高 凱，黃有竹，李字輝，段愛國

（1.新疆至臻化工工程研究中心有限公司，新疆 石河子 832000；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師16團(tuán)農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心；3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站）

0 引言

隨著我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，犢牛的高質(zhì)量飼養(yǎng)成為市場關(guān)注的重點(diǎn)問題之一。犢牛主要通過飼喂常乳來獲得其生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)以及能量[1]，由于犢牛胃腸道發(fā)育不完全，因此對常乳的加工質(zhì)量以及供給量等均具有較高的要求，若飼喂過程中常乳加工質(zhì)量差，將對處于生長發(fā)育期的犢牛造成不可逆的傷害，如生長緩慢、增重慢、患呼吸系統(tǒng)疾病和腹瀉疾病等問題，不僅會導(dǎo)致犢牛外界適應(yīng)能力與自身抵抗力差、患病死亡率高，還將嚴(yán)重影響其成年后產(chǎn)奶性能[2]。

正常鮮奶與抗奶均含有一定的有害菌，直接飼喂將會給犢牛生長發(fā)育以及健康帶來極大風(fēng)險，而對常乳進(jìn)行滅菌處理可以有效殺滅正常鮮奶以及抗奶中的免疫缺陷病毒等有害菌[3-7]。滅菌處理后作為犢牛飼喂用常乳可有效保證犢牛飼喂物料質(zhì)量，提高犢牛對牛奶的吸收效率以及犢牛免疫機(jī)能[8-9]，促進(jìn)生長發(fā)育[10]，降低腹瀉等疾病發(fā)病率[11-16]，有利于犢牛的健康生長。而目前牛場飼喂過程中常乳加工存在受熱不均勻、加熱溫度變化不穩(wěn)定、常乳加工質(zhì)量差等問題。

因此，國內(nèi)外學(xué)者針對犢牛飼喂加工技術(shù)裝備開展了相關(guān)的研究。張喜海[17]研究了由高電壓脈沖發(fā)生器、示波器和液體食品泵等組成的高電壓脈沖電場殺菌裝置；陸建輝[18]等研究了由微波發(fā)生器和水循環(huán)系統(tǒng)等組成的濕式微波殺菌裝置；高曉臣[19]等設(shè)計了由磁控管控制微波功率的微波殺菌機(jī)，實(shí)現(xiàn)了牛奶的連續(xù)式微波殺菌；黎金琴[20]設(shè)計了一種采用夾層設(shè)計的牛奶紫外線滅菌設(shè)備。以上裝備的研究都將為本裝置的設(shè)計提供理論依據(jù)與設(shè)計參考。

為提高常乳加工作業(yè)質(zhì)量，本文結(jié)合相關(guān)學(xué)者的研究，對常乳加工攪拌裝置進(jìn)行了設(shè)計、試制與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了常乳的均勻、穩(wěn)定加工。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

常乳加工攪拌裝置主要由攪拌桶和攪拌部件等組成，其中根據(jù)攪拌桶要具有易清洗、衛(wèi)生及無異味等要求，攪拌桶的加工材料選擇厚度為2 mm的食品級SUS304不銹鋼板材。根據(jù)該飼喂機(jī)一次裝載量可飼喂40頭犢牛，犢牛體重約35 kg，其所需常乳量約3.5 kg計算，同時考慮到常乳加工過程中常乳不能在攪拌器的攪拌作用下溢出攪拌桶，確定該飼喂機(jī)的攪拌桶體積約為150 L。攪拌部件主要由攪拌葉片、攪拌電機(jī)、減速器以及攪拌軸等組成，結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 攪拌裝置示意

2 攪拌裝置安裝位置的確定

攪拌裝置帶動加工儲料內(nèi)桶中原料奶運(yùn)動，不同安裝位置將產(chǎn)生不同的攪拌效果，依據(jù)不同技術(shù)要求，通常采用頂部中心、頂部偏心、底部以及旁入式安裝位置。其中頂部中心安裝方式是將攪拌器安裝在攪拌桶的中心軸線上，由皮帶或者齒輪傳輸動力驅(qū)動轉(zhuǎn)動；頂部偏心安裝方式是攪拌器安裝在攪拌槽中的偏軸心位置，雖然能夠加強(qiáng)被攪拌液體層之間的相對運(yùn)動，但該安裝方式在設(shè)備運(yùn)行時易引起振動；底部安裝方式是將攪拌器直接安裝在攪拌容器的底部，攪拌器的安裝對夾套、密封件等要求較高；旁入式安裝方式由電機(jī)驅(qū)動安裝在攪拌槽側(cè)壁上的攪拌器進(jìn)行工作，具有攪拌器軸封較困難的缺點(diǎn)。

結(jié)合所設(shè)計的常乳加工水浴循環(huán)裝置采用的熱傳遞原理的加熱方式，加熱裝置位置在攪拌桶的下方，避免牛奶在加熱過程中發(fā)生局部受熱現(xiàn)象，針對以上幾種攪拌器的安裝位置方式特點(diǎn)，最終確定攪拌器的安裝位置為頂部中心安裝。攪拌裝置由三相異步電動機(jī)驅(qū)動，攪拌電機(jī)參數(shù)為功率370 W，額定轉(zhuǎn)速1 400 r/min。

3 攪拌葉片形狀的確定

攪拌葉片主要分為徑流型和軸流型，其中徑流型攪拌葉片利用離心力的作用實(shí)現(xiàn)桶內(nèi)物料的循環(huán)流動，能夠產(chǎn)生多個循環(huán)區(qū)域，攪拌速度較快，但功率消耗大、易出現(xiàn)流動死角；軸流型攪拌葉片能夠在桶內(nèi)形成以上下循環(huán)為主的流場，單位功率產(chǎn)生的流量較大，剪切速度小。

針對所加工常乳的物料特性以及加工要求，軸流型更易于實(shí)現(xiàn)常乳加工過程中的上下循環(huán)攪拌效果。因此，確定攪拌裝置葉片類型為軸流型。葉片形狀選擇為常見的矩形滿面式，為確定葉片數(shù)量，利用Fluent軟件對其攪拌速度流場進(jìn)行分析，加工儲料內(nèi)桶及攪拌葉片的三維物理模型的數(shù)值模擬分析釆用三維雷諾平均納維—斯托克斯方程和標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型相結(jié)合方式進(jìn)行。Gambit前處理中選擇多重參考系法對攪拌區(qū)域進(jìn)行計算，采用多重參考系Multiple reference system（MRF）方法完成計算域的劃分和定義等，選擇旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系將攪拌葉片及附近流體區(qū)域定義為動區(qū)域，采用靜止坐標(biāo)系將其他區(qū)域定義為靜區(qū)域，兩個面的邊界類型定義為interface，采用四面體形式劃分網(wǎng)格，攪拌葉片與加工儲料內(nèi)桶壁面的邊界類型均設(shè)定為壁面邊界（Wall），F(xiàn)luent求解計算中選擇三維單精度求解器（Fluent3D）進(jìn)行求解計算，設(shè)置重力加速度為-9.8 m/s2，動區(qū)域Motion Type選擇Moving Reference Frame，Rotational velocity設(shè)置為3.5 rad/s，迭代計算次數(shù)2 000次。設(shè)置轉(zhuǎn)速、高度等參數(shù)均一致，對不同數(shù)量攪拌葉片的流場進(jìn)行提取，獲取兩葉片和三葉片攪拌裝置的橫切面速度云圖進(jìn)行分析，如圖3。

圖2 不同數(shù)量攪拌葉片橫切面速度云圖

由橫切面速度云圖可知，常乳在攪拌葉片的旋轉(zhuǎn)帶動下在攪拌桶內(nèi)均勻流動，在攪拌裝置周圍、攪拌桶內(nèi)壁及中心速度較小。相比于兩葉片，三葉片在桶壁位置攪拌速度較小，所產(chǎn)生的攪拌區(qū)域物料流動速度均較大。針對外桶水浴加熱方式，保證攪拌軸中心位置攪拌強(qiáng)度比桶壁位置更易于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定均勻的加熱過程。因此，葉片數(shù)量確定為3片。

充分考慮常乳加工過程，攪拌葉片參數(shù)設(shè)計為：旋轉(zhuǎn)半徑R為126 mm、葉片厚度δ為2 mm，葉片高度h為50 mm。為實(shí)現(xiàn)攪拌葉片的快速安裝以及調(diào)整，設(shè)計的攪拌葉片采用螺紋連接至攪拌軸，并通過調(diào)整攪拌葉片芯軸長度H進(jìn)行攪拌位置的調(diào)整，如圖3。

圖3 攪拌軸與葉片結(jié)構(gòu)

4 攪拌葉片受力分析

攪拌過程中，葉片勻速轉(zhuǎn)動并帶動葉片間的常乳進(jìn)行轉(zhuǎn)動，葉片旋轉(zhuǎn)半徑為r1，葉片數(shù)量為3，選擇矩形滿面式葉片進(jìn)行受力分析，則其主要受到葉片正面與常乳的作用力和葉片側(cè)面與常乳的摩擦力。

假設(shè)葉片間常乳為一個整體，不考慮葉片間常乳與常乳間的相對滑動，并將常乳視為由若干常乳微元組成，由于攪拌葉片為勻速運(yùn)動，則在角度為θ、半徑為r1處的常乳微元主要受到葉片正面與微元的作用力、上下常乳與微元間的摩擦力以及微元間的相互作用力，如圖4。

圖4 常乳微元受力分析圖

由圖可知，常乳微元所受到的作用力如式（1）。

式中N(θ)—微元與葉片正面的作用力，N；Ff(θ)—微元間的作用力，N；ΔFf(θ)—上下常乳與微元間的摩擦力，N。

常乳對微元的切應(yīng)力如式（2）。

式中τ—切應(yīng)力，N/m2；η—物料間的動力粘度，kg/m·s；—切邊速率，1/s。

常乳對微元的摩擦力如式（3）。

式中ΔS—常乳與微元間的接觸面積，m2。

將葉片間的常乳假設(shè)為一個整體，則常乳對葉片正面的作用力如式（4）。

當(dāng)Δθ→0時有：

故Nr可簡化為：

因此常乳與葉片正面的作用力Nr為：

當(dāng)Δr1→0時上式可簡化為：

攪拌葉片轉(zhuǎn)動過程中葉片側(cè)面與常乳的摩擦力Ft為：

綜上，攪拌葉片彎矩圖如圖5。

圖5 攪拌葉片彎矩圖

對旋轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)進(jìn)行靜力學(xué)分析，則該點(diǎn)力平衡方程如式如下。

則葉片在X、Y軸所受的剪力FXO、FYO和彎矩MO如下

結(jié)合本文所設(shè)計葉片主要結(jié)構(gòu)參數(shù)以及公式（11），抗彎截面系數(shù)取4×10-9m3,則葉片的剪力FYO和彎矩MO分別為0.0054 N和0.00024 N·m，攪拌軸與葉片連接處的剪切應(yīng)力τ軸=55.4 Pa，彎曲應(yīng)力σ=0.056 MPa。

因此，選擇葉片材料為食品級SUS304不銹鋼板材，通過計算可知τ軸≤[τ]=416 MPa，σ≤[σ]=205 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

5 裝置性能試驗(yàn)

對常乳加工攪拌裝置進(jìn)行了性能試驗(yàn)，如圖6。針對飼喂需求，在前期預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)置裝置轉(zhuǎn)速29r/min、高度40 mm、三葉片矩形滿面式葉片，最大加熱溫度75℃、保持時間15 s、冷卻溫度38℃，利用加工過程測試平臺實(shí)時檢測不同位置的溫度。試驗(yàn)結(jié)果表明，常乳加工總時間75.32 min，且桶內(nèi)不同位置溫度差值為1.05℃，溫度變化穩(wěn)定性好，裝置性能穩(wěn)定，能夠滿足常乳加工需求。

圖6 試驗(yàn)裝置