基于辊式粉碎机的玉米粒度均匀性研究及模型构建*

黄 伟，陶琳丽，杨秀娟，王 静，佟荟全，李美荃，张 曦

(1.昆明学院 农学与生命科学学院，云南 昆明 650214；2.云南农业大学 动物科学技术学院，云南 昆明 650201)

粉碎是饲料生产过程的关键性工段，不仅需粉碎的物料占比大、粉碎工序耗电量高，而且粉碎质量也是影响成品饲料质量的重要因素。目前，中国饲料工业广泛使用锤片式粉碎机，其具有粉碎效率高和产量高等优点，但也存在能耗高、粉碎粒度不均匀和噪音大等问题[1]。而辊式粉碎机具有粉碎产品温升小、功耗小、噪音低、粉尘少和粒度均匀等特点[2]。辊式粉碎机由机架、喂入辊、1 对直径相同的圆柱形磨辊、清洁刷及其调节机构和传动机构等组成，其磨辊一般为一上一下，上辊为快辊，下辊为慢辊[3]。辊间隙和线速度是影响辊式粉碎机工作效果的主要因素。辊间隙影响粉碎产品的粒度，辊间隙小，对物料的挤压作用大，粉碎后的物料粒度小；辊间隙大，对物料的挤压作用小，粉碎后的物料粒度大[4-5]。磨辊线速度即磨辊的圆周速度，通常指快辊线速度，主要影响粉碎区内物料的运动速度和粉碎效率，研究表明提高磨辊线速度可提高辊式粉碎机的生产能力[6]。在实际生产中，辊式粉碎机的生产能力并不是随着磨辊线速度的增加而线性提高，且磨辊线速度的提高对辊式粉碎机的性能要求也较高，故不能一味地通过提高磨辊线速度来提高生产量。

本研究针对云南本地玉米的籽粒理化特性与其粉碎工艺特性，探讨辊式粉碎机的辊间隙与快辊线速度对其粉碎粒度分布及粒度均匀性的影响，使粉碎产品粒度相对集中分布在符合特定养殖对象消化生理特点的粒径范围，以期满足后续工段混合均匀度要求及制粒工段均匀熟化工艺要求，提高生产效率，降低能耗，提高饲料消化率。

1 材料与方法

1.1 试验材料

云南玉米，产地为云南省弥勒市，由昆明西尔南饲料有限公司提供。

1.2 试验设计

采用3×3 双因素试验设计，分别研究辊式粉碎机辊间隙和快辊表面线速度对玉米饲料原料粉碎粒度的影响。辊间隙设3个水平，分别为0.5、1.0 和1.5 mm；快辊表面线速度设3个水平，分别为4、6 和8 m/s；试验共9 组处理。

1.3 观测指标及测定方法

玉米取样2 kg，参照《饲料分析及饲料质量检测技术》[7]的方法测定其含水量、硬度、容重、粗蛋白和总能。

玉米经辊式粉碎机(快辊与慢辊速比为 2.5∶1，齿数为12 齿/英寸) 1 次粉碎，每个处理采样 1 kg，混合均匀后按照四分法取样，采用BT-2900 动态图像颗粒分析系统(丹东百特仪器有限公司)测定样品粒度，每个样品重复测定3 次；按照十五层筛法[8]划分样品粒度分布区间为：1～53、＞53～75、＞75～106、＞106～150、＞150～212、＞212～300、＞300～425、＞425～600、＞600～850、＞850～1 180、＞1 180～1 700、＞1 700～2 360、＞2 360～3 350、＞3 350～4 750和＞4 750 μm；以15个区间中分布最大值所在的3个区间为粒度分布的目标区间。根据样品在各区间的分布情况计算样品在目标区间的占比；按照以下公式计算重量几何平均粒径(dgw)和重量几何标准差(Sgw)。其中，粒度大小以dgw表示，粒度分布状况以Sgw表示。dgw值越小，表示粉碎粒度越小；Sgw值越小，表示粉碎成品粒度越均匀[8]。

式中：di为第i层筛孔尺寸，μm；di+1为比i层筛大一号的筛孔尺寸，μm；为第i层筛上物的几何平均直径，μm；Wi为第i层筛上物比例；W为粉体试样质量，g。

1.4 玉米粉碎粒度预测模型的构建

玉米粉碎粒度模型的构建采用SAS 公司的JMP 软件，使用最小二乘法拟合线性回归方程，以简便地求得未知数据，并使这些数据与实际数据之间误差的平方和为最小。预测值与实际值的拟合置信曲线显示在杠杆图中，可直观地表明所关注的检验在5%水平下是否显著。若曲线之间95%的置信区间包含表示假设的水平线，则效应不显著；若曲线之间95%的置信区间跨越水平线，则效应显著。此外，杠杆图可直观地演示在模型中添加辊间隙或线速度后各点对检验的影响，即水平方向距离图中心较远的点与接近中心的点相比，对辊间隙或线速度检验的影响更大。

1.5 数据统计与分析

试验数据采用Excel 2010 软件整理，结果以“平均值±标准差”表示；采用SPSS 19.0 进行方差分析和显著性检验。单因素方差分析采用Duncan氏法进行处理间均值的多重比较，双因素试验采用 S-N-K (Student Newman Keuls) 法进行多重比较，以P＜0.05 作为差异显著性判断标准；各因素对总变异的影响程度用 Eta2值表示，Eta2值越大，说明各因素对指标的影响程度越大。

2 结果与分析

2.1 饲用玉米理化指标

试验饲用玉米理化指标为：水分含量11.13%，粗蛋白含量8.41%，总能16.49 MJ/kg，硬度256.87 N，容重772.68 g/L。

2.2 辊式粉碎机粉碎结果

当辊间隙为0.5 mm 时，粒度分布的最大值落在850～1 180 μm，目标区间为600～1 700 μm；当辊间隙为1.0 mm 时，粒度分布的最大值落在1 180～1 700 μm，目标区间为850～2 360 μm；当辊间隙为1.5 mm 时，粒度分布的最大值落在1 700～2 360 μm，目标区间为1 180～3 350 μm。

由表1 可知：dgw以处理7 最大、处理3 最小，且与其他处理差异显著(P＜0.05)；Sgw以处理3 最小；目标区间占比以处理5 最高；即：当辊间隙为1.5 mm、线速度为4 m/s 时，dgw值最大；当辊间隙为0.5 mm、线速度为8 m/s 时，dgw和Sgw值均最小；当辊间隙为1.0 mm、线速度为6 m/s 时，目标区间占比最高。由因子间结果分析可知：辊间隙水平显著影响辊式粉碎机粉碎玉米的dgw、Sgw和目标区间占比(P＜0.05)，随着辊间隙的增大，dgw和Sgw均增大，目标区间占比降低；线速度水平显著影响辊式粉碎机粉碎玉米的dgw(P＜0.05)，随着线速度增加，dgw减小；辊间隙和线速度的交互作用显著影响dgw(P＜0.05)。由Eta2值可知：辊间隙水平对dgw的影响程度最大。

表1 不同粉碎工艺条件对玉米dgw、Sgw 和目标区间占比的影响Tab.1 Effect of different grinding process conditions on the maize dgw,Sgw and target interval proportion

2.3 辊式粉碎机粉碎预测模型构建

由图1 可知：辊式粉碎机粉碎工艺参数对dgw预测值的均方根误差为56.514，决定系数为0.98；预测值的残差多数在±50 μm 以内。由图2 可知：杠杆图曲线置信区间跨越粉碎粒度均值的水平线，说明辊间隙与线速度2个因子对dgw影响显著(P＜0.05)。采用JMP 软件中的最小二乘法多元线性回归模型拟合得出辊式粉碎机工艺参数的计算粒度模型为：dgw=701.82X1-62.23X2+1 000.30 (X1为辊间隙，X2为线速度)。

图1 辊式粉碎机粉碎工艺参数对dgw 的预测Fig.1 The prediction of crushing process parameters of roller crusher for dgw

图2 辊式粉碎机粉碎工艺参数对dgw 影响的杠杆图Fig.2 The effect of leverage figure grinding process of roller crusher for dgw

由图3 可知：辊式粉碎机粉碎工艺参数对Sgw预测值的均方根误差为0.057 2，决定系数为0.84；预测值的残差多数在±0.05 μm 以内。由图4 可知：杠杆图曲线置信区间跨越粉碎粒度均值的水平线，说明辊间隙与线速度2个因子对Sgw影响显著(P＜0.05)。采用JMP 软件中的最小二乘法多元线性回归模型拟合得出辊式粉碎机工艺参数的计算粒度模型，Sgw=0.26X1-3.70e-17X2+2.07 (X1为辊间隙，X2为线速度)。

图3 辊式粉碎机粉碎工艺参数对Sgw 的预测Fig.3 The prediction of crushing process parameters of roller crusher for Sgw

图4 辊式粉碎机粉碎工艺参数对Sgw 影响的杠杆图Fig.4 The effect of leverage figure grinding process of roller crusher for Sgw

3 讨论

3.1 辊间隙对粉碎粒度的影响

粉碎是饲料生产中的重要工序之一，是影响饲料质量、产量和生产成本的重要因素。将原料进行粉碎，能增大饲料表面积，增加饲料颗粒和消化酶的接触，有利于营养物质的消化和吸收[9]。此外，还能改善和提高配料、混合及制粒等后序工段的效率和质量[10]。在国外，辊式粉碎机是饲料粉碎常用的粉碎机类型[11]。合理的挤压力和速度差可以使物料在经过研磨区时最大限度地被磨辊之间的间隙磨碎，辊间隙起着类似于锤片式粉碎机筛片的作用，很大程度上决定了被粉碎物料的产品粒度[12-13]。GEBHARDT 等[14]指出：辊间隙会显著影响辊式粉碎机的性能，且对成品的粉碎粒度、粒度分布和粉碎效率等有明显影响，通过调节辊间隙，可以得到不同粒度的粉碎成品。本试验中，辊间隙显著影响玉米粉碎成品的dgw和Sgw(P＜0.05)，减小辊间隙，增加两辊对原料的磨碾压力，显著减小粉碎粒度。这一结果与GEBHARDT等[14]的观点一致。WONDRA 等[9]研究发现：成品粒度的均匀性随着原料粉碎粒度的减小有增加的趋势，与本试验结果相同。辊式粉碎机辊间隙的减小，改变了物料在粉碎过程中的受力程度，在降低玉米粉碎粒度的同时产生更多粒度一致的细小颗粒。

3.2 快辊表面线速度对粉碎粒度的影响

辊式粉碎机主动辊的转速不同，施加于喂料的剪切力也不相同，最终影响粉碎成品的粒度及其分布[15-16]。辊式粉碎机的磨辊以不同的速度相对运转，其转速显著高于破碎机和压片机的辊速[17]。直径12 英寸磨辊的圆周速度为7.62～15.24 m/s 或更高，磨辊的线速度越大，物料在单位时间内通过研磨区的数量越多，磨粉机的产量也越高，产生的细粉越多，成品粉碎粒度越小，粒度的一致性越高[8]。快辊表面线速度越大，单位时间内有较多物料通过研磨区，磨粉机的产量提高；如饲料流量固定不变，通过研磨区的物料流层厚度减小，可加强刮剥作用[8]。PÉREZ-BONILLA 等[18]采用辊式粉碎机在辊间隙0.6 mm、快辊线速度16.34 m/s 条件下粉碎玉米，所得成品粒径为955 μm。本试验所得粉碎玉米的最适快辊表面线速度与以往的报道存在一定差异，这可能是由于原料、磨辊尺寸、磨辊齿型和快慢辊转速比不同等原因所致。NIR 等[19]研究发现：采用辊式粉碎机所得成品的粒度及其分布因磨辊齿型和齿数不同而存在差异。刘社福[3]指出：两辊速度相同时，辊筒高强度压缩物料并伴随着较弱的切割。辊筒对物料产生碾磨和剪切作用是因两辊之间的速度差使其对物料产生差动作用，这是获得最大碾压能力和较高破碎效率的必需条件。FANG 等[20]研究发现：转速比会对成品粒度产生影响，转速比为2.5∶1 时粉碎粒度最小。此外，在本试验各辊间隙条件下，快辊线速度对粉碎成品的Sgw均没有显著影响(P＞0.05)，表明辊式粉碎机产品粒度的一致性较高，这与NIR 等[19]和AMERAH 等[21]的研究结果一致。

4 结论

辊式粉碎机的辊间隙显著影响玉米粉碎后颗粒的dgw、Sgw和目标区间占比，增大辊间隙，dgw和Sgw随之增大，目标区间占比减小；快辊辊间隙(X1)、表面线速度(X2)及二者交互作用会显著影响成品的dgw，辊式粉碎机工艺参数计算模型：dgw=701.82X1-62.23X2+1 000.30；Sgw=0.26X1-3.70e-17X2+2.07。