高喜銀馬亞賓馬偉男宋強(qiáng)

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001；2.河北省畜牧良種工作站，河北 石家莊 050000)

引言

目前，奶牛產(chǎn)奶量自動(dòng)計(jì)量技術(shù)被國(guó)外大企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)壟斷，如以色列的阿菲金(Afikim)、瑞典的利拉伐(DeLaval)、德國(guó)的韋斯伐里亞(Weiss Phalia)、日本的優(yōu)利農(nóng)(Unisys Agricultural)等技術(shù)和設(shè)備[2]。上述國(guó)外設(shè)備存在價(jià)格昂貴、操作繁瑣、移動(dòng)不便、售后不及時(shí)等問(wèn)題，在國(guó)內(nèi)較大規(guī)模的奶牛養(yǎng)殖基地并未大批量引進(jìn)。而對(duì)于較小規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)、養(yǎng)殖散戶使用難度更為巨大，迫使其繼續(xù)使用傳統(tǒng)的人工桶裝稱重的計(jì)量方式，這種方式雖操作簡(jiǎn)單，但存在準(zhǔn)確率低、易污染的不足，同時(shí)，在取樣環(huán)節(jié)，采用取樣管桶內(nèi)取樣的傳統(tǒng)方法，存在生產(chǎn)效率低、取樣工作繁復(fù)、樣本單一等問(wèn)題。

基于此，課題組針對(duì)牛奶加工過(guò)程中計(jì)量與取樣環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了一款便攜式牛奶計(jì)量取樣器，并進(jìn)行樣機(jī)試制，于河北省畜牧業(yè)協(xié)會(huì)奶牛生產(chǎn)性能測(cè)定(DHI)中心以試驗(yàn)驗(yàn)證的方式對(duì)牛奶計(jì)量取樣器的預(yù)設(shè)性能進(jìn)行驗(yàn)證分析。

1 牛奶加工環(huán)節(jié)計(jì)量取樣的意義

本文所述牛奶是指奶牛產(chǎn)出的生鮮乳，是乳制品生產(chǎn)的原料[3]。在牛奶生產(chǎn)過(guò)程中往往需經(jīng)多重工序?qū)υ夏踢M(jìn)行加工，其中，計(jì)量和取樣環(huán)節(jié)是進(jìn)行奶牛生產(chǎn)性能測(cè)定的重要環(huán)節(jié)。奶牛生產(chǎn)性能測(cè)定，即對(duì)奶牛泌乳性能及乳成分的測(cè)定，是奶牛生產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的主要手段和牛群遺傳改良的基礎(chǔ)，也是提高奶牛生產(chǎn)性能和提高奶牛飼養(yǎng)科技含量的有效措施[4]。

計(jì)量是測(cè)定每頭奶牛的單日產(chǎn)奶量，快速精準(zhǔn)的收集分析產(chǎn)奶量信息對(duì)奶牛健康的判斷、疾病防治、飼喂調(diào)整等至關(guān)重要，是實(shí)現(xiàn)奶牛精準(zhǔn)飼養(yǎng)的有力依據(jù)。取樣是采集原料奶樣本，用于檢測(cè)，樣本質(zhì)量直接影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)檢測(cè)結(jié)果了解奶液中各成分含量，進(jìn)行產(chǎn)品定價(jià)和品質(zhì)評(píng)估，確定奶牛機(jī)體能量狀態(tài)等，是實(shí)現(xiàn)科學(xué)養(yǎng)殖的有力保障。

2 便攜式牛奶計(jì)量取樣器設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

課題組所設(shè)計(jì)的牛奶計(jì)量取樣器結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。該設(shè)備主要由入奶管、出奶管、前處理模塊、計(jì)量模塊、取樣模塊以及控制模塊構(gòu)成。整體來(lái)看，新采集的原料奶經(jīng)入奶管流入、經(jīng)出奶管流出牛乳計(jì)量取樣器，入奶管可連接擠奶器，出奶管可外接主奶箱等設(shè)備。

圖1 牛奶計(jì)量取樣器結(jié)構(gòu)框圖

前處理模塊主要由靜置沉淀瓶和分流控制器組成，靜置沉淀瓶可去除原料奶流入時(shí)產(chǎn)生的浮沫，分流控制器負(fù)責(zé)對(duì)2次分流時(shí)原料奶的奶量進(jìn)行分流控制。計(jì)量模塊實(shí)現(xiàn)單次單頭奶牛實(shí)際產(chǎn)奶量的讀??；取樣模塊完成實(shí)時(shí)、全程、定量取樣。控制模塊主要由清洗閥門(mén)、取樣按鈕、攪拌按鈕、流量調(diào)節(jié)器組成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)牛奶計(jì)量取樣器的控制。

2.1.1 前處理模塊

前處理模塊主要起到對(duì)新采集的原料奶進(jìn)行除浮沫處理和分流控制的作用。

目前臨床上針對(duì)粘液腺囊腫的常用治療方法除傳統(tǒng)的手術(shù)切除外，還有液氮冷凍、微波切除、碘制劑注射、二氧化碳激光等。各種治療方法都有著各自的優(yōu)點(diǎn)與不足。

靜置沉淀瓶整體為圓柱狀，高90mm，瓶底直徑70mm，瓶身與瓶底螺紋連接，密封性能良好。瓶體頂部與瓶底正中心位置分別開(kāi)有進(jìn)液口與出液口，開(kāi)口直徑分別為20mm和10mm，可保證同時(shí)刻內(nèi)瓶?jī)?nèi)注入流量大于流出流量，促使原料奶在靜置沉淀瓶?jī)?nèi)分層，上層為浮沫層、下層為乳液層，乳液層經(jīng)出液口流至分流控制器。

分流控制器由2個(gè)分流控制單元組成，第1單元、第2單元有其自身設(shè)定好的分流定比，經(jīng)2次分流完成預(yù)設(shè)的計(jì)量和取樣工作。第1次分流是將采奶時(shí)的原料奶按定比1∶40分流至計(jì)量瓶和出奶管，分流至計(jì)量瓶?jī)?nèi)的原料奶可用于讀取單次單頭奶牛的實(shí)際采奶量，可完成計(jì)量工作，分流至出奶管的原料奶進(jìn)入主奶箱以備后序。待采奶和計(jì)量工作結(jié)束，可按下取樣按鈕開(kāi)始第2次分流，可將計(jì)量瓶?jī)?nèi)原料奶分流至取樣瓶和出奶管，通過(guò)調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)器可確保50mL定量取樣。

2.1.2 計(jì)量模塊計(jì)量瓶直徑

計(jì)量模塊是指瓶身上標(biāo)有刻度的計(jì)量瓶，該刻度并非用于讀取計(jì)量瓶?jī)?nèi)奶液體積，而是對(duì)應(yīng)于實(shí)際采奶量，可依據(jù)瓶身刻度直接讀取出單次單頭奶牛的實(shí)際產(chǎn)奶量。本設(shè)計(jì)中所涉及到的計(jì)算實(shí)際采奶量相關(guān)公式：

(1)

式中，η為第1次分流時(shí)分流定比；v1為第1次分流分流至計(jì)量瓶?jī)?nèi)原料奶奶量，L；v2為第1次分流分流至出奶管內(nèi)原料奶奶量，L；V為實(shí)際產(chǎn)奶量，L。

通過(guò)推導(dǎo)可得，V與v1之間的關(guān)系：

(2)

通過(guò)實(shí)際測(cè)量計(jì)量瓶?jī)?nèi)奶液體積，據(jù)公式(2)對(duì)計(jì)量瓶上表示實(shí)際采奶量的刻度進(jìn)行標(biāo)定，最終確定計(jì)量瓶瓶身刻度，分別為10、20、30、40，單位為L(zhǎng),精確度為1L。

2.1.3 取樣模塊

取樣模塊所取樣本具有實(shí)時(shí)、全程特點(diǎn)，是因分流至取樣瓶?jī)?nèi)的樣本是在采奶過(guò)程中經(jīng)全程實(shí)時(shí)分流至計(jì)量瓶所得。

為確保取樣瓶可定量50mL取樣，課題組研究了計(jì)量瓶刻度和流量調(diào)節(jié)器旋鈕位置之間的關(guān)系，并在流量調(diào)節(jié)器上標(biāo)有和計(jì)量瓶相同的刻度，分別為10、20、30、40。待采奶和計(jì)量工作結(jié)束，可按下攪拌按鈕，使計(jì)量瓶?jī)?nèi)原料奶充分混合，保證樣本的有效性。將流量調(diào)節(jié)器旋鈕對(duì)應(yīng)的刻度調(diào)節(jié)至與計(jì)量瓶?jī)?nèi)奶液容積所對(duì)應(yīng)的刻度相同時(shí)，方可按下取樣按鈕，分流控制器開(kāi)始進(jìn)行第2次分流，就會(huì)有50mL的樣本流入樣本瓶?jī)?nèi)，完成取樣。

2.1.4 控制模塊

通過(guò)對(duì)該設(shè)備的預(yù)設(shè)功能和可操作性進(jìn)行綜合考慮，設(shè)計(jì)了清洗閥門(mén)、取樣按鈕、攪拌按鈕、流量調(diào)節(jié)器4個(gè)操控裝置，以實(shí)現(xiàn)在不同工況下對(duì)牛奶計(jì)量取樣器的有效控制。

清洗閥門(mén)選用的球閥規(guī)格為DN8，清洗閥門(mén)閉合，設(shè)備處于計(jì)量取樣狀態(tài)，清洗閥門(mén)開(kāi)啟，設(shè)備處于清潔狀態(tài)，分流控制器暫停定比例分流功能，經(jīng)入奶管進(jìn)入的清洗溶劑將快速填充靜沉淀瓶、計(jì)量瓶、取樣瓶以及各種管路，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備清洗。取樣按鈕位于分流控制器之上，為按壓式操作方式，待采奶和計(jì)量工作結(jié)束按下取樣按鈕，設(shè)備開(kāi)始進(jìn)行取樣。攪拌按鈕選用SDPC的二位二通機(jī)械閥，型號(hào)為MOV-04，按下攪拌按鈕，計(jì)量瓶底部的進(jìn)氣閥打開(kāi)，因設(shè)備內(nèi)氣壓為負(fù)產(chǎn)生大量氣泡，可將計(jì)量瓶?jī)?nèi)原料奶進(jìn)行充分混合，使得所取樣本更具代表性。流量調(diào)節(jié)器通過(guò)利用液體阻尼器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)取樣管道內(nèi)奶量的調(diào)節(jié)與控制。

2.2 樣機(jī)試制

課題組結(jié)合牛奶計(jì)量取樣器結(jié)構(gòu)框圖以及設(shè)備的功能性與便攜性，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的三維建模，確定其尺寸為400mm×200mm×250mm。采用3D打印技術(shù)，耗材選用透明樹(shù)脂，對(duì)牛奶計(jì)量取樣器關(guān)鍵零部件進(jìn)行制作并組裝搭建樣機(jī)。樣機(jī)內(nèi)部管道及取樣管道選用雷弗(LeadFluid)的硫化硅膠軟管，規(guī)格為25#，內(nèi)徑4.8mm，壁厚1.6mm。入奶管和出奶管選用TPU(熱塑性聚氨酯彈性體橡膠)管，內(nèi)徑16mm,壁厚1.2mm。便攜式牛奶計(jì)量取樣器樣機(jī)，如圖2所示。

圖2 便攜式牛奶計(jì)量取樣器樣機(jī)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

課題組于河北省畜牧業(yè)協(xié)會(huì)奶牛生產(chǎn)性能測(cè)定(DHI)中心對(duì)所搭建的便攜式牛奶計(jì)量取樣器樣機(jī)的預(yù)設(shè)功能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖3所示。

圖3 樣機(jī)預(yù)設(shè)功能試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)主要功能項(xiàng)進(jìn)行測(cè)試，即計(jì)量和取樣功能。為使試驗(yàn)更具代表性，以單頭奶牛產(chǎn)奶量均值為基準(zhǔn)上下浮動(dòng)8%，設(shè)定試驗(yàn)中單次模擬采奶的實(shí)際采奶量，并進(jìn)行10次隨機(jī)性試驗(yàn)，數(shù)據(jù)記錄和誤差分析，如表1所示；對(duì)非主要功能項(xiàng)進(jìn)行測(cè)試，如清洗閥門(mén)、攪拌按鈕，試驗(yàn)證明其如預(yù)期設(shè)定。

由表1可知，課題組所設(shè)計(jì)的便攜式牛奶計(jì)量取樣器具有良好的計(jì)量和取樣功能，經(jīng)10組隨機(jī)性試驗(yàn)，計(jì)量功能平均誤差為4.2%，取樣功能平均誤差為3.4%，本儀器可較好完成預(yù)設(shè)功能，本次設(shè)計(jì)的合理性。

表1 樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)和誤差分析

4 小結(jié)

針對(duì)目前牛奶加工過(guò)程計(jì)量和取樣環(huán)節(jié)中存在的弊端，課題組設(shè)計(jì)了一款便攜式牛奶計(jì)量取樣器。該設(shè)備可讀取單次單頭奶牛的實(shí)際產(chǎn)奶量，實(shí)現(xiàn)全程、實(shí)時(shí)、定量、精準(zhǔn)采樣。試驗(yàn)結(jié)果表明，課題組所設(shè)計(jì)的便攜式牛奶計(jì)量取樣器具有良好的計(jì)量和取樣功能，輕量便攜，具有高效計(jì)量、有效取樣等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)10組隨機(jī)性試驗(yàn)，計(jì)量功能平均誤差為4.2%，取樣功能平均誤差為3.4%，滿足行業(yè)要求，可為同行業(yè)加工裝置設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。