玉米-小麦组合粉碎能耗及粒度分析

■ 金 楠 方 鹏 王红英* 孔丹丹 段恩泽 陈计远

（1.中国农业大学工学院，北京100083；2.国家农产品加工技术装备研发分中心，北京100083）

饲料的粉碎对颗粒饲料质量的影响占到20%，仅次于饲料配方在颗粒质量中起到的作用[1]。作为饲料加工的重要工序之一，粉碎为后续的配料、混合和制粒加工提供条件[2]，同时，饲料的粉碎粒度对饲料消化利用率、动物生产性能和动物胃肠道健康均有显著影响[3]。而粉碎系统能耗占全厂总动力消耗的30%～50%[4]，所以降低粉碎能耗成为控制饲料成本、提高生产效益的重要途径之一。

饲料加工工艺按粉碎和配料的先后顺序不同，分为“先粉后配”和“先配后粉”工艺[5]。“先粉后配”，即将不同种类原料分别贮存在待粉碎仓，通过粉碎和输送使粉碎后的物料进入配料仓进而配料混合，粉碎过程为单一品种原料粉碎；而“先配后粉”，则是将所有原料直接贮存在配料仓中，根据配方配料后再按批次粉碎混合，粉碎过程为多品种原料组合粉碎。“先配后粉”工艺具有料仓少、仓中物料不易结拱、原料变化对粉碎影响小等优点[6]，但现有对饲料原料组合粉碎能耗及粉碎粒度影响的研究较少。

因此，本研究在实验室条件下用万能粉碎机对5种不同配比组合的玉米、小麦进行组合粉碎处理，分析粉碎能耗及粉碎粒度，探究饲料原料组合粉碎的节能作用，为饲料粉碎加工的高效低耗提供新思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用玉米、小麦均取自北京首农畜牧发展有限公司饲料分公司，水分含量均在11%～12%安全水分内。每份组合粉碎样品的质量为2 kg，设总质量分数为1，依据玉米和小麦在粉碎样品中所占质量分数的不同，形成5种不同的玉米-小麦配比，如表1所示。每份样品混合均匀后用于粉碎，粉碎后的样品密封于自封袋中，用于后续粒度分析。

表1 组合粉碎样品配比

1.2 试验设备

15B型万能粉碎机（江阴市宏达粉体设备有限公司，配有Φ1.5、Φ2.0 mm和Φ2.5 mm孔径筛片，配套动力：2.2 kW，生产能力：30～100 kg/h）；XT三相四线电子式有功电能表（浙江欣拓新能源有限公司，精度：0.01 kWh）；octagon200型数显筛分仪（英国endecotts公司）；ISO3310不锈钢标准筛（英国endecotts公司）；AL204分析天平（梅特勒-托利多仪器有限公司）；计时器。

1.3 试验方法

1.3.1 粉碎能耗测定

粉碎机空载运转功率的测定。分别在物料粉碎试验开始前及所有物料粉碎试验结束后，启动粉碎机空载运转5 min，并记录空载运转的电能消耗，将电能消耗与空载运行时间的比值作为粉碎机空载运转的功率，即单位时间内粉碎机空载运转所耗电能值。取前后两次测量结果的平均值作为粉碎机空载运转功率p的最终值。

组合粉碎能耗的测定。将粉碎机喂料口开度调整至固定位置，保证粉碎中各组样品的喂料速度一致。粉碎开始前记录电能表示数，投入物料同时开启计时器计时，在粉碎机出料口收集粉碎样品，待原料粉碎完毕按停计时器，记录粉碎时间和粉碎后电能表示数，按式（1）计算组合粉碎能耗。

式中：W——组合粉碎能耗(kWh/t)；

EA——粉碎后电能表示数(kWh)；

EB——粉碎前电能表示数(kWh)；

p——粉碎机空载运转功率(kWh/min)；

T——粉碎时间(min)。

1.3.2 粉碎样品粒度分析

万能粉碎机依次换装Φ1.5 mm、Φ2.0 mm、Φ2.5 mm孔径筛片，分别对5种不同玉米-小麦配比的样品进行粉碎，每个样品重复粉碎3次，共得到45份粉碎样品进行粉碎粒度分析。

粉碎后的样品采用ANSI/ASAE S319.4—2008标准[7]中的14层筛法进行粉碎样品平均粒径及几何标准差的测定，具体操作如下：将标准筛清理后称重记录筛体初重，筛层从上至下按筛网筛孔由大到小的顺序排列好14层标准筛，然后称取100 g样品放入最上层筛中，固定筛层于筛分仪上，开启筛分仪振动15 min，逐级取下层筛对每一层筛重新称重记录筛体末重。按式（2）计算粉碎样品的平均粒径。

式中：dgw——颗粒的几何平均粒径(mm)；

di——第i层筛的标称筛孔尺寸（mm）；

Wi——第i层筛上样品的质量(g)；

n——筛层的数量。

样品平均粒径的几何标准差在一定程度上可以反映粉碎均匀度，按式（3）计算平均粒径的几何标准差。

式中：Sgw为平均粒径的几何标准差，其余字母含义均与公式（2）中相同。

1.4 数据处理

试验中，对每种玉米-小麦配比组合在3个不同筛片孔径下的粉碎样品进行3次重复粉碎，对3次重复粉碎样品混匀后进行2次粒度筛分分析，取平均值作为最终结果。所有试验数据使用Excel 2010进行统计，使用SPSS 19.0统计软件进行显著性分析及方差分析，使用MTALAB R2016a绘图。

2 结果与分析

分别使用Φ1.5、Φ2.0、Φ2.5 mm孔径筛片对5种不同玉米-小麦配比组合原料进行粉碎，其粉碎能耗结果如表2所示。随着筛片孔径增大，粉碎能耗明显降低。在同一孔径筛片下，玉米-小麦配比对粉碎能耗有显著影响(P＜0.05)，随着玉米添加量的减少、小麦添加量的增多，组合粉碎能耗增大。但在Φ2.5筛片下，玉米-小麦配比为0.75∶0.25时的能耗要比配比为1∶0时的能耗低，可能是由于玉米-小麦在该配比下粉碎表现出了较好的节能效果。

表2 玉米-小麦组合粉碎能耗

粉碎后样品的平均粒径和几何标准差测定结果见表3。对于相同的玉米-小麦配比，随着筛片孔径的增大，粉碎样品的平均粒径增大，平均粒径的几何标准差没有一致的变化规律。在Φ1.5筛片下，相比于纯玉米、纯小麦粉碎样品的平均粒径，玉米-小麦两种原料组合粉碎样品的平均粒径更小，且随着玉米-小麦配比中小麦含量的增加，平均粒径的几何标准差依次增大，在Φ2.5筛片下粉碎样品的几何标准差同样随着配比中小麦含量的增加而增大。

表3 玉米-小麦组合粉碎样品平均粒径及几何标准差

3 讨论

结合对表2、表3玉米-小麦组合粉碎能耗及粒度的分析可知，玉米-小麦配比、粉碎样品的平均粒径共同影响粉碎能耗，而粉碎样品的最终粒度由筛片孔径的大小决定[8]，因此，本节主要讨论粉碎样品平均粒径（筛片孔径）、玉米-小麦配比与粉碎能耗的关系。

3.1 粉碎样品粒径与粉碎能耗的关系

粉碎样品粒径与粉碎能耗的关系主要表现在两方面。一方面，在同一玉米-小麦配比中，随着筛片孔径的减小，粉碎样品的平均粒径减小，饲料原料的粒径减小比（reduction ratio，饲料粉碎前平均粒径与粉碎后平均粒径的比值）越大[9]，粉碎时需要的破裂能越多，由此增加粉碎机的能耗。

另一方面，在同一孔径筛片下，粉碎样品的平均粒径却不尽相同，因此，为检验粉碎能耗的变化是由平均粒径的大小不同而引起的，还是由玉米-小麦配比的不同而造成的，对各孔径筛片下粉碎能耗与平均粒径和玉米-小麦配比进行Pearson相关性分析，结果如表4所示。3种筛片下，样品的平均粒径与粉碎能耗无显著相关性，而玉米-小麦配比与粉碎能耗存在显著和极显著线性相关，也就是说，在同一孔径筛片下的粉碎能耗差别是由玉米-小麦配比的不同造成的，与样品的平均粒径无关。

表4 各孔径筛片下粉碎能耗与平均粒径和玉米-小麦配比的相关性分析

3.2 玉米-小麦配比对粉碎能耗的影响

图1 筛片孔径和玉米-小麦配比对粉碎能耗的影响

由表2可知，粉碎机筛片孔径和玉米-小麦配比对粉碎能耗均有显著影响，图1所示为筛片孔径和玉米-小麦配比对粉碎能耗的影响。随着筛片孔径的增大，粉碎能耗减小；随着玉米添加量的减少、小麦添加量的增多，粉碎能耗增大，这主要是由玉米和小麦在粉碎特性上的差异引起的，有研究报道，纯小麦原粮相较于玉米原粮更难粉碎[10]。图1(a)中曲面并不呈平面状态，说明筛片孔径和玉米-小麦配比产生了交互作用。

因此，为检验是否存在筛片孔径和玉米-小麦配比的交互作用对粉碎能耗的影响，对数据进行主体间效应的检验分析，结果见表5。分析结果表明，在0.05的显著性水平下，粉碎能耗受筛片孔径和玉米-小麦配比的交互作用影响，但影响程度不高，影响组合粉碎能耗的因素由高到低依次为筛片孔径、玉米-小麦配比、筛片孔径和玉米-小麦配比的交互作用。

表5 筛片孔径和玉米-小麦配比对粉碎能耗的影响方差分析结果

为验证玉米-小麦组合粉碎的节能效果，在试验中定义了计算能耗，即分别将各筛片下玉米-小麦配比中1∶0和0∶1组的粉碎能耗作为该筛片下纯玉米和纯小麦的粉碎能耗，结合玉米-小麦配比中玉米和小麦各占的质量分数，以玉米、小麦各自的质量分数与各自纯原粮粉碎能耗乘积的和作为计算能耗。考察各玉米-小麦配比中试验所测粉碎能耗与计算能耗的差值，当差值为负时，则认为组合粉碎相较于单一品种原粮粉碎起到了节能效果，分析结果如图2所示。

图2 组合粉碎节能效果分析

当玉米-小麦配比为0.75∶0.25时，3种孔径筛片下组合粉碎均有节能效果，且Φ2.5筛孔的节能效果最明显；而玉米-小麦配比为0.5∶0.5时，只有在Φ2.0和Φ2.5筛孔下粉碎有节能效果，可能是由于Φ1.5筛孔降低了物料粉碎时的过筛性能，增加了物料在粉碎室内的过度粉碎从而增加了能耗；但玉米-小麦配比为0.25∶0.75时，3种孔径筛片均无节能效果。可见，组合粉碎的节能效果与粉碎机筛片孔径、玉米-小麦配比及两者的交互作用有关，与上文对粉碎能耗的分析结果一致。王德福等[11]研究指出，粉碎机内主要的粉碎形式包括打击、撞击和搓擦。本试验中组合粉碎的节能效果，可能与不同的原料及配比的组合增加了物料在粉碎机内受打击的概率并改变了物料碰撞形式有关，针对粉碎碰撞的能耗理论还需进一步深入研究。

4 结论

①玉米-小麦组合粉碎能耗受粉碎机筛片孔径、玉米-小麦配比及两者的交互作用共同影响，且在同一孔径筛片下，玉米-小麦配比对组合粉碎能耗有显著影响(P＜0.05)，随着玉米添加量的减少、小麦添加量的增多，组合粉碎能耗增大。

②玉米-小麦组合粉碎样品的平均粒径主要由筛片孔径的大小决定，粉碎原料的种类及配比对其影响较小，但随着玉米-小麦配比中小麦含量的增加，平均粒径的几何标准差有增大趋势。

③相较于单一品种原料粉碎，玉米和小麦在特定筛孔及配比下的组合粉碎表现出节能效果，但节能效果及程度与粉碎机筛片孔径、玉米-小麦配比及两者的交互作用有关；当玉米-小麦配比为0.75∶0.25时节能效果最佳。

④本文仅对玉米-小麦2种原料5个配比的组合粉碎进行了研究，建议今后开展相关针对更多饲料原料种类及贴合实际配方配比的组合粉碎研究。