房菁

合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230031

基于響應(yīng)面法的飼料環(huán)模制粒參數(shù)優(yōu)化

房菁

合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230031

環(huán)模制粒機(jī)是直接生產(chǎn)成品顆粒飼料的裝備，其性能在很大程度上決定了飼料加工的產(chǎn)量和質(zhì)量。該文以提高制粒機(jī)的生產(chǎn)率、降低制粒能耗為目標(biāo)，采用響應(yīng)面法對(duì)飼料環(huán)模制粒的關(guān)鍵參數(shù)環(huán)模寬度、成型速度和喂料頻率進(jìn)行了試驗(yàn)研究和優(yōu)化分析。結(jié)果表明各因素對(duì)能耗影響作用的大小依次為：環(huán)模寬度＞成型速度＞喂料頻率；各因素對(duì)生產(chǎn)率影響作用的大小依次為：喂料頻率＞成型速度＞環(huán)模寬度。優(yōu)化結(jié)果顯示當(dāng)環(huán)模寬度為169.75 mm、成型速度為6.94 m/s、喂料頻率為22.93 Hz時(shí)，成型能耗較低，生產(chǎn)率較高。試驗(yàn)驗(yàn)證表明能耗回歸模型的預(yù)測(cè)誤差為3.28%，生產(chǎn)率回歸模型的預(yù)測(cè)誤差為3.94%，預(yù)測(cè)模型可靠性較高。

環(huán)模制粒機(jī);能耗;生產(chǎn)率;優(yōu)化

在畜禽業(yè)中，飼料是支撐畜禽生長(zhǎng)的最基本元素。顆粒飼料具有體積小、不易受潮、便于散裝儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)。而且用顆粒飼料喂養(yǎng)畜禽時(shí)，營(yíng)養(yǎng)較為均衡、飼料浪費(fèi)少、喂養(yǎng)方便、節(jié)省勞動(dòng)力。由于顆粒飼料較之普通飼料的優(yōu)勢(shì)，顆粒飼料在配合飼料中的比例逐年上升，目前我國(guó)飼料產(chǎn)量已超過(guò)美國(guó)成為世界第一飼料生產(chǎn)大國(guó)，飼料工業(yè)總量在國(guó)民經(jīng)濟(jì)GDP中的比例超過(guò)了1.3%。相應(yīng)的飼料加工裝備包括飼料原料的接收、清理、粉碎、定量配料、混合、調(diào)質(zhì)、膨化、制粒、壓片、干燥、冷卻、分級(jí)、液體添加、后噴涂、倉(cāng)儲(chǔ)、除塵除臭、成品定量包裝、輸送等類(lèi)別。其中，環(huán)模制粒機(jī)是直接生產(chǎn)成品顆粒飼料的裝備，是飼料加工裝備的四大主機(jī)之一，其性能在很大程度上決定了飼料加工的產(chǎn)量和質(zhì)量，是所有飼料裝備中最重要的設(shè)備之一，在飼料生產(chǎn)中占有重要地位[1]。目前，國(guó)內(nèi)的制粒機(jī)生產(chǎn)成本較高，存在生產(chǎn)率偏低，能耗偏高和使用壽命偏短等問(wèn)題。

1 材料與方法

1.1 環(huán)模制粒基本原理

圖1 環(huán)模制粒原理圖Fig.1 Schematic diagram of the ring-die pelleting process

圖1為飼料環(huán)模制粒的基本原理，成型物料通過(guò)喂料機(jī)構(gòu)送入環(huán)模與壓輥構(gòu)成的成型腔，電機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)模以一定的速度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在離心力和摩擦力作用下物料緊貼環(huán)模內(nèi)壁，壓輥借助物料與壓輥之間的摩擦力隨著環(huán)模和物料一起旋轉(zhuǎn)。隨著環(huán)模和壓輥的旋轉(zhuǎn)，物料被攫入并不斷壓緊、擠壓，當(dāng)擠壓力增大到足夠克服物料與?？變?nèi)壁的摩擦力時(shí)，物料以一定的密度被壓入模孔[8]。隨著模輥的不斷旋轉(zhuǎn)，物料從?？字袛D出，經(jīng)切刀切斷形成所需顆粒狀物料。影響該過(guò)程的主要因素包括成型物料特性、環(huán)模轉(zhuǎn)速和模具結(jié)構(gòu)（包括環(huán)模長(zhǎng)徑比、環(huán)模寬度、環(huán)模壓輥直徑比）等。評(píng)價(jià)飼料環(huán)模制粒的主要技術(shù)指標(biāo)為成型能耗、生產(chǎn)率和所生產(chǎn)的制品品質(zhì)。

1.2 飼料環(huán)模制粒響應(yīng)面試驗(yàn)

1.2.1 響應(yīng)面方法介紹 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方法（Response Surface Methodology,RSM）是利用合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法并通過(guò)試驗(yàn)得到一定數(shù)據(jù)，利用多元回歸方程來(lái)擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，是解決多變量問(wèn)題的一種有效統(tǒng)計(jì)方法[9-11]，廣泛用于工藝參數(shù)優(yōu)化及建模等領(lǐng)域。在響應(yīng)分析中，觀察值

y可表述為：

式中，f(x1，x2，…，xl)是自變量x1，x2，…，xl的函數(shù)，ε是誤差項(xiàng)。

感謝碩士研究生趙桃桃、方星、王苗和本科生薛甜甜、李欣茜、薛志偉、張維、尚坤和梁思寧等參與問(wèn)卷調(diào)查與訪(fǎng)談工作！

在響應(yīng)面分析中，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得回歸方程，利用該回歸方程可進(jìn)行模型分析及優(yōu)化研究。響應(yīng)面試驗(yàn)方法主要包括中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Central Composite Design,CCD）和Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)[12,13]。其中CCD設(shè)計(jì)具有精度高，預(yù)測(cè)性強(qiáng)的特點(diǎn)，是響應(yīng)面方法中應(yīng)用最廣的方法之一。該文擬采用經(jīng)典的CCD設(shè)計(jì)試驗(yàn)，建立以能耗和生產(chǎn)率為響應(yīng)值的二次多項(xiàng)式響應(yīng)模型，并對(duì)飼料環(huán)模制粒參數(shù)做出優(yōu)化，以提高飼料環(huán)模制粒設(shè)備的工作效率。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)備與原料 試驗(yàn)所采用的設(shè)備為MUZL420型飼料環(huán)模制粒機(jī)，設(shè)備主要參數(shù)為：環(huán)模內(nèi)徑460 mm，壓輥直徑205 mm，壓輥寬度142 mm，電機(jī)功率110 kw。試驗(yàn)所用原料為某型豬料，原料水分為12.39%，容重為615 g/L，原料粒度如表1所示。

表1 原料粒度分布Table 1 Particle size of the raw material

1.2.3 試驗(yàn)變量與測(cè)試指標(biāo) 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，環(huán)模轉(zhuǎn)速、環(huán)模寬度和喂料頻率是影響環(huán)模制粒機(jī)的三項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，因此選擇這三項(xiàng)參數(shù)作為試驗(yàn)變量，選擇成型能耗和生產(chǎn)率為測(cè)試指標(biāo)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況和試驗(yàn)條件，環(huán)模寬度設(shè)置為178 mm、165 mm和152 mm三組，成型速度分別為7.52 m/s、7.06 m/s和6.60 m/s，喂料頻率分別為25 Hz、20 Hz和15 Hz。利用響應(yīng)面CCD試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，變量編碼如表2所示。

表2 響應(yīng)試驗(yàn)變量編碼及取值Table 2 Coding and values of the variables

飼料制粒機(jī)生產(chǎn)率的測(cè)試方法為：直接從制粒機(jī)出料口處接取顆粒樣品，接樣時(shí)間不少于15 min，稱(chēng)出顆粒樣品質(zhì)量m，同時(shí)取樣測(cè)出顆粒水分含量Hk，生產(chǎn)率按式（2）計(jì)算。

式中，m—接取的顆粒樣品質(zhì)量，kg；t—接取顆粒樣品實(shí)際作業(yè)時(shí)間，min。

飼料制粒機(jī)能耗測(cè)試方法為：在制粒機(jī)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的狀態(tài)下，測(cè)定制粒機(jī)在實(shí)際作業(yè)時(shí)間內(nèi)的耗電量和所生產(chǎn)的顆粒質(zhì)量，按式（3）計(jì)算能耗。

式中，Ga—噸料電耗，kW·h/t；Gz—主電機(jī)在實(shí)際作業(yè)時(shí)間內(nèi)的耗電量，kW·h；Gt—調(diào)質(zhì)器在實(shí)際作業(yè)時(shí)間內(nèi)的耗電量，kW·h；Gw—喂料器在實(shí)際作業(yè)時(shí)間內(nèi)的耗電量，kW·h。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果綜合分析

根據(jù)表2所示試驗(yàn)安排進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，表3為試驗(yàn)結(jié)果。從表3中可看出，在三類(lèi)試驗(yàn)變量不同的取值組合下，能耗的變化范圍為10.48～12.83 kW·h/t，生產(chǎn)率的變化范圍為9.89～12.49 t/h。能耗和生產(chǎn)率隨生產(chǎn)條件的改變而在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

表3 響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of the response surface experiments

2.2 成型能耗分析

根據(jù)響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，所選模型為二階模型。并對(duì)擬合的回歸模型進(jìn)行方差分析，并結(jié)果如表4所示。方差分析結(jié)果顯示，模型p值＜0.0001，自變量和因變量具有極為顯著的相關(guān)關(guān)系。模型修正決定系數(shù)R2=0.9846＞0.8，說(shuō)明回歸方程與試驗(yàn)結(jié)果整體上吻合較好；R2Adj=0.9649，R2預(yù)測(cè)=0.8031，兩者均接近1，失擬項(xiàng)不顯著，表明試驗(yàn)誤差較小，該回歸模型能較好的反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)該模型能充分地表明各因素之間的關(guān)系。

表4 能耗二階回歸模型方差分析表Table 4Anova results of the energy consumption with quadratic regression model

根據(jù)擬合結(jié)果，可得到各因子對(duì)能耗的函數(shù)關(guān)系，如式（4）所示：

式中，x—A，環(huán)模寬度，mm；y—B，成型速度，m/s；z—C，喂料頻率，Hz；Ga，能耗，kW·h/t。

根據(jù)前文的計(jì)算結(jié)果，將各因素對(duì)能耗的影響進(jìn)行分析。通過(guò)比較各因子的“貢獻(xiàn)率”衡量因素作用的大小。貢獻(xiàn)率Δ的計(jì)算方法如式（5）所示[14]。

式中，δj、δjj和δij表示j因素的一次貢獻(xiàn)率、二次貢獻(xiàn)率、與i因素交互作用貢獻(xiàn)；因素交互作用的貢獻(xiàn)一般采取平分的方法分別加到各個(gè)因素當(dāng)中。δ值的計(jì)算方法如式（6）所示。

利用表4中方差分析結(jié)果的F值，可計(jì)算出各因素對(duì)能耗的影響貢獻(xiàn)率分別為：ΔA=2.914，ΔB=2.829，ΔC=2.825?？梢?jiàn)各因素對(duì)能耗影響作用的大小依次為：環(huán)模寬度＞成型速度＞喂料頻率。即環(huán)模寬度對(duì)能耗的影響較強(qiáng)，成型速度和喂料頻率對(duì)能耗的影響相對(duì)較弱。表4的方差分析結(jié)果顯示，AC、BC和AB的交互作用較為顯著。作各交互作用因素對(duì)能耗的響應(yīng)面圖，如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，在一定的取值范圍內(nèi)，隨著成型速度、環(huán)模寬度和喂料頻率的增加，能耗均先降低后增加，存在一個(gè)最優(yōu)的取值點(diǎn)使成型能耗具有較低值。

圖2 各因素對(duì)能耗的交互作用分析Fig.2 Interaction analysis of the testing factors on energy consumption

2.3 生產(chǎn)率分析

利用上述方法對(duì)生產(chǎn)率進(jìn)行分析，方差分析結(jié)果顯示因素A對(duì)生產(chǎn)率影響不顯著，因此去除不顯著因子A、AC、AB和A2后重新擬合，表5為去除不顯著項(xiàng)后生產(chǎn)率的二階回歸模型方差分析結(jié)果。結(jié)果顯示，模型P＜0.0001，顯示該模型具有高度統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；模型修正決定系數(shù)R2=0.9889＞0.8，說(shuō)明回歸方程與試驗(yàn)結(jié)果整體上吻合較好；R2Adj=0.9884，R2預(yù)測(cè)=0.9876，兩者均接近1，失擬項(xiàng)不顯著，表明試驗(yàn)誤差較小，該回歸模型能較好的反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)該模型能充分地表明各因素之間的關(guān)系。

表5 修正后生產(chǎn)率二階回歸模型方差分析結(jié)果Table 5Anova results of the corrected productivity with quadratic regression model

根據(jù)擬合結(jié)果，可得到各因子對(duì)生產(chǎn)率的函數(shù)關(guān)系，如式（7）所示：

式中，y—B，成型速度，m/s；z—C，喂料頻率，Hz；Ec，生產(chǎn)率，h/t。

利用前文所述的貢獻(xiàn)率計(jì)算方法，根據(jù)方差分析結(jié)果，可計(jì)算出各因素對(duì)生產(chǎn)率的影響貢獻(xiàn)率分別為：ΔA=0.728，ΔB=2.367，ΔC=2.446?？梢?jiàn)各因素對(duì)生產(chǎn)率影響作用的大小依次為：喂料頻率＞成型速度＞環(huán)模寬度。即喂料頻率對(duì)生產(chǎn)率的影響最強(qiáng)，環(huán)模寬度對(duì)生產(chǎn)率的影響最弱。表5中的方差分析結(jié)果顯示BC的交互作用較為顯著，做BC對(duì)生產(chǎn)率的響應(yīng)面圖，如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，喂料頻率對(duì)生產(chǎn)率的作用非常顯著，生產(chǎn)率隨喂料頻率的增加而迅速增長(zhǎng)。

2.4 參數(shù)優(yōu)化分析

為驗(yàn)證能耗和生產(chǎn)率回歸方程的可靠性，通過(guò)響應(yīng)面分析結(jié)果以最低成型能耗、最高生產(chǎn)率為目標(biāo)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。利用Design-Expert對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在試驗(yàn)結(jié)果討論及模型擬合的基礎(chǔ)上選擇優(yōu)化條件為：環(huán)模寬度152～178 mm，成型速度6.60～7.52 m/s，喂料頻率15～25 Hz。優(yōu)化結(jié)果為：環(huán)模寬度169.75 mm，成型速度6.94 m/s，喂料頻率22.93 Hz，即在此條件下成型能耗較低，生產(chǎn)率較高。圖4為試驗(yàn)優(yōu)化方案示意圖。

圖3 喂料頻率和成型速度對(duì)生產(chǎn)率的交互作用分析 Fig.3 Interaction analysis of frequency and speed on productivity

圖4 試驗(yàn)優(yōu)化方案Fig.4 Optimization scheme of the test

為便于試驗(yàn)驗(yàn)證，選擇試驗(yàn)條件為環(huán)模寬度165 mm，成型速度7.06 m/s，喂料頻率23 Hz的參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)。進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。結(jié)果顯示能耗模型的預(yù)測(cè)誤差為3.28%，生產(chǎn)率模型的預(yù)測(cè)誤差為3.94%，模型具有較高的可靠性。在此參數(shù)組合下平均能耗為10.95 kW·h/t，平均生產(chǎn)率為11.53 t/h，且制品品質(zhì)較好（成型率為99.45%，粉化率為4.8%，密度1401 kg/m3），環(huán)模制粒機(jī)的工作效率較優(yōu)化前明顯提升。

表6 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Verification of the testing results

3 結(jié)論

利用響應(yīng)面試驗(yàn)分析了飼料環(huán)模制粒機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)模寬度、成型速度和喂料頻率對(duì)成型能耗和生產(chǎn)率的影響，得到了如下結(jié)論：

（1）各試驗(yàn)因素對(duì)能耗影響作用的大小依次為：環(huán)模寬度＞成型速度＞喂料頻率。即環(huán)模寬度對(duì)能耗的影響較強(qiáng)，成型速度和喂料頻率對(duì)能耗的影響相對(duì)較弱。

（2）各試驗(yàn)因素對(duì)生產(chǎn)率影響作用的大小依次為：喂料頻率＞成型速度＞環(huán)模寬度。即喂料頻率對(duì)生產(chǎn)率的影響最強(qiáng)，環(huán)模寬度對(duì)生產(chǎn)率的影響最弱。

（3）優(yōu)化結(jié)果顯示環(huán)模寬度為169.75 mm、成型速度為6.94 m/s、喂料頻率為22.93 Hz時(shí)是較優(yōu)的參數(shù)組合，即在此條件下成型能耗較低，生產(chǎn)率較高。試驗(yàn)驗(yàn)證表明能耗回歸模型的預(yù)測(cè)誤差為3.28%，生產(chǎn)率回歸模型的預(yù)測(cè)誤差為3.94%。

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Parameters Optimization of Feed Ring-die Pellet Mill Based on the Response Surface Method

FANG Jing
Hefei Institute of General Professional Technology,Hefei 230031,China

The ring mold granulator is the equipment that directly produces finished pellet feed,and its performance determines the yield and quality of feed processing to a great extent.In order to improve productivity and reduce energy consumption in the pelleting process,the key parameters of ring-die width,molding speed and feeding frequency were tested and optimized by Response Surface method in this paper.Results showed that the influence of each factor on energy consumption was in turn:ring-die width＞forming speed＞feeding frequency;the strength order of the related factors to productivity was feeding frequency＞forming speed＞ring-die width.The optimized process parameters were the combination of ring-die width 169.75 mm,forming speed 6.94 m/s and feeding frequency 22.93 Hz.Forming of low energy consumption, high productivity.Prediction error of the energy consumption regression model was 3.28%,and prediction error of the productivity regression model was 3.94%.the prediction models had a higher reliability.

Ring-die pellet mill;energy consumption;productivity;optimization

TH117.1

:A

:1000-2324(2017)03-0433-06

2015-10-12

:2015-11-18

房 菁(1982-),女,教師.主要從事機(jī)電一體化教學(xué)及研究.E-mail:sgwsrz@163.com