周春景 高一桐

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及國(guó)民生活水平的不斷提高，中國(guó)寵物行業(yè)迎來(lái)了一個(gè)快速的時(shí)期。關(guān)于寵物的行業(yè)，形成了一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈，包括食品、用品、活動(dòng)、美容、保健等等一些列產(chǎn)品與服務(wù)。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院的報(bào)告顯示，2012至2017年中國(guó)寵物行業(yè)規(guī)模年均復(fù)合增長(zhǎng)達(dá)到34.26%。2017年中國(guó)寵物行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到1470億元，同比增長(zhǎng)20.5%。其中，寵物食品在寵物行業(yè)中占比份額最高，達(dá)到33.8%。

面對(duì)如此迅猛增長(zhǎng)的寵物食品市場(chǎng)，對(duì)于寵物食品的生產(chǎn)者來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品的品質(zhì)成為所關(guān)注的重中之重。通常寵物主糧的生產(chǎn)，是通過(guò)膨化的工藝進(jìn)行規(guī)?；庸?。一般對(duì)于膨化寵物食品的常規(guī)物理指標(biāo)有容重，膨脹程度，顆粒硬度，含粉量等。但是隨著寵物食品市場(chǎng)的快速發(fā)展，產(chǎn)品的外觀也同樣成為吸引消費(fèi)者的重要關(guān)注點(diǎn)。因此，生產(chǎn)者對(duì)于膨化寵物食品的顆粒均勻度通常都有一定的要求，而這種要求的實(shí)現(xiàn)，往往必須通過(guò)對(duì)膨化機(jī)的設(shè)備本身最初某些調(diào)整才可以達(dá)到顆粒均勻性的提升。

使用膨化機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)品，出現(xiàn)顆粒均勻性不佳的情況通常有以下幾種類型：軸向方向上的長(zhǎng)短不一，徑向方向的膨脹程度大小不均勻?qū)е庐a(chǎn)品形狀不對(duì)稱，顆粒表面不平整導(dǎo)致的“鯊魚皮”，以及顆粒彎曲。對(duì)于膨化顆粒不均勻的情況，很多的研究都給出了相應(yīng)的成因和解決方法。當(dāng)使用膨化機(jī)生產(chǎn)時(shí)，出現(xiàn)顆粒料長(zhǎng)短不一的情況，如圖1，要檢查螺桿與襯套的磨損。因?yàn)楫?dāng)螺桿與襯套的磨損間隙達(dá)到了出廠間隙的1～1.5倍時(shí)，就需要更換易損件。如果不及時(shí)更換螺桿與襯套，則會(huì)導(dǎo)致膨化機(jī)出料端的充滿度與以前出現(xiàn)差異，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的長(zhǎng)短不一現(xiàn)象出現(xiàn)。

當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中，出現(xiàn)膨脹程度不均勻的情況時(shí)，如圖2，模板的設(shè)計(jì)和磨損程度要得到一定的關(guān)注。

因?yàn)楫?dāng)模板的開孔方式，數(shù)量以及孔型設(shè)計(jì)出現(xiàn)不對(duì)稱，或模板出現(xiàn)不同程度的磨損時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致膨化機(jī)出料的壓力分布出現(xiàn)差異，從而直接導(dǎo)致產(chǎn)品的膨脹程度大小不一，并且模板的設(shè)計(jì)也會(huì)導(dǎo)致顆粒表面毛糙，甚至出現(xiàn)“鯊魚皮”表面的現(xiàn)象，如圖3。同時(shí)膨化機(jī)機(jī)筒的溫度如果控制不穩(wěn)定，也會(huì)造成不均勻料的出現(xiàn)。此外，調(diào)質(zhì)效果的好壞以及調(diào)質(zhì)器中物料的混合均勻度也會(huì)極大程度的影響最終膨化顆粒的成品品質(zhì)。而對(duì)于不同配方和產(chǎn)品的調(diào)質(zhì)溫度以及調(diào)質(zhì)時(shí)間，很大程度的決定了調(diào)質(zhì)效果的好壞，也進(jìn)而決定了膨化產(chǎn)品的顆粒均勻性。

牧羊有限公司在解決膨化寵物食品的顆粒均勻性過(guò)程中，通過(guò)幫助客戶更換易損件，檢查調(diào)質(zhì)效果以及模板等問(wèn)題后，通常都能夠順利的解決該均勻性的問(wèn)題。但是，在牧羊有限公司服務(wù)客戶的過(guò)程中，越來(lái)越多的膨化顆粒不均勻現(xiàn)象發(fā)生在新設(shè)備中，調(diào)質(zhì)效果以及易損件都沒(méi)有任何問(wèn)題。而面對(duì)這樣的情況，膨化寵物食品的顆粒不均勻現(xiàn)象依然有所發(fā)生，并且在產(chǎn)能提升后，不均勻的顆?，F(xiàn)象會(huì)異常明顯。在時(shí)產(chǎn)7000kg的新膨化設(shè)備上，不合格的顆粒占比可達(dá)到將近30%，而這是無(wú)法達(dá)到客戶的品質(zhì)管控要求的。牧羊有限公司通過(guò)對(duì)該現(xiàn)象產(chǎn)生的分析和研究后，發(fā)現(xiàn)膨化設(shè)備出料段的螺桿設(shè)計(jì)對(duì)于物料的均勻程度起著至關(guān)重要的作用。因此，對(duì)于膨化設(shè)備中出料段螺桿的設(shè)計(jì)與其導(dǎo)致的物料速度場(chǎng)與質(zhì)量流分布的均勻程度，有必要進(jìn)行系統(tǒng)性的研究和實(shí)驗(yàn)。

常規(guī)膨化設(shè)備出料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上用于寵物食品生產(chǎn)膨化設(shè)備的出料段如圖4，其中帶有“”孔的出料部件，被成為出料文丘里。文丘里安裝在出料段的螺桿處，隨后物料通過(guò)螺桿的擠壓和推動(dòng)后，進(jìn)入模板后進(jìn)行成型和切割。物料在通過(guò)出料段的過(guò)程中，速度和壓力的分布決定改了流出每個(gè)?？踪|(zhì)量流的差異程度。如果出料段的螺桿設(shè)計(jì)能夠保證物料粒的速度分布更加均勻，則通過(guò)模板孔的物料質(zhì)量流就會(huì)均勻，從而保證了膨化產(chǎn)品顆粒較好的均勻性。

通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）對(duì)出料系統(tǒng)的模擬

牧羊有限公司在提出出料段螺桿設(shè)計(jì)對(duì)物料均勻性的影響假設(shè)后，進(jìn)行了對(duì)出料段的優(yōu)化更改設(shè)計(jì)，隨后利用CFD技術(shù)，對(duì)膨化設(shè)備的出料段進(jìn)行對(duì)比模擬，如圖5所示。

對(duì)比使用常規(guī)設(shè)計(jì)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)后的出料段螺桿，文丘里以及常規(guī)的模板作為模型進(jìn)行模擬，其中模板使用數(shù)量為300個(gè)φ3.0的圓孔模板。物料粘度模型使用溫度不相關(guān)冪律流體。模型模擬條件見(jiàn)表1。

其中，為物料粘度；K為稠度系數(shù)；n為流動(dòng)特性指數(shù)；為剪切速率。

運(yùn)算結(jié)果中顯示等速線圖，如圖6所示。其中可以明顯看出，常規(guī)的膨化設(shè)備出料段螺桿所導(dǎo)致物料在出料文丘里處的速度分布上存在較明顯差異。而這種物料速度的差異，正是導(dǎo)致最終膨化顆粒出現(xiàn)料型不均勻的原因。

牧羊有限公司通過(guò)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)膨化設(shè)備的出料段螺桿進(jìn)行全新設(shè)計(jì)。同時(shí)進(jìn)行CFD模擬結(jié)果對(duì)比。在出料段相同位置處，取橫截面上一條直線上所有點(diǎn)的速度分布進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7。通過(guò)對(duì)兩種螺桿結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的速度結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析，常規(guī)的出料段螺桿產(chǎn)生速度分布的方差為牧羊有限優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的1.11倍，這也說(shuō)明了常規(guī)設(shè)計(jì)的出料段螺桿所產(chǎn)生的速度分布差異性更大，至此造成最終膨化顆粒的均勻程度更差。

其中，為常規(guī)出料螺桿所產(chǎn)生的速度分布方差；為優(yōu)化出料螺桿所產(chǎn)生的速度分布方差。

在計(jì)算結(jié)果中，將300個(gè)?？滋幍馁|(zhì)量流統(tǒng)計(jì)出來(lái)，進(jìn)行對(duì)比，如圖8。對(duì)比兩種出料系統(tǒng)的質(zhì)量流方差，得到常規(guī)出料系統(tǒng)的質(zhì)量流方差為優(yōu)化出料系統(tǒng)的1.29倍。這說(shuō)明了常規(guī)設(shè)計(jì)的出料系統(tǒng)，在相同模板的使用中，其?？字匈|(zhì)量流的分布差異性更大，至此造成最終膨化產(chǎn)品的均勻程度更差。

其中，為常規(guī)出料段螺桿所產(chǎn)生的質(zhì)量流分布方差；為優(yōu)化出料段螺桿所產(chǎn)生的質(zhì)量流分布方差。

牧羊有限公司優(yōu)化設(shè)計(jì)出料系統(tǒng)在客戶現(xiàn)場(chǎng)的使用情況

牧羊有限公司通過(guò)以上的分析和CFD模擬后，得到的計(jì)算結(jié)果為，使用全新優(yōu)化設(shè)計(jì)的出料系統(tǒng)，可以明顯提升出料時(shí)物料速度和質(zhì)量流的分布均勻性，以此提升膨化成品的均勻程度。至此，牧羊有限公司將全新優(yōu)化設(shè)計(jì)的出料系統(tǒng)在山東某客戶處進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用，進(jìn)行分析計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證。

該客戶之前使用的為常規(guī)出料系統(tǒng)，其生產(chǎn)產(chǎn)品為普通的成犬糧。膨化設(shè)備的目標(biāo)產(chǎn)能為9500～10000kg/hr，要求膨化顆粒尺寸不合格率≤5%?，F(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)情況為，當(dāng)產(chǎn)能開至≥7000kg/hr時(shí)，客戶的品質(zhì)管控人員隨機(jī)抽樣108顆物料，實(shí)測(cè)其膨化顆粒尺寸不合格數(shù)量為18顆，不合格率達(dá)16.7%，無(wú)法滿足要求，故此客戶無(wú)法再繼續(xù)提升至目標(biāo)產(chǎn)能，如圖9，圖10。

后牧羊有限公司將優(yōu)化設(shè)計(jì)的出料系統(tǒng)更換后，生產(chǎn)產(chǎn)品以及生產(chǎn)條件完全與客戶之前操作的一樣。當(dāng)產(chǎn)能達(dá)到至7000kg/hr時(shí)，客戶品質(zhì)管控人員實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)幾乎沒(méi)有出現(xiàn)不合格物料，故繼續(xù)提升產(chǎn)能至目標(biāo)產(chǎn)能9500kg/ hr?？蛻羝焚|(zhì)管控人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽樣統(tǒng)計(jì)，取樣50顆物料，發(fā)現(xiàn)不合格物料2顆，不合格率僅為4%，如圖11。至此，牧羊有限公司將客戶處出現(xiàn)的物料均勻性問(wèn)題以及產(chǎn)能無(wú)法達(dá)到目標(biāo)值的問(wèn)題成功解決，得到了客戶的充分認(rèn)可。

本文通過(guò)總結(jié)以往對(duì)于膨化機(jī)生產(chǎn)出現(xiàn)顆粒不均勻現(xiàn)象的成因和解決方法，對(duì)于使用膨化設(shè)備生產(chǎn)寵物食品以及水產(chǎn)飼料等過(guò)程中，出現(xiàn)顆粒料型不均勻的現(xiàn)象進(jìn)行了總結(jié)。同時(shí)，牧羊有限公司在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了出料段螺桿的設(shè)計(jì)對(duì)于改善物料均勻性的重要性，并且運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)和常規(guī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，隨后進(jìn)行客戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，結(jié)論如下：（1）CFD計(jì)算結(jié)果對(duì)比常規(guī)出料系統(tǒng)和優(yōu)化出料系統(tǒng)的速度分布方差。發(fā)現(xiàn)常規(guī)出料系統(tǒng)的速度分布方差為優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的約1.11倍。說(shuō)明常規(guī)出料系統(tǒng)的物料速度分布差異性更大；（2）CFD計(jì)算結(jié)果對(duì)比常規(guī)出料系統(tǒng)和優(yōu)化出料系統(tǒng)的模孔質(zhì)量流分布方差。發(fā)現(xiàn)常規(guī)出料系統(tǒng)的質(zhì)量流方差為優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的約1.29倍。說(shuō)明在同樣的模板下，常規(guī)出料系統(tǒng)的物料質(zhì)量流分布差異性更大；（3）牧羊有限公司在山東某客戶現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行常規(guī)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的出料系統(tǒng)對(duì)比。發(fā)現(xiàn)常規(guī)出料系統(tǒng)生產(chǎn)的物料不合格率高達(dá)16.7%，無(wú)法滿足客戶要求，同時(shí)也限制了其產(chǎn)能的繼續(xù)提升；使用牧羊有限公司優(yōu)化設(shè)計(jì)的出料系統(tǒng)，物料不合格率降至4%，較以前有很大程度的提升。故此也可以繼續(xù)提升其產(chǎn)能，從以前的7000kg/hr提升至客戶目標(biāo)產(chǎn)能9500kg/hr。

牧羊有限公司通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析，計(jì)算機(jī)模擬以及客戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，對(duì)于膨化設(shè)備的出料系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。不僅極大的提升了物料的均勻性，同時(shí)也將產(chǎn)能大幅度提升，得到了市場(chǎng)和客戶的一致認(rèn)可。

通訊作者：

周春景，博士，江蘇牧羊控股有限公司研究院院長(zhǎng)，研究方向：飼料加工機(jī)械應(yīng)用與自動(dòng)化研究。