便携式牛奶计量取样器的设计与试验

高喜银马亚宾马伟男宋强

(1.河北农业大学机电工程学院，河北 保定 071001；2.河北省畜牧良种工作站，河北 石家庄 050000)

引言

目前，奶牛产奶量自动计量技术被国外大企业和研究机构垄断，如以色列的阿菲金(Afikim)、瑞典的利拉伐(DeLaval)、德国的韦斯伐里亚(Weiss Phalia)、日本的优利农(Unisys Agricultural)等技术和设备[2]。上述国外设备存在价格昂贵、操作繁琐、移动不便、售后不及时等问题，在国内较大规模的奶牛养殖基地并未大批量引进。而对于较小规模养殖场、养殖散户使用难度更为巨大，迫使其继续使用传统的人工桶装称重的计量方式，这种方式虽操作简单，但存在准确率低、易污染的不足，同时，在取样环节，采用取样管桶内取样的传统方法，存在生产效率低、取样工作繁复、样本单一等问题。

基于此，课题组针对牛奶加工过程中计量与取样环节，设计了一款便携式牛奶计量取样器，并进行样机试制，于河北省畜牧业协会奶牛生产性能测定(DHI)中心以试验验证的方式对牛奶计量取样器的预设性能进行验证分析。

1 牛奶加工环节计量取样的意义

本文所述牛奶是指奶牛产出的生鲜乳，是乳制品生产的原料[3]。在牛奶生产过程中往往需经多重工序对原料奶进行加工，其中，计量和取样环节是进行奶牛生产性能测定的重要环节。奶牛生产性能测定，即对奶牛泌乳性能及乳成分的测定，是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和提高奶牛饲养科技含量的有效措施[4]。

计量是测定每头奶牛的单日产奶量，快速精准的收集分析产奶量信息对奶牛健康的判断、疾病防治、饲喂调整等至关重要，是实现奶牛精准饲养的有力依据。取样是采集原料奶样本，用于检测，样本质量直接影响检测结果的准确性。通过检测结果了解奶液中各成分含量，进行产品定价和品质评估，确定奶牛机体能量状态等，是实现科学养殖的有力保障。

2 便携式牛奶计量取样器设计

2.1 整体结构设计

课题组所设计的牛奶计量取样器结构框图，如图1所示。该设备主要由入奶管、出奶管、前处理模块、计量模块、取样模块以及控制模块构成。整体来看，新采集的原料奶经入奶管流入、经出奶管流出牛乳计量取样器，入奶管可连接挤奶器，出奶管可外接主奶箱等设备。

图1 牛奶计量取样器结构框图

前处理模块主要由静置沉淀瓶和分流控制器组成，静置沉淀瓶可去除原料奶流入时产生的浮沫，分流控制器负责对2次分流时原料奶的奶量进行分流控制。计量模块实现单次单头奶牛实际产奶量的读取；取样模块完成实时、全程、定量取样。控制模块主要由清洗阀门、取样按钮、搅拌按钮、流量调节器组成，以实现对牛奶计量取样器的控制。

2.1.1 前处理模块

前处理模块主要起到对新采集的原料奶进行除浮沫处理和分流控制的作用。

目前临床上针对粘液腺囊肿的常用治疗方法除传统的手术切除外，还有液氮冷冻、微波切除、碘制剂注射、二氧化碳激光等。各种治疗方法都有着各自的优点与不足。

静置沉淀瓶整体为圆柱状，高90mm，瓶底直径70mm，瓶身与瓶底螺纹连接，密封性能良好。瓶体顶部与瓶底正中心位置分别开有进液口与出液口，开口直径分别为20mm和10mm，可保证同时刻内瓶内注入流量大于流出流量，促使原料奶在静置沉淀瓶内分层，上层为浮沫层、下层为乳液层，乳液层经出液口流至分流控制器。

分流控制器由2个分流控制单元组成，第1单元、第2单元有其自身设定好的分流定比，经2次分流完成预设的计量和取样工作。第1次分流是将采奶时的原料奶按定比1∶40分流至计量瓶和出奶管，分流至计量瓶内的原料奶可用于读取单次单头奶牛的实际采奶量，可完成计量工作，分流至出奶管的原料奶进入主奶箱以备后序。待采奶和计量工作结束，可按下取样按钮开始第2次分流，可将计量瓶内原料奶分流至取样瓶和出奶管，通过调节流量调节器可确保50mL定量取样。

2.1.2 计量模块计量瓶直径

计量模块是指瓶身上标有刻度的计量瓶，该刻度并非用于读取计量瓶内奶液体积，而是对应于实际采奶量，可依据瓶身刻度直接读取出单次单头奶牛的实际产奶量。本设计中所涉及到的计算实际采奶量相关公式：

(1)

式中，η为第1次分流时分流定比；v1为第1次分流分流至计量瓶内原料奶奶量，L；v2为第1次分流分流至出奶管内原料奶奶量，L；V为实际产奶量，L。

通过推导可得，V与v1之间的关系：

(2)

通过实际测量计量瓶内奶液体积，据公式(2)对计量瓶上表示实际采奶量的刻度进行标定，最终确定计量瓶瓶身刻度，分别为10、20、30、40，单位为L,精确度为1L。

2.1.3 取样模块

取样模块所取样本具有实时、全程特点，是因分流至取样瓶内的样本是在采奶过程中经全程实时分流至计量瓶所得。

为确保取样瓶可定量50mL取样，课题组研究了计量瓶刻度和流量调节器旋钮位置之间的关系，并在流量调节器上标有和计量瓶相同的刻度，分别为10、20、30、40。待采奶和计量工作结束，可按下搅拌按钮，使计量瓶内原料奶充分混合，保证样本的有效性。将流量调节器旋钮对应的刻度调节至与计量瓶内奶液容积所对应的刻度相同时，方可按下取样按钮，分流控制器开始进行第2次分流，就会有50mL的样本流入样本瓶内，完成取样。

2.1.4 控制模块

通过对该设备的预设功能和可操作性进行综合考虑，设计了清洗阀门、取样按钮、搅拌按钮、流量调节器4个操控装置，以实现在不同工况下对牛奶计量取样器的有效控制。

清洗阀门选用的球阀规格为DN8，清洗阀门闭合，设备处于计量取样状态，清洗阀门开启，设备处于清洁状态，分流控制器暂停定比例分流功能，经入奶管进入的清洗溶剂将快速填充静沉淀瓶、计量瓶、取样瓶以及各种管路，以实现设备清洗。取样按钮位于分流控制器之上，为按压式操作方式，待采奶和计量工作结束按下取样按钮，设备开始进行取样。搅拌按钮选用SDPC的二位二通机械阀，型号为MOV-04，按下搅拌按钮，计量瓶底部的进气阀打开，因设备内气压为负产生大量气泡，可将计量瓶内原料奶进行充分混合，使得所取样本更具代表性。流量调节器通过利用液体阻尼器来实现对取样管道内奶量的调节与控制。

2.2 样机试制

课题组结合牛奶计量取样器结构框图以及设备的功能性与便携性，进行整体结构的三维建模，确定其尺寸为400mm×200mm×250mm。采用3D打印技术，耗材选用透明树脂，对牛奶计量取样器关键零部件进行制作并组装搭建样机。样机内部管道及取样管道选用雷弗(LeadFluid)的硫化硅胶软管，规格为25#，内径4.8mm，壁厚1.6mm。入奶管和出奶管选用TPU(热塑性聚氨酯弹性体橡胶)管，内径16mm,壁厚1.2mm。便携式牛奶计量取样器样机，如图2所示。

图2 便携式牛奶计量取样器样机

3 试验验证与结果分析

课题组于河北省畜牧业协会奶牛生产性能测定(DHI)中心对所搭建的便携式牛奶计量取样器样机的预设功能进行试验验证，如图3所示。

图3 样机预设功能试验验证

对主要功能项进行测试，即计量和取样功能。为使试验更具代表性，以单头奶牛产奶量均值为基准上下浮动8%，设定试验中单次模拟采奶的实际采奶量，并进行10次随机性试验，数据记录和误差分析，如表1所示；对非主要功能项进行测试，如清洗阀门、搅拌按钮，试验证明其如预期设定。

由表1可知，课题组所设计的便携式牛奶计量取样器具有良好的计量和取样功能，经10组随机性试验，计量功能平均误差为4.2%，取样功能平均误差为3.4%，本仪器可较好完成预设功能，本次设计的合理性。

表1 样机试验验证数据和误差分析

4 小结

针对目前牛奶加工过程计量和取样环节中存在的弊端，课题组设计了一款便携式牛奶计量取样器。该设备可读取单次单头奶牛的实际产奶量，实现全程、实时、定量、精准采样。试验结果表明，课题组所设计的便携式牛奶计量取样器具有良好的计量和取样功能，轻量便携，具有高效计量、有效取样等优点，经10组随机性试验，计量功能平均误差为4.2%，取样功能平均误差为3.4%，满足行业要求，可为同行业加工装置设计提供技术参考。