犢牛飼喂常乳加工與供給系統(tǒng)設(shè)計與試驗(yàn)

戚江濤， 蒙賀偉， 坎　雜， 李亞萍， 閆海峰

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子 832000)

犢牛常乳期飼養(yǎng)階段的飼喂物料主要為經(jīng)過巴氏殺菌的牛奶，對于飼喂常乳的加工主要采用2種方式：一種將牛奶加熱至60～65 ℃，保溫30 min后冷卻而成；另外一種通過對牛奶加熱至75～90 ℃，保溫15～16 s后冷卻而成。目前，針對犢牛飼喂常乳的加工主要采用人工，首先將牛奶加熱至78～85 ℃后進(jìn)行巴氏殺菌，人工對牛奶攪拌冷卻，當(dāng)牛奶溫度冷卻到約38 ℃時裝入奶瓶、小桶或水盆等容器中對犢牛進(jìn)行飼喂。人工飼喂雖然能夠完成犢牛飼喂常乳的工作，但其存在著勞動強(qiáng)度大、飼喂效率低、受人工影響嚴(yán)重等突出問題[1-3]。而針對犢牛飼喂常乳加工裝備以及加工方法等方面開展研究的有德國(優(yōu)本)Urban公司、瑞典利拉伐公司、Janzekovic等[4-9]。

在實(shí)施犢牛精細(xì)飼喂過程中，飼喂常乳的投料精度、投料效率以及投料穩(wěn)定性是影響犢牛飼喂效果的重要因素。因此，本研究在前期精細(xì)養(yǎng)殖技術(shù)裝備研究基礎(chǔ)上[10-14]，設(shè)計完成了基于等徑雙泵頭的犢牛精細(xì)飼喂常乳加工供給系統(tǒng)，為保證飼喂效率，加工流程采用對牛奶加熱75～90 ℃，保溫15～16 s后冷卻至39 ℃后對犢牛實(shí)施飼喂，設(shè)計完成的飼喂常乳加工供給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了飼喂常乳的自動化加工及常乳的精確供給，為犢牛養(yǎng)殖的健康發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1　系統(tǒng)組成及工作原理

1.1　系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要包括常乳加工系統(tǒng)和常乳精確供給系統(tǒng)2個部分，其中常乳加工系統(tǒng)主要由外桶(水加熱桶)、攪拌桶、攪拌器、攪拌電機(jī)、減速器、溫度傳感器及水泵等組成；常乳精確供給系統(tǒng)主要由蠕動泵、清洗噴頭及吸吮器等組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

1.2　工作原理

常乳加工過程中，裝備控制系統(tǒng)控制加熱裝置對外桶的水進(jìn)行加熱，并通過熱傳遞對牛奶進(jìn)行加熱，當(dāng)加熱至設(shè)定溫度75～90 ℃后，停止加熱，該溫度保持15～16 s后對外桶注入冷水，通過外桶的冷水循環(huán)對加熱后的牛奶進(jìn)行冷卻，當(dāng)冷卻至設(shè)定溫度39 ℃后即完成飼喂常乳的加工。在加熱和冷卻過程中，通過攪拌電機(jī)帶動攪拌器對牛奶進(jìn)行不斷攪拌，實(shí)現(xiàn)牛奶的均勻加熱和降溫。飼喂時，通過蠕動泵、吸吮器等對飼喂常乳進(jìn)行精確供給。

2　常乳加工系統(tǒng)設(shè)計

常乳加工系統(tǒng)主要由攪拌系統(tǒng)、水加熱及水冷卻系統(tǒng)等組成，其主要對牛奶進(jìn)行巴氏殺菌加工，以完成適于犢牛飼喂的混合均勻、溫度合適、適口性好的飼喂常乳加工。

2.1　攪拌系統(tǒng)設(shè)計

攪拌系統(tǒng)主要由攪拌桶、攪拌葉扇、攪拌電機(jī)等組成。

犢牛飼喂最佳量一般按其體質(zhì)量的10%進(jìn)行常乳飼喂，按照裝備1次飼喂40頭犢牛、犢牛平均體質(zhì)量35 kg計算，常乳攪拌桶體積應(yīng)≥150 L。經(jīng)設(shè)計，攪拌桶上部分為直徑 50 cm、高40 cm的圓柱形桶，下部分為底部直徑25 cm、高度23 cm的圓錐形，設(shè)計完成的攪拌桶容積157 L。

依據(jù)牛奶物料特性及加工過程要求，確定攪拌器類型為軸流型兩葉斜槳式攪拌器，攪拌器為頂部中心安裝(圖2)。攪拌系統(tǒng)由三相異步電動機(jī)經(jīng)過齒輪減速器驅(qū)動攪拌器進(jìn)行工作，攪拌器與攪拌軸通過螺栓連接。

2.2　加熱系統(tǒng)設(shè)計

加熱系統(tǒng)主要完成牛奶的加熱以及飼喂過程中牛奶的保溫等功能，其主要包括外桶、加熱棒、溫度傳感器等，其中加熱棒安裝在外桶中對水進(jìn)行加熱，溫度傳感器安裝在攪拌桶中以完成牛奶實(shí)時溫度的測量。工作時，須首先設(shè)定攪拌桶中牛奶的加熱溫度值，當(dāng)牛奶溫度達(dá)到設(shè)定值(一般為75 ℃)時，停止加熱并保溫15～16 s，系統(tǒng)中傳感器選用上海松導(dǎo)加熱傳感器有限公司的WZP-187型不銹鋼防水溫度傳感器。

2.3　冷卻系統(tǒng)設(shè)計

冷卻系統(tǒng)主要采用水冷卻循環(huán)方法完成攪拌桶中牛奶的降溫。系統(tǒng)通過水泵將冷水泵入外桶，利用冷水與牛奶間的熱傳遞對牛奶進(jìn)行降溫。系統(tǒng)外桶充滿冷水后，冷水可由出水口經(jīng)過導(dǎo)管進(jìn)入儲水槽。系統(tǒng)通過水與牛奶間的熱傳導(dǎo)進(jìn)行無接觸加熱冷卻，極大地簡化了裝備清洗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且使用后水可循環(huán)利用。

3　常乳精確供給系統(tǒng)設(shè)計

常乳精確供給系統(tǒng)主要由蠕動泵、吸吮器及導(dǎo)管等組成，其主要功能為將常乳加工系統(tǒng)加工后的飼喂常乳供給犢牛，并對其進(jìn)行精確飼喂。飼喂時，當(dāng)射頻識別系統(tǒng)識別犢牛后，蠕動泵依據(jù)控制系統(tǒng)要求完成飼喂常乳的精確供給，泵出的精量常乳經(jīng)導(dǎo)管、防滴漏吸吮器等進(jìn)入至犢牛口中進(jìn)行食用。

3.1　蠕動泵設(shè)計

蠕動泵工作時由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動泵頭進(jìn)行常乳供給，泵頭主要由外殼、上壓塊、扳卡及轉(zhuǎn)子等組成，精確給料機(jī)構(gòu)泵頭設(shè)計為3個直徑均為20 mm的圓形轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子兩圓心之間距離為50 mm。精確給料機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)按下式計算。

V=V轉(zhuǎn)×G；

；

(1)

V轉(zhuǎn)=V步÷3；

(2)

G=π×r×2×h×ρ。

(3)

式中：V為給料速度，按犢牛最小給料量及其給料時間、雙給料器工作方式計算，該給料速度≥60 g/s；V轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)子速度；V步為步進(jìn)電機(jī)速度，設(shè)置為500 r/min；G為每段間常乳質(zhì)量，g；r為軟管半徑，cm；h為兩轉(zhuǎn)子間距離，cm；ρ為牛奶密度，取為1.1～1.2 g/cm2。

由式(1)～(3)可得，兩轉(zhuǎn)子間距離為50 mm，軟管內(nèi)徑為9.6 mm，由此軟管選型為36#軟管，壁厚為2.4 mm。泵頭選用不銹鋼材料的KZ25型泵頭，外殼材料為PC材料。雙泵頭常乳給料機(jī)構(gòu)相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　雙泵頭常乳給料機(jī)構(gòu)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

3.2　清洗系統(tǒng)設(shè)計

清洗系統(tǒng)主要由清洗噴頭、水泵、導(dǎo)管等組成，其主要完成裝備攪拌桶及管道的清洗消毒。工作時，利用水泵將相關(guān)清洗溶液泵入清洗管道中，通過清洗噴頭(圖3)對攪拌桶內(nèi)壁進(jìn)行沖洗。在清洗過程中，清洗溶液按照“清水—堿性水溶液—清水—酸性水溶液—清水”的順序進(jìn)行清洗，結(jié)束后啟動蠕動泵將水排出，同時完成對管道內(nèi)壁的清洗。

4　性能試驗(yàn)

4.1　材料與方法

4.1.1試驗(yàn)材料牛奶。

4.1.2儀器與設(shè)備犢牛精確飼喂機(jī)、筆記本電腦、秒表、耳標(biāo)、電子秤(上海東南衡器有限公司制造，最大值30 kg，分度值10 g)

4.1.3評價指標(biāo)投料穩(wěn)定性利用變異系數(shù)來進(jìn)行描述，根據(jù)式(4)計算變異系數(shù)。

CV=S/V。

(4)

式中：CV為變異系數(shù)；S為樣本的標(biāo)準(zhǔn)差；V為樣本的均值。

投料精度指標(biāo)利用相對誤差進(jìn)行描述，利用式(5)計算相對誤差。

δ=(m-m0)/m0×100%。

(5)

式中：δ為相對誤差，單位為%；m為實(shí)際投料質(zhì)量，單位為 kg；m0為目標(biāo)投料質(zhì)量，單位為kg。

4.1.4試驗(yàn)安排首先測量出蠕動泵在轉(zhuǎn)速為500 r/min時不同脈沖下的投料量，擬合出投料模型，然后使用投料模型測量出實(shí)際下料量，進(jìn)而計算出在此模型下的投料精度，投料精度通過實(shí)際下料量與目標(biāo)下料量計算得出，給料效率通過設(shè)定不同投料量與投料時間計算得出。

4.2　結(jié)果與討論

試驗(yàn)測定不同脈沖下的投料量(表2)、投料平均量變化趨勢(圖4)。

表2　不同脈沖下的投料量

由圖4可知，下料量與脈沖量變化呈線性關(guān)系，利用Origin數(shù)據(jù)分析軟件對線性進(jìn)行曲線擬合得出一元線性回歸方程：

y=0.999 99x+13.615 88；

(6)

式中：x為脈沖數(shù)，單位為個；y為下料量，單位為g。

根據(jù)犢牛生理特性，設(shè)定目標(biāo)投料量為3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 kg，測得不同目標(biāo)值下投料量，見表3。系統(tǒng)投料變異系數(shù)及平均相對誤差見表4；誤差趨勢見圖5；測得不同目標(biāo)值下投料時間見表5。

表3　不同目標(biāo)值下的投料量

表4　變異系數(shù)及平均相對誤差

由表5可知，針對不同目標(biāo)值進(jìn)行投料時，投料相對誤差均<1%，即投料精度≥99%，最大投料時間37.3 s，平均投料速度134.58 kg/s，精度與效率均滿足犢牛精確飼喂要求。

表5　不同目標(biāo)值下的投料時間

5　結(jié)論

本試驗(yàn)在對犢牛飼喂常乳加工流程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于等徑雙泵頭式的犢牛精細(xì)飼喂常乳加工供給系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了犢牛飼喂的自動化、精確化、智能化。試驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)在500 r/min轉(zhuǎn)速下，投料精度≥99%，最大投料時間37.3 s，平均投料速度134.58 kg/s，符合犢牛精細(xì)飼養(yǎng)常乳加工及給料要求。

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