影响卧式螺带混合机轴向侧壁残留的因素研究

刘来亭 杨超雄 李 磊 秦永林

在饲料加工中药物预混剂通常通过人工投料加入混合机，混合工段是药物粉体残留的开始。混合机中残留的药物量，因药物种类多、特性复杂而不容易测定。药物预混剂是由载体和药物构成的均匀混合物，残留在混合机中载体的量与残留药物的量显然呈正相关。为此可通过测定混合机中载体残留量值来标定药物的残留量值，为降低饲料加工中交叉污染提供研究方法。本试验选用玉米粉作为载体，研究不同粒度的载体在混合机内残留的差异，并对载体中添加一定水分、油脂后在混合机侧壁残留的情况进行了研究，同时对不卸料连续混合与分批混合两种方式对玉米粉在混合机轴向侧壁的残留影响进行了探讨。

1 材料与方法

1.1 仪器与设备

锤片式粉碎机（9F 40-22型，安徽省阜阳市兴华机械厂，11 kW）；颗粒检测筛机；分样筛（浙江省上虞市五四仪器筛具厂，20目、40目、60目、80目和100目）。

1.2 基于图像识别的玉米粉在混合机轴向侧壁的残留分析系统

本图像识别系统采用CMOS型摄像头获取卧式螺带混合机轴向侧壁的玉米粉体残留图像，分硬件和软件两部分。

1.2.1 硬件系统

硬件系统如图1所示。

1.2.2 软件系统

软件系统（见图2）主要包括图像预处理和自动计数两部分。图像由CMOS摄像头（型号DVC-V80，深圳市新峰龙电子有限公司；双层玻璃镜头；CMOS传感器，传感器像素30万，最高分辨率640×480像素，最大帧数30 FPS，色彩位数24 bit，成像距离 30 mm～∞）获取。图像软件分析采用Image Pro Plus 6.0（Media Cybernetics，USA）。选择螺带混合机轴向侧壁图像采集的位置（见图3）。选择一定面积的矩形纯黑铜板纸（纯黑，GB/T10335.1—2005，郑州熙来纸业有限公司）。CMOS型摄像头分底盘、活动支杆、摄像头等几部分。摄像头底盘固定于混合机卸料口处，混合机工作时，摄像头移动至混合机外；停机后采集图像时，摄像头探进混合机轴向侧壁前，数据采集后，移出摄像头。补光下捕捉到的图像经USB接口技术传输至图像分析软件（Image Pro Plus，IPP）的图像捕捉界面，在SCAN的命令界面内进行捕捉图像操作。分别选取矩形铜版纸的12个点进行图像捕捉（见图4）。选择最佳的图像进行捕捉（摄像头的焦距调至接近30 mm，手动调整摄像头与混合机轴向侧壁的距离，显示器观测图像清晰度的变化，直至图像清晰度最佳，执行捕捉图像命令）。图像（见图5）保存至电脑中以备后处理分析。

1.2.2.1 图像预处理部分

均衡最佳适配指使用最佳适配命令使IPP对特定图像的值进行优化。这种方法就是通过将直方图拉伸，从而使图像中像素值达到最优的对比度分布。

1.2.2.2 自动计数部分

选择“计算/尺寸”测量值（见图6），选择测量（见图7）；选择“计算/尺寸”，调整参数（显示、对象）选项（见图8）；计数计算，得出定义好的被计数的粉体图像（见图9）；统计数据导出（见图10和图11）。

本试验选用指标为粉体面积比率（Per Area，Obj./Total）的相关值：最大粉体面积比率（简称MAX值，以下同）、累计粉体面积比率（简称TOATL值，以下同）和粉体样本数（简称NUM值，以下同）。最大粉体面积比率表征的是特定粉体在卧式螺带混合机轴向侧壁的残留点面积的最大值情况，此处的混合机侧壁是粉体聚集最多的地方，粉体混合过程中在此处的残留量最大；累计粉体面积比率表征的是特定粉体在卧式螺带混合机轴向侧壁的某区域残留点面积的累加值情况，此指标可从残留面积角度表示混合机侧壁粉体总的残留量；粉体样本数表征的是特定粉体在卧式螺带混合机轴向侧壁某区域的残留区域的个数，可以表示混合机混合过程中粉体在侧壁的残留分布情况。

1.2.3 不卸料连续混合和分批混合对玉米粉在混合机轴向侧壁的残留效果比较

连续混合所研究的是混合机侧壁残留物料状态，从无达到稳定状态的变化。而实际生产中混合过程常分批混合。在分批混合过程中，混合均匀的物料卸料，新的待混合物料被输送进混合机，由于混合机内部机构动作会对混合机侧壁残留物料状态产生影响，进料过程中的空气流的影响也不容忽视。因此试验对卸料方式进行了比较。

不卸料连续混合：取全粉碎玉米粉（过1 mm的筛片）3 kg，每间隔3 min停机一次进行图像采集。共混合60 min。分批混合：取全粉碎玉米粉（过1 mm的筛片）3 kg，每间隔3 min停机一次进行图像采集。之后卸料，待玉米粉排空之后关机，重新由进料口倒入卸下的物料，开机重新混合，3 min后停机进行图像采集，如此重复20次。

1.2.4 4种粒度玉米粉在混合机轴向侧壁残留的影响

用锤片粉碎机粉碎玉米，振动筛筛分出4种粒度（20～40目、40～60目、60～80目、80～100目）的玉米粉备用。4种粒度的玉米粉分别进行水分测定（GB/T 6435—86）。每种粒度玉米粉体分别取3 kg单独加入混合机，进行连续混合和分批混合试验。

1.2.5 添加水分、油脂对玉米粉在混合机轴向侧壁残留的影响

取60～80目的玉米粉3 kg 2份，分别添加1%的蒸馏水、1%的大豆油，每间隔3 min停机一次进行图像采集，混合60 min；以未添加前作为对照组。

2 结果与讨论

2.1 不卸料连续混合和分批混合对玉米粉在混合机轴向侧壁的残留效果比较（见图12、13、14）

由图12、图13和图14看出，两种方式对玉米粉在混合机轴向侧壁残留最大粉体面积比率、累计粉体面积比率、粉体样本数随时间变化的影响一致（P＞0.05）。混合机轴向侧壁残留粉体存在是混合过程中各种力的作用中将细小的粉粒黏附于侧壁形成的。细小的粉粒之所以可以层层堆积可能是因为粒子间的静电作用造成的，而影响粉体静电学特性的因素很多，如粒子表面构成，粒子的形状和大小（Carter等,1992;Carter等，1998），不同粒子间的接触类型、接触材料的性质及工作状况（Elsdon等,1976;Bailey,1984），接触面积（Lowell,1990），粒子间碰撞的强度和频率，接触面的粗糙度及污染程度（Eilbeck等，1999），大气相对湿度（Nguyen和 Nieh,1989;Mackin,等，1993），结块后粒子间的分离过程，粉体的电阻率、微粒污染、设备的清洗方法（Cross,1987;Chulia等，1998;Weigand和Liehr,1999;Eilbeck,2000）等。不卸料连续混合和分批卸料混合两种方式对静电产生的贡献可能不足以使以上3个观测值产生显著的差异。另外看出混合一定时间后，侧壁的残留量达到一个稳定值。

2.2 不同粒度玉米粉在混合机轴向侧壁残留的影响（见图15、16、17）

由图15、图16和图17看出，最大粉体面积比率：不同目数的玉米粉体MAX值刚开始均随着混合时间的延长而增大，其中20～40目的玉米粉体MAX值一直保持在一个较低的水平（MAX值＜0.05），其它3种目数的玉米粉体MAX值均上升到0.15以上。

累计粉体面积比率：不同目数的玉米粉体TOATL值刚开始均随着混合时间的延长而增大。其中20～40目的玉米粉体TOATL值增大速度没有其它3种目数的玉米粉体TOATL值增大速度快，4种目数的玉米粉体TOATL值在27 min以前TOATL值的斜率大小，按目数比较为，20～40 目＜40～60 目＜60～80 目＜80～100目。这可能是由于粉体粒子间的相互作用受颗粒大小、粒度分散、形状、表面粗燥度、表面积、空隙度、密度等基本特性的影响（Corn,1961;Crowder等,2003）。其中粒子大小对静电黏滞和非静电黏滞均有影响，黏滞特性小粒子强于大粒子。粒子粒径越小，范德华力和库仑力就越大，静电黏滞作用和非静电黏滞作用均会增大（Wang等,2000）；增加粒子大小会使粒子间黏滞力增大（Corn,1961）。

20～40目的玉米粉体TOATL值在33 min以后增长趋缓且维持在0.15～0.2的水平；其它3种目数的玉米粉体TOATL值在27 min以后增长趋缓且均稳定在0.4～0.5的水平。这可能是因为，一个个粉粒子的集合在混合机混合过程中，单一粒子被随机黏附与某一个粒子的集合中，其粒子间的总的黏滞力与其总的重力都会增大，因为重力是分子间离解力的重要因素，某一时刻离解力大于黏滞力，则一部分粒子便会与原集合发生分离而从混合机侧壁坠落。混合机侧壁粉体这种动态的黏附与离解的过程，使各个目数的粒子分别在适合自己粒子大小的残留范围里，保持了动态的平衡。

粉体样本数：20～40目的玉米粉体NUM值刚开始随着混合时间的延长而增大，到27 min之后维持在120的水平上。其它3种目数的玉米粉体NUM值在6 min前有大的增幅，之后均呈降低的趋势，且60 min时NUM值维持到（80±10）的水平。

2.3 添加水分、油脂对玉米粉在混合机轴向侧壁残留影响（见图18、19、20）

由图18、图19和图20看出，添加1%水或1%植物油后，在0～10 min的混合过程中，对照组及1%植物油组的NUM值均呈上升趋势，在10～60 min的混合过程中，对照组及1%植物油组的NUM值均呈下降趋势。而1%水分组的NUM值在0～24 min的混合过程中，呈上升趋势，之后到60 min试验结束，NUM值一直稳定在120±10的水平。在0～60 min的混合过程中，MAX值及TOATL值的组别大小排序均为：对照组＞1%植物油组＞1%水分组。说明添加水或植物油会减少卧式螺机混合机轴向侧壁的玉米粉残留，且添加等量水的效果会好于植物油。可能是因为油的极性大于水，相对于水来说其黏附性强，但在混合机里不易与玉米粉混匀。

3 小结

3.1 不卸料连续混合、分批卸料混合2种方式对玉米粉在混合机轴向侧壁残留最大粉体面积比率、累计粉体面积比率、粉体样本数随时间变化的影响一致（P＞0.05）。

3.2 混合机侧壁粉体动态的黏附与离解的过程中使各个目数的粒子分别在适合自己粒子大小的残留范围里，保持了动态的平衡。

3.3 添加水或植物油可减少卧式螺旋混合机轴向侧壁的玉米粉残留，且添加等量水的效果会好于植物油。

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