水产硬颗粒饲料切割技术探讨

■张卫东 赵德福 张远方 张 玲

（河南省水产科学研究院水产动物营养所，河南郑州450044）

水产（鱼、虾）硬颗粒饲料在水产养殖中有着广泛的应用。此类饲料对颗粒的制粒和品质要求非常高，其中颗粒品质的一个重要指标就是外观质量。水产硬颗粒饲料外观质量包含了多个方面，其中又以长短一致性、切口平整度、色泽一致性为重点。本文就颗粒切割长短一致性和切口平整度两方面加以探讨。

1 饲料颗粒的切割机理

压辊在挤压区攫取物料后将颗粒从环模孔中挤出，颗粒只在压辊与环模相切位置被挤出，此后长度不变。随环模旋转的颗粒与制粒切刀相对运动时颗粒被切断或被碰触断裂，完成饲料颗粒的切割，见图1。

2 影响颗粒长短一致性和切口平整度的因素及对策探讨

在影响颗粒长短一致性和切口平整度的众多因素中，颗粒的切割是不容忽视的环节，它主要涉及到以下几个方面：切刀与环模外圆面的距离，切刀的向下调整，切刀产生锯齿状磨损后的更换，切刀的厚度和材料以及硬度，模孔排列方向对切刀面的影响，切割角度。要实现高质量的颗粒切割，理论上应保持刀片足够锋利、足够薄、切割面应平整呈直线磨损、切割面与环模直接接触。

图1 饲料颗粒的切割

实际生产中，有不少工作者就各个方面进行了摸索、研究和改进并取得了良好的效果，使水产硬颗粒的切割品质有了很大提高：如改变环模孔的排列方向减少切刀典型的锯齿状磨损；采用厚度为0.5～0.8 mm的切割刀片；切割刀片选用预硬的工具钢或弹簧钢材料提高耐磨性；在切割面加工出锋利刃口；定期检查并向下调整刀片与环模外圆的距离；定期更换切割刀片；采用复杂特制刀片或圆弧倾斜刀片等。

从行业整体来看，水产饲料硬颗粒的切割仍然存在有待改进的空间。在大多数的生产中并不能保持每把切割刀都与环模外圆接触，因为每个压辊的工况并不相同：如模辊间隙不同、物料供给量不同、物料分布不同都导致不同压辊挤出的颗粒长度不同。此时若把切刀均与环模接触反而不能获得工艺所要求的颗粒长度和长短一致性，往往需要把某把切刀离开环模表面进行切割，这就增加了颗粒切割的复杂性。

在模孔排列方面把常规三角形排列调整为旋转90度直排列后，由于切刀任意工作面都会与饲料颗粒接触，切刀面磨损更为均匀，大大降低了锯齿状磨损的程度（见图2），但同时也带来了缺陷：一是锋利的切刀在模具外圆切割出波纹棱带，让切刀不能与环模表面贴平，严重影响切割颗粒的品质；二是模孔在轴向距离缩小后，环模轴向强度不足，易开裂，或发生玉米状脱落现象，因此常规三角形排孔并不能在水产颗粒生产中被完全否定。在切割刀片的维护方面，通常每生产3 h后需要人工检查刀片磨损状况以及更换或打磨刀片，更换时需要停机拆装刀片，这样既影响生产效率，同时又增加了颗粒切割质量的不可控性。

图2 模孔排列对切刀磨损状态的影响

针对颗粒切割的不足，国内某公司开发了一种制粒机动态横割切刀，在很大程度上改善了水产颗粒切割中存在的不足。动态横割切刀的设计思路是让切刀片沿着环模轴向周期反复移动以实现整个切割面的磨损一致性，其间歇运动机构由微型电机驱动凸轮实现切刀片直线横割（见图3）。切刀片增加了横割运动后，即使在常规三角形排列的环模上也有效解决了部分切刀面无颗粒通过导致严重锯齿状磨损现象，切刀面磨损平整；在直排列的环模上进一步降低了切割面的波浪状。切刀横移运动与颗粒随环模的旋转运动同时动作复合为斜向的主动切割运动，这也提高了饲料颗粒切口的平整度。由于切刀的切割面磨损更趋向于直线，因此切割刀片的更换周期由3 h延长到10～12 h，减少了停机带来的效率损失，这对目前的饲料生产有着积极的意义。

图3 横向反复移动的切割

3 智能切刀的构想及工作机理

笔者在动态横割切刀的基础上进一步改进提出了创造性的智能切刀，即在切刀上下移动方向增加伺服电动执行结构，见图4，实现切刀的快速上下和精密定位运动。机械机构上采用伺服电缸，伺服电缸工作原理是通过丝杆传动将电机的旋转运动转化为轴的直线位移，通过对伺服电机的控制即可达到在直线方向的任意位置可编程精准定位以及可编程力矩控制，因此在很多行业中形成替代气缸的趋势。

图4 伺服智能切刀模型

饲料工厂目前的现状是切刀上下调节往往是敲打轴头调节，费时费力且位置精度低。采用伺服电缸后，电缸轴与切刀轴集成，刀片安装在电缸轴末端，电缸轴在伸出位置可以做到良好的密封（现有切刀机构密封效果差导致使用不灵活，操作者不得不敲打）。

在控制模式上，智能切刀采用两种控制状态：位置和力矩比较。当系统检测到颗粒机环模停止转动后，所有切刀自动返回机械零点（高位）。当系统检测到颗粒机环模旋转且颗粒机门已关闭时切刀自动贴近环模表面规定的位置（稍高于表面），这可以通过在系统中输入环模厚度和刀伸长度来实现，此时根据颗粒实际长度和目标长度在系统上输入微调数据进行微调，直到精准控制颗粒长度。若调整有误，如数据输错导致切刀将扎进环模时系统报警且不执行。若需要某把切刀贴平环模表面时，可在微调切刀时选择这把刀进行力矩比较，比较值可在手动状态或经验获得，一旦调整到切刀微步前进时系统检测到伺服电机力矩平均数据达到比较值时，切刀不再前进，此时切刀已经紧贴环模表面。

可以看出伺服智能切刀具备停机自动回零，开机自动到达，可微调控制、故障识别等自动化功能，大大提高了颗粒机切刀的自动化控制程度，同时减少人工操作、避免了野蛮操作、提高了水产颗粒切割的可控性。此机构与颗粒机接口非常简单因此机型适应范围广，方便旧设备的智能化改造。同时应看到尽管伺服控制定位技术在各个行业已经相当成熟，但结合到工况和环境恶劣的饲料颗粒机上原本简单的机械机构和控制更为复杂，其稳定性、可操作性、成本接受程度有待在实际生产中得到检验和不断改进。可以预见这是饲料工厂设备自动化发展的方向，是不可逆转的潮流。