牛奶分流取样加工装置结构设计*

高喜银 ， 宋 强 ， 马伟男 ， 褚素乔

（1.河北农业大学机电工程学院，河北 保定 071001；2.石家庄市畜牧技术推广站，河北 石家庄 050000）

0 引言

随着中国经济的快速发展和人民对膳食营养重视程度的不断提升，乳制品日益受到消费者的青睐，同时，人们对乳制品的质量要求也越来越高。农村产业结构的不断扩大，使我国奶业进入高速发展期[1-2]。据国家统计局发布的《中华人民共和国2021年国民经济和社会发展统计公报》，2021年全年国内牛奶产量为3 683万t，增长7.1%[3]。牛奶富含钙、磷、维生素A、维生素D等营养物质，还含有人体所需的各种蛋白质和8种必需的氨基酸[4]，具有降低人体内胆固醇、助眠及中和胃酸等功效，备受人们喜爱[5]。

本研究所述牛奶是指奶牛产出的生鲜乳，是乳制品生产的原料[6]。新挤出的牛奶中存在部分浮沫及杂质，需经过静置沉淀、分离杂质后才能够对牛奶进行取样检测。目前，部分地区采用将原料奶静置桶中、人工除杂、取样管取样的传统方法，该方法存在自然静置耗时长、生产效率低、去杂不净、取样工作繁复、易污染等问题。

基于此，课题组设计了针对牛奶取样环节的静置沉淀瓶和分流取样器。静置沉淀瓶内，牛奶液面因液面抬升部的填充而被抬升，从而形成位于瓶体底部的乳液层及位于上层的浮沫杂质层，从而实现了对牛奶中乳液和浮沫杂质的沉淀分离。分流取样器可在储存牛奶的同时，提取一定比例的样本供后续检测使用，进而达到对液体实时分流取样、避免污染的目的。

1 取样的意义

奶牛生产性能测定，即对奶牛泌乳性能及乳成分的测定，是为奶牛生产提供基础数据的主要手段和牛群遗传改良的基础，也是提高奶牛生产性能、奶牛饲养科技含量的有效措施[7]。所采集的样本质量直接影响检测结果以及依据检测结果所确定的调整计划。

为确保样本的精准性、有效性，课题组设计的静置沉淀瓶可高效去除经主奶管分流至取样环节的牛奶中的杂质，分流取样器可对除杂后的牛奶进行实时定比例取样以及分流至杀菌消毒环节。课题组规划的牛奶加工过程示意图如图1所示。

图1 牛奶加工过程示意图

2 牛奶静置沉淀装置

2.1 结构设计

静置沉淀瓶结构示意图如图2所示，该装置主要由瓶体、底盖、液面抬升部、进液口、流道口、出液口构成。以图2结构示意图定义上、下方位关系。

图2 静置沉淀瓶结构示意图

瓶体整体呈圆柱状，瓶体顶部轴向中心设有进液口，瓶体底部敞口设置，底部圆周外沿设有环瓶体间隔布置的6个弧状凸起的校准配合部，底盖上设有同样规格的6个校准部，两者侧壁分别内凹形成凹槽，可通过对齐布置实现精准定位与校准。瓶体与底盖通过螺纹连接，以达到密封效果。

底盖整体呈圆盘状，底盖上方轴向中心设有向上具有预设高度呈圆锥状的液面抬升部，液面抬升部尖端向上，底部至少遮盖部分出液口以及流道口与出液口的连通部位，绕液面抬升部于底盖上周向间隔布置6个流道口，流道口逐渐收窄，相互靠近的一端连通于底盖下方轴向中心设置的出液口。底盖下方设有周向间隔布置的6个螺纹孔，用于连接取样器。

2.2 工作原理

新采集的牛奶经瓶体顶部正中心进液口注入静置沉淀瓶，且注入流量略大于流出流量。初始，静置沉淀瓶与外接加工设备之间阀门闭合，牛奶因瓶内液面抬升部的存在，瓶体内液面被抬升，促使牛奶分层，形成位于上层的浮沫杂质层和位于下层的乳液层。待两装置间阀门打开，乳液层经流道口汇集于底盖下方出液口流出，以实现对牛奶中乳液和浮沫杂质的沉淀分离。

2.3 装置优点

牛乳营养丰富，也成为微生物、细菌的生长繁殖的绝佳场所，一旦贮藏、监测不当，极易发生变质[8]。生鲜牛乳受细菌污染的机会及途径极多，这会影响生鲜牛乳的卫生质量[9]。因此，对牛奶加工装置的密封性要求极高。

课题组所设计的静置沉淀瓶，密封性良好，瓶体与底盖间以螺纹连接形式连接，避免牛奶直接暴露在空气中被污染，以保证牛奶的纯净性。静置沉淀瓶结构精简，较桶内静置人工除杂的传统方法更具高效性，除杂率高。静置沉淀瓶内部瓶体与底盖上设有的弧形凸起校准，可实现精准定位校准以及瓶体与底盖的紧密贴合。同时，操作人员可更加直观地判断静置沉淀瓶是否密封良好。

每天随机采集4～6头奶牛的牛乳，共采集35份牛乳样本[10]。并随机选取15份样本以传统方法除杂，15份样本通过静置沉淀瓶完成除杂工作，剩余5份样本作空白对照。两种除杂方式的对比结果如表1所示。

表1 两种除杂方式对比结果

3 牛奶分流取样装置

3.1 结构设计

牛奶分流取样器结构示意图如图3所示。该装置主要由壳体、套体、阀体、调节杆、连通孔、节流孔、进液口、储液出液口、取样出液口等构成。以图3结构示意图定义左、右方位关系。

图3 牛奶分流取样器结构示意图

壳体近似圆筒状，具有连通外部和空腔的进液口、取样出液口和储液出液口。进液口位于最左侧，储液出液口位于壳体中部，且两出液口沿壳体长度方向间隔布置。壳体内部设有沿长度方向布置的空腔，空腔内所设置结构从左至右依次是第一套体、阀体、第二套体，结构间密封性能良好。

第一套体又名取样出液口套体，具有连通进液口和空腔的取样连通腔，其与壳体之间形成与取样出液口连通的内腔，内腔沿第一套体周向布置。第一套体上设有周向间隔布置的用于连通内腔和取样连通腔的连通孔和节流孔，节流孔的数量递减设置。第二套体设于壳体空腔内，位于储液出液口右侧，具有第二连通腔。

阀体，具有与取样连通腔连通的阀腔，还具有连通阀腔和空腔的连通部，包括沿阀体周向间隔布置的孔径大于取样连通孔、节流孔的阀腔连通孔和数量递增设置的阀腔节流孔。阀体沿壳体的长度方向导向滑动地设于取样连通腔和第二连通腔内。

阀体右侧设有穿设于壳体上的调节杆，其由连接头、连接杆、操作头构成，连接头转动设于阀体上，操作头位于壳体外部，连接杆上设有外螺纹，壳体上设有供连接杆穿设的内螺纹孔，连接杆和壳体间螺纹连接。

3.2 工作原理

经除杂的牛奶由进液口注入，流经取样连通腔、阀腔及其上所设置的连通孔、节流孔，经第一套体、阀体的内腔、空腔，于取样出液口和储液出液口流出。阀腔内连通孔孔径最大，节流孔数量呈递增形式，取样连通腔内连通孔孔径较小，节流孔数量呈递减形式，除阀腔连通孔，其余孔径较小且相同。

调节杆驱动阀体在取样连通腔和第二连通腔内左右滑动，以实现对一定数量的取样连通腔节流孔的封堵（导通）和对相应数量的阀腔节流孔的导通（封堵）。两腔内节流孔对称设置，可保证在调节过程中分流取样器内牛奶的流速和液压不变，在存储大量牛奶的同时，提取一定比例的样本供后续检测使用，进而达到对牛奶进行实时分流取样的目的。

3.3 装置优点

牛奶分流取样器所取样本质量与牛奶品质的鉴定结果有直接关系，且实时定比例采取样本更具代表性。

课题组所设计的牛奶分流取样器结构简单，操作简便，能够通过精确地调节螺纹杆调节取样连通腔和阀腔内节流孔导通和封堵的数量，进而调节取样出液口、储液出液口的牛奶流量，方便取样人员依据取样需求进行取样。与传统取样管取样方法相比，避免了冗杂繁复的人工取样，确保了取样过程的密封性。牛奶分流取样器密封性能良好，可避免牛奶泄漏及污染，以保证样本质量。取样器内取样连通腔与阀腔两腔内节流孔孔径相同，呈对称设置，可保持在调节过程中取样器内部牛奶的流速、液压稳定。

4 小结

针对当前牛奶加工过程中，取样环节存在的静置沉淀人工除杂效率低、除杂不净、取样工作繁复、样本代表性差、牛奶易被污染等问题，课题组设计了一种静置沉淀瓶和牛奶分流取样器。静置沉淀瓶精简、独特的结构设计，避免了牛奶直接暴露在空气下而被污染，实现了对牛奶中乳液和浮沫杂质的分层及分离。牛奶分流取样器密封性能良好，操作精准，可依据取样原则通过调节取液连通腔、阀腔内对称设置的节流孔封堵或导通的数量，实时采集一定比例的牛奶样本供后续检测使用。试验结果表明，课题组所设计的这两种牛奶加工装置结构合理，具有高效除杂、降低人工成本、实时分流取样、避免污染等优点，可为同行业加工装置设计提供技术支持。