德雪紅，郭文斌，張建超，馬克西姆，德志強(qiáng)

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2.株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司，湖南 株洲 412000)

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閉式馬鈴薯渣脫水、壓縮成型試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)研究

德雪紅1，郭文斌1，張建超1，馬克西姆1，德志強(qiáng)2

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2.株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司，湖南 株洲 412000)

馬鈴薯渣松散、密度低、水分高，不利于回收利用，因此將其壓縮成較高密度的成型物料塊是解決上述問(wèn)題的有效途徑。傳統(tǒng)的薯渣壓縮設(shè)備需要先去除水分，再進(jìn)行壓縮。本文根據(jù)馬鈴薯渣的壓縮特性，研制了一種高效方便的脫水、壓縮同時(shí)完成的閉式薯渣壓縮試驗(yàn)裝置，且優(yōu)化了薯渣壓縮裝置。同時(shí)，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了受力分析，并進(jìn)行了樣機(jī)的試制。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的薯渣壓縮試驗(yàn)裝置效率高，證明了此壓縮試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的可行性。

薯渣；壓縮成型；閉式

0 引言

我國(guó)作為世界上馬鈴薯生產(chǎn)大國(guó)之一，每年馬鈴薯淀粉產(chǎn)量大約在30～40萬(wàn)t[1-5]。生產(chǎn)加工馬鈴薯淀粉過(guò)程中，一般每生產(chǎn)1 t的淀粉會(huì)產(chǎn)生約0.8t的薯渣，這些馬鈴薯渣中主要含有水、細(xì)胞碎片、殘余淀粉顆粒和薯皮細(xì)胞及細(xì)胞結(jié)合物，含水量高達(dá)80%～90%。由于薯渣物料松散、含水量高，儲(chǔ)存和運(yùn)輸十分困難，容易腐敗變質(zhì)，造成對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染；如果將其當(dāng)成廢渣掩埋，又會(huì)導(dǎo)致土壤和地下水的污染[6-10]。因此，通過(guò)對(duì)薯渣物料進(jìn)行壓縮脫水、成型，解決馬鈴薯渣的儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題，有利于對(duì)其進(jìn)行后續(xù)的綜合開發(fā)利用，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染，具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。

1 薯渣機(jī)械脫水及壓縮成型現(xiàn)狀[11-24]

新鮮馬鈴薯渣含水率高達(dá)90%左右，但并不具有液態(tài)流體性質(zhì)，而是表現(xiàn)出粘彈性，這主要與其中的淀粉、纖維等殘留物質(zhì)有關(guān)。生產(chǎn)中去除馬鈴薯渣中水分的常見(jiàn)方法有:直接烘干法—直接用烘干設(shè)備烘干馬鈴薯渣；機(jī)械壓縮干燥法—先用機(jī)械壓縮設(shè)備去除馬鈴薯渣中部分水分，再做其他方式干燥。直接烘干法能耗高，且薯渣殘余淀粉在高溫下易出現(xiàn)糊化現(xiàn)象，未能實(shí)現(xiàn)廣泛使用；實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)械壓縮干燥法中，轉(zhuǎn)鼓式、帶式壓濾機(jī)等脫水機(jī)械常用來(lái)前期脫水處理，為進(jìn)一步開發(fā)利用薯渣做準(zhǔn)備。

1)轉(zhuǎn)鼓式壓濾機(jī)：有雙轉(zhuǎn)鼓對(duì)榨機(jī)常見(jiàn)機(jī)型。其關(guān)鍵工作部件由兩個(gè)含金屬濾網(wǎng)的可相向轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)鼓組成，轉(zhuǎn)鼓上設(shè)有用于導(dǎo)流的導(dǎo)流孔，兩轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，薯渣中被擠出汁液通過(guò)金屬濾網(wǎng)被導(dǎo)流孔送入鼓內(nèi)，從底部孔隙被排出鼓外。

2)帶式壓濾機(jī)：由兩條上下張緊的濾帶作為關(guān)鍵部件，其帶間可夾帶薯渣從多個(gè)并排的輥壓筒間通過(guò)，依靠濾帶自身張力產(chǎn)生對(duì)薯渣的壓榨和剪切力，擠出薯渣中水分，完成脫水。

馬鈴薯渣還可利用壓縮式、螺旋式、離心式等脫水設(shè)備實(shí)現(xiàn)脫水。其中，螺旋式淀粉渣壓榨機(jī)，設(shè)備造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其關(guān)鍵部件螺旋軸由3段組成，兩端及內(nèi)壁有多個(gè)出水口，利用摩擦、壓縮在連續(xù)壓榨過(guò)程中脫去水分；活塞壓縮式薯渣脫水裝置，設(shè)備分為3部分：動(dòng)力區(qū)(液壓式)、主脫水區(qū)和脫水堆積區(qū)。連續(xù)出料，脫水耗能低，效果好；離心式脫水機(jī)先將馬鈴薯渣漿置于池中，沉淀后用脫水機(jī)對(duì)其進(jìn)行脫水，再烘干得薯渣單體飼料，最后對(duì)其做固態(tài)菌群發(fā)酵，并與玉米等配料混合制成能量飼料。

上述薯渣前處理脫水設(shè)備及方法在一定程度上解決了新鮮馬鈴薯渣脫水處理時(shí)耗能高的問(wèn)題；但由于淀粉顆粒等物質(zhì)的影響及纖維“重吸”現(xiàn)象[1-3]，目前脫水機(jī)械一般只能將薯渣含水量降到70%左右，且處理后物料松散，仍不利于運(yùn)輸。本文結(jié)合馬鈴薯渣物料松散、粘彈性好、含水率高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適用于馬鈴薯薯渣擠壓脫水及成型的柱塞式壓縮裝置，如圖1所示。該裝置可完成薯渣物料的閉式壓縮試驗(yàn)，并在馬鈴薯渣的壓縮成型的過(guò)程中脫出物料的水分。

2 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與校核

2.1 閉式薯渣物料成型機(jī)工作原理

閉式薯渣物料成型機(jī)成型裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。薯渣在型腔內(nèi)受柱塞板擠壓成型，在其過(guò)程中，對(duì)薯渣物料做假設(shè)：①材料設(shè)為各向同性的可壓縮連續(xù)體；②作用于材料的慣性力和體積力不計(jì)；③物料在成型過(guò)程中遵循總體質(zhì)量不變規(guī)律；④塑性應(yīng)變相比于彈性應(yīng)變小很多；⑤擠壓過(guò)程中物料中水分大部分由型腔氣孔排出。根據(jù)上述假設(shè)可設(shè)當(dāng)薯渣擠壓成成型物料達(dá)到一定密度時(shí)，所受最大平均正壓力均勻作用在成型機(jī)型腔內(nèi)壁上。

1.柱塞桿 2.物料 3.氣孔 4.卸料板 5.頂桿 6.底座 7.型腔 8.柱塞板圖1 閉式薯渣物料壓縮成型機(jī)裝配結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of assembly structure of compression molding machine for closed potato residue

閉式薯渣壓縮成型機(jī)裝配結(jié)構(gòu)，由物料成型型腔、底座、卸料板、柱塞板、柱塞桿及頂桿等零件組成。型腔里的松散的薯渣物料在柱塞桿壓力F作用下受柱塞板的擠壓，水分從型腔的氣孔里排出(氣孔均布排列于型腔16孔×6排)，而薯渣被擠壓形成致密度一定的成型物料，當(dāng)其達(dá)到密度越大，將產(chǎn)生的脹型力P作用于型腔內(nèi)壁也越大；當(dāng)薯渣物料被壓縮成型后，由頂桿推動(dòng)卸料板頂出成型物料。

2.2 閉式薯渣壓縮成型機(jī)成型型腔力學(xué)分析

2.2.1 成型型腔力學(xué)分析

閉式薯渣壓縮成型機(jī)成型型腔受力狀況如圖2所示。薯渣物料放入成型型腔后，在柱塞桿的力F的作用下，松散的薯渣中水分被擠出沿著氣孔流出，薯渣被壓縮成一定形狀；而受壓縮成型物料產(chǎn)生相應(yīng)脹型力P，作用于型腔，使型腔內(nèi)壁受正壓力N的作用，隨著物料致密度增大，型腔內(nèi)壁正壓力N逐漸增大，當(dāng)物料密度達(dá)到最高，正壓力N達(dá)到峰值；此時(shí)，柱塞板及卸料板也同樣受到脹型力P作用，故柱塞板及卸料板內(nèi)壁受力分別為N2、N3，具體如圖2所示。

圖2 閉式薯渣壓縮成型機(jī)成型部件受力簡(jiǎn)圖Fig.2 Diagram of stress of closed compression molding machine parts for potato residue

由力的平衡方程，分析型腔內(nèi)壁受力狀態(tài)為

P=N1

P=N2

P=N3

式中P—物料的脹型力(MPa)；

N1—型腔內(nèi)壁受力(MPa)；

N2—柱塞板內(nèi)壁受力(MPa)；

N3—卸料板內(nèi)壁受力(MPa)。

型腔內(nèi)壁受到均勻的脹型力的作用，且隨脹型力P的增大而增大，故型腔壁厚的大小決定著承受力的大小。

2.2.2 柱塞板力學(xué)分析

柱塞板受力如圖3所示。柱塞板受到薯渣成型物料產(chǎn)生的均勻的脹型力P的作用，在此作用下，柱塞板外緣處產(chǎn)生較大彎矩，故隨脹型力P的增大，柱塞板彎矩也增大。

2.2.3 型腔氣孔力學(xué)分析

型腔氣孔受力狀態(tài)如圖4所示。

在薯渣物料松散狀態(tài)時(shí)，物料里充滿空氣和水分，此時(shí)柱塞板在外力F的作用下，向下運(yùn)動(dòng)使得型腔內(nèi)體積變小，實(shí)現(xiàn)薯渣物料的壓縮；此時(shí)，物料中氣體由氣孔被擠壓排除型腔外，柱塞板繼續(xù)下行，型腔內(nèi)體積繼續(xù)變小，物料中水分開始被擠壓出來(lái)，順著氣孔流出；其流動(dòng)速度由壓縮速度大小決定，水流產(chǎn)生的壓力p’作用于氣孔壁上，如圖4(b)所示。

1.柱塞桿 2.柱塞板圖3 柱塞板受力簡(jiǎn)圖Fig.3 Diagram of stress of piston plate

1.薯渣物料 2.型腔壁 3.氣孔 4.卸料板 5.頂桿 6.底座 (a)

1.薯渣物料 2.型腔壁 3.薯渣擠出水 (b)圖4 型腔氣孔受力簡(jiǎn)圖Fig.4 Diagram of stress of hole on mold cavity

2.3 成型型腔內(nèi)壁強(qiáng)度校核

型腔裝置外形尺寸如圖2所示。型腔設(shè)計(jì)厚度t1=7mm，型腔內(nèi)徑D=95mm，卸料板厚度t3=20mm，柱塞板厚度t2=20mm，型腔材料為合金鋼40Cr的無(wú)縫鋼管，σb=980MPa，σs=785MPa，筒壁設(shè)計(jì)壓力100MPa；柱塞桿直徑d0=30mm。

2.3.1 成型型腔壁厚度的校核

這里由于型腔內(nèi)壁處于類似密閉容器狀態(tài)(氣孔由于直徑dk=1mm太小，忽略不計(jì))，因此其型腔壁厚需要進(jìn)行校核，根據(jù)上述分析有

式中P0—成型型腔設(shè)計(jì)壓力(MPa)；

[σ]t—型腔材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力(MPa)；

te—型腔內(nèi)壁材料有效許可最小厚度(mm)；

Di—成型型腔設(shè)計(jì)內(nèi)徑(mm)；

Ф—焊接制造因素，Ф≤1.0，這里取1.0。

根據(jù)分析，成型型腔內(nèi)壁均勻受力，故需校核內(nèi)壁厚度，這里P0=Pd-d=100MPa，Di=D=95mm，帶入數(shù)值到上式計(jì)算得

即t1=7mm≥te=6.46mm，滿足要求。

根據(jù)以上分析可知，設(shè)計(jì)厚度大于許可最小厚度，故強(qiáng)度合格。

2.3.2 柱塞板的強(qiáng)度校核

根據(jù)分析，柱塞板最外緣處有如下計(jì)算公式

式中σmax—柱塞板實(shí)際受最大應(yīng)力(MPa)；

D—柱塞板直徑(mm)；

t2—柱塞板的厚度(mm)；

k—結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，這里取0.27。

帶入數(shù)值到上式整理計(jì)算得

σmax=609 MPa≤785 MPa=[σs]

根據(jù)以上分析可知，柱塞板強(qiáng)度合格。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)及力學(xué)分析設(shè)計(jì)制造出試驗(yàn)用閉式薯渣壓縮成型樣機(jī)如圖5所示。

2.3.3 氣孔水壓力的計(jì)算

氣孔在薯渣物料被壓縮過(guò)程中，由于型腔內(nèi)壁較大的壓力使得被擠壓排除的水分由氣孔流出的過(guò)程中產(chǎn)生較大壓強(qiáng)，流出過(guò)程中主要以噴射狀流出。假設(shè)柱塞板向下移動(dòng)過(guò)程中，一般擠出水量為0.000 3m3/s，此時(shí)需水流噴射速度為

式中v—?dú)饪變?nèi)水流平均流速(m/s)；

Q—流量(m3/s)；

D—管道內(nèi)徑(mm)。

由以上結(jié)果可知：噴射速度達(dá)到382m/s較大，將形成水分飛濺，影響機(jī)器操作，故還需要設(shè)計(jì)防護(hù)罩于型腔外壁，防止水分飛濺。

通過(guò)初期薯渣的壓縮試驗(yàn)，壓縮機(jī)脫水、壓縮順利，薯渣壓縮成型效果好，脫水效果理想。

圖5 閉式薯渣脫水、壓縮成型樣機(jī)Fig.5 Closed compression molding machine for potato residue

3 結(jié)論

1)針對(duì)薯渣含水率高、松散等特點(diǎn)，閉式薯渣壓縮試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)主要解決薯渣壓縮過(guò)程中的成型與脫水問(wèn)題，其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)壓縮同時(shí)完成薯渣的脫水及成型。

2)閉式壓縮成型機(jī)成型效果與脫水效果較好，經(jīng)校核強(qiáng)度符合成型的要求。實(shí)際使用時(shí)，將加裝保護(hù)殼，以防止排出的水分飛濺，進(jìn)行水分的引流。

3)本設(shè)計(jì)為薯渣前處理過(guò)程中的機(jī)械脫水方式的改進(jìn)、成型效率的提高提供了參考，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化薯渣壓縮裝備。

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Study on the Design of the Closed Type Test Device for the Dehydration and Compression of the Potato Residue

De Xuehong1, Guo Wenbin1, Zhang Jianchao1, Makeximu1, De Zhiqiang2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China; 2.Zhuzhou Cemented Carbide Group Co., Ltd.，Zhuzhou 412000，China)

Potato residue is not conducive to recycling,because of its loose, low density,high moisture content.So it is an effective way to solve the problems by compressing it into a high density molding material block.The traditional potato residue compression equipment need to remove moisture, and then carry on the compression. According to the characteristics of potato residue,a kind of high efficient and convenient testing device was developed,which was made by the method of high efficiency and convenience.Simultaneously, the key components were analyzed, and the model machine was trial-manufacture.The results showed that the design of the potato residue compression test device could achieved high compression, and the feasibility of the design of the compression test device was proved.

potato residue;compression forming;closed type

2016-05-18

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014BS0319)；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(BJ09-21)

德雪紅(1977-)，女(達(dá)斡爾族)，黑龍江德都人，講師，博士，(E-mail)dexuehong@126.com。

郭文斌(1981-)，男，呼和浩特人，講師，博士，(E-mail)wenbingwb2000@sina.com。

S226.9;TS239

A

1003-188X(2017)03-0181-05