檸條顆粒飼料壓制機的分析與研究

陳海林，劉春生，王小陽

（山西省農業機械化科學研究院，山西太原030031）

檸條顆粒飼料壓制機的分析與研究

陳海林，劉春生，王小陽

（山西省農業機械化科學研究院，山西太原030031）

通過介紹檸條顆粒機的技術參數和技術特點，以及主要工作原理和工作部件，分析影響制粒的主要因素和控制方法，優化檸條顆粒壓制機的設計性能、自動化程度等，為檸條顆粒飼料機械的進一步研究提供了理論依據。

檸條顆粒飼料壓制機；給料；調質；自動控制

0 引言

檸條又叫白檸條，根系發達、枝葉繁茂，具有保持水土、涵養水源和美化環境的作用，在我國“三北”地區自然分布和人工栽培的檸條已達到數百萬公頃[1]。因檸條的生物特性，每3～5年必須平茬1次[2]，經實地平茬試驗，高度在1.0～1.5 m的檸條林平茬畝產達到900 kg左右，產量非常可觀。

檸條枝葉的營養價值較高，檸條從開花至結實期，鮮葉、嫩枝含粗蛋白質22～48 g/kg，粗脂肪4.98 g/kg。檸條開花期每1 kg風干枝葉所含的可消化粗蛋白相當于2.67 kg玉米、0.88 kg豌豆或0.64 kg大豆所含的可消化粗蛋白[1]。但由于檸條含有鞣酸及揮發性化學物質，鮮草有特別重的苦味，適口性比較差；并且檸條復葉尖及葉基部有小刺，莖稈木質素含量高，比較堅硬，不經過加工牛羊采食率很低[3]。

針對檸條的生物和物理特性，檸條枝葉作為良好的飼用植物，可加工成檸條草粉與其他飼料配合成全日糧飼料，還可配上適宜的飼料添加劑，調制成精飼料或壓制成顆粒飼料，進行綜合利用。因此，就檸條飼料加工過程中的關鍵設備——檸條顆粒壓

制機進行分析與研究。

1 主要技術參數與技術特點

顆粒壓制成型一直是飼料生產過程中非常重要的一道工序，對飼料產品的品質和生產成本起著決定性作用[4]。此檸條顆粒飼料壓制機是山西省農機院與山西信成源科技有限公司合作，通過對已有秸稈加工技術、加工機械進行大量的對比試驗，然后集成創新，開發出適合山西省檸條飼料生產的新型檸條顆粒飼料壓制機。

檸條顆粒飼料專用壓制機外觀見圖1。

圖1 檸條顆粒飼料專用壓制機外觀

1.1 主要技術參數

主電機功率55 kW，生產率1 t/h，環模內直徑350 mm，環模寬度100 mm，壓輥直徑171 mm，工作寬度100 mm，給料器功率1.1 kW，調質器功率4 kW，環模孔徑3～20 mm，環模工作溫度≤90℃，熱蒸汽壓力0.30～0.6 MPa。

1.2 主要技術特點

檸條顆粒飼料壓制機的主要技術特點如下：①通過單電機V帶傳動，傳動比合理、驅動扭矩大、運轉平穩、噪聲較低；②可選配3～20 mm孔徑的環模；③通過電磁調速電機控制給料電機轉速，另外還配有過載保護；④生產過程通過PLC可編程系統實行自動控制。

2 主要工作原理及工作部件

2.1 工作原理

檸條顆粒飼料壓制機主要工作部件分為給料器、調質器、顆粒機主機、環模與壓輥、電器及自動控制系統等5個部分。壓制機工作時，經粉碎機粉碎合格的檸條草粉，從待制粒倉通過電給料器攪龍的推動作用，把適量的物料均勻送入調質器里；進入調質器的物料與熱蒸汽混合并調質；調質后的物料溫度控制在65～90℃，物料濕度14%～18%時就可進入制粒室制粒；制粒完成后，成品檸條顆粒通過出料門進入料倉。

2.2 主要工作部件

2.2.1 給料器

給料器包括電磁調速電機、配套傳動裝置、給料攪龍等。由調速器調整減速電機的轉速，使給料攪龍在0～140 r/min的轉速內攪動，將檸條粉物料流均勻地送入調質器內進行調質處理。

2.2.2 調質器

調質器包括減速電機、不銹鋼殼體、不銹鋼主軸、不銹鋼槳葉、熱蒸汽入口等。調質器的功能主要是使檸條粉物料與熱蒸汽等充分混合均勻，將物料溫度、濕度控制在制粒所要求的工藝范圍內。蒸汽系統要保證熱蒸汽的壓力要求，為0.2～0.4 MPa，須配置1 t以上的蒸汽鍋爐。進入調質器的蒸汽與檸條草粉充分接觸，草粉含水率達到15%～18%，溫度達60～90℃時，就可進行檸條顆粒的壓制；冷凝水應由蒸汽系統管路排出，不得留在調質器內[2]。

顆粒壓制機給料器、調質器見圖2。

2.2.3 顆粒壓制機主機

顆粒壓制機主機包括機架、功率55 kW主電機、主軸、環模系統、壓輥系統、機門系統、潤滑系統、導流刮刀、切斷刀等。

圖2 顆粒壓制機給料器、調質器

壓制機工作時，將調質好含水率≤18%的檸條物料，從調質器通過門系導料口均勻地送入制粒室中，刮刀推動物料進入壓制區，通過高速運轉的環模、壓輥將物料源源不斷地擠壓到環模孔內成型，然后在切斷刀的作用下制成長度均勻的圓柱體顆粒。

2.2.4 環模與壓輥

目前，顆粒飼料成型設備大多采用環模式顆粒壓制機，靠環模與壓輥將粉狀物料擠壓出環模孔制成顆粒。環模孔尺寸精度、光潔度要求高，要求用高鉻合金鋼鍛制而成，機加工后還要進行真空熱處理；環模厚度、環模孔徑可根據用戶要求選定，該機可配直徑3～20 mm多種孔徑和厚度的環模。

環模出料見圖3。

圖3 環模出料

2.2.5 電器及自動控制系統

制粒系統的核心是通過電器自動控制系統，來保證顆粒壓制機在工作時間內穩定運轉。

（1）制粒機調質溫度的自動控制。調質溫度控制是制粒中非常重要的參數，為了避免人工調節溫度的缺陷，特開發出了檸條顆粒壓制機調質溫度自動控制技術裝置。操作人員首先在觸摸屏中設定某批飼料所要求的調質溫度數據，制粒過程開始后，由溫度傳感器不斷地把飼料調質溫度變化引起的電流變化信號傳輸到PLC控制中心，PLC再把電流信號轉化為溫度信號和之前所設定的溫度數據比較，根據比較結果來決定蒸汽調節閥開啟的大小，直到控制溫度達到設定值為止，此次調質溫度自動調節完成。應用該調質溫度自動控制技術，可使調質溫度范圍控制在±5℃之內，達到了生產的要求，制出的顆粒均勻，且大大減輕了操作人員的勞動強度。

（2）制粒機給料速度的自動控制。給料速度自動控制技術主要是為了保證制粒機工作電流的穩定性，從而保證制粒機正常生產，防止堵死導致停機。主要工作原理如下：采用變頻器控制給料器電機轉速，給料器電機轉速變化引起的電流變化，在電控中心通過PLC控制，因物料在制粒前要進入調質器進行調質處理，調質后進入制粒室需要一定時間，給料電機轉速的變化引起主電機電流的變化會有一個時間間隔，通過PLC可編程控制技術，可以保證檸條顆粒機工作電流的穩定性。

（3）制粒機旁通門卸荷機構的自動控制技術。制粒機旁通門卸荷機構的控制技術原理如下：在制粒過程中，一旦有堵機現象出現，控制中心就會檢測到實際電流超過電流正常設定值，會傳給旁通門上控制氣缸開閉的電磁閥一個打開信號，直至旁通門打開卸出堵料后，電流隨之下降，旁通門電磁閥會收到一個關閉信號并自動關閉，機器進入正常生產狀態。此自動控制技術可避免檸條顆粒飼料壓制機隨時出現的堵機現象，減少了操作人員停機卸荷的工作量，提高了生產效率。

3 壓制機制粒的影響因素分析

3.1 物料成分及添加劑的影響

檸條顆粒飼料的生產需要在原材料中添加適量的蛋白質、淀粉等輔助材料，目的是要增加飼料的營養成分和動物的適口性。飼料的添加成分是決定顆粒成型的主要因素，蛋白質顆料在成型過程中受力后容易變性塑化，有利于顆粒的成型。纖維素含量的高低是植物細胞所需機械壓力的重要指標，決定著顆粒成型壓力的大小。檸條纖維素含量是玉米稻稈纖維素含量的2.6倍，可見檸條顆粒的成型比稻稈成型對壓力的要求更大，檸條顆粒的成型對模具的要求也更高[5]。

3.2 物料含水率對制粒的影響

在顆粒通過環模孔擠出成型過程中，水分能夠在成型顆粒表面形成水膜，減少顆粒與環模孔壁摩擦阻力，有利于物料通過環模孔。但如果物料含水率太高，一方面容易使物料打滑，不利于顆粒的成型；另一方面，顆粒與環模孔壁摩擦生熱造成大量水蒸氣迅速蒸發，引起成型顆粒表面裂縫。但物料含水率如果偏低，會影響水分對檸條木素的軟化、塑化作用，影響顆粒成型。因此，物料含水率是否達到要求，對于成型顆粒的產量和品質都有顯著影響。為了保證檸條顆粒飼料的品質，物料水分應15%～20%為宜，顆粒最終水分應不高于12.5%，更不能超過13%，否則容易引起顆粒發霉變質[6]。

3.3 物料粒度的影響

檸條物料的粒度分為粗粒、中粒和細粒。一般情況，粒度小于3 mm的物料更容易與蒸汽充分接觸并發生反應，所以中粒和細粒都具有很好的成型能力，也能保證成型顆粒的品質。而粗粒不易與水蒸氣充分反應，顆粒之間比較松散，不易成型。顆粒飼料的直徑通常為4～6 mm，該機生產率為1 t/h，環模孔徑為10 mm，經試驗研究應選用粉碎物料介于2.0～2.5 mm的中粒或小于2 mm的細粒。

3.4 調質器喂入量的影響

喂入量的影響主要是指物料喂入的多少影響著物料與成型室壁接觸的面積大小，喂入量越大，物料與成型室內壁接觸面積就大，摩擦力就越大，成型顆粒的密度就越大，達到極限就會堵塞模孔，影響出料；反之，喂入量太小，成型顆粒密度小，容易碎裂，并且影響生產率。所以該壓制機經多次試驗改進，設計了低速、單筋主動破拱裝置，保證了給料器物料的不間斷喂入，同時給料器采用變頻電機，采用PLC控制技術調節給料速度，保證了正常的物料喂入量。

3.5 物料溫度的影響

物料對溫度的要求主要體現在溫度高低決定物料中木素的軟化程度，溫度越高越有利于木素軟化，便于顆粒成型的塑性變形；溫度太低，木素達不到軟化塑性變形的條件，不利于檸條顆粒的成型。

3.6 顆粒成型壓力的影響

成型壓力影響主要表現在壓力大小與顆粒的密度和硬度成正比，即壓力越大，成型顆粒的密度和硬度越大。經多次試驗并參考相關數據，檸條顆粒飼料的成型壓力為4 kN，成型效果較為理想又不影響動物適口性。

3.7 環模參數的影響

3.7.1 模輥間隙

模輥間隙一般控制在0.05～0.30 mm[5]，模輥間隙過大時，會減小壓輥對檸條物料的擠壓力，降低物料的擠出率，物料容易堆積在成型室內，不利于被壓入模孔，導致模孔堵塞或死機；如果模輥間隙太小，就必須減少物料的喂入量，這樣會降低機器的生產率、增大摩擦阻力，增加成型設備的能耗。

3.7.2 環模厚度

環模越厚，壓制出的顆粒密度越高、粒度越硬。一般通過改變環模模孔有效長度，來獲得不同密度和硬度的顆粒。

3.7.3 模孔壓縮比

一般用壓縮比來衡量模孔的工作參數，環模的壓縮比為模孔直徑與模孔有效長度之比。模孔的壓縮比決定顆粒成品的品質和產量，壓縮比越小說明模孔有效長度越長，顆粒成型過程中產生的阻力就越大，擠出的顆粒密度越大，硬度也越高，相應的機器能耗越大，產量也越小，容易堵死。所以對于粗纖維物料，為了保證顆粒能正常出料，且獲得較高的成型率，壓縮比一般為1∶5～1∶8[7]。

3.7.4 模孔開孔率

環模孔徑確定之后，開孔率的大小決定成型顆粒的出料率，但也不能為了提高出料率而一味地減小模孔間距，那樣會減弱模板和模孔的強度，容易使它們變形甚至損壞。因此，模孔開孔率要合理安排，才能在提高生產率的同時延長模板壽命。

4 結論

通過對檸條顆粒飼料壓制機結構與工作原理的分析，對影響制粒的因素和對影響制粒因素控制的研究，說明經過顆粒飼料的加工過程，提高了動物對顆粒飼料的消化吸收利用率。另外，采用電機軟啟動裝置，改善電機啟動條件，自動潤滑系統保證機器的正常運行。與物料接觸的部分均采用0Cr18NI9全不銹鋼制作，保證了設備的耐腐蝕性。過負荷全自動保護、皮帶打滑監視、蒸汽電磁閥控制等，使設備操作方便。總之，檸條顆粒飼料壓制機的整機設計合理、技術先進、自動化程度高，具有很強的市場競爭力，可以進行廣泛推廣及生產應用，同時也為以檸條為主飼料的集約化、規模化養殖提供檸條飼料加工技術及關鍵設備和配套設備的選型，并對檸條顆粒飼料制粒機械的進一步研究提供一定經驗借鑒和理論依據。

[1]牛西午.廣植檸條恢復植被——關于在我國西北地區大力發展檸條林的建議[J].科技導報，1999（2）：60-62.

[2]劉春生，韓葆穎.檸條飼料加工工藝研究[J].農產品加工，2015（11）：32-34.

[3]楊海燕，于海良.檸條的飼用價值大有可為[J].今日畜牧獸醫，2007（12）：61-62.

[4]王敏.顆粒飼料壓制機模輥間隙的探討[J].江西飼料，2006（1）：24-26.

[5]任鵬華，郭玉明，鄭德聰，等.檸條顆粒成型加工影響因素比較分析[J].農機化研究，2013（11）：49-51.

[6]趙曉芳.顆粒飼料水分的綜合控制措施[J].廣東飼料，2008（11）：31-32.

[7]劉徽.環模壓塊機壓縮室設計[J].農業裝備技術，2006（6）：32-33.◇

Analysis and Research of Caragana Pellet Feed Press

CHEN Hailin，LIU Chunsheng，WANG Xiaoyang
（Shanxi Academy of Agricultural Mechanization，Taiyuan，Shanxi 030031，China）

This paper introduces the technical parameters and technical characteristics of Caragana pellet machine，working principle and main parts.Analyzes the main factors influencing the granulation and control method，the particles press in the design，performance，automation etc，provides some experience and theoretical basis for further research on mechanical Caragana pellet feed.

Caragana pellet feed press；feeding；quenching and tempering；automatic control

S817.12

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.08.043

1671-9646（2017）08b-0037-04

2017-07-09

新型飼料智能收獲和精益制備技術與裝備研究（2012AA10A509-03）。

陳海林（1974—），男，本科，工程師，研究方向為農業機械。