粉碎粒度对燕麦、羊草和苜蓿摩擦特性和料仓结构设计的影响

■杨文婕 李佳丽 陆玉洁 周 蓉 程秀花

（扬州大学动物科学与技术学院，江苏扬州 225009）

燕麦、羊草和苜蓿含有丰富的纤维素、半纤维素、木质素和硅酸盐，将其粉碎后以一定比例添加到精料中，制成适口性较高的颗粒饲料，将逐渐成为扩大其饲料化形式的新途径。而且牧草经粉碎后得到的颗粒制品，更利于运输与储藏。但是，燕麦、羊草和苜蓿草粉散粒体相互之间黏结性和啮合性较强，这对加工过程粉料的仓储提出了高的要求。

目前，关于燕麦、羊草和苜蓿的研究多集中在其营养特性，而在加工工艺对燕麦、羊草和苜蓿理化特性方面的研究较少。因此，本试验以燕麦、羊草和苜蓿为研究对象，经粉碎获得3种粒径的草粉，通过测定其休止角、堆积密度和滑角3个摩擦特性指标，进一步研究了贮藏草粉的料仓结构参数，研究结果对草粉贮藏和饲草高效利用有一定的指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验样品

试验选用扬州大学实验农牧场所用的燕麦、羊草和苜蓿，自然干燥至（13±2）℃后去除叶片，选取完整的茎秆，将其剪碎成长约1 cm的草段，装入带密封条的塑料袋送实验室，用四分法取样后，采用微型植物粉碎机进行一次粉碎，粉碎机筛网孔径为0.5、1.0、1.5 mm三个粒度。

1.1.2 试验仪器

微型植物粉碎机、剪刀、玻璃漏斗、玻璃平板、直尺。

1.2 测定方法

测定不同孔径筛孔粉碎后燕麦、羊草、苜蓿的休止角、堆积密度和滑角。具体测定方法参见文献[1]。试验重复5次，经过统计平均后作为所测物料的各指标的值。

2 数据处理

采用Excel软件对试验数据进行整理，运用SPSS统计软件进行单因子方差分析，结果以“平均值±标准差“表示，以P＜0.05及P＜0.01作为差异显著性判断的依据。

3 结果与分析

3.1 粉碎粒度对燕麦、羊草、苜蓿草粉摩擦特性的影响

3.1.1 粉碎粒度对休止角的影响

图1所示为3种不同牧草的3种粉碎粒度的休止角。可以看出，燕麦、羊草和苜蓿在筛网孔径为0.5 mm时对应的休止角为43.1°、43.8°、43.3°；筛网孔径为1 mm时对应的休止角为40.4°、40.5°、40.3°；筛网孔径为1.5 mm时对应的休止角为38.7°、37.9°、38.5°。可见，3种牧草的休止角与粉碎粒度之间均有一定的关系，即粉碎粒径越大，其休止角越小。但是，不同品种牧草在粉碎粒度相同时，休止角基本相同。由方差分析可知：燕麦各组之间差异均极显著（P＜0.01），羊草和苜蓿亦然（见表1）。表明燕麦、羊草和苜蓿的草粉碎越细，其休止角显著增大。因为草粉粒度变细时，粒子表面积增大，导致颗粒间团聚摩擦作用增强，颗粒间的摩擦作用增大，流动性降低，堆积高度增高，所以休止角增大。并且由于颗粒细小时，粒子间的相互粘附性较大，使得流动性降低，休止角增大。

图1 粉碎粒度对休止角的影响

表1 粉碎粒度对休止角的影响（°）

3.1.2 粉碎粒度对堆积密度的影响

3种粉碎粒度对应的草粉堆积密度如图2所示。燕麦、羊草、苜蓿在筛网孔径为0.5 mm时，对应的堆积密度为0.30、0.36 g/ml和0.34 g/ml；筛网孔径为1 mm时对应的堆积密度为0.25、0.24 g/ml和0.30 g/ml；筛网孔径为1.5 mm时对应的堆积密度分别为0.23、0.19 g/ml和0.19 g/ml。3种牧草总体变化趋势均是随着粉碎粒径的减小，堆积密度显著增大（P＜0.01）（见表2）。这是因为草粉粒径减小，颗粒形状趋于规则且越来越接近球形，其中存在大量的粉末状颗粒，细粉能够很好的对堆积空隙进行填充，草粉堆内部孔隙率降低，从而使其堆积密度增大。

图2 粉碎粒度对堆积密度的影响

表2 粉碎粒度对堆积密度的影响(g/ml)

3.1.3 粉碎粒度对滑角的影响

图3所示为3种不同牧草的3种粉碎粒度的休止角。可以看出，燕麦、羊草、苜蓿在筛网孔径为0.5 mm时，对应的滑角为 46.1°、45.2°和 50.3°；筛网孔径为1 mm时对应的滑角为43.1°、39.8°和44.9°；筛网孔径为1.5 mm时对应的滑角为40.9°、36.7°和41.8°。3种牧草的滑角均随粉碎粒度的增大而极显著减小（P＜0.01）（见表3）。这可能是因为微粒具有吸附和凝聚特性，导致表面聚合力增大，吸附能力增强。此外，从图3还可以看出：3种粉碎粒度的各草粉的滑角大小是：苜蓿粉＞燕麦粉＞羊草粉。

图3 粉碎粒度对滑角的影响

表3 粉碎粒度对滑角的影响（°）

3.2 料仓结构尺寸的确定

3.2.1 料仓卸料口尺寸

料仓的卸料口尺寸是料仓结构设计的重要参数，对料流形式有重要影响，设计不当则易造成料仓结拱或搭桥，因此，选取合适的料仓卸料口尺寸，有利于生产的有序进行。

圆锥形料仓临界卸料口尺寸B等于卸料口直径，可由下式来表示[1]：

对于圆锥形料仓，保持整体流所需的最大半顶角为θ[2]：max

其中，H(θ)按公式（3）计算[2]：

式中：B——料仓临界卸料口尺寸(m)；

θ——料仓锥底的半顶角(°)；

σ1——粉料的临界开放屈服强度，取2 100 Pa[2]；

γ——草粉的容重(kg/m3)，此处用实测堆积密度代替；

g——重力加速度(m/s2)；

φ——各草粉的有效内摩擦角，参照面粉的内摩擦角，取58°[3]；

δ——草粉的壁面摩擦角，取其滑角(°)；

I——料仓形状系数，对于轴线对称的圆锥形料仓，i=1；对于平面对称的楔形料仓，i=0。

根据公式（1）～（3）可计算得到燕麦、羊草、苜蓿在筛网孔径0.5 mm时粉料仓卸料口尺寸B分别为：0.50、0.42、0.44 m；筛网孔径1 mm时粉料仓卸料口尺寸B分别为：0.60、0.63、0.50 m；筛网孔径1.5 mm时粉料仓卸料口尺寸B分别为0.66、0.63、0.80 m。

3.2.2 料仓最小下料倾角

为了使物料在仓斗倾斜面上保证有足够的流动性，必须使料斗的仓壁倾角、仓斗交界角均大于被储存物料和仓壁之间的摩擦角。根据Jenike理论可知正方形料仓的最小下料倾角β为：

式中：α——各草粉休止角（°）。

由（4）式可计算得燕麦、羊草、苜蓿在筛网孔径0.5 mm时对应的料仓的最小下料倾角分别为61.9°、62.4°、62.1°；在筛网孔径1 mm时对应的料仓的最小下料角分别为59.5°、59.7°、59.5°；在筛网孔径1.5 mm时对应的料仓最小下料角分别为58.1°、57.3°、57.8°，如图4所示。3种牧草的粉碎粒度对料仓最小下料倾角有极显著影响（P＜0.01），即粉碎粒度越大，料仓最小下料倾角越小（见表4）。

图4 粉碎粒度对料仓最小下料倾角的影响

表4 粉碎粒度对料仓最小下料倾角的影响（°）

4 结论

①就3种牧草的摩擦力学特性而言，休止角、滑角和堆积密度均随其粉碎粒度的减小而呈逐渐增大的趋势，粉碎粒度对三者有极显著影响（P＜0.01）。

②当草粉料仓的卸料口采用圆锥卸料斗时，为防止形成粘附结团拱，料仓卸料口尺寸和最小下料倾角应该根据草粉粒度进行设计。粉碎粒度为0.5 mm时，燕麦、羊草和苜蓿草粉料仓的卸料口大小分别为0.50、0.42、0.44 m；粉碎粒度为1 mm时，料仓卸料口尺寸分别为：0.60、0.63、0.50 m；粉碎粒度为1.5 mm时，料仓卸料口尺寸分别为0.66、0.63、0.80 m。对于料仓最小下料倾角，粉碎粒度为0.5 mm时，燕麦、羊草和苜蓿草粉对应最小下料倾角为61.9°、62.4°、62.1°；粉碎粒度为1 mm时，对应的料仓的最小下料角分别为59.5°、59.7°、59.5°；粉碎粒度为1.5 mm时，对应最小下料角分别为58.1°、57.3°、57.8。随着粉碎粒度增大，苜蓿对应卸料口尺寸显著增大，而燕麦和羊草对应下料口尺寸增长缓慢。