■李艷聰 楊 磊 萬(wàn)志生 李艷琳 宋 欣 全鵬坤

(1.天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384；2.天津市世昌科技發(fā)展有限公司，天津 301508)

顆粒飼料是經(jīng)過(guò)調(diào)制熟化的飼料，增加了食用口感，提高產(chǎn)品可食用性，進(jìn)而促進(jìn)了動(dòng)物生長(zhǎng)；顆粒飼料的力學(xué)性能是影響顆粒飼料外觀質(zhì)量的重要指標(biāo)，可用來(lái)評(píng)價(jià)顆粒飼料成品抗壓能力好壞，對(duì)動(dòng)物的采食量及適口性有很大的影響，由于力學(xué)強(qiáng)度不夠，在運(yùn)輸和搬運(yùn)過(guò)程中粉塵越多，仔豬料槽中的細(xì)粉越多，不但會(huì)造成搭橋現(xiàn)象導(dǎo)致飼料無(wú)法落下，還會(huì)增加飼料的浪費(fèi)。幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)顆粒飼料進(jìn)行了深入研究，主要從原料、制粒工藝（調(diào)制、壓制、粉碎）、散落性、顆粒穩(wěn)定性、顆粒飼料品質(zhì)一致性等方面，大多將重點(diǎn)落在對(duì)影響顆粒性能影響因素出發(fā)[1-2]，而顆粒斷裂產(chǎn)生的粉化率導(dǎo)致顆粒飼料產(chǎn)品未經(jīng)送達(dá)用戶就損失部分營(yíng)養(yǎng)，對(duì)飼料產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性的極大損害[3]，粉化率問(wèn)題究其核心是顆粒的力學(xué)強(qiáng)度不夠。文獻(xiàn)[4]提出飼料品質(zhì)的一致性理念，從強(qiáng)度出發(fā)對(duì)顆粒飼料強(qiáng)度的分布規(guī)律進(jìn)行了研究。宋欣等(2015)[5]提出在顆粒飼料生產(chǎn)中，為保證顆粒飼料的質(zhì)量，在實(shí)際生產(chǎn)前對(duì)依據(jù)配方所加工出的飼料品質(zhì)做出預(yù)測(cè)。李軍國(guó)(2007)[6]從密度出發(fā)進(jìn)行了魚(yú)類飼料顆粒壓制模擬實(shí)驗(yàn)，建立了魚(yú)顆粒壓縮比、壓制速度與顆粒密度的關(guān)系；文獻(xiàn)[7]指出顆粒飼料投喂前的含粉率直接影響顆粒飼料本身優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，大幅度降低飼料的利用效率，造成飼料浪費(fèi)。顆粒水產(chǎn)飼料含粉率過(guò)高還會(huì)造成水質(zhì)的污染。上述研究成果對(duì)于本研究的開(kāi)展具有一定的借鑒意義，但缺乏顆粒破碎和力之間具體量化關(guān)系。為此，本文從顆粒力學(xué)性能出發(fā)，對(duì)乳豬顆粒飼料抗壓、剪切和彎曲三方面性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，為粉碎和切碎機(jī)械的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，也對(duì)飼料企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升有一定參考價(jià)值。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用6種不同成長(zhǎng)階段的幼豬顆粒飼料為試驗(yàn)樣本。這6種料分別為教槽料、教槽料1、前期保育料、后期保育料、仔豬料前期、仔豬料后期（見(jiàn)圖1），飼料粒徑和核心配方見(jiàn)表1。樣本顆粒由國(guó)內(nèi)知名飼料機(jī)械廠家牧羊公司生產(chǎn)的制粒機(jī)壓制而成，壓縮比均為6∶1。提供樣本顆粒料單位是天津市世昌科技發(fā)展有限公司。為了保證試驗(yàn)效果，樣品從車間取出后放置一夜至涼，然后進(jìn)行封袋，避免水分和重量損失。試驗(yàn)在壓制顆粒后第4 d進(jìn)行。在室溫條件下試驗(yàn)，從袋中取出樣品，進(jìn)行直徑測(cè)定，由于長(zhǎng)度要求不同，用細(xì)銼刀將其修正成符合規(guī)定長(zhǎng)度。

圖1 顆粒樣品

表1 試驗(yàn)料的主要成分與參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

SANS CMT6502型微機(jī)控制的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（設(shè)備本體和電腦），儀器精密度等級(jí)為0.5級(jí)。游標(biāo)卡尺，精度0.02 cm。整形銼。位移施加機(jī)構(gòu)上安裝了力傳感器（量程為0-500N），用來(lái)檢測(cè)載荷P。

1.2.2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

考慮顆粒特性，將0～500 N量程設(shè)置為0～100 N，加載力示值相對(duì)誤差±0.5%，位移示值誤差也在0.5%以內(nèi)，位移分辨率為0.015μm。為避免速度高對(duì)結(jié)果影響，確定加載力速度0.5 mm/s。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，注意在力傳感器輕觸到料樣時(shí)，將力顯示數(shù)值進(jìn)行歸零，再進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)過(guò)程和原理

通常將材料分為各向同性和各向異性兩種，顆粒飼料由多重成分均勻混合壓制而成，可認(rèn)為是各向同性。從材料屬性講飼料顆粒為脆性材料，其拉伸和壓縮的力學(xué)性能不相等，考慮顆粒灌裝和裝袋運(yùn)輸過(guò)程中，不會(huì)承受拉應(yīng)力，所以主要測(cè)量顆粒的壓縮、剪切和彎曲力學(xué)性能。

做顆粒壓縮試驗(yàn)時(shí)，將顆粒放在微機(jī)控制電子拉壓試驗(yàn)機(jī)下平壓縮板的中央部位(見(jiàn)圖2)，下壓縮板靜止不動(dòng)，上壓縮板的壓頭從上向下緩慢勻速運(yùn)動(dòng)，加載速度為0.5 mm/s。上壓縮板的壓頭接觸到顆粒時(shí)，電子顯示屏開(kāi)始顯示壓力數(shù)據(jù)，壓力變化比較快，當(dāng)顆粒受力斷裂時(shí)，壓力驟減而自動(dòng)停機(jī)。剪切和彎曲兩種試驗(yàn)除安裝的固定裝置不同外，試驗(yàn)步驟一樣。

圖2 壓縮試驗(yàn)裝置

2.1 壓縮試驗(yàn)原理

采用徑向壓縮方法測(cè)試顆粒飼料的斷裂強(qiáng)度。顆粒飼料為圓柱形體，可用下面公式（1）求得顆粒壓縮時(shí)的正應(yīng)力。

式中：σ——正應(yīng)力；

Fy——軸力；

r——顆粒半徑。

2.2 剪切試驗(yàn)原理

圖3為常見(jiàn)飼料顆粒分布圖。從圖3中看出，大多顆粒之間是隨機(jī)相互交叉排列。這種隨機(jī)仍有規(guī)律可尋，比如在圖中標(biāo)注出的一些位置，從受力情況可分為壓縮、剪切和彎曲。尤其是顆粒長(zhǎng)度和直徑比較接近時(shí)，之間作用效果接近剪切，而且這種布局情況比較多，故有必要進(jìn)行顆粒的剪切變形試驗(yàn)。圖4是剪切試驗(yàn)裝置，主體分3部分，支座1和支座2部分；支座1和支座2中間距離可調(diào)，分別適應(yīng)做剪切試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)。將微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī)夾具換成剪切裝置，施力頭就可做剪切試驗(yàn)。

圖3 顆粒布局

圖4 飼料顆粒剪切試驗(yàn)

依圖4，顆粒受剪切力可由如下公式計(jì)算:

式中：FQ——作用在剪切面上剪力（N）；

τ——剪應(yīng)力（MPa）；

r——顆粒半徑（mm）。

2.3 彎曲試驗(yàn)原理

材料力學(xué)的梁定義是基于金屬材料給出的，針對(duì)顆粒飼料這種特殊材料，這里定義當(dāng)≥2時(shí)，顆粒受到的是彎曲變形（圖3）；通過(guò)資料查詢，對(duì)于脆性原料，通常用三點(diǎn)梁試驗(yàn)方案。這里也利用三點(diǎn)梁的原理進(jìn)行分析。此種受力情況下，顆粒長(zhǎng)度中間截面上、 下邊緣受最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，基于脆性材料拉應(yīng)力 小于壓應(yīng)力，這里考慮拉應(yīng)力。應(yīng)用材料力學(xué)公式有：

式中：Fw——作用在梁上力(N)；

σl——拉應(yīng)力(MPa)；

r——顆粒半徑(mm)；

l——標(biāo)距。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 壓縮試驗(yàn)及結(jié)果分析

對(duì)6種顆粒飼料試樣進(jìn)行軸向壓縮試驗(yàn)，結(jié)果曲線疊加如圖5。圖5中力—位移曲線的開(kāi)始階段為平滑的線性，作用一段時(shí)間后，曲線中出現(xiàn)一個(gè)明顯的峰，達(dá)到強(qiáng)度極限，樣品內(nèi)部有裂紋產(chǎn)生。當(dāng)外界作用力超過(guò)樣品的承載能力瞬間，樣品突然斷裂，即出現(xiàn)曲線的最大峰，此峰值為樣品的強(qiáng)度極限。從圖5中提取出斷裂處最大力和變形數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變成抗壓強(qiáng)度。為了使數(shù)據(jù)更客觀準(zhǔn)確，每種料樣做三次試驗(yàn)，將試樣壓縮強(qiáng)度結(jié)果統(tǒng)計(jì)并取均值（見(jiàn)表2）。從壓縮強(qiáng)度結(jié)果和配料成分對(duì)比看，由于成分復(fù)雜性，成分對(duì)力學(xué)性能影響不太明顯，但仍可看出有這樣趨勢(shì)，玉米和豆粕之和越多，顆?？箟簭?qiáng)度越低，越易破碎。

圖5 顆粒壓縮力與位移關(guān)系

3.2 剪切試驗(yàn)及結(jié)果分析

將6種樣品處理成長(zhǎng)度6 mm，放置在標(biāo)距1.5倍直徑的剪切試驗(yàn)裝置上進(jìn)行試驗(yàn)，可得到和壓縮試驗(yàn)類似的力與位移曲線變化趨勢(shì)圖，從圖6中可提取剪切破壞最大力。同樣，為了使結(jié)果數(shù)據(jù)客觀準(zhǔn)確，每種料樣同樣做3次剪切試驗(yàn)依據(jù)式(2)，將力轉(zhuǎn)換成剪切強(qiáng)度,結(jié)果取均值；得到數(shù)據(jù)結(jié)果整理如表3所示。比較顆粒剪切強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)顆粒剪切強(qiáng)度小于壓縮強(qiáng)度，且顆粒剪切強(qiáng)度與壓縮強(qiáng)度比值范圍在0.680 9～0.811 9內(nèi)，也就是說(shuō)與壓縮受力比較，顆粒更易剪切破壞。

表2 顆粒壓縮強(qiáng)度

表3 顆粒剪切強(qiáng)度

圖6 彎曲破壞力

3.3 彎曲試驗(yàn)及結(jié)果分析

圖3飼料顆粒布局中，當(dāng)樣品長(zhǎng)度大于6 mm時(shí)，設(shè)定圖4中標(biāo)距和直徑的比值大于2，這時(shí)采用彎曲試驗(yàn)比較符合實(shí)際。彎曲試驗(yàn)裝置與剪切裝置基本一樣，只是工作臺(tái)部分左右兩塊距離進(jìn)行調(diào)節(jié)。選擇兩種樣品，一種直徑3 mm的型號(hào)后期保育料顆粒，選取的標(biāo)距為6、7、8、9、10 mm；另一種是直徑4 mm型號(hào)仔豬料后期顆粒，選取的標(biāo)距為8、9、10、11、12 mm。為了將兩個(gè)分析圖形放在一起便于分析，將標(biāo)距與顆粒直徑比值作為橫坐標(biāo)，以顆粒強(qiáng)度作為縱坐標(biāo)作圖6。圖6中上面紅色曲線為直徑4 mm，樣品仔豬料后期顆粒對(duì)應(yīng)強(qiáng)度；下面藍(lán)色曲線為直徑3 mm，樣品后期保育料顆粒對(duì)應(yīng)強(qiáng)度。由圖6所知，在標(biāo)距范圍內(nèi)，抵抗破壞的力度隨著標(biāo)距的增加而減少，且在同樣長(zhǎng)度下直徑小的型號(hào)后期保育料顆粒飼料更易斷裂破壞。

比較彎曲試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)彎曲時(shí)達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)承受的力要小。可以用式（1）和（3）解釋這個(gè)現(xiàn)象。對(duì)于拉壓變形強(qiáng)度一樣的材料，可通過(guò)直接列出式（1）和式（3）相等關(guān)系進(jìn)行分析，但由于脆性材料拉應(yīng)力小于壓應(yīng)力，達(dá)到強(qiáng)度破壞時(shí)，受拉側(cè)首先破壞，也就是彎曲最大拉應(yīng)力應(yīng)該小于壓應(yīng)力，于是有，整理得，半徑r和標(biāo)距l(xiāng)長(zhǎng)度比小于1，所以顆粒承受彎曲破壞的力比壓縮破壞的力要小，并且呈反比關(guān)系。

4 結(jié)論

將強(qiáng)度作為顆粒飼料品質(zhì)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行了飼料顆粒壓縮、剪切和彎曲破壞強(qiáng)度理論和試驗(yàn)分析。得出配方成分對(duì)顆粒的壓縮強(qiáng)度影響不明顯；而同樣品質(zhì)的顆粒飼料，彎曲力最易引起顆粒破壞，剪切力次之，壓縮力施力方式對(duì)顆粒斷裂的影響程度最小。研究結(jié)論可為相關(guān)顆粒飼料長(zhǎng)度和制粒機(jī)環(huán)模長(zhǎng)徑比、環(huán)模轉(zhuǎn)速確定提供參考依據(jù)。