于原料、磨輥尺寸、磨輥齒型和快慢輥轉(zhuǎn)速比不同等原因所致。NIR 等[19]研究發(fā)現(xiàn)：采用輥式粉碎機(jī)所得成品的粒度及其分布因磨輥齒型和齒數(shù)不同而存在差異。劉社福[3]指出：兩輥速度相同時(shí)，輥筒高強(qiáng)度壓縮物料并伴隨著較弱的切割。輥筒對(duì)物料產(chǎn)生碾磨和剪切作用是因兩輥之間的速度差使其對(duì)物料產(chǎn)生差動(dòng)作用，這是獲得最大碾壓能力和較高破碎效率的必需條件。FANG 等[20]研究發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)速比會(huì)對(duì)成品粒度產(chǎn)生影響，轉(zhuǎn)速比為2.5∶1 時(shí)粉碎粒度最小。此外，在本試驗(yàn)各輥間隙條件下，快輥線速度對(duì)粉碎成品的Sgw均沒(méi)有顯著影響(P＞0.05)，表明輥式粉碎機(jī)產(chǎn)品粒度的一致性較高，這與NIR 等[19]和AMERAH 等[21]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

輥式粉碎機(jī)的輥間隙顯著影響玉米粉碎后顆粒的dgw、Sgw和目標(biāo)區(qū)間占比，增大輥間隙，dgw和Sgw隨之增大，目標(biāo)區(qū)間占比減?。豢燧佪侀g隙(X1)、表面線速度(X2)及二者交互作用會(huì)顯著影響成品的dgw，輥式粉碎機(jī)工藝參數(shù)計(jì)算模型：dgw=701.82X1-62.23X2+1 000.30；Sgw=0.26X1-3.70e-17X2+2.07。