颗粒饲料力学性能试验研究

■李艳聪 杨 磊 万志生 李艳琳 宋 欣 全鹏坤

(1.天津农学院工程技术学院，天津 300384；2.天津市世昌科技发展有限公司，天津 301508)

颗粒饲料是经过调制熟化的饲料，增加了食用口感，提高产品可食用性，进而促进了动物生长；颗粒饲料的力学性能是影响颗粒饲料外观质量的重要指标，可用来评价颗粒饲料成品抗压能力好坏，对动物的采食量及适口性有很大的影响，由于力学强度不够，在运输和搬运过程中粉尘越多，仔猪料槽中的细粉越多，不但会造成搭桥现象导致饲料无法落下，还会增加饲料的浪费。几十年来国内外学者对颗粒饲料进行了深入研究，主要从原料、制粒工艺（调制、压制、粉碎）、散落性、颗粒稳定性、颗粒饲料品质一致性等方面，大多将重点落在对影响颗粒性能影响因素出发[1-2]，而颗粒断裂产生的粉化率导致颗粒饲料产品未经送达用户就损失部分营养，对饲料产品经济性的极大损害[3]，粉化率问题究其核心是颗粒的力学强度不够。文献[4]提出饲料品质的一致性理念，从强度出发对颗粒饲料强度的分布规律进行了研究。宋欣等(2015)[5]提出在颗粒饲料生产中，为保证颗粒饲料的质量，在实际生产前对依据配方所加工出的饲料品质做出预测。李军国(2007)[6]从密度出发进行了鱼类饲料颗粒压制模拟实验，建立了鱼颗粒压缩比、压制速度与颗粒密度的关系；文献[7]指出颗粒饲料投喂前的含粉率直接影响颗粒饲料本身优势的发挥，大幅度降低饲料的利用效率，造成饲料浪费。颗粒水产饲料含粉率过高还会造成水质的污染。上述研究成果对于本研究的开展具有一定的借鉴意义，但缺乏颗粒破碎和力之间具体量化关系。为此，本文从颗粒力学性能出发，对乳猪颗粒饲料抗压、剪切和弯曲三方面性能进行试验研究，为粉碎和切碎机械的设计提供理论依据，也对饲料企业经济效益的提升有一定参考价值。

1 材料和方法

1.1 试验材料

选用6种不同成长阶段的幼猪颗粒饲料为试验样本。这6种料分别为教槽料、教槽料1、前期保育料、后期保育料、仔猪料前期、仔猪料后期（见图1），饲料粒径和核心配方见表1。样本颗粒由国内知名饲料机械厂家牧羊公司生产的制粒机压制而成，压缩比均为6∶1。提供样本颗粒料单位是天津市世昌科技发展有限公司。为了保证试验效果，样品从车间取出后放置一夜至凉，然后进行封袋，避免水分和重量损失。试验在压制颗粒后第4 d进行。在室温条件下试验，从袋中取出样品，进行直径测定，由于长度要求不同，用细锉刀将其修正成符合规定长度。

图1 颗粒样品

表1 试验料的主要成分与参数

1.2 试验方案

1.2.1 试验设备

SANS CMT6502型微机控制的电子万能试验机（设备本体和电脑），仪器精密度等级为0.5级。游标卡尺，精度0.02 cm。整形锉。位移施加机构上安装了力传感器（量程为0-500N），用来检测载荷P。

1.2.2 试验参数设定

考虑颗粒特性，将0～500 N量程设置为0～100 N，加载力示值相对误差±0.5%，位移示值误差也在0.5%以内，位移分辨率为0.015μm。为避免速度高对结果影响，确定加载力速度0.5 mm/s。为保证数据准确，注意在力传感器轻触到料样时，将力显示数值进行归零，再进行试验。

2 试验过程和原理

通常将材料分为各向同性和各向异性两种，颗粒饲料由多重成分均匀混合压制而成，可认为是各向同性。从材料属性讲饲料颗粒为脆性材料，其拉伸和压缩的力学性能不相等，考虑颗粒灌装和装袋运输过程中，不会承受拉应力，所以主要测量颗粒的压缩、剪切和弯曲力学性能。

做颗粒压缩试验时，将颗粒放在微机控制电子拉压试验机下平压缩板的中央部位(见图2)，下压缩板静止不动，上压缩板的压头从上向下缓慢匀速运动，加载速度为0.5 mm/s。上压缩板的压头接触到颗粒时，电子显示屏开始显示压力数据，压力变化比较快，当颗粒受力断裂时，压力骤减而自动停机。剪切和弯曲两种试验除安装的固定装置不同外，试验步骤一样。

图2 压缩试验装置

2.1 压缩试验原理

采用径向压缩方法测试颗粒饲料的断裂强度。颗粒饲料为圆柱形体，可用下面公式（1）求得颗粒压缩时的正应力。

式中：σ——正应力；

Fy——轴力；

r——颗粒半径。

2.2 剪切试验原理

图3为常见饲料颗粒分布图。从图3中看出，大多颗粒之间是随机相互交叉排列。这种随机仍有规律可寻，比如在图中标注出的一些位置，从受力情况可分为压缩、剪切和弯曲。尤其是颗粒长度和直径比较接近时，之间作用效果接近剪切，而且这种布局情况比较多，故有必要进行颗粒的剪切变形试验。图4是剪切试验装置，主体分3部分，支座1和支座2部分；支座1和支座2中间距离可调，分别适应做剪切试验和弯曲试验。将微机控制电子试验机夹具换成剪切装置，施力头就可做剪切试验。

图3 颗粒布局

图4 饲料颗粒剪切试验

依图4，颗粒受剪切力可由如下公式计算:

式中：FQ——作用在剪切面上剪力（N）；

τ——剪应力（MPa）；

r——颗粒半径（mm）。

2.3 弯曲试验原理

材料力学的梁定义是基于金属材料给出的，针对颗粒饲料这种特殊材料，这里定义当≥2时，颗粒受到的是弯曲变形（图3）；通过资料查询，对于脆性原料，通常用三点梁试验方案。这里也利用三点梁的原理进行分析。此种受力情况下，颗粒长度中间截面上、 下边缘受最大拉应力和压应力，基于脆性材料拉应力 小于压应力，这里考虑拉应力。应用材料力学公式有：

式中：Fw——作用在梁上力(N)；

σl——拉应力(MPa)；

r——颗粒半径(mm)；

l——标距。

3 试验及结果分析

3.1 压缩试验及结果分析

对6种颗粒饲料试样进行轴向压缩试验，结果曲线叠加如图5。图5中力—位移曲线的开始阶段为平滑的线性，作用一段时间后，曲线中出现一个明显的峰，达到强度极限，样品内部有裂纹产生。当外界作用力超过样品的承载能力瞬间，样品突然断裂，即出现曲线的最大峰，此峰值为样品的强度极限。从图5中提取出断裂处最大力和变形数据，转变成抗压强度。为了使数据更客观准确，每种料样做三次试验，将试样压缩强度结果统计并取均值（见表2）。从压缩强度结果和配料成分对比看，由于成分复杂性，成分对力学性能影响不太明显，但仍可看出有这样趋势，玉米和豆粕之和越多，颗粒抗压强度越低，越易破碎。

图5 颗粒压缩力与位移关系

3.2 剪切试验及结果分析

将6种样品处理成长度6 mm，放置在标距1.5倍直径的剪切试验装置上进行试验，可得到和压缩试验类似的力与位移曲线变化趋势图，从图6中可提取剪切破坏最大力。同样，为了使结果数据客观准确，每种料样同样做3次剪切试验依据式(2)，将力转换成剪切强度,结果取均值；得到数据结果整理如表3所示。比较颗粒剪切强度和压缩强度，发现颗粒剪切强度小于压缩强度，且颗粒剪切强度与压缩强度比值范围在0.680 9～0.811 9内，也就是说与压缩受力比较，颗粒更易剪切破坏。

表2 颗粒压缩强度

表3 颗粒剪切强度

图6 弯曲破坏力

3.3 弯曲试验及结果分析

图3饲料颗粒布局中，当样品长度大于6 mm时，设定图4中标距和直径的比值大于2，这时采用弯曲试验比较符合实际。弯曲试验装置与剪切装置基本一样，只是工作台部分左右两块距离进行调节。选择两种样品，一种直径3 mm的型号后期保育料颗粒，选取的标距为6、7、8、9、10 mm；另一种是直径4 mm型号仔猪料后期颗粒，选取的标距为8、9、10、11、12 mm。为了将两个分析图形放在一起便于分析，将标距与颗粒直径比值作为横坐标，以颗粒强度作为纵坐标作图6。图6中上面红色曲线为直径4 mm，样品仔猪料后期颗粒对应强度；下面蓝色曲线为直径3 mm，样品后期保育料颗粒对应强度。由图6所知，在标距范围内，抵抗破坏的力度随着标距的增加而减少，且在同样长度下直径小的型号后期保育料颗粒饲料更易断裂破坏。

比较弯曲试验和压缩试验结果，发现弯曲时达到强度极限时承受的力要小。可以用式（1）和（3）解释这个现象。对于拉压变形强度一样的材料，可通过直接列出式（1）和式（3）相等关系进行分析，但由于脆性材料拉应力小于压应力，达到强度破坏时，受拉侧首先破坏，也就是弯曲最大拉应力应该小于压应力，于是有，整理得，半径r和标距l长度比小于1，所以颗粒承受弯曲破坏的力比压缩破坏的力要小，并且呈反比关系。

4 结论

将强度作为颗粒饲料品质重要评价指标，进行了饲料颗粒压缩、剪切和弯曲破坏强度理论和试验分析。得出配方成分对颗粒的压缩强度影响不明显；而同样品质的颗粒饲料，弯曲力最易引起颗粒破坏，剪切力次之，压缩力施力方式对颗粒断裂的影响程度最小。研究结论可为相关颗粒饲料长度和制粒机环模长径比、环模转速确定提供参考依据。