小型制粒系统优化设计与试验研究

随着饲料行业深入发展,在新饲料原料利用、新饲料及其附属产品个性化、多样化、精细化开发和生产研究过程中,需要依托小型饲料制粒系统,但是国内现有的小型制粒系统有待完善。针对这些问题,论文结合饲料原料摩擦及热物理特性,对小型制粒系统主要部分的结构和工艺参数进行设计与优化,并进行颗粒饲料生产试验验证。得出主要结论如下:1)得到了六类饲料原料(玉米粉、大麦粉、小麦粉、豆粕、DDGS、乳清粉)和一种典型配合粉料的摩擦和热物理特性随水分、粒度的变化规律。研究为饲料原料利用、后续仿真优化提供基础数据。2)喂料器结构与工艺参数优化。基于正交旋转组合设计试验原理,以螺距大小、主轴直径、主轴转速为试验因素,以喂料器喂料量、喂料稳定性为评价指标,采用回归分析和响应面法,对最佳参数组寻优,得到喂料器的最佳参数组合:轴径为35 mm,螺距为57 mm,转速为23.2 r/min,喂料器喂料量波动性减小、喂料稳定性得到提高。3)调质器CFD-DEM模型研究、选型与设计、加工参数优化。首先,提出轴向多点进气式和径向多点进气式两种调质器方案,基于CFD-DEM耦合方法,得出轴向多点进气式调质器更符合本课题需求。接着,据此设计了轴向进气式调质器的结构:内径为0.1 m,调质段长度为0.6 m。蒸汽进气方式为轴向,蒸汽添加孔数目为10,蒸汽进口尺寸为Φ6 mm。最后,基于该结构调质器,以桨叶安装角、调质轴转速、喂料转速为试验因素,以调质器生产率、调质后物料温度为评价指标,按照正交旋转组合试验设计方法,对该结构调质器进行了仔猪料生产参数优化试验,建立了3个因素对调质器作业评价指标的数学模型。通过响应面法寻优,得到调质器的最佳作业参数组合:桨叶安装角为38.1°、调质轴转速为220.6 r/min、喂料转速为17.4 r/min,此方案下,调质器生产率为12.7 g/s,调质后物料温度为65.0 ℃,此时调质器生产率较高、物料温度在要求的加工工艺范围内。4)压辊个数选择、结构参数设计与优化。首先,基于环模内径180 mm,宽度15 mm,分析最大压辊尺寸随不同攫取角度、攫取高度变化情况,得出两辊组合时压辊直径为70 mm,三辊组合时压辊直径为64 mm。接着,分析大小辊组合时理论生产率情况,优化压辊个数为2,压辊直径为70 mm,偏心安装距离为5 mm。最后,模拟模辊挤压过程,结果表明:选用摩擦系数较大的物料,能够减少打滑耗能；适当减小模辊间隙,可以增大挤压应力、提高颗粒饲料质量。5)单模孔挤压仿真模拟、单模孔试验平台搭建与试验。通过有限元分析软件ANSYS模拟物料挤压成型过程,结果表明:物料越靠近模孔壁,应力和应变越大,具有一定层次性;物料外侧流动性较内部滞后。设计并搭建单模孔试验台,研究不同含水率、加热温度、加载载荷下物料应力松弛和颗粒硬度,结果表明:应力松弛发生在挤压结束后的瞬间,超过80%的应力松弛值在应力松弛开始后的30 s内;挤压载荷越大,松弛结束后残余的应力值越大;挤压载荷和物料含水率对应力松弛、挤压后颗粒硬度有显著性影响(P<0.05)。松弛模量随载荷的增大而增大,随含水率的升高而减小;含水率高、加载载荷大,颗粒致密程度高,其硬度值也越大。