玉米-小麥組合粉碎能耗及粒度分析

■ 金 楠 方 鵬 王紅英* 孔丹丹 段恩澤 陳計遠

（1.中國農業大學工學院，北京100083；2.國家農產品加工技術裝備研發分中心，北京100083）

飼料的粉碎對顆粒飼料質量的影響占到20%，僅次于飼料配方在顆粒質量中起到的作用[1]。作為飼料加工的重要工序之一，粉碎為后續的配料、混合和制粒加工提供條件[2]，同時，飼料的粉碎粒度對飼料消化利用率、動物生產性能和動物胃腸道健康均有顯著影響[3]。而粉碎系統能耗占全廠總動力消耗的30%～50%[4]，所以降低粉碎能耗成為控制飼料成本、提高生產效益的重要途徑之一。

飼料加工工藝按粉碎和配料的先后順序不同，分為“先粉后配”和“先配后粉”工藝[5]。“先粉后配”，即將不同種類原料分別貯存在待粉碎倉，通過粉碎和輸送使粉碎后的物料進入配料倉進而配料混合，粉碎過程為單一品種原料粉碎；而“先配后粉”，則是將所有原料直接貯存在配料倉中，根據配方配料后再按批次粉碎混合，粉碎過程為多品種原料組合粉碎。“先配后粉”工藝具有料倉少、倉中物料不易結拱、原料變化對粉碎影響小等優點[6]，但現有對飼料原料組合粉碎能耗及粉碎粒度影響的研究較少。

因此，本研究在實驗室條件下用萬能粉碎機對5種不同配比組合的玉米、小麥進行組合粉碎處理，分析粉碎能耗及粉碎粒度，探究飼料原料組合粉碎的節能作用，為飼料粉碎加工的高效低耗提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用玉米、小麥均取自北京首農畜牧發展有限公司飼料分公司，水分含量均在11%～12%安全水分內。每份組合粉碎樣品的質量為2 kg，設總質量分數為1，依據玉米和小麥在粉碎樣品中所占質量分數的不同，形成5種不同的玉米-小麥配比，如表1所示。每份樣品混合均勻后用于粉碎，粉碎后的樣品密封于自封袋中，用于后續粒度分析。

表1 組合粉碎樣品配比

1.2 試驗設備

15B型萬能粉碎機（江陰市宏達粉體設備有限公司，配有Φ1.5、Φ2.0 mm和Φ2.5 mm孔徑篩片，配套動力：2.2 kW，生產能力：30～100 kg/h）；XT三相四線電子式有功電能表（浙江欣拓新能源有限公司，精度：0.01 kWh）；octagon200型數顯篩分儀（英國endecotts公司）；ISO3310不銹鋼標準篩（英國endecotts公司）；AL204分析天平（梅特勒-托利多儀器有限公司）；計時器。

1.3 試驗方法

1.3.1 粉碎能耗測定

粉碎機空載運轉功率的測定。分別在物料粉碎試驗開始前及所有物料粉碎試驗結束后，啟動粉碎機空載運轉5 min，并記錄空載運轉的電能消耗，將電能消耗與空載運行時間的比值作為粉碎機空載運轉的功率，即單位時間內粉碎機空載運轉所耗電能值。取前后兩次測量結果的平均值作為粉碎機空載運轉功率p的最終值。

組合粉碎能耗的測定。將粉碎機喂料口開度調整至固定位置，保證粉碎中各組樣品的喂料速度一致。粉碎開始前記錄電能表示數，投入物料同時開啟計時器計時，在粉碎機出料口收集粉碎樣品，待原料粉碎完畢按停計時器，記錄粉碎時間和粉碎后電能表示數，按式（1）計算組合粉碎能耗。

式中：W——組合粉碎能耗(kWh/t)；

EA——粉碎后電能表示數(kWh)；

EB——粉碎前電能表示數(kWh)；

p——粉碎機空載運轉功率(kWh/min)；

T——粉碎時間(min)。

1.3.2 粉碎樣品粒度分析

萬能粉碎機依次換裝Φ1.5 mm、Φ2.0 mm、Φ2.5 mm孔徑篩片，分別對5種不同玉米-小麥配比的樣品進行粉碎，每個樣品重復粉碎3次，共得到45份粉碎樣品進行粉碎粒度分析。

粉碎后的樣品采用ANSI/ASAE S319.4—2008標準[7]中的14層篩法進行粉碎樣品平均粒徑及幾何標準差的測定，具體操作如下：將標準篩清理后稱重記錄篩體初重，篩層從上至下按篩網篩孔由大到小的順序排列好14層標準篩，然后稱取100 g樣品放入最上層篩中，固定篩層于篩分儀上，開啟篩分儀振動15 min，逐級取下層篩對每一層篩重新稱重記錄篩體末重。按式（2）計算粉碎樣品的平均粒徑。

式中：dgw——顆粒的幾何平均粒徑(mm)；

di——第i層篩的標稱篩孔尺寸（mm）；

Wi——第i層篩上樣品的質量(g)；

n——篩層的數量。

樣品平均粒徑的幾何標準差在一定程度上可以反映粉碎均勻度，按式（3）計算平均粒徑的幾何標準差。

式中：Sgw為平均粒徑的幾何標準差，其余字母含義均與公式（2）中相同。

1.4 數據處理

試驗中，對每種玉米-小麥配比組合在3個不同篩片孔徑下的粉碎樣品進行3次重復粉碎，對3次重復粉碎樣品混勻后進行2次粒度篩分分析，取平均值作為最終結果。所有試驗數據使用Excel 2010進行統計，使用SPSS 19.0統計軟件進行顯著性分析及方差分析，使用MTALAB R2016a繪圖。

2 結果與分析

分別使用Φ1.5、Φ2.0、Φ2.5 mm孔徑篩片對5種不同玉米-小麥配比組合原料進行粉碎，其粉碎能耗結果如表2所示。隨著篩片孔徑增大，粉碎能耗明顯降低。在同一孔徑篩片下，玉米-小麥配比對粉碎能耗有顯著影響(P＜0.05)，隨著玉米添加量的減少、小麥添加量的增多，組合粉碎能耗增大。但在Φ2.5篩片下，玉米-小麥配比為0.75∶0.25時的能耗要比配比為1∶0時的能耗低，可能是由于玉米-小麥在該配比下粉碎表現出了較好的節能效果。

表2 玉米-小麥組合粉碎能耗

粉碎后樣品的平均粒徑和幾何標準差測定結果見表3。對于相同的玉米-小麥配比，隨著篩片孔徑的增大，粉碎樣品的平均粒徑增大，平均粒徑的幾何標準差沒有一致的變化規律。在Φ1.5篩片下，相比于純玉米、純小麥粉碎樣品的平均粒徑，玉米-小麥兩種原料組合粉碎樣品的平均粒徑更小，且隨著玉米-小麥配比中小麥含量的增加，平均粒徑的幾何標準差依次增大，在Φ2.5篩片下粉碎樣品的幾何標準差同樣隨著配比中小麥含量的增加而增大。

表3 玉米-小麥組合粉碎樣品平均粒徑及幾何標準差

3 討論

結合對表2、表3玉米-小麥組合粉碎能耗及粒度的分析可知，玉米-小麥配比、粉碎樣品的平均粒徑共同影響粉碎能耗，而粉碎樣品的最終粒度由篩片孔徑的大小決定[8]，因此，本節主要討論粉碎樣品平均粒徑（篩片孔徑）、玉米-小麥配比與粉碎能耗的關系。

3.1 粉碎樣品粒徑與粉碎能耗的關系

粉碎樣品粒徑與粉碎能耗的關系主要表現在兩方面。一方面，在同一玉米-小麥配比中，隨著篩片孔徑的減小，粉碎樣品的平均粒徑減小，飼料原料的粒徑減小比（reduction ratio，飼料粉碎前平均粒徑與粉碎后平均粒徑的比值）越大[9]，粉碎時需要的破裂能越多，由此增加粉碎機的能耗。

另一方面，在同一孔徑篩片下，粉碎樣品的平均粒徑卻不盡相同，因此，為檢驗粉碎能耗的變化是由平均粒徑的大小不同而引起的，還是由玉米-小麥配比的不同而造成的，對各孔徑篩片下粉碎能耗與平均粒徑和玉米-小麥配比進行Pearson相關性分析，結果如表4所示。3種篩片下，樣品的平均粒徑與粉碎能耗無顯著相關性，而玉米-小麥配比與粉碎能耗存在顯著和極顯著線性相關，也就是說，在同一孔徑篩片下的粉碎能耗差別是由玉米-小麥配比的不同造成的，與樣品的平均粒徑無關。

表4 各孔徑篩片下粉碎能耗與平均粒徑和玉米-小麥配比的相關性分析

3.2 玉米-小麥配比對粉碎能耗的影響

圖1 篩片孔徑和玉米-小麥配比對粉碎能耗的影響

由表2可知，粉碎機篩片孔徑和玉米-小麥配比對粉碎能耗均有顯著影響，圖1所示為篩片孔徑和玉米-小麥配比對粉碎能耗的影響。隨著篩片孔徑的增大，粉碎能耗減小；隨著玉米添加量的減少、小麥添加量的增多，粉碎能耗增大，這主要是由玉米和小麥在粉碎特性上的差異引起的，有研究報道，純小麥原糧相較于玉米原糧更難粉碎[10]。圖1(a)中曲面并不呈平面狀態，說明篩片孔徑和玉米-小麥配比產生了交互作用。

因此，為檢驗是否存在篩片孔徑和玉米-小麥配比的交互作用對粉碎能耗的影響，對數據進行主體間效應的檢驗分析，結果見表5。分析結果表明，在0.05的顯著性水平下，粉碎能耗受篩片孔徑和玉米-小麥配比的交互作用影響，但影響程度不高，影響組合粉碎能耗的因素由高到低依次為篩片孔徑、玉米-小麥配比、篩片孔徑和玉米-小麥配比的交互作用。

表5 篩片孔徑和玉米-小麥配比對粉碎能耗的影響方差分析結果

為驗證玉米-小麥組合粉碎的節能效果，在試驗中定義了計算能耗，即分別將各篩片下玉米-小麥配比中1∶0和0∶1組的粉碎能耗作為該篩片下純玉米和純小麥的粉碎能耗，結合玉米-小麥配比中玉米和小麥各占的質量分數，以玉米、小麥各自的質量分數與各自純原糧粉碎能耗乘積的和作為計算能耗。考察各玉米-小麥配比中試驗所測粉碎能耗與計算能耗的差值，當差值為負時，則認為組合粉碎相較于單一品種原糧粉碎起到了節能效果，分析結果如圖2所示。

圖2 組合粉碎節能效果分析

當玉米-小麥配比為0.75∶0.25時，3種孔徑篩片下組合粉碎均有節能效果，且Φ2.5篩孔的節能效果最明顯；而玉米-小麥配比為0.5∶0.5時，只有在Φ2.0和Φ2.5篩孔下粉碎有節能效果，可能是由于Φ1.5篩孔降低了物料粉碎時的過篩性能，增加了物料在粉碎室內的過度粉碎從而增加了能耗；但玉米-小麥配比為0.25∶0.75時，3種孔徑篩片均無節能效果。可見，組合粉碎的節能效果與粉碎機篩片孔徑、玉米-小麥配比及兩者的交互作用有關，與上文對粉碎能耗的分析結果一致。王德福等[11]研究指出，粉碎機內主要的粉碎形式包括打擊、撞擊和搓擦。本試驗中組合粉碎的節能效果，可能與不同的原料及配比的組合增加了物料在粉碎機內受打擊的概率并改變了物料碰撞形式有關，針對粉碎碰撞的能耗理論還需進一步深入研究。

4 結論

①玉米-小麥組合粉碎能耗受粉碎機篩片孔徑、玉米-小麥配比及兩者的交互作用共同影響，且在同一孔徑篩片下，玉米-小麥配比對組合粉碎能耗有顯著影響(P＜0.05)，隨著玉米添加量的減少、小麥添加量的增多，組合粉碎能耗增大。

②玉米-小麥組合粉碎樣品的平均粒徑主要由篩片孔徑的大小決定，粉碎原料的種類及配比對其影響較小，但隨著玉米-小麥配比中小麥含量的增加，平均粒徑的幾何標準差有增大趨勢。

③相較于單一品種原料粉碎，玉米和小麥在特定篩孔及配比下的組合粉碎表現出節能效果，但節能效果及程度與粉碎機篩片孔徑、玉米-小麥配比及兩者的交互作用有關；當玉米-小麥配比為0.75∶0.25時節能效果最佳。

④本文僅對玉米-小麥2種原料5個配比的組合粉碎進行了研究，建議今后開展相關針對更多飼料原料種類及貼合實際配方配比的組合粉碎研究。