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) 動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201)

粉碎是飼料生產(chǎn)過程的關(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，中國飼料工業(yè)廣泛使用錘片式粉碎機，其具有粉碎效率高和產(chǎn)量高等優(yōu)點，但也存在能耗高、粉碎粒度不均勻和噪音大等問題[1]。而輥式粉碎機具有粉碎產(chǎn)品溫升小、功耗小、噪音低、粉塵少和粒度均勻等特點[2]。輥式粉碎機由機架、喂入輥、1 對直徑相同的圓柱形磨輥、清潔刷及其調(diào)節(jié)機構(gòu)和傳動機構(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，對物料的擠壓作用大，粉碎后的物料粒度??；輥間隙大，對物料的擠壓作用小，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)物料的運動速度和粉碎效率，研究表明提高磨輥線速度可提高輥式粉碎機的生產(chǎn)能力[6]。在實際生產(chǎn)中，輥式粉碎機的生產(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輥式粉碎機的性能要求也較高，故不能一味地通過提高磨輥線速度來提高生產(chǎn)量。

本研究針對云南本地玉米的籽粒理化特性與其粉碎工藝特性，探討輥式粉碎機的輥間隙與快輥線速度對其粉碎粒度分布及粒度均勻性的影響，使粉碎產(chǎn)品粒度相對集中分布在符合特定養(yǎng)殖對象消化生理特點的粒徑范圍，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 試驗設(shè)計

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

1.3 觀測指標及測定方法

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

玉米經(jīng)輥式粉碎機(快輥與慢輥速比為 2.5∶1，齒數(shù)為12 齒/英寸) 1 次粉碎，每個處理采樣 1 kg，混合均勻后按照四分法取樣，采用BT-2900 動態(tài)圖像顆粒分析系統(tǒng)(丹東百特儀器有限公司)測定樣品粒度，每個樣品重復(fù)測定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個區(qū)間中分布最大值所在的3個區(qū)間為粒度分布的目標區(qū)間。根據(jù)樣品在各區(qū)間的分布情況計算樣品在目標區(qū)間的占比；按照以下公式計算重量幾何平均粒徑(dgw)和重量幾何標準差(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，以簡便地求得未知數(shù)據(jù)，并使這些數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。預(yù)測值與實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對檢驗的影響，即水平方向距離圖中心較遠的點與接近中心的點相比，對輥間隙或線速度檢驗的影響更大。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

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

2 結(jié)果與分析

2.1 飼用玉米理化指標

試驗飼用玉米理化指標為：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 輥式粉碎機粉碎結(jié)果

當輥間隙為0.5 mm 時，粒度分布的最大值落在850～1 180 μm，目標區(qū)間為600～1 700 μm；當輥間隙為1.0 mm 時，粒度分布的最大值落在1 180～1 700 μm，目標區(qū)間為850～2 360 μm；當輥間隙為1.5 mm 時，粒度分布的最大值落在1 700～2 360 μm，目標區(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 最小；目標區(qū)間占比以處理5 最高；即：當輥間隙為1.5 mm、線速度為4 m/s 時，dgw值最大；當輥間隙為0.5 mm、線速度為8 m/s 時，dgw和Sgw值均最小；當輥間隙為1.0 mm、線速度為6 m/s 時，目標區(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粉碎玉米的dgw、Sgw和目標區(qū)間占比(P＜0.05)，隨著輥間隙的增大，dgw和Sgw均增大，目標區(qū)間占比降低；線速度水平顯著影響輥式粉碎機粉碎玉米的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dgw的影響程度最大。

表1 不同粉碎工藝條件對玉米dgw、Sgw 和目標區(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 輥式粉碎機粉碎預(yù)測模型構(gòu)建

由圖1 可知：輥式粉碎機粉碎工藝參數(shù)對dgw預(yù)測值的均方根誤差為56.514，決定系數(shù)為0.98；預(yù)測值的殘差多數(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，說明輥間隙與線速度2個因子對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工藝參數(shù)的計算粒度模型為：dgw=701.82X1-62.23X2+1 000.30 (X1為輥間隙，X2為線速度)。

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

圖2 輥式粉碎機粉碎工藝參數(shù)對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：輥式粉碎機粉碎工藝參數(shù)對Sgw預(yù)測值的均方根誤差為0.057 2，決定系數(shù)為0.84；預(yù)測值的殘差多數(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，說明輥間隙與線速度2個因子對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工藝參數(shù)的計算粒度模型，Sgw=0.26X1-3.70e-17X2+2.07 (X1為輥間隙，X2為線速度)。

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

圖4 輥式粉碎機粉碎工藝參數(shù)對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]。在國外，輥式粉碎機是飼料粉碎常用的粉碎機類型[11]。合理的擠壓力和速度差可以使物料在經(jīng)過研磨區(qū)時最大限度地被磨輥之間的間隙磨碎，輥間隙起著類似于錘片式粉碎機篩片的作用，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：輥間隙會顯著影響輥式粉碎機的性能，且對成品的粉碎粒度、粒度分布和粉碎效率等有明顯影響，通過調(diào)節(jié)輥間隙，可以得到不同粒度的粉碎成品。本試驗中，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，與本試驗結(jié)果相同。輥式粉碎機輥間隙的減小，改變了物料在粉碎過程中的受力程度，在降低玉米粉碎粒度的同時產(chǎn)生更多粒度一致的細小顆粒。

3.2 快輥表面線速度對粉碎粒度的影響

輥式粉碎機主動輥的轉(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]。輥式粉碎機的磨輥以不同的速度相對運轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速顯著高于破碎機和壓片機的輥速[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，物料在單位時間內(nèi)通過研磨區(qū)的數(shù)量越多，磨粉機的產(chǎn)量也越高，產(chǎn)生的細粉越多，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，單位時間內(nèi)有較多物料通過研磨區(qū)，磨粉機的產(chǎn)量提高；如飼料流量固定不變，通過研磨區(qū)的物料流層厚度減小，可加強刮剝作用[8]。PéREZ-BONILLA 等[18]采用輥式粉碎機在輥間隙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。本試驗所得粉碎玉米的最適快輥表面線速度與以往的報道存在一定差異，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，輥筒高強度壓縮物料并伴隨著較弱的切割。輥筒對物料產(chǎn)生碾磨和剪切作用是因兩輥之間的速度差使其對物料產(chǎn)生差動作用，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)速比會對成品粒度產(chǎn)生影響，轉(zhuǎn)速比為2.5∶1 時粉碎粒度最小。此外，在本試驗各輥間隙條件下，快輥線速度對粉碎成品的Sgw均沒有顯著影響(P＞0.05)，表明輥式粉碎機產(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

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