胡淑珍 周海軍 孫志宏 劉印志 馬顯軍

(1. 中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，北京 100083；2. 中機康元糧油裝備(北京)有限公司，北京 100083)

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衣架式米粉擠絲機機頭的設計

胡淑珍1周海軍1孫志宏2劉印志1馬顯軍2

(1. 中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，北京 100083；2. 中機康元糧油裝備(北京)有限公司，北京 100083)

為了提高米粉加工的自動化程度和降低勞作強度，設計一種衣架式米粉擠絲機機頭來解決米粉擠絲工藝中出絲速度不均的問題?；诹鲃踊炯僭O、體積流量方程、流動平衡方程等推導計算出衣架式機頭主體部分的結(jié)構(gòu)尺寸；考慮到米粉屬天然高分子物質(zhì)，設計了調(diào)節(jié)機構(gòu)和加熱系統(tǒng)。衣架式機頭是利用淚滴型歧管的分配作用、調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)流道截面和加熱系統(tǒng)改變米粉物性參數(shù)來實現(xiàn)擠絲速度均勻性的。驗證實驗結(jié)果表明：該衣架式米粉擠絲機頭顯著提高出絲速度的均勻性，RV值降低到5%以下，符合設計要求。

米粉；擠絲機；衣架式機頭；出絲速度

米粉是以大米為原料，經(jīng)熟化后再加工成型而成。根據(jù)成型工藝分為切粉(切條成型)和榨粉(擠壓成型)兩種，目前大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中，以擠壓法生產(chǎn)米粉居多[1-2]。米粉螺桿擠壓技術將輸送、壓縮、混合、蒸煮、變性、脫水、殺菌、成型等多種操作單元同時完成，具有在高溫、高壓工況下短時、高效、連續(xù)加工且其加工過程清潔衛(wèi)生的特點[3]。但擠出法生產(chǎn)米粉時，由于擠絲機機頭出絲面較大，米粉擠絲機螺桿靠近出絲面幾何中心，而現(xiàn)有各種圓口機頭或方口淺槽機頭因沒有流道的設計，熔融米粉借助螺桿的推動由擠絲機機筒直接進入機頭擠絲孔，這就導致各個出絲孔截面上的壓力不均，米粉物料多少不一，進而無法保證米粉物料在出絲面上各個出絲孔擠絲速度一致，表現(xiàn)為中心快，邊緣慢，擠絲速度相對差異率在15%～20%乃至更高，這為米粉生產(chǎn)的自動化生產(chǎn)增加了困難。目前在米粉擠絲機設計中，還是根據(jù)經(jīng)驗設計、試制、應用[4]，這種設計方法周期長、精度低、成本高，難以滿足米粉生產(chǎn)的高端化、自動化要求[5]。目前對米粉的研究主要集中在原料儲藏方式[6-7]、原料品種[8-9]、粉碎處理[10-11]和發(fā)酵處理等對米粉品質(zhì)的影響[12-13]以及復合米粉生產(chǎn)[14-15]、保鮮保溫[16-17]和干燥[18-19]等方面，雖對裝備的研究較少，但也為裝備研究提供了基礎。根據(jù)米粉的原料特性及生產(chǎn)實際，借鑒塑料造粒、纖維紡絲等其他領域?qū)β輻U擠出機機頭的研究[20-21]，課題組擬研制一種米粉專用寬幅化擠出機頭，旨在有效解決米粉擠出設備的出絲速度不一致問題。

1 基本組成及工作原理

1.1 基本組成

該衣架式機頭包括主體部分和輔助部分。主體部分主要包括歧管、扇形及模唇等結(jié)構(gòu)；后者主要包括加熱及調(diào)節(jié)等輔助機構(gòu)。機頭總體結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 工作原理

米粉擠絲生產(chǎn)中用的各種圓口機頭或方口淺槽機頭直接連接擠絲機機筒，沒有流道的設計，熔融米粉由擠絲機機筒中的螺旋運動狀態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€向下或者是向前，進入機頭擠絲孔，這就無法保證米粉物料在出絲面上各個出絲孔的流速一致及流量均勻。本研究選擇直線漸縮型衣架機頭，機頭呈左右對稱衣架式，左右兩邊的歧管向下傾斜呈160°夾角，利于熔融米粉沿歧管方向流動；歧管截面呈淚滴型，相比于圓形截面，淚滴型截面的歧管呈現(xiàn)上部體積大，下部體積小，且圓滑過渡，增大重力作用，黏滯力相對減小，利于高黏度的米粉向下流動。熔融米粉經(jīng)淚滴型岐管均勻分配到整個扇形區(qū)內(nèi)，按設計假設，米粉熔體流經(jīng)阻尼區(qū)、模唇區(qū) 、模板區(qū)時的流速是相等的，但在實際中由于受物料組分、溫度、壓力等指標的穩(wěn)定性影響很難做到完全一致。因此在流道阻尼區(qū)后設計了阻尼調(diào)節(jié)機構(gòu)，工作時，逆時針擰動調(diào)節(jié)阻尼螺桿，使流道間隙減小，從而調(diào)節(jié)流速使米粉熔融體以均勻的速度通過過渡區(qū)、模唇區(qū)，最終進入模板區(qū)以均勻的速度擠出。另外，由于米粉原料屬于天然高分子聚合物，其流變特性受原料品種、產(chǎn)地等因素影響較大[22]，為提高機頭對原料的適應性，在機頭上設計了加熱機構(gòu)——可改變米粉原料的流變特性。衣架式機頭工作原理見圖2。

1. 過渡頭 2. 衣架擠出機頭 3. 模板 4. 壓板 5. 壓力傳感器 6. 調(diào)節(jié)螺桿 7. 加熱恒溫裝置

圖1 機頭總體結(jié)構(gòu)圖

Figure 1 Main structure of extruder die

2 主要部件的設計及其參數(shù)的確定

衣架式機頭主體部分主要包括歧管、扇形及模唇結(jié)構(gòu)，采用一維流動理論對初步參數(shù)進行研究設計，設計中質(zhì)量流量區(qū)Q0為35 kg/h，米粉非牛頓指數(shù)取0.44[5]。

米粉擠絲機衣架式機頭簡化模型見圖3。

2.1 岐管最大半徑

根據(jù)產(chǎn)量與入口半徑關系式，可由式(1)求得岐管最大半徑R0：

(1)

1. 進料口 2. 岐管 3. 扇形區(qū) 4. 阻尼區(qū) 5、6. 調(diào)節(jié)區(qū) 7. 過渡區(qū) 8. 模唇區(qū) 9. 模板區(qū)

圖2 衣架式機頭工作原理

Figure 2 The working principle of the hanger type head

x. 岐管軸方向y. 機頭擠出方向z. 岐管任意點幅寬方向長度，mm 2Q0. 米粉產(chǎn)量，Q0=35 kg/hB. 半幅寬長度，0.375 mPx. 熔體沿岐管流動的壓力，PaPy. 熔體沿扇形區(qū)流動的壓力，PaL. 模唇長度，mmyc. 扇形區(qū)中心高度，mmy0. 穩(wěn)壓區(qū)高度，mmR0. 岐管最大半徑，mmr. 任意處岐管半徑，mmH. 狹縫厚度，mm

圖3 衣架機頭簡化模型

Figure 3 Coat-hanger passageway model

式中：

U0——入口流速，0.8 m/min；

ρ——米粉的密度(水分含量不同，密度略有差異)，取1 050 kg/m3。

將米粉U0及ρ代入式(1)，可得R0=14.87 mm，考慮到加工精度，整取R0=15 mm。

2.2 扇形區(qū)間隙

淚滴岐管設計中，采用當量面積相等法則，即將淚滴岐管有效截面積近似為圓管形岐管，根據(jù)流體在圓管中流動理論，可得熔體沿x方向的體積流量方程為[23]：

(2)

考慮到dx,dy,dz，有

(3)

將式(3)代入式(2)，消去dx，化簡得：

(4)

把岐管半徑r看成z的函數(shù)，將式(4)乘以n次方，重排可得：

(5)

式中：

φ1=(πn/3n+1)(1/2K)1/n。

(6)

根據(jù)熔體流動平衡方程[24]，可得熔體在歧管內(nèi)的體積流量：

Q=Q0z/B。

(7)

將式(9)式代入式(7)，得：

(8)

按衣架式機頭設計理念，欲使熔體流出均一，沿寬度方向熔體流出的流量需相等，即下式成立：

(9)

將式(9)此代入式(4)，乘以n次方，經(jīng)整理得：

(10)

式中：

(11)

根據(jù)流動基本假設[25]可知，式(8)中的dpx/dy與式(10)中的dpy/dy相等，因此，可將式(8)代入式(10)中，消去dpx/dy后整理得：

r3n+1=[3n+1/2π(2n+1)]nznH2n+1[1+(dz/dy)2]1/2。

(12)

(13)

將vy、vx、式(2)中的dx和式(6)中的Q，代入式(13)中，經(jīng)化簡整理后得：

(14)

將式(14)代入式(12)消去根號項[1+(dz/dy)2]1/2，經(jīng)整理化簡后，可得歧管半徑函數(shù)計算函數(shù)：

(15)

當z=B時，r=R0，既得歧管最大半徑

(16)

可得狹縫厚度：

(17)

將R0=15，B=375代入，可求得H=5 mm。

2.3 岐管半徑

由式(15)、(16)可得圓錐型岐管任意截面處半徑為：

(18)

將B值及不同Z處幅寬代入式(18)，可求得淚滴型歧管不同Z處相對于圓錐型歧管的當量r值。具體當量r值見表1。

岐管采用淚滴岐管設計，關于非圓形狀岐管與圓形岐管的處理方法有多種，本研究參照文獻[26]，采用當量半徑法，即將傳統(tǒng)圓形岐管半徑作為淚滴截面的當量半徑，即，按圓錐岐管求得圓管半徑作為淚滴岐管的當量半徑，淚滴岐管當量半徑采用當量系數(shù)法，按式(19)計算：

表1 任意幅寬處岐管當量半徑值

(19)

式中：

S0——淚滴截面的面積，mm2；

U——淚滴截面的周長，mm；

R0淚滴——淚滴當量半徑；mm。

淚滴截面結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖4。

Z0. 淚滴夾角，取33°H. 狹縫厚度，5 mmRi.半徑，15mmLe. 長方形高，mmS0、S1、S2、S3、S4、S5. 各代表處面積，mm2

圖4 淚滴岐管截面基本結(jié)構(gòu)

Figure 4 Tear-dropped manifold structure

由圖4可知，淚滴截面總面積可通過式(20)求得：

S0=2(S1+S2+S3+S4+S5)，

(20)

式中：

S3——面積為三角形面積，(RisinZ0·RicosZ0)/2 mm2；

S4——面積為三角形面積，(RicosZ0-H/2)·(RicosZ0-H/2)cotZ0/2 mm2；

S5——面積為長方形面積，(RicosZ0-H/2)cotZ0/2 mm2。

可知水滴截面總周長U為S1和S2弧長加S4三角形邊長以及S5長方形的寬，即：

(21)

當水滴的面積及周長公式(21)代入式(19)可知，此當量半徑會正好等于淚滴形狀圓形的半徑；因此確定Ri0=15 mm；分別將Ri1及Ri2代入式(19)，如上所述，淚滴截面的半徑確定，淚滴夾角、狹縫厚度確定，便可以確定唯一的淚滴截面，即幅寬375， 325，275 mm處淚滴截面尺寸便確定。

為最大程度使岐管內(nèi)流動平穩(wěn)，淚滴漸縮幅度以首3個截面為放樣基準面，確保隨后淚滴岐管截面的圓弧面頂點與前3個截面均相切在同一條直線上，故由最大淚滴截面積，漸縮至50 mm處時，圖5中陰影部分為在幅寬長度方向上，最終漸縮遞減掉的面積。

2.4 扇形區(qū)高度

扇形區(qū)高度由穩(wěn)壓區(qū)高度及三角區(qū)高度組成，即：

L1=yc+y1，

(22)

式中：

Z0. 淚滴夾角 R0. 最大歧管半徑 B. 幅寬

L1——扇形區(qū)高度，mm；

yc——三角形區(qū)高度，mm；

y0——穩(wěn)壓區(qū)高度，mm。

2.4.1 三角區(qū)高度 根據(jù)直線漸縮型岐管其X軸斜率恒定特點，可得：

(23)

由于幅寬B按食品米粉工藝要求確定為375 mm，衣架角度一般在160°～175°，本例中先初步選定α/2為80°，可得yc=58.5 mm。

2.4.2 穩(wěn)壓區(qū)高度 將式(13)平方重排可得：

(24)

由此得：

(25)

將式(15)中的r代入式(25)中，化簡整理得

(26)

式中：

(27)

(28)

(29)

將n代入式(29)，可得y0=1.8 mm。

將y0及yc相加取整得：L1=60 mm。

2.5 模唇長度

根據(jù)模唇在米粉成型中的作用，要考消除因米粉彈性回復形變而產(chǎn)生的出模膨脹，必須使熔體流經(jīng)模唇的最低時間大于等于熔體在該工藝條件下的應力松弛時間。按理論計算模唇長度應為：

(30)

式中：

ts——熔體應力松弛時間，s。

取米粉的應力松馳時間為0.123 s[27]，工程設計中模唇長度還與制品厚度有關，本試驗中由于模板為多孔多排，其模唇厚度不是真實擠出厚度，結(jié)合兩方面考慮，本模唇長度取30 mm，模唇高度取54 mm。

2.6 調(diào)節(jié)區(qū)

在流道扇形區(qū)后設計了阻尼調(diào)節(jié)機構(gòu)，其主要由阻尼棒、壓板、緊固螺栓、緊固方板等組成(見圖6)。工作時，逆時針擰動調(diào)節(jié)阻尼螺桿，使其頂緊壓板從而調(diào)小壓板與流道間的間隙，而達到流量流速調(diào)節(jié)的目的。

1. 調(diào)節(jié)螺桿 2. 調(diào)節(jié)板 3. 螺母 4. 調(diào)節(jié)壓板

從功能角度而言，調(diào)節(jié)螺桿就像是一個調(diào)節(jié)閥，可以方便地調(diào)節(jié)流道中熔體的流速、壓力，使熔體在其出口橫向全寬方向上的流速均勻一致?？紤]到米粉擠出機機頭幅寬設計較大，其阻尼調(diào)節(jié)區(qū)間隙初步定在0～5 mm可調(diào)。調(diào)節(jié)區(qū)寬度設定20 mm，可使米粉熔體有一個充分的流動寬度，調(diào)節(jié)區(qū)上、下夾角按45°設計。

2.7 過渡區(qū)

本設計的目標是實現(xiàn)多排多孔米粉方形擠出，因此最終口唇區(qū)會較厚，從阻尼調(diào)節(jié)區(qū)至口唇區(qū)中間設計過渡區(qū)，此過渡區(qū)的設計需確保流場平穩(wěn)過渡。取過渡區(qū)長53 mm。

2.8 加熱恒溫系統(tǒng)

米粉熔體在機頭流道中流動擠出的過程中溫度會發(fā)生變化，首先，物料與機頭機體接觸，勢必要向空氣中散熱，尤其是冬天散熱更歷害，會使邊壁附近物料溫度降低；其次，由于流道各功能區(qū)的尺寸變化帶來的局部流速大而產(chǎn)生的摩擦生熱問題，都會使物料溫度發(fā)生變化而使得熔體在流道中各處溫度是不均勻的，溫度波動導致米粉熔體的流變參數(shù)變化，從而影響米粉擠出速度。在傳統(tǒng)槽形機頭擠出過程中，其模頭左、右兩端與中心的溫度差異分別在10 ℃以上。為了保證流速均勻，勢必要對機頭溫度進行定量控制。針對溫度對流動均勻性的不利影響方面，設計了電加熱系統(tǒng)，主要用來補償對模頭寬幅邊緣由于散熱面導致的溫度不均問題。針對模頭的寬幅尺寸，加熱系統(tǒng)采用三區(qū)式設計，左、中、右各采用一區(qū)電熱系統(tǒng)，其啟停采用PLC自動控制，根據(jù)生產(chǎn)中需要的溫度設定后，加熱系統(tǒng)加熱到設定溫度點后，自動停止加熱?？紤]在生產(chǎn)中，升溫時間短，速度快，電功率設計偏大，左右區(qū)電加熱功率4.5 kW，中區(qū)電加熱功率3 kW。

2.9 模板區(qū)

從米粉制品來看，其生產(chǎn)絲徑要求范圍在0.5～2.0 mm，應該對模板單獨設計，對不同規(guī)格或絲徑要求的擠出任務，可通過更換不同規(guī)格的模板得以實現(xiàn)。為了防止出絲粘接，排數(shù)設計越少越好，但也需結(jié)合產(chǎn)量的需要，初步設計為2排。根據(jù)市場上米粉的形狀、直徑，以最典型的直徑尺寸1.5 mm為代表，在出孔板上均勻排列，過渡段厚度為15 mm，微孔段的厚度為10 mm，導入角為19°，見圖7。

1. 微孔段 2. 過渡段 3. 導入角

3 驗證實驗

除了擠絲機頭結(jié)構(gòu)外，影響米粉擠出速度均勻的操作條件主要是擠出轉(zhuǎn)速、溫度及物料水分含量。為分析擠絲機機頭在不同操作條件下對擠絲速度均勻性的影響，具體試驗因素設計見表2。

表2 米粉擠出試驗因素水平表

出絲速度均勻性可以用速度標準差與其平均值的百分比來衡量，能很好地評價數(shù)值個體之間的離散程度以及結(jié)果指標分布程度好壞。按式(31)計算速度平均值v'。

(31)

式中：

v'——代表點模孔出絲速度的平均值，m/s；

N——代表點?？椎目倲?shù)量；

vi——每個代表點?？壮鼋z速度，m/s；

計算所有代表點的速度均勻率RV值：

(32)

各代表點用長卡尺進行長度測量，記錄其10 s內(nèi)擠出的米粉長度，每個試驗下共測3次，每次開始相隔4 min，按式(32)計算米粉速度相對均勻率RV，見表3。

由表3可知，在不同操作條件下，所設計米粉擠出機機頭對出絲速度的均勻性均有顯著提高(現(xiàn)有擠絲設備RV值在15%～20%)，其RV值在3%～5%，其中在轉(zhuǎn)速60 r/min、擠出溫度86 ℃、水分含量32%的操作條件下，RV值最低，為3.47%。這表明文中所設計衣架式擠絲機頭達到了設計要求。

表3 擠出速度RV值表

4 結(jié)論

基于衣架式機頭一維流動理論，設計了米粉直線漸縮淚滴型衣架機頭結(jié)構(gòu)，確定關鍵參數(shù)：衣架角度160°，狹縫厚度5 mm，扇形區(qū)高度60 mm，同時設計了調(diào)節(jié)機構(gòu)及加熱系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)。所設計衣架式擠絲機機頭在多種操作條件下均可顯著提高米粉出絲均勻性，有效地解決了生產(chǎn)中出絲不均問題，降低了生產(chǎn)人員勞動強度，提高了米粉生產(chǎn)效率。在以后的工作中，還需要精確計算此設備的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其臻于完善。

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Design of coat-hanger die using in rice noodles wire extruding machine

HUShu-zhen1ZHOUHai-jun1SUNZhi-hong2LIUYin-zhi1MAXian-jun2

(1.ChineseAcademyofAgriculturalMechanizationofScience,Beijing100083,China;2.ChinaMachineryKangyuanCerealsandOilsEquipment(Beijing)Co.,Ltd.,Beijing100083,China)

In order to improve the degree of automation and reduce labor intensity in the rice noodles processing, designed the coat-hanger die of rice noodles wire extruding machine to solve rice crowded uneven wire speed problem in the process of silk.Based on the flow basic assumptions, volume flow equation and the flow balance equation is derived to calculate hangers type main part of the structure of the Coat-Hanger Die size. Considering the rice noodle is a natural polymer material, adjusting mechanism and the heating system is designed. The Coat-Hanger Die realize the crowded wire velocity uniformity by using the tears manifold distribution function, regulator to adjust flow channel section and the heating system change rice physical parameters. The results showed that the Coat-Hanger Die improves the uniformity of the wire speed and that the RV value reduced to below 5%,which is in good accordance with the designing requirement.

rice noodles; wire extruding machine; coat-hanger die; wire speed

2015年糧食公益性行業(yè)科研專項(編號：201513003)

胡淑珍 (1978—)，女，中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院高級工程師，博士。E-mail: 861679642@qq.com

2016—07—24

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.10.015