■ 金 楠 方 鵬 王紅英* 孔丹丹 段恩澤 陳計(jì)遠(yuǎn)

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083；2.國家農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)裝備研發(fā)分中心，北京100083）

飼料的粉碎對顆粒飼料質(zhì)量的影響占到20%，僅次于飼料配方在顆粒質(zhì)量中起到的作用[1]。作為飼料加工的重要工序之一，粉碎為后續(xù)的配料、混合和制粒加工提供條件[2]，同時，飼料的粉碎粒度對飼料消化利用率、動物生產(chǎn)性能和動物胃腸道健康均有顯著影響[3]。而粉碎系統(tǒng)能耗占全廠總動力消耗的30%～50%[4]，所以降低粉碎能耗成為控制飼料成本、提高生產(chǎn)效益的重要途徑之一。

飼料加工工藝按粉碎和配料的先后順序不同，分為“先粉后配”和“先配后粉”工藝[5]?！跋确酆笈洹?，即將不同種類原料分別貯存在待粉碎倉，通過粉碎和輸送使粉碎后的物料進(jìn)入配料倉進(jìn)而配料混合，粉碎過程為單一品種原料粉碎；而“先配后粉”，則是將所有原料直接貯存在配料倉中，根據(jù)配方配料后再按批次粉碎混合，粉碎過程為多品種原料組合粉碎?！跋扰浜蠓邸惫に嚲哂辛蟼}少、倉中物料不易結(jié)拱、原料變化對粉碎影響小等優(yōu)點(diǎn)[6]，但現(xiàn)有對飼料原料組合粉碎能耗及粉碎粒度影響的研究較少。

因此，本研究在實(shí)驗(yàn)室條件下用萬能粉碎機(jī)對5種不同配比組合的玉米、小麥進(jìn)行組合粉碎處理，分析粉碎能耗及粉碎粒度，探究飼料原料組合粉碎的節(jié)能作用，為飼料粉碎加工的高效低耗提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用玉米、小麥均取自北京首農(nóng)畜牧發(fā)展有限公司飼料分公司，水分含量均在11%～12%安全水分內(nèi)。每份組合粉碎樣品的質(zhì)量為2 kg，設(shè)總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1，依據(jù)玉米和小麥在粉碎樣品中所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同，形成5種不同的玉米-小麥配比，如表1所示。每份樣品混合均勻后用于粉碎，粉碎后的樣品密封于自封袋中，用于后續(xù)粒度分析。

表1 組合粉碎樣品配比

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

15B型萬能粉碎機(jī)（江陰市宏達(dá)粉體設(shè)備有限公司，配有Φ1.5、Φ2.0 mm和Φ2.5 mm孔徑篩片，配套動力：2.2 kW，生產(chǎn)能力：30～100 kg/h）；XT三相四線電子式有功電能表（浙江欣拓新能源有限公司，精度：0.01 kWh）；octagon200型數(shù)顯篩分儀（英國endecotts公司）；ISO3310不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)篩（英國endecotts公司）；AL204分析天平（梅特勒-托利多儀器有限公司）；計(jì)時器。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 粉碎能耗測定

粉碎機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)功率的測定。分別在物料粉碎試驗(yàn)開始前及所有物料粉碎試驗(yàn)結(jié)束后，啟動粉碎機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)5 min，并記錄空載運(yùn)轉(zhuǎn)的電能消耗，將電能消耗與空載運(yùn)行時間的比值作為粉碎機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)的功率，即單位時間內(nèi)粉碎機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)所耗電能值。取前后兩次測量結(jié)果的平均值作為粉碎機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)功率p的最終值。

組合粉碎能耗的測定。將粉碎機(jī)喂料口開度調(diào)整至固定位置，保證粉碎中各組樣品的喂料速度一致。粉碎開始前記錄電能表示數(shù)，投入物料同時開啟計(jì)時器計(jì)時，在粉碎機(jī)出料口收集粉碎樣品，待原料粉碎完畢按停計(jì)時器，記錄粉碎時間和粉碎后電能表示數(shù)，按式（1）計(jì)算組合粉碎能耗。

式中：W——組合粉碎能耗(kWh/t)；

EA——粉碎后電能表示數(shù)(kWh)；

EB——粉碎前電能表示數(shù)(kWh)；

p——粉碎機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)功率(kWh/min)；

T——粉碎時間(min)。

1.3.2 粉碎樣品粒度分析

萬能粉碎機(jī)依次換裝Φ1.5 mm、Φ2.0 mm、Φ2.5 mm孔徑篩片，分別對5種不同玉米-小麥配比的樣品進(jìn)行粉碎，每個樣品重復(fù)粉碎3次，共得到45份粉碎樣品進(jìn)行粉碎粒度分析。

粉碎后的樣品采用ANSI/ASAE S319.4—2008標(biāo)準(zhǔn)[7]中的14層篩法進(jìn)行粉碎樣品平均粒徑及幾何標(biāo)準(zhǔn)差的測定，具體操作如下：將標(biāo)準(zhǔn)篩清理后稱重記錄篩體初重，篩層從上至下按篩網(wǎng)篩孔由大到小的順序排列好14層標(biāo)準(zhǔn)篩，然后稱取100 g樣品放入最上層篩中，固定篩層于篩分儀上，開啟篩分儀振動15 min，逐級取下層篩對每一層篩重新稱重記錄篩體末重。按式（2）計(jì)算粉碎樣品的平均粒徑。

式中：dgw——顆粒的幾何平均粒徑(mm)；

di——第i層篩的標(biāo)稱篩孔尺寸（mm）；

Wi——第i層篩上樣品的質(zhì)量(g)；

n——篩層的數(shù)量。

樣品平均粒徑的幾何標(biāo)準(zhǔn)差在一定程度上可以反映粉碎均勻度，按式（3）計(jì)算平均粒徑的幾何標(biāo)準(zhǔn)差。

式中：Sgw為平均粒徑的幾何標(biāo)準(zhǔn)差，其余字母含義均與公式（2）中相同。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)中，對每種玉米-小麥配比組合在3個不同篩片孔徑下的粉碎樣品進(jìn)行3次重復(fù)粉碎，對3次重復(fù)粉碎樣品混勻后進(jìn)行2次粒度篩分分析，取平均值作為最終結(jié)果。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行顯著性分析及方差分析，使用MTALAB R2016a繪圖。

2 結(jié)果與分析

分別使用Φ1.5、Φ2.0、Φ2.5 mm孔徑篩片對5種不同玉米-小麥配比組合原料進(jìn)行粉碎，其粉碎能耗結(jié)果如表2所示。隨著篩片孔徑增大，粉碎能耗明顯降低。在同一孔徑篩片下，玉米-小麥配比對粉碎能耗有顯著影響(P＜0.05)，隨著玉米添加量的減少、小麥添加量的增多，組合粉碎能耗增大。但在Φ2.5篩片下，玉米-小麥配比為0.75∶0.25時的能耗要比配比為1∶0時的能耗低，可能是由于玉米-小麥在該配比下粉碎表現(xiàn)出了較好的節(jié)能效果。

表2 玉米-小麥組合粉碎能耗

粉碎后樣品的平均粒徑和幾何標(biāo)準(zhǔn)差測定結(jié)果見表3。對于相同的玉米-小麥配比，隨著篩片孔徑的增大，粉碎樣品的平均粒徑增大，平均粒徑的幾何標(biāo)準(zhǔn)差沒有一致的變化規(guī)律。在Φ1.5篩片下，相比于純玉米、純小麥粉碎樣品的平均粒徑，玉米-小麥兩種原料組合粉碎樣品的平均粒徑更小，且隨著玉米-小麥配比中小麥含量的增加，平均粒徑的幾何標(biāo)準(zhǔn)差依次增大，在Φ2.5篩片下粉碎樣品的幾何標(biāo)準(zhǔn)差同樣隨著配比中小麥含量的增加而增大。

表3 玉米-小麥組合粉碎樣品平均粒徑及幾何標(biāo)準(zhǔn)差

3 討論

結(jié)合對表2、表3玉米-小麥組合粉碎能耗及粒度的分析可知，玉米-小麥配比、粉碎樣品的平均粒徑共同影響粉碎能耗，而粉碎樣品的最終粒度由篩片孔徑的大小決定[8]，因此，本節(jié)主要討論粉碎樣品平均粒徑（篩片孔徑）、玉米-小麥配比與粉碎能耗的關(guān)系。

3.1 粉碎樣品粒徑與粉碎能耗的關(guān)系

粉碎樣品粒徑與粉碎能耗的關(guān)系主要表現(xiàn)在兩方面。一方面，在同一玉米-小麥配比中，隨著篩片孔徑的減小，粉碎樣品的平均粒徑減小，飼料原料的粒徑減小比（reduction ratio，飼料粉碎前平均粒徑與粉碎后平均粒徑的比值）越大[9]，粉碎時需要的破裂能越多，由此增加粉碎機(jī)的能耗。

另一方面，在同一孔徑篩片下，粉碎樣品的平均粒徑卻不盡相同，因此，為檢驗(yàn)粉碎能耗的變化是由平均粒徑的大小不同而引起的，還是由玉米-小麥配比的不同而造成的，對各孔徑篩片下粉碎能耗與平均粒徑和玉米-小麥配比進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果如表4所示。3種篩片下，樣品的平均粒徑與粉碎能耗無顯著相關(guān)性，而玉米-小麥配比與粉碎能耗存在顯著和極顯著線性相關(guān)，也就是說，在同一孔徑篩片下的粉碎能耗差別是由玉米-小麥配比的不同造成的，與樣品的平均粒徑無關(guān)。

表4 各孔徑篩片下粉碎能耗與平均粒徑和玉米-小麥配比的相關(guān)性分析

3.2 玉米-小麥配比對粉碎能耗的影響

圖1 篩片孔徑和玉米-小麥配比對粉碎能耗的影響

由表2可知，粉碎機(jī)篩片孔徑和玉米-小麥配比對粉碎能耗均有顯著影響，圖1所示為篩片孔徑和玉米-小麥配比對粉碎能耗的影響。隨著篩片孔徑的增大，粉碎能耗減小；隨著玉米添加量的減少、小麥添加量的增多，粉碎能耗增大，這主要是由玉米和小麥在粉碎特性上的差異引起的，有研究報(bào)道，純小麥原糧相較于玉米原糧更難粉碎[10]。圖1(a)中曲面并不呈平面狀態(tài)，說明篩片孔徑和玉米-小麥配比產(chǎn)生了交互作用。

因此，為檢驗(yàn)是否存在篩片孔徑和玉米-小麥配比的交互作用對粉碎能耗的影響，對數(shù)據(jù)進(jìn)行主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)分析，結(jié)果見表5。分析結(jié)果表明，在0.05的顯著性水平下，粉碎能耗受篩片孔徑和玉米-小麥配比的交互作用影響，但影響程度不高，影響組合粉碎能耗的因素由高到低依次為篩片孔徑、玉米-小麥配比、篩片孔徑和玉米-小麥配比的交互作用。

表5 篩片孔徑和玉米-小麥配比對粉碎能耗的影響方差分析結(jié)果

為驗(yàn)證玉米-小麥組合粉碎的節(jié)能效果，在試驗(yàn)中定義了計(jì)算能耗，即分別將各篩片下玉米-小麥配比中1∶0和0∶1組的粉碎能耗作為該篩片下純玉米和純小麥的粉碎能耗，結(jié)合玉米-小麥配比中玉米和小麥各占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以玉米、小麥各自的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與各自純原糧粉碎能耗乘積的和作為計(jì)算能耗?？疾旄饔衩?小麥配比中試驗(yàn)所測粉碎能耗與計(jì)算能耗的差值，當(dāng)差值為負(fù)時，則認(rèn)為組合粉碎相較于單一品種原糧粉碎起到了節(jié)能效果，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 組合粉碎節(jié)能效果分析

當(dāng)玉米-小麥配比為0.75∶0.25時，3種孔徑篩片下組合粉碎均有節(jié)能效果，且Φ2.5篩孔的節(jié)能效果最明顯；而玉米-小麥配比為0.5∶0.5時，只有在Φ2.0和Φ2.5篩孔下粉碎有節(jié)能效果，可能是由于Φ1.5篩孔降低了物料粉碎時的過篩性能，增加了物料在粉碎室內(nèi)的過度粉碎從而增加了能耗；但玉米-小麥配比為0.25∶0.75時，3種孔徑篩片均無節(jié)能效果?？梢?，組合粉碎的節(jié)能效果與粉碎機(jī)篩片孔徑、玉米-小麥配比及兩者的交互作用有關(guān)，與上文對粉碎能耗的分析結(jié)果一致。王德福等[11]研究指出，粉碎機(jī)內(nèi)主要的粉碎形式包括打擊、撞擊和搓擦。本試驗(yàn)中組合粉碎的節(jié)能效果，可能與不同的原料及配比的組合增加了物料在粉碎機(jī)內(nèi)受打擊的概率并改變了物料碰撞形式有關(guān)，針對粉碎碰撞的能耗理論還需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

①玉米-小麥組合粉碎能耗受粉碎機(jī)篩片孔徑、玉米-小麥配比及兩者的交互作用共同影響，且在同一孔徑篩片下，玉米-小麥配比對組合粉碎能耗有顯著影響(P＜0.05)，隨著玉米添加量的減少、小麥添加量的增多，組合粉碎能耗增大。

②玉米-小麥組合粉碎樣品的平均粒徑主要由篩片孔徑的大小決定，粉碎原料的種類及配比對其影響較小，但隨著玉米-小麥配比中小麥含量的增加，平均粒徑的幾何標(biāo)準(zhǔn)差有增大趨勢。

③相較于單一品種原料粉碎，玉米和小麥在特定篩孔及配比下的組合粉碎表現(xiàn)出節(jié)能效果，但節(jié)能效果及程度與粉碎機(jī)篩片孔徑、玉米-小麥配比及兩者的交互作用有關(guān)；當(dāng)玉米-小麥配比為0.75∶0.25時節(jié)能效果最佳。

④本文僅對玉米-小麥2種原料5個配比的組合粉碎進(jìn)行了研究，建議今后開展相關(guān)針對更多飼料原料種類及貼合實(shí)際配方配比的組合粉碎研究。