武文璇，賈振超，孔凡祝，張宗超，李青，崔相全，韓夢龍，龔魁杰，李英治

（1.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250100；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，山東濟(jì)南 250100）

小麥麩皮為小麥制粉工藝中將胚和胚乳提取后的副產(chǎn)物，約占小麥籽粒的22%～25%，年產(chǎn)量達(dá) 2 000萬噸［1，2］，因口感差、食用不便等基本上直接應(yīng)用于飼料工業(yè)，很少進(jìn)行深加工和再利用，經(jīng)濟(jì)價值不高。但小麥麩皮富含纖維素和半纖維素，還有較為豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、低聚糖、植酸以及天然抗氧化成分等，是預(yù)防糖尿病和心血管疾病等現(xiàn)代人高分病的重要食療資源［3-5］。

將麩皮加工成微粉回添到面粉中制成全麥粉進(jìn)一步食用已成為麥麩深加工的重要研究方向。但是，研究發(fā)現(xiàn)麩皮是由三種力學(xué)性質(zhì)不同的結(jié)構(gòu)層組成的三維復(fù)合材料，若直接進(jìn)行粉碎的話，破碎形式比較復(fù)雜［6］，且粉碎過程中溫升較高，難以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，因此現(xiàn)階段麩皮微粉主要是在實驗室條件下獲得，還未真正實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)［7］。將小麥麩皮熟化處理后可有效降低麩皮韌性，有利于進(jìn)一步進(jìn)行超微粉碎，并且小麥麩皮經(jīng)熟化及超微粉碎處理后可有效改善口感，提高膳食纖維的溶解性［8］，增強(qiáng)產(chǎn)品功能性及營養(yǎng)性，延長保質(zhì)期［9，10］，已成為小麥全粉加工麩皮處理的重要途徑。因此，根據(jù)熟化小麥麩皮物料特性和粉碎機(jī)理，研發(fā)與之相匹配的粉碎分級工藝及適用于工廠化生產(chǎn)的超微粉碎生產(chǎn)線意義重大。

1 熟化小麥麩皮超微粉碎生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

熟化小麥麩皮超微粉碎生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由引風(fēng)機(jī)、熟化小麥麩皮機(jī)械超微粉碎機(jī)、混合輸送管道、旋風(fēng)收集器、脈沖除塵器、冷風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)和控制柜等組成。

圖1 熟化小麥麩皮超微粉碎生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

本生產(chǎn)線主要用于熟化小麥麩皮的超微粉碎作業(yè)。其工作原理為：熟化小麥麩皮經(jīng)專用進(jìn)料口及螺旋送料器被送入到機(jī)體與導(dǎo)流圈之間的粉碎室，在粉碎室內(nèi)，轉(zhuǎn)子盤與固定齒圈產(chǎn)生高速相對運(yùn)動，使麩皮在轉(zhuǎn)子盤和固定齒圈間受到?jīng)_擊、剪切、研磨及物料間的相互撞擊等綜合作用實現(xiàn)粉碎。粉碎后的物料，在負(fù)壓氣流的拉力作用下，小粉?？朔灾兀S氣流越過導(dǎo)流圈，進(jìn)入分級室。分級葉輪由葉片組成，高速旋轉(zhuǎn)的葉片產(chǎn)生與負(fù)壓相反的離心力，沉入葉道內(nèi)的粉粒同時受到負(fù)壓氣流的向心力和粉粒自重及葉輪產(chǎn)生的離心力的作用，粉粒中大于臨界粒徑的顆粒因質(zhì)量大被甩回粉碎室繼續(xù)粉碎，小于臨界粒徑的顆粒經(jīng)混合輸送管道進(jìn)入旋風(fēng)收集器經(jīng)排料閥排出。分級葉輪的旋轉(zhuǎn)速度越高，分級的粉粒越細(xì)，調(diào)整分級葉輪的旋轉(zhuǎn)是控制粉粒大小的決定因素。粉碎過程中產(chǎn)生的粉塵由脈沖除塵器收集，以減少粉塵污染，同時提高物料的利用率。粉碎過程中產(chǎn)生的熱量由冷風(fēng)機(jī)和冷水機(jī)通過強(qiáng)制冷卻技術(shù)進(jìn)行消除，以達(dá)到降溫的效果。整個粉碎過程通過電控箱控制實現(xiàn)設(shè)備的電源供應(yīng)、手／自動啟停控制、溫控及連續(xù)生產(chǎn)等功能。

2 主要部件的設(shè)計

針對熟化小麥麩皮物料特性及粉碎過程中出現(xiàn)的問題對關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計，主要包括熟化小麥麩皮機(jī)械超微粉碎機(jī)、旋風(fēng)收集器、脈沖除塵器以及引風(fēng)機(jī)選型，這些關(guān)鍵零部件直接影響著整條生產(chǎn)線的性能，因此在設(shè)計時要注意結(jié)構(gòu)的合理性以及參數(shù)選擇的匹配性。

2.1 熟化小麥麩皮機(jī)械超微粉碎機(jī)設(shè)計

熟化小麥麩皮機(jī)械超微粉碎機(jī)是整個粉碎機(jī)的核心部分，其設(shè)計質(zhì)量將直接影響熟化小麥麩皮的粉碎效率、分級精度以及產(chǎn)品質(zhì)量，因此需要對機(jī)械超微粉碎主機(jī)的核心部件如喂料裝置、粉碎分級裝置等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。熟化小麥麩皮機(jī)械超微粉碎機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 熟化小麥麩皮機(jī)械超微粉碎機(jī)總體結(jié)構(gòu)

2.1.1 喂料裝置的設(shè)計 小麥麩皮經(jīng)熟化及壓碎處理后物料形狀為直徑5～10 mm、長度30～50 mm的圓條，且熟化后的物料韌性下降，脆性加強(qiáng)，有利于強(qiáng)制喂料。但小麥麩皮還存在重量輕、流動性差的特點(diǎn)，易堵塞設(shè)備。為實現(xiàn)均勻精確高效喂料，喂料裝置采用帶變頻控制的喂料電機(jī)及雙螺桿體積式喂料機(jī)構(gòu)［11］，可有效控制喂入量，實現(xiàn)喂料均勻，不易堵塞，保證喂料暢通。

2.1.2 粉碎分級一體化裝置的設(shè)計 采用內(nèi)置機(jī)械粉碎與氣流分級一體技術(shù)，將粉碎與分級融合于一體，如圖3所示。粉碎部件和分級輪同軸心布置，分級輪通過分級電機(jī)帶動高速運(yùn)轉(zhuǎn)，并配合導(dǎo)流罩以及引風(fēng)機(jī)提供的負(fù)壓，對粉碎物料進(jìn)行分級，合格細(xì)粉在機(jī)內(nèi)被分級，然后排出機(jī)外，避免了過粉碎現(xiàn)象，粗粉在機(jī)內(nèi)自動循環(huán)回料被繼續(xù)粉碎，直至達(dá)到目標(biāo)細(xì)度，從而提高了粉碎效率，保證粉碎質(zhì)量。

圖3 粉碎分級一體裝置結(jié)構(gòu)

（1）粉碎室：粉碎室主要包含刀盤、刀頭、齒圈以及粉碎主軸。刀頭安裝在刀盤上，刀盤高速旋轉(zhuǎn)使得刀頭與固定齒圈產(chǎn)生相對運(yùn)動，刀頭在與固定齒圈的配合下對物料產(chǎn)生沖擊、研磨及剪切作用，使物料粉碎。刀盤高速運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可達(dá)4 200 r／min，因此刀盤要有良好的動平衡性［12］以降低噪音、延長使用壽命，同時加工精度要滿足設(shè)計要求。刀頭和齒圈與被粉碎物料之間產(chǎn)生激烈的碰撞和沖擊，勢必會造成磨損，作為易損件，刀頭和齒圈均采用耐磨合金材料制成。經(jīng)過多次對比試驗，確定粉碎室主要零部件結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用菱形刀頭，該類型刀頭對于小麥麩皮等具有一定韌性的物料具有很好的剪切作用，可實現(xiàn)纖維性物料的高效粉碎。

圖4 粉碎室主要零部件結(jié)構(gòu)

（2）分級室：分級室主要由分級輪、導(dǎo)流罩、分級軸以及端蓋組成。分級室的高度和直徑根據(jù)經(jīng)驗值進(jìn)行選取和計算。分級室直徑與分級生產(chǎn)加工能力有關(guān)，直徑變大，相應(yīng)的生產(chǎn)加工能力提高。根據(jù)以往產(chǎn)品試驗結(jié)果及國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品直徑與加工能力對應(yīng)關(guān)系［13］，總結(jié)得到機(jī)械超微粉碎分級室的直徑與生產(chǎn)加工能力對照表，見表1。分級室高度計算參照經(jīng)驗公式確定。

表1 分級室的直徑與生產(chǎn)加工能力對照情況

分級室高度H2計算公式［14］如下：

式中，φ為比例因子，取值1.2～1.3；H1為粉碎腔體高度，mm；D為分級室內(nèi)徑尺寸，mm；γ0為分級輪半徑，mm；β為粉碎區(qū)向中心擴(kuò)散的角度，12°～14°。

分級輪安裝在分級軸上，分級軸與粉碎主軸同軸心且同向轉(zhuǎn)動，其工作時也是高速運(yùn)轉(zhuǎn)，分級輪的動平衡性以及分級輪葉片的間隙直接影響分級效果和分級效率，因此制作時需要進(jìn)行動平衡試驗且分級輪葉片要選用有一定耐磨性的材料，其設(shè)計及制作工藝要求較高。經(jīng)過多次對比試驗，確定分級室的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 分級室主要零部件結(jié)構(gòu)

2.2 旋風(fēng)收集器的設(shè)計

旋風(fēng)收集器主要包括沙克龍筒體、星型卸料器、進(jìn)出風(fēng)口及氣錘，如圖6所示，利用離心力將氣流中的粉體分離出來從而進(jìn)行收集。采用星型卸料器可以保證生產(chǎn)線在連續(xù)工作的狀態(tài)下實現(xiàn)連續(xù)均勻出料。針對麩皮超微粉流動性差的問題，沙克龍筒體上安裝氣錘，周期性撞擊沙克龍筒體，以利于麥麩超微粉流出。根據(jù)熟化小麥麩皮機(jī)械超微粉碎機(jī)的性能參數(shù)對旋風(fēng)收集器的關(guān)鍵設(shè)計因素——壓力損失、旋風(fēng)分離筒直徑、旋風(fēng)分離器壁厚進(jìn)行理論計算和強(qiáng)度校核，使之與熟化小麥麩皮機(jī)械超微粉碎機(jī)性能參數(shù)相匹配。

圖6 旋風(fēng)收集器結(jié)構(gòu)

2.3 脈沖除塵器的設(shè)計

針對生產(chǎn)過程中的除塵問題，利用脈沖式除塵器對粉塵進(jìn)行收集，脈沖除塵器直接與引風(fēng)機(jī)相連，由引風(fēng)機(jī)提供負(fù)壓，為減少運(yùn)行中的風(fēng)量損失，脈沖除塵器整體必須密封可靠。除塵箱內(nèi)均布多個能抗靜電的除塵布袋，粉塵收集在除塵袋外面，脈沖管道安裝于除塵袋內(nèi)，為提高除塵效果和效率，在脈沖管道上增加除塵支管，結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖見圖7，改進(jìn)后除塵效率顯著提高，風(fēng)機(jī)能耗大幅下降。通過電磁脈沖閥依次帶動各組除塵布袋實現(xiàn)振動，將布袋上的粉塵振落入除塵箱體底部集中收集，清潔空氣由引風(fēng)機(jī)排出。脈沖除塵器下端安裝手動蝶閥，運(yùn)行過程中，需要把除塵器下端的手動蝶閥關(guān)閉牢固，停機(jī)時打開手動蝶閥收集粉塵，從而實現(xiàn)設(shè)備連續(xù)無塵作業(yè)，保證工作環(huán)境清潔無污染，避免出現(xiàn)環(huán)保問題。

圖7 脈沖管道結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖

2.4 低溫冷卻系統(tǒng)及控制系統(tǒng)

2.4.1 低溫冷卻系統(tǒng) 為降低粉碎過程中物料溫升大對成品品質(zhì)的影響，采用自冷卻與外冷卻相結(jié)合的降溫方式。由引風(fēng)機(jī)提供負(fù)壓輸送使粉碎機(jī)作業(yè)時粉碎室內(nèi)產(chǎn)生的熱量全部送出，實現(xiàn)強(qiáng)制自冷。在此基礎(chǔ)上，增加水冷和風(fēng)冷循環(huán)冷卻系統(tǒng)，實現(xiàn)強(qiáng)制外冷卻。如圖1所示，粉碎室增加自然風(fēng)進(jìn)口、強(qiáng)制冷風(fēng)進(jìn)口及強(qiáng)制冷水進(jìn)口，粉碎室及端蓋內(nèi)有水冷腔體，通過水管與冷水機(jī)相連接，冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)管經(jīng)冷風(fēng)連接管與強(qiáng)制冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)口相連接，使得強(qiáng)制水冷或強(qiáng)制風(fēng)冷與粉碎室完美結(jié)合。通過雙重冷卻方式能夠有效抵消粉碎過程中產(chǎn)生的熱量，避免熱敏性物料在粉碎腔內(nèi)黏附和堆積問題的出現(xiàn)，保證目標(biāo)物料的粉碎質(zhì)量并保障其營養(yǎng)價值。

2.4.2 控制系統(tǒng) 采用PLC、觸摸屏及相關(guān)低壓控制元件實現(xiàn)對整條粉碎生產(chǎn)線的自動化控制，主要實現(xiàn)對粉碎機(jī)的啟?？刂啤⒎旨壛６瓤刂?、粉碎主電機(jī)負(fù)荷控制、低溫冷卻粉碎系統(tǒng)的溫度控制，控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖8所示。該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)粉碎過程中加工工藝與設(shè)備參數(shù)相匹配，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，操作方便，可視性好。

圖8 熟化麩皮超微粉碎機(jī)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)構(gòu)成

3 樣機(jī)試驗及結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計思路，完成熟化麩皮超微粉碎生產(chǎn)線的樣機(jī)制作，并根據(jù) JB／T 12837—2016《機(jī)械沖擊式超微粉碎設(shè)備試驗方法》對樣機(jī)粉碎及分級性能進(jìn)行測試，結(jié)果見表2。測試結(jié)果表明技術(shù)優(yōu)化方案基本可行，整機(jī)各優(yōu)化部分基本性能都能實現(xiàn)，小麥麩皮粉碎質(zhì)量較好，穩(wěn)定可靠，產(chǎn)品性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求。進(jìn)一步用樣機(jī)對熟化小麥麩皮進(jìn)行粉碎試驗，測得粉碎細(xì)度達(dá)到160目時，產(chǎn)量為100 kg／h。熟化小麥麩皮超微粉碎機(jī)生產(chǎn)線樣機(jī)實物見圖9，熟化黑麥麩皮粉碎前后效果對比見圖10。

表2 熟化麩皮超微粉碎生產(chǎn)線主要性能參數(shù)

圖9 熟化小麥麩皮超微粉碎生產(chǎn)線實物

圖10 熟化黑麥麩皮超微粉碎效果

4 結(jié)論

（1）熟化小麥麩皮機(jī)械超微粉碎生產(chǎn)線針對熟化小麥麩皮的物料特性及粉碎機(jī)理進(jìn)行設(shè)計，將機(jī)械粉碎和氣流分級融為一體，結(jié)構(gòu)緊湊，實現(xiàn)粉碎分級自循環(huán)，避免過度粉碎，同時采用大顆粒高壓氣密封系統(tǒng)以及高效連續(xù)脈沖除塵技術(shù)，實現(xiàn)熟化小麥麩皮的超微粉碎，提高分級精度和粉碎效率，解決小麥麩皮口感差與加工成本高的問題。

（2）針對粉碎過程中高溫導(dǎo)致物料粘結(jié)、蛋白變性從而引起品質(zhì)下降的問題，利用低溫風(fēng)冷技術(shù)對軸承座和粉碎室進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，同時在粉碎室及端蓋處增加水冷腔體，兩種強(qiáng)制冷卻方式相結(jié)合能有效保證整機(jī)低溫運(yùn)行，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）利用PLC、觸摸屏及相關(guān)低壓控制元件實現(xiàn)對整條粉碎生產(chǎn)線的自動化控制，保證整條生產(chǎn)線啟停有序，前后銜接順暢，關(guān)鍵環(huán)節(jié)實時監(jiān)控及報告，實現(xiàn)粉碎過程中加工工藝與設(shè)備參數(shù)相匹配，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，操作方便。

（4）熟化小麥麩皮超微粉碎試驗表明：粉碎粒度達(dá)到160目時，產(chǎn)量可達(dá)100 kg／h，產(chǎn)品粒度滿足小麥全粉加工需求，產(chǎn)量可滿足一定程度的工廠化生產(chǎn)。接下來還需進(jìn)一步對樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在滿足粒度要求的前提下進(jìn)一步提高產(chǎn)量，符合規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)。