林 溪,馬鳳德,朱良青,金忠興

(1.江蘇豐尚智能科技有限公司,江蘇 揚(yáng)州 225000;2.嘉吉投資(中國)有限公司,上海 200030)

中國是飼料生產(chǎn)大國,我國飼料行業(yè)產(chǎn)量已經(jīng)連續(xù)8年位居世界第一,占全球總產(chǎn)量的1/4。飼料工業(yè)不僅是支撐現(xiàn)代農(nóng)牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)及糧食深加工企業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),而且成為關(guān)系到城鄉(xiāng)居民動(dòng)物性食品供應(yīng)的民生產(chǎn)業(yè)。鑒于此,強(qiáng)化技術(shù)創(chuàng)新,優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu),提高飼料粉碎的效率和效益,符合《“十四五”全國飼草產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的要求,對(duì)國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的提高以及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

錘片粉碎機(jī)是飼料粉碎過程中被廣泛使用的一種機(jī)械,在原料粉碎加工行業(yè)中起著重要作用。錘片粉碎機(jī)主要應(yīng)用于粉碎各種顆粒狀飼料原料,如玉米、高粱、麥類、破碎后的餅類及其他物料。由于不同種類原料的水分、容重、油脂含量、纖維含量等特性不同,相同參數(shù)配置的粉碎產(chǎn)能也不盡相同,因此,如何快速地找到不同特性物料的最優(yōu)粉碎參數(shù),使錘片粉碎機(jī)發(fā)揮最大效率,成為目前飼料工廠提高生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益的重點(diǎn)難題[1]。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)是目前現(xiàn)代企業(yè)管理中最有效的改善和科研工具之一。它是一種以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ),以相對(duì)較少的試驗(yàn)次數(shù)、較短的試驗(yàn)周期以及較低的成本投入,經(jīng)濟(jì)科學(xué)地獲得必要的技術(shù)信息,并用合適的統(tǒng)計(jì)方法分析數(shù)據(jù),得出多個(gè)輸入因素對(duì)輸出的影響最佳水平組合,亦即最佳試驗(yàn)結(jié)論的方法[2]。DOE的實(shí)施方法和理論已經(jīng)在國內(nèi)外得到了極大的認(rèn)可和應(yīng)用,但其在錘片粉碎機(jī)方面的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究卻并不多見。本研究采用DOE方法,在保證粉碎機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下,嘗試以采用盡可能少的實(shí)驗(yàn)次數(shù),相對(duì)精確地得到不同物料的最佳粉碎參數(shù)[3]。

此項(xiàng)研究以玉米粗粉碎為案例,采用DOE,對(duì)包括粉碎機(jī)的風(fēng)量、轉(zhuǎn)子線速度、錘片厚度、錘篩間隙在內(nèi)的生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行研究分析,探究生產(chǎn)工藝參數(shù)的不同水平對(duì)粉碎玉米的生產(chǎn)效率以及粒度分布的影響變化規(guī)律,并尋求可行性生產(chǎn)參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)組合,探究結(jié)果可為飼料廠的實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)提供理論參考和數(shù)據(jù)支撐[4]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)在嘉吉某工廠進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)設(shè)備均選用現(xiàn)場已有設(shè)備直接使用。

現(xiàn)場設(shè)備條件:

①豐尚SFSP132×50A型錘片式粉碎機(jī)(110 kW);

②脈沖除塵器LNGM36(48筒);

③風(fēng)機(jī)6-23-8C-11 kW(風(fēng)機(jī)風(fēng)量為3 486～6 626m3/h);

④提升機(jī)TDTG40/28;

⑤喂料器TWLY25×50(1.5 kW)。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 分析因子設(shè)計(jì)

考慮到每次實(shí)驗(yàn)粉碎機(jī)所需的玉米粉碎量較多,多次實(shí)驗(yàn)的成本較高,并且每組實(shí)驗(yàn)調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)的準(zhǔn)備時(shí)間較長,更換錘片的人工工作量較大,故選取對(duì)錘片粉碎機(jī)產(chǎn)能影響最為主要的四個(gè)因子:風(fēng)量、轉(zhuǎn)子線速度、錘片厚度、錘篩間隙進(jìn)行顯著性分析,對(duì)每個(gè)因子取兩個(gè)不同水平,如表1所示。

表1 因子水平設(shè)計(jì)表

其中錘片厚度與錘篩間隙通過提前試制不同規(guī)格錘片與安裝位置進(jìn)行調(diào)節(jié),風(fēng)量與轉(zhuǎn)子線速度則分別通過給風(fēng)機(jī)電機(jī)以及主機(jī)電機(jī)增加變頻器實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié)。

設(shè)計(jì)的正交實(shí)驗(yàn)表如表2所示,其中在正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,增加一組中心點(diǎn)。

表2 4因子2水平正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

2.2 試驗(yàn)步驟

由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,僅調(diào)整粉碎機(jī)的生產(chǎn)工藝參數(shù),每組實(shí)驗(yàn)流程需盡可能保持前后一致以減少變量因子外的實(shí)驗(yàn)干擾,提高后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性,保證最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性和可靠性,故設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1)測量工廠當(dāng)前生產(chǎn)現(xiàn)狀的測量數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)空白對(duì)比組;

(2)檢測原料水分;

(3)校核原料質(zhì)量;

(4)安裝當(dāng)前實(shí)驗(yàn)組的實(shí)驗(yàn)錘片并校核錘片數(shù)量及排列;

(5)安裝全新篩片并校核錘篩間隙與篩片孔徑是否正確;

(6)空載運(yùn)行粉碎生產(chǎn)系統(tǒng),檢查相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀況是否正常,同時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子線速度與風(fēng)機(jī)風(fēng)量達(dá)到本組實(shí)驗(yàn)的設(shè)定值;

(7)使用電能測試儀測試空載參數(shù),使用鉗型表檢測電流;

(8)開始帶料試驗(yàn),開啟喂料器,調(diào)整喂料頻率,待實(shí)際運(yùn)行電流達(dá)到額定電流的95%后,穩(wěn)定運(yùn)行16 min;

(9)當(dāng)主電機(jī)的電流穩(wěn)定后,開始計(jì)時(shí),待穩(wěn)定運(yùn)行16 min后,停止計(jì)時(shí),計(jì)時(shí)開始與停止時(shí)均記錄電能表示數(shù);

(10)分別在粉碎機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后的第5、第10、第15 min取200 g粉碎后物料;

(11)記錄整個(gè)過程內(nèi)的相關(guān)試驗(yàn)參數(shù);

(12)檢測成品水分并記錄數(shù)據(jù);

(13)檢測成品粒度并記錄數(shù)據(jù);

(14)完全停機(jī)后調(diào)整下一組實(shí)驗(yàn)參數(shù),重復(fù)該實(shí)驗(yàn)步驟。

其中,整個(gè)粉碎實(shí)驗(yàn)過程中需要特別注意的關(guān)鍵點(diǎn)如下:

①測量產(chǎn)量所制定的方法標(biāo)準(zhǔn)需要從頭到尾保持一致,采集數(shù)據(jù)的人員前后保持一致;

②測量水分、粒度的人員和設(shè)備保持一致;

③粉碎的物料盡量保證同一批次。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析驗(yàn)證

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

3.1 因子顯著性分析(見圖1)

圖1 標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)的Pareto圖

運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)的Pareto圖將影響因子作為縱坐標(biāo),對(duì)粉碎機(jī)產(chǎn)量影響的顯著水平作為橫坐標(biāo),由圖1可見,D(錘篩間隙)和C(錘片厚度)對(duì)玉米粗粉碎產(chǎn)量的影響較為顯著。

3.2 主效應(yīng)分析

運(yùn)用主效應(yīng)圖比較不同變量設(shè)置的產(chǎn)量擬合均值,圖2可以明顯看出粉碎機(jī)產(chǎn)量隨著錘篩間隙的加大而明顯增加,而錘片厚度變薄同樣也會(huì)顯著提升粉碎產(chǎn)量,而風(fēng)量與線速度在中等水平時(shí)的產(chǎn)量較高,在高水平與低水平處較低且差異不大;同時(shí),結(jié)合四個(gè)因子最佳水平分析可知,玉米粗粉碎的最佳因素水平組合為:風(fēng)量3 600 m3/h、錘片厚度4 mm、主機(jī)線速度110 m/s、錘篩間隙10 mm。

圖2 主效應(yīng)圖

3.3 交互效應(yīng)分析

通過使用交互作用圖評(píng)估風(fēng)量分別對(duì)轉(zhuǎn)子線速度、錘片厚度、錘篩間隙的交互效應(yīng),由圖3可以看出,圖3內(nèi)的兩條直線之間的交叉程度不大,說明風(fēng)量分別對(duì)轉(zhuǎn)子線速度、錘片厚度、錘篩間隙的交互作用不顯著。

(a)風(fēng)量與線速度的交互作用圖

3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與后期跟蹤

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的現(xiàn)場分析得出當(dāng)前玉米粉碎的最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)后,以該參數(shù)再次進(jìn)行粉碎實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否可靠準(zhǔn)確(做了兩組實(shí)驗(yàn),只調(diào)整了風(fēng)量的高低水平,其余參數(shù)均按照最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)設(shè)置),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)比工廠實(shí)驗(yàn)前的現(xiàn)有產(chǎn)量數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)使用最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)的粉碎機(jī)產(chǎn)量提高了大約9.3%,驗(yàn)證了本次DOE對(duì)于錘片粉碎機(jī)提高玉米生產(chǎn)效率的有效性。

考慮到最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)中將錘片厚度減薄,會(huì)導(dǎo)致錘片的使用壽命相對(duì)縮短,故綜合考慮生產(chǎn)效率與使用壽命,對(duì)使用薄錘片的粉碎機(jī)進(jìn)行一個(gè)長期跟蹤,統(tǒng)計(jì)一個(gè)完整使用壽命周期內(nèi)錘片的生產(chǎn)量,并與過往使用的厚錘片進(jìn)行總產(chǎn)量的對(duì)比,對(duì)比粉碎效率匯總數(shù)據(jù)和錘片壽命周期,結(jié)果見圖4與表5。

(a)4 mm錘片2022年4-6月粉碎效率

表5 錘片壽命周期表

從圖4以及表5中可以觀察得出,2021年3—5月使用常規(guī)厚錘片(6 mm)粉碎效率的中位數(shù)對(duì)比2022年4—6月實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的薄錘片(4 mm)粉碎效率的中位數(shù),改進(jìn)后比之前提升了19%左右,并且兩套錘片在其完整的使用壽命周期內(nèi)的總產(chǎn)量基本一致,更加論證了本次DOE改進(jìn)對(duì)玉米粉碎效率的一個(gè)顯著提升。

4 結(jié)論

(1)通過DOE方法,在試驗(yàn)次數(shù)較少、試驗(yàn)成本較低的情況下快速確定出錘片粉碎機(jī)粉碎玉米的最優(yōu)生產(chǎn)工藝條件:風(fēng)量3 600 m3/h、錘片厚度4 mm、主機(jī)線速度110 m/s、錘篩間隙10 mm,粉碎效率相比改造前提升了19%左右。

(2)錘片厚度與錘篩間隙是玉米粉碎的顯著影響因子,對(duì)錘片粉碎機(jī)粉碎玉米的產(chǎn)量影響較大,錘片厚度越薄、錘篩間隙越大,玉米粉碎的產(chǎn)量越高,線速度對(duì)產(chǎn)量的影響相比于前兩者較小,而風(fēng)量對(duì)玉米粉碎的產(chǎn)量幾乎沒有影響。

本次DOE得到了該工廠運(yùn)營團(tuán)隊(duì)的高度認(rèn)可與評(píng)價(jià),也提供了一個(gè)成功實(shí)踐案例,為飼料行業(yè)運(yùn)用DOE解決生產(chǎn)問題提供了方法和途徑,利用DOE對(duì)粗粉碎玉米的最優(yōu)生產(chǎn)工藝的篩選方法對(duì)于其他不同特性物料的高效生產(chǎn)提供了借鑒,對(duì)于提高粉碎設(shè)備的生產(chǎn)效率,降低粉碎工段能耗,綜合提升工廠的生產(chǎn)效益有著廣泛的應(yīng)用前景。

(3)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用的是企業(yè)工廠實(shí)踐案例,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均真實(shí)可靠,相較于其他仿真實(shí)驗(yàn)更具有可靠性和復(fù)現(xiàn)性。