牛奶分流取樣加工裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計*

高喜銀 ， 宋 強(qiáng) ， 馬偉男 ， 褚素喬

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001；2.石家莊市畜牧技術(shù)推廣站，河北 石家莊 050000）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民對膳食營養(yǎng)重視程度的不斷提升，乳制品日益受到消費者的青睞，同時，人們對乳制品的質(zhì)量要求也越來越高。農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷擴(kuò)大，使我國奶業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展期[1-2]。據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的《中華人民共和國2021年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，2021年全年國內(nèi)牛奶產(chǎn)量為3 683萬t，增長7.1%[3]。牛奶富含鈣、磷、維生素A、維生素D等營養(yǎng)物質(zhì)，還含有人體所需的各種蛋白質(zhì)和8種必需的氨基酸[4]，具有降低人體內(nèi)膽固醇、助眠及中和胃酸等功效，備受人們喜愛[5]。

本研究所述牛奶是指奶牛產(chǎn)出的生鮮乳，是乳制品生產(chǎn)的原料[6]。新擠出的牛奶中存在部分浮沫及雜質(zhì)，需經(jīng)過靜置沉淀、分離雜質(zhì)后才能夠?qū)εＤ踢M(jìn)行取樣檢測。目前，部分地區(qū)采用將原料奶靜置桶中、人工除雜、取樣管取樣的傳統(tǒng)方法，該方法存在自然靜置耗時長、生產(chǎn)效率低、去雜不凈、取樣工作繁復(fù)、易污染等問題。

基于此，課題組設(shè)計了針對牛奶取樣環(huán)節(jié)的靜置沉淀瓶和分流取樣器。靜置沉淀瓶內(nèi)，牛奶液面因液面抬升部的填充而被抬升，從而形成位于瓶體底部的乳液層及位于上層的浮沫雜質(zhì)層，從而實現(xiàn)了對牛奶中乳液和浮沫雜質(zhì)的沉淀分離。分流取樣器可在儲存牛奶的同時，提取一定比例的樣本供后續(xù)檢測使用，進(jìn)而達(dá)到對液體實時分流取樣、避免污染的目的。

1 取樣的意義

奶牛生產(chǎn)性能測定，即對奶牛泌乳性能及乳成分的測定，是為奶牛生產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的主要手段和牛群遺傳改良的基礎(chǔ)，也是提高奶牛生產(chǎn)性能、奶牛飼養(yǎng)科技含量的有效措施[7]。所采集的樣本質(zhì)量直接影響檢測結(jié)果以及依據(jù)檢測結(jié)果所確定的調(diào)整計劃。

為確保樣本的精準(zhǔn)性、有效性，課題組設(shè)計的靜置沉淀瓶可高效去除經(jīng)主奶管分流至取樣環(huán)節(jié)的牛奶中的雜質(zhì)，分流取樣器可對除雜后的牛奶進(jìn)行實時定比例取樣以及分流至殺菌消毒環(huán)節(jié)。課題組規(guī)劃的牛奶加工過程示意圖如圖1所示。

圖1 牛奶加工過程示意圖

2 牛奶靜置沉淀裝置

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

靜置沉淀瓶結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，該裝置主要由瓶體、底蓋、液面抬升部、進(jìn)液口、流道口、出液口構(gòu)成。以圖2結(jié)構(gòu)示意圖定義上、下方位關(guān)系。

圖2 靜置沉淀瓶結(jié)構(gòu)示意圖

瓶體整體呈圓柱狀，瓶體頂部軸向中心設(shè)有進(jìn)液口，瓶體底部敞口設(shè)置，底部圓周外沿設(shè)有環(huán)瓶體間隔布置的6個弧狀凸起的校準(zhǔn)配合部，底蓋上設(shè)有同樣規(guī)格的6個校準(zhǔn)部，兩者側(cè)壁分別內(nèi)凹形成凹槽，可通過對齊布置實現(xiàn)精準(zhǔn)定位與校準(zhǔn)。瓶體與底蓋通過螺紋連接，以達(dá)到密封效果。

底蓋整體呈圓盤狀，底蓋上方軸向中心設(shè)有向上具有預(yù)設(shè)高度呈圓錐狀的液面抬升部，液面抬升部尖端向上，底部至少遮蓋部分出液口以及流道口與出液口的連通部位，繞液面抬升部于底蓋上周向間隔布置6個流道口，流道口逐漸收窄，相互靠近的一端連通于底蓋下方軸向中心設(shè)置的出液口。底蓋下方設(shè)有周向間隔布置的6個螺紋孔，用于連接取樣器。

2.2 工作原理

新采集的牛奶經(jīng)瓶體頂部正中心進(jìn)液口注入靜置沉淀瓶，且注入流量略大于流出流量。初始，靜置沉淀瓶與外接加工設(shè)備之間閥門閉合，牛奶因瓶內(nèi)液面抬升部的存在，瓶體內(nèi)液面被抬升，促使牛奶分層，形成位于上層的浮沫雜質(zhì)層和位于下層的乳液層。待兩裝置間閥門打開，乳液層經(jīng)流道口匯集于底蓋下方出液口流出，以實現(xiàn)對牛奶中乳液和浮沫雜質(zhì)的沉淀分離。

2.3 裝置優(yōu)點

牛乳營養(yǎng)豐富，也成為微生物、細(xì)菌的生長繁殖的絕佳場所，一旦貯藏、監(jiān)測不當(dāng)，極易發(fā)生變質(zhì)[8]。生鮮牛乳受細(xì)菌污染的機(jī)會及途徑極多，這會影響生鮮牛乳的衛(wèi)生質(zhì)量[9]。因此，對牛奶加工裝置的密封性要求極高。

課題組所設(shè)計的靜置沉淀瓶，密封性良好，瓶體與底蓋間以螺紋連接形式連接，避免牛奶直接暴露在空氣中被污染，以保證牛奶的純凈性。靜置沉淀瓶結(jié)構(gòu)精簡，較桶內(nèi)靜置人工除雜的傳統(tǒng)方法更具高效性，除雜率高。靜置沉淀瓶內(nèi)部瓶體與底蓋上設(shè)有的弧形凸起校準(zhǔn)，可實現(xiàn)精準(zhǔn)定位校準(zhǔn)以及瓶體與底蓋的緊密貼合。同時，操作人員可更加直觀地判斷靜置沉淀瓶是否密封良好。

每天隨機(jī)采集4～6頭奶牛的牛乳，共采集35份牛乳樣本[10]。并隨機(jī)選取15份樣本以傳統(tǒng)方法除雜，15份樣本通過靜置沉淀瓶完成除雜工作，剩余5份樣本作空白對照。兩種除雜方式的對比結(jié)果如表1所示。

表1 兩種除雜方式對比結(jié)果

3 牛奶分流取樣裝置

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

牛奶分流取樣器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。該裝置主要由殼體、套體、閥體、調(diào)節(jié)桿、連通孔、節(jié)流孔、進(jìn)液口、儲液出液口、取樣出液口等構(gòu)成。以圖3結(jié)構(gòu)示意圖定義左、右方位關(guān)系。

圖3 牛奶分流取樣器結(jié)構(gòu)示意圖

殼體近似圓筒狀，具有連通外部和空腔的進(jìn)液口、取樣出液口和儲液出液口。進(jìn)液口位于最左側(cè)，儲液出液口位于殼體中部，且兩出液口沿殼體長度方向間隔布置。殼體內(nèi)部設(shè)有沿長度方向布置的空腔，空腔內(nèi)所設(shè)置結(jié)構(gòu)從左至右依次是第一套體、閥體、第二套體，結(jié)構(gòu)間密封性能良好。

第一套體又名取樣出液口套體，具有連通進(jìn)液口和空腔的取樣連通腔，其與殼體之間形成與取樣出液口連通的內(nèi)腔，內(nèi)腔沿第一套體周向布置。第一套體上設(shè)有周向間隔布置的用于連通內(nèi)腔和取樣連通腔的連通孔和節(jié)流孔，節(jié)流孔的數(shù)量遞減設(shè)置。第二套體設(shè)于殼體空腔內(nèi)，位于儲液出液口右側(cè)，具有第二連通腔。

閥體，具有與取樣連通腔連通的閥腔，還具有連通閥腔和空腔的連通部，包括沿閥體周向間隔布置的孔徑大于取樣連通孔、節(jié)流孔的閥腔連通孔和數(shù)量遞增設(shè)置的閥腔節(jié)流孔。閥體沿殼體的長度方向?qū)蚧瑒拥卦O(shè)于取樣連通腔和第二連通腔內(nèi)。

閥體右側(cè)設(shè)有穿設(shè)于殼體上的調(diào)節(jié)桿，其由連接頭、連接桿、操作頭構(gòu)成，連接頭轉(zhuǎn)動設(shè)于閥體上，操作頭位于殼體外部，連接桿上設(shè)有外螺紋，殼體上設(shè)有供連接桿穿設(shè)的內(nèi)螺紋孔，連接桿和殼體間螺紋連接。

3.2 工作原理

經(jīng)除雜的牛奶由進(jìn)液口注入，流經(jīng)取樣連通腔、閥腔及其上所設(shè)置的連通孔、節(jié)流孔，經(jīng)第一套體、閥體的內(nèi)腔、空腔，于取樣出液口和儲液出液口流出。閥腔內(nèi)連通孔孔徑最大，節(jié)流孔數(shù)量呈遞增形式，取樣連通腔內(nèi)連通孔孔徑較小，節(jié)流孔數(shù)量呈遞減形式，除閥腔連通孔，其余孔徑較小且相同。

調(diào)節(jié)桿驅(qū)動閥體在取樣連通腔和第二連通腔內(nèi)左右滑動，以實現(xiàn)對一定數(shù)量的取樣連通腔節(jié)流孔的封堵（導(dǎo)通）和對相應(yīng)數(shù)量的閥腔節(jié)流孔的導(dǎo)通（封堵）。兩腔內(nèi)節(jié)流孔對稱設(shè)置，可保證在調(diào)節(jié)過程中分流取樣器內(nèi)牛奶的流速和液壓不變，在存儲大量牛奶的同時，提取一定比例的樣本供后續(xù)檢測使用，進(jìn)而達(dá)到對牛奶進(jìn)行實時分流取樣的目的。

3.3 裝置優(yōu)點

牛奶分流取樣器所取樣本質(zhì)量與牛奶品質(zhì)的鑒定結(jié)果有直接關(guān)系，且實時定比例采取樣本更具代表性。

課題組所設(shè)計的牛奶分流取樣器結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，能夠通過精確地調(diào)節(jié)螺紋桿調(diào)節(jié)取樣連通腔和閥腔內(nèi)節(jié)流孔導(dǎo)通和封堵的數(shù)量，進(jìn)而調(diào)節(jié)取樣出液口、儲液出液口的牛奶流量，方便取樣人員依據(jù)取樣需求進(jìn)行取樣。與傳統(tǒng)取樣管取樣方法相比，避免了冗雜繁復(fù)的人工取樣，確保了取樣過程的密封性。牛奶分流取樣器密封性能良好，可避免牛奶泄漏及污染，以保證樣本質(zhì)量。取樣器內(nèi)取樣連通腔與閥腔兩腔內(nèi)節(jié)流孔孔徑相同，呈對稱設(shè)置，可保持在調(diào)節(jié)過程中取樣器內(nèi)部牛奶的流速、液壓穩(wěn)定。

4 小結(jié)

針對當(dāng)前牛奶加工過程中，取樣環(huán)節(jié)存在的靜置沉淀人工除雜效率低、除雜不凈、取樣工作繁復(fù)、樣本代表性差、牛奶易被污染等問題，課題組設(shè)計了一種靜置沉淀瓶和牛奶分流取樣器。靜置沉淀瓶精簡、獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免了牛奶直接暴露在空氣下而被污染，實現(xiàn)了對牛奶中乳液和浮沫雜質(zhì)的分層及分離。牛奶分流取樣器密封性能良好，操作精準(zhǔn)，可依據(jù)取樣原則通過調(diào)節(jié)取液連通腔、閥腔內(nèi)對稱設(shè)置的節(jié)流孔封堵或?qū)ǖ臄?shù)量，實時采集一定比例的牛奶樣本供后續(xù)檢測使用。試驗結(jié)果表明，課題組所設(shè)計的這兩種牛奶加工裝置結(jié)構(gòu)合理，具有高效除雜、降低人工成本、實時分流取樣、避免污染等優(yōu)點，可為同行業(yè)加工裝置設(shè)計提供技術(shù)支持。