王紅英 陳計(jì)遠(yuǎn) 金 楠 常楚晨 王紅根

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083；2.江西省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，江西南昌330044）

我國畜牧養(yǎng)殖業(yè)中的飼料成本已經(jīng)占到養(yǎng)殖成本的70%，亟待通過技術(shù)手段降低飼料和飼養(yǎng)成本。而在飼料生產(chǎn)過程中，約有60%的飼料原料需要粉碎處理，同時(shí)粉碎能耗占全廠總動力能耗的30%以上，因此若能優(yōu)化粉碎工藝以提高粉碎效率，在同等能耗下將獲得十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。粉碎是飼料加工的重要工序之一，一方面為后續(xù)的配料、混合和制粒加工提供條件；另一方面，飼料的粉碎粒度對飼料消化利用率、動物生產(chǎn)性能和動物胃腸道健康均有顯著影響[1]。影響粉碎效率的因素主要有原料特性、粉碎細(xì)度和粉碎設(shè)備及工藝配置等。

飼料干物質(zhì)、氮和總能的消化率及動物的生產(chǎn)性能，受原料種類、原料粒度、原料粉碎均勻度、粒形特征等的影響[2]。因此隨著飼料工業(yè)中飼料原料資源的不斷擴(kuò)大，對原料粉碎技術(shù)的要求也越來越高，既要保證不同種類原料粉碎粒度、粉碎均勻度等粉碎產(chǎn)品質(zhì)量，又要控制粉碎能耗、提高粉碎效率。不同原料的粉碎特性差異較大，例如飼料原料尺寸、硬度和水分、粗纖維、脂肪等營養(yǎng)成分含量均會對其造成影響[3]。不同飼料原料的粉碎特性不盡相同，使用粉碎硬度指數(shù)等指標(biāo)以表征不同原料的粉碎特性，研究原料粉碎特性的差異性，可有針對性的調(diào)整粉碎工藝參數(shù)。

不同粉碎工藝技術(shù)配置（如粉碎機(jī)類型、一次和二次粉碎工藝）對飼料原料的粉碎粒度、粒形特征均有顯著影響，通過研究不同粉碎工藝和設(shè)備，可為提高粉碎效率提供新的思路和方法。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[4]?！跋确酆笈洹保磳⒉煌N類原料分別儲存在待粉碎倉，通過粉碎和輸送使粉碎后的物料進(jìn)入配料倉進(jìn)而配料混合，粉碎過程為單一品種原料粉碎；而“先配后粉”，則是將原有原料直接貯存在配料倉中，根據(jù)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。粉碎設(shè)備同樣具有多種形式，如鯊魚式粉碎機(jī)、錘片式粉碎機(jī)和對輥式粉碎機(jī)等[5]。目前的研究大多集中于不同粉碎工藝和設(shè)備對粉碎粒度的影響，較少研究能耗的差異[6-7]。而且利用飼料原料的硬度指數(shù)以表征粉碎能耗差異的研究同樣鮮見報(bào)道。

綜上所述，一方面，本論文在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用萬能粉碎機(jī)對玉米、小麥、大麥、高粱4 種飼料原料進(jìn)行粉碎處理，比較飼料原料粉碎特性的差異性，分析粉碎機(jī)篩片孔徑對粉碎粒度、均勻度及粒度分布規(guī)律的影響，并使用粉碎硬度指數(shù)表征原料的粉碎難易程度；另一方面，在實(shí)際生產(chǎn)條件下，比較研究現(xiàn)有粉碎工藝和設(shè)備對粉碎能耗、粉碎料損和粉碎產(chǎn)能的影響，提出粉碎工藝配置的優(yōu)化方案。本研究從飼料原料高效利用實(shí)際問題出發(fā)，以適度粉碎工藝為切入點(diǎn)，運(yùn)用工藝技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)降本增產(chǎn)提質(zhì)增效，以期為飼料粉碎工藝的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用玉米、小麥、大麥、高粱共4種主要飼料原料，水分含量均在11%～12%（濕基含水率）安全水分內(nèi)。

1.2 試驗(yàn)儀器

15B型萬能粉碎機(jī)（江陰市宏達(dá)粉體設(shè)備有限公司生產(chǎn)），配有Φ1.5、Φ2.0 mm 和Φ2.5 mm 孔徑篩片，配套動力：2.2 kW，生產(chǎn)能力：30～100 kg/h；Octa?gon200 型數(shù)顯篩分儀（英國Endecotts 公司制造）；ISO3310不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)篩（英國Endecotts公司制造）；XT三相四線電子式有功電能表（浙江欣拓新能源有限公司制造，精度：0.01 kWh）；AL204 分析天平（梅特勒-托利多儀器有限公司制造）；JYDX 硬度指數(shù)測定儀（上海，賽霸公司）；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海，精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 粉碎能耗測定

粉碎機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)功率的測定。分別在物料粉碎試驗(yàn)開始前及所有物料粉碎試驗(yàn)結(jié)束后，啟動粉碎機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)5 min，并記錄空載運(yùn)轉(zhuǎn)的電能消耗，將電能消耗與空載運(yùn)行時(shí)間的比值作為粉碎機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)的功率，即單位時(shí)間內(nèi)粉碎機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)所耗電能值。取前后兩次測量結(jié)果的平均值作為粉碎機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)功率p的最終值。

粉碎能耗的測定。將粉碎機(jī)喂料口開度調(diào)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(shù)，投入物料同時(shí)開啟計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，在粉碎機(jī)出料口收集粉碎樣品，待原料粉碎完畢按停計(jì)時(shí)器，記錄粉碎時(shí)間和粉碎后電能表示數(shù)，按下式（1）計(jì)算粉碎能耗[8]。

式中：W——組合粉碎能耗（kWh/t）；

EA——粉碎后電能表示數(shù)(kWh)；

EB——粉碎前電能表示數(shù)(kWh)；

p——粉碎機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)功率(kWh/min)；

T——粉碎時(shí)間(min)。

1.3.2 粉碎粒徑及均勻度測定

萬能粉碎機(jī)依次換裝Φ1.5、Φ2.0、Φ2.5 mm 孔徑篩片，分別對玉米、小麥、大麥、高粱4 種飼料原料進(jìn)行粉碎，共得到12 份粉碎樣品用以進(jìn)行粉碎粒徑及均勻度測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0 對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，采用Origin 9.1進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同飼料原料粉碎特性的差異性

2.1.1 篩孔直徑對平均粒徑及粉碎均勻性的影響

飼料的粉碎粒徑和均勻度通常用幾何平均粒徑和粒度幾何標(biāo)準(zhǔn)差表示。粉碎機(jī)的篩片孔徑、篩片厚度、開孔率等都是影響粉碎粒徑的因素，而篩片孔徑大小對粉碎粒徑的影響最大。有研究表明，大麥粉碎的幾何平均粒徑受篩片孔徑顯著影響，粉碎玉米的幾何平均粒徑隨著粉碎機(jī)篩片孔徑的增大線性增加，飼料原料粉碎的幾何平均粒徑隨篩片孔徑的增加而增加。本研究中，玉米、小麥、大麥、高粱4 種飼料原料的幾何平均粒徑均隨篩片孔徑的增大而增加，與現(xiàn)有研究結(jié)論一致[9-10]。4 種飼料原料在3 種篩孔直徑下的平均粒徑變化規(guī)律如圖1 所示，4 種原料均呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，即粉碎樣品平均粒徑隨篩孔直徑的增加而增加。當(dāng)篩孔直徑由1.5 mm 增加到2.5 mm時(shí)，玉米的粉碎平均粒徑由400.10 μm 增加到520.00 μm，小麥的粉碎平均粒徑由382.36 μm增加到441.02 μm，高粱的粉碎平均粒徑由373.36 μm 增加到430.00 μm，大麥的粉碎平均粒徑由448.23 μm增加到523.98 μm。由表2可見，4種飼料原料的粉碎樣品平均粒徑均受粉碎機(jī)篩孔直徑顯著影響(P＜0.05)，4 種飼料原料在3 種不同篩孔下的粒徑均呈現(xiàn)顯著差異(P＜0.05)。

圖1 4種飼料原料粉碎平均粒徑隨篩孔直徑的變化

表2 原料種類及篩孔直徑對粉碎粒度的方差分析

同一篩孔直徑下，不同飼料的粉碎粒度存在顯著差異(P＜0.05)。Φ1.5、Φ2.0、Φ2.5 mm 篩孔下，粒徑由大到小依次為大麥、玉米、小麥和高粱，這種差異主要是由能量飼料的粉碎特性和過篩特性不同造成的。

粉碎樣品平均粒徑的幾何標(biāo)準(zhǔn)差可以充分反映能量飼料粉碎均勻度。所謂幾何標(biāo)準(zhǔn)差，就是粉碎樣品中不同粒徑粒子的離散程度，幾何標(biāo)準(zhǔn)差越小，粉碎樣品各篩層上的粒子粒徑越集中于幾何平均粒徑，均勻度越好。粉碎樣品粒度的幾何標(biāo)準(zhǔn)差變化規(guī)律見圖2，當(dāng)篩孔直徑由1.5 mm 增加至2.5 mm 時(shí)，玉米粉碎平均粒徑的幾何標(biāo)準(zhǔn)差由1.91 增加到1.99，小麥粉碎幾何標(biāo)準(zhǔn)差由2.06 增加到2.15，高粱粉碎幾何標(biāo)準(zhǔn)差由1.81 增加到1.98，大麥粉碎幾何標(biāo)準(zhǔn)差由1.95 增加到2.13。由表3 可見，篩孔直徑對玉米、大麥、高粱、小麥的幾何標(biāo)準(zhǔn)差有顯著影響(P＜0.05)，隨著篩片孔徑的增大，幾何標(biāo)準(zhǔn)差有增大趨勢，也就是說，篩片孔徑越大，飼料樣品的粉碎均勻度越差。同一篩片孔徑下，不同飼料原料的幾何標(biāo)準(zhǔn)差顯著不同(P＜0.05)，玉米和高粱粉碎平均粒徑的幾何標(biāo)準(zhǔn)差小于其他2 種飼料，即粉碎均勻度要優(yōu)于其他2 種飼料，這可能與飼料中的粗纖維含量有關(guān)，玉米和高粱的粗纖維含量較其他飼料更低，粗纖維含量越低，粉碎均勻度越好。

飼料的粉碎加工中，以獲得使動物對飼料具有最大利用率且不影響動物健康、經(jīng)濟(jì)上又合算的最佳粉碎粒度為目標(biāo)[11]。研究表明，篩片孔徑對粉碎能耗和生產(chǎn)效率有顯著影響，當(dāng)錘片粉碎機(jī)篩孔由Φ3.2 mm增加到Φ6.4 mm，粉碎玉米的能耗降低13.6%、生產(chǎn)效率提高11.1%，當(dāng)篩片孔徑由Φ2.5 mm增加到Φ3.2 mm，粉碎小麥的能耗降低24.9%、生產(chǎn)效率提高34.2%[4]。因此，在粉碎不同飼料時(shí)，應(yīng)更換不同孔徑的粉碎機(jī)篩片，以達(dá)到飼料的最佳粉碎粒度，并降低粉碎能耗、提高生產(chǎn)效率。在粉碎加工中通常對飼料的平均粒徑關(guān)注較多，而對飼料粉碎均勻度關(guān)注較少。適當(dāng)降低飼料的平均粒徑有利于提高飼料利用率和動物的生產(chǎn)性能，提高飼料粉碎均勻度同樣可以對飼料的養(yǎng)分消化率起到微妙的變化。研究發(fā)現(xiàn)，隨著飼料粉碎均勻度的提高，飼料干物質(zhì)消化率提高、糞便中干物質(zhì)排泄量減少[4]。飼料粉碎均勻度與粉碎機(jī)類型和粉碎機(jī)篩片孔徑有關(guān)。

圖2 4種飼料原料粉碎幾何標(biāo)準(zhǔn)差隨篩孔直徑的變化

表3 原料種類及篩孔直徑對粉碎均勻度的方差分析

2.1.2 原料種類對粉碎能耗的影響

試驗(yàn)中分別使用篩孔直徑為Φ1.5、Φ2.0、Φ2.5 mm的篩片對4 種原料進(jìn)行粉碎，其粉碎能耗結(jié)果如圖3 所示。隨著篩片孔徑增大，粉碎能耗明顯降低，當(dāng)篩孔直徑由1.5 mm 增加至2.5 mm 時(shí)，玉米的粉碎能耗由18.83 kWh/t 減小至11.58 kWh/t，小麥的粉碎能耗由25.11 kWh/t 減小至23.20 kWh/t，高粱的粉碎能耗由9.42 kWh/t 減小至8.50 kWh/t，大麥的粉碎能耗由24.01 kWh/t 減小至18.83 kWh/t。由表4 可見，在同一孔徑篩片下，原料種類對粉碎能耗有顯著影響(P＜0.05)，在Φ1.5、Φ2.0、Φ2.5 mm 3 種篩孔直徑下，粉碎能耗由小到大依次是高粱、玉米、大麥和小麥。

粉碎樣品粒徑與粉碎能耗的關(guān)系主要表現(xiàn)在兩方面。一方面，對于同一種飼料原料的粉碎過程，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（飼料粉碎前平均粒徑與粉碎后平均粒徑的比值）越大，粉碎時(shí)需要的破裂能越多，由此增加粉碎機(jī)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，這是由于原料的抗破碎性的差異導(dǎo)致的，可以認(rèn)為4種飼料原料在本試驗(yàn)條件下，小麥最難粉碎而高粱最易被粉碎。

圖3 4種飼料原料粉碎能耗隨篩孔直徑的變化

表4 原料種類及篩孔直徑對粉碎能耗的方差分析

2.1.3 原料種類對硬度指數(shù)的影響

飼料原料的硬度指數(shù)可以作為其“軟”和“硬”分類指標(biāo)，這與粉碎工藝中對飼料原料“易粉碎”和“難粉碎”的定性相近，而這又與粉碎能耗有著密切的關(guān)系[12-13]。飼料原料硬度指數(shù)是指在規(guī)定條件下粉碎樣品，留存在篩網(wǎng)上的樣品質(zhì)量占測試樣品質(zhì)量的百分比，硬度指數(shù)越大，表明原料硬度越高，不易粉碎，粉碎能耗越高，反之硬度指數(shù)越小，則硬度越低，易粉碎，粉碎能耗越低。

4 種飼料原料硬度指數(shù)差異如圖4 所示，小麥硬度指數(shù)最高，為69.27，高粱硬度最低，為47.27，玉米硬度指數(shù)為55.17，大麥硬度指數(shù)為60.17。同時(shí)，對3種篩孔直徑下的粉碎能耗與硬度指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析可得表5，粉碎能耗與硬度指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。這說明物料的硬度指數(shù)值越大，越難被粉碎，需要的粉碎能耗越高。其中，小麥更難被粉碎，因此需要的粉碎能耗也越高，而高粱更易被粉碎，一次需要的粉碎能耗越低，這與前述結(jié)論一致。

圖4 4種飼料原料的硬度指數(shù)

表5 3種篩孔直徑下的粉碎能耗與硬度指數(shù)的相關(guān)性分析

2.2 粉碎工藝配置分析及工藝評價(jià)

2.2.1 粉碎工藝對能耗及料損的影響

2 種粉碎工藝的產(chǎn)能及能耗數(shù)值見表6。錘片微粉碎機(jī)的產(chǎn)能為11.00～11.10 t/h，而其額定產(chǎn)能為14～18 t/h（配備1.5 mm 篩片，玉米含水率≤13%），這是因?yàn)樵谡麄€(gè)粉碎過程的前期，為了保證粉碎機(jī)的正常工作，將喂入量調(diào)整到較小值，這造成了粉碎機(jī)實(shí)際產(chǎn)能低于額定產(chǎn)能。對輥+錘片二次粉碎工藝的產(chǎn)能明顯高于錘片式粉碎機(jī)，為14.98～15.10 t/h。而對輥+錘片二次粉碎工藝的能耗為2.53～2.55 kWh/t，顯著低于錘片式粉碎機(jī)。根據(jù)粉碎過程的表面積假說，即物料粉碎過程是顆?？偙砻娣e增加的過程?，F(xiàn)有研究指出對輥+錘片二次粉碎得到的平均粒徑為2 496 μm(用于蛋雞料)，錘片微粉碎機(jī)獲得的平均粒徑為440 μm，則假如采用兩種工藝將物料均粉碎至440 μm 平均粒徑時(shí)，采用對輥+錘片二次粉碎工藝的能耗可降低約47%。

飼料廠廣義的損耗是指在進(jìn)、出廠過程中的損失，包括變質(zhì)損壞。對于原料則具體指倉儲損耗和生產(chǎn)環(huán)節(jié)料損兩類[14]。生產(chǎn)環(huán)節(jié)的料損具體分為投料殘余、除塵設(shè)備、工藝和成品計(jì)量，而工藝中的料損主要?dú)w結(jié)于粉碎導(dǎo)致的水分損失，故本研究中料損同樣定義為粉碎前后物料含水率的損失。2 種粉碎工藝的料損值見表7。對2 種粉碎工藝進(jìn)行多個(gè)工作日的監(jiān)測，可以得出，對輥+錘片二次粉碎工藝料損變化范圍為0.77%～1.65%，而錘片微粉碎機(jī)料損最小值為3.02%，最大值甚至高達(dá)5.88%，即對輥+錘片二次粉碎工藝相較于錘片微粉碎機(jī)具有更少的料損。

表6 2種粉碎工藝的產(chǎn)能及能耗統(tǒng)計(jì)

表7 2種粉碎工藝料損統(tǒng)計(jì)(%)

飼料原料的粉碎過程即是原料顆粒由大變小，顆?？偙砻娣e增大的過程[15]。王永昌等[14]指出，針對于錘片式粉碎機(jī)，物料在粉碎過程中由高速旋轉(zhuǎn)的錘片與物料之間的撞擊和摩擦產(chǎn)生熱量，使粉碎室內(nèi)的溫度高于大氣溫度，一般在45～50 ℃，同時(shí)大多采用吸風(fēng)或氣力輸送以提高粉碎效率，以上因素均會增加水分的散失。如表8所示，曹康等[4]從能耗、料損等多個(gè)方面對比分析了對輥式粉碎機(jī)與錘片式粉碎機(jī)的差異，由于擠壓、剪切作用的原因，對輥式粉碎機(jī)的溫度較低，易獲得較低的料損。

表8 2種粉碎機(jī)工藝性能比較

2.2.2 粉碎工藝配置優(yōu)化方案的提出

本研究針對蛋雞料的粉碎工藝，綜合考慮粉碎產(chǎn)品質(zhì)量與粉碎能耗兩個(gè)方面，提出粉碎工藝的配置優(yōu)化方案。例如，按某飼料廠每月生產(chǎn)1萬噸成品料計(jì)算（需粉碎的原料按65%計(jì)算），對輥+錘片二次粉碎工藝相較于錘片微粉碎機(jī)能耗減少約4.5 kWh/t，則1 萬噸成品料可減少電耗：10 000 t×65%×4.5 kWh/t=29 250 kWh，電價(jià)按照0.74 元/kWh，可以減少成本2.2 萬元。即每1 萬噸成品料可節(jié)省2.2 萬元。同時(shí)，對輥+錘片式粉碎既可以獲得較好的粉碎均勻性，又具有適度的玉米粉碎平均粒徑。故粉碎設(shè)備配置采用對輥式粉碎機(jī)+錘片式粉碎最為合適，見圖5。

圖5 對輥式+錘片式二次粉碎工藝流程

3 結(jié)論

①玉米、小麥、大麥、高粱4種主要飼料原料的粉碎樣品平均粒徑均受粉碎機(jī)篩孔直徑顯著影響(P＜0.05)，隨著粉碎機(jī)篩孔直徑的增大，粉碎樣品的平均粒徑增大。粉碎機(jī)篩孔直徑對4 種主要飼料原料的粉碎均勻度有顯著影響(P＜0.05)，粉碎均勻度隨篩片孔徑的增大而變差，玉米和高粱的粉碎均勻度要優(yōu)于其他2 種飼料原料。粉碎機(jī)篩孔直徑和原料種類對粉碎能耗均有顯著影響(P＜0.05)，粉碎能耗由小到大依次是高粱、玉米、大麥和小麥。

②對于本試驗(yàn)中的4種飼料原料，高粱的硬度指數(shù)最小，更易被粉碎，粉碎能耗最低；小麥的硬度指數(shù)最大，不易被粉碎，粉碎能耗最高。粉碎能耗與硬度指數(shù)具有顯著相關(guān)性。故根據(jù)不同飼料原料粉碎難易程度即硬度指數(shù)差異，有針對性的配置粉碎機(jī)篩片孔徑等加工參數(shù)，有利于提高飼料的粉碎效率，降低粉碎能耗。

③本文分別采用二次粉碎工藝：對輥+錘片粉碎以及一次粉碎工藝：錘片微粉碎機(jī)對玉米原料進(jìn)行粉碎，結(jié)果表明采用對輥+錘片二次粉碎工藝可以獲得更大的產(chǎn)能，同時(shí)能耗及料損較低。以適度粉碎及節(jié)能降耗為切入點(diǎn)，提出了粉碎工藝配置的優(yōu)化方案，即采用對輥式粉碎機(jī)+錘片式粉碎最為合適。