液壓驅(qū)動面條擠壓機的設(shè)計

上官紅喜

SHANGGUAN Hong－xi

（臨汾職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系，山西 臨汾 041000）

（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Linfen Vocational and Technical College，Linfen，Shanxi 041000，China）

面條是中國老百姓非常喜歡吃的一種食品，在飯店或食堂中有些面條是靠擠壓機擠壓出來的，比如說山西曲沃的饸饹面，面條擠壓機大部分都是靠電機通過皮帶帶動螺旋機構(gòu)擠壓出來的。如圖1所示，這種傳統(tǒng)的面條擠壓機主要由驅(qū)動裝置、機體、螺旋機構(gòu)三部分構(gòu)成，需靠操作人員往擠壓機的進料口輸送和好的面團，通過螺旋機構(gòu)的擠壓，由排料口擠出。這種面條擠壓機的優(yōu)點在于省力，缺點在于每次添加面團的量都比較小，操作非常不方便，而且非常危險。經(jīng)常發(fā)生由于操作人員不小心手被卷進擠壓機的案例。

另外一種擠壓機如圖2所示，由手柄、活塞桿、活塞、缸體、固定鉸支座等幾部分構(gòu)成。當(dāng)操作人員把手柄抬起后，依靠人工往缸體中添加面團，靠人力下壓手柄，活塞把面條從下面的擠壓孔中擠出。這種擠壓機優(yōu)點在于比較安全，缺點在于比較費力、每次添加面團的量也比較小。

圖1 傳統(tǒng)的面條擠壓機Figure 1 Traditional noodle extruding machine

液壓傳動具有能夠?qū)崿F(xiàn)無極調(diào)速，調(diào)速方便，而且調(diào)速范圍大；工作平穩(wěn)，能快速啟動、制動和頻繁換向；調(diào)節(jié)控制簡單，操作方便、省力；與電氣控制結(jié)合、更易實現(xiàn)自動控制和過載保護，能自行潤滑，使用壽命較長；液壓元件已實現(xiàn)了系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，故安裝、調(diào)試和使用都比較方便等優(yōu)點［1］。作者把液壓技術(shù)應(yīng)用于擠壓機上，設(shè)計了一種液壓驅(qū)動的面條擠壓機，這種擠壓機具有操作方便，一次添加面團的量大，能夠大大減輕操作人員的勞動強度，而且安全可靠。

1 液壓面條擠壓機的總體設(shè)計方案

這種液壓面條擠壓機由機械機構(gòu)和液壓系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，機械機構(gòu)用來完成面條的擠壓作業(yè)，液壓系統(tǒng)用來為機械機構(gòu)提供擠壓所需的動力，兩者共同作用來完成擠壓機的功能。

2 液壓面條擠壓機的機械結(jié)構(gòu)

液壓面條擠壓機的機械結(jié)構(gòu)如圖3［2］所示，其機械機構(gòu)主要是由模具、機架、固定桿、液壓缸和收油盤等幾部分構(gòu)成的。液壓缸和機架固定在一起，活塞桿上有一個小活塞，和模具配合來完成擠壓作業(yè)，固定桿的作用在于使小活塞便于和下面的模具對中，收油盤的作用是防止液壓油泄漏溢出到面條中，模具下面的擠壓孔可以是各種形狀的，可以根據(jù)消費者的需求進行更換，以便擠出形狀各異的面條。

圖3 液壓面條擠壓機的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Hydraulic noodle extruding machine structure schematic diagram

該液壓面條擠壓機的工作過程：當(dāng)操作人員在模具中填加面團后，換向閥的工作位置在上位“下壓”的工作位置時，液壓缸的活塞在液壓力的作用下下行，當(dāng)液壓缸活塞桿上的小活塞和模具中的面團接觸后，面條便從模具下面的擠壓孔中擠出；換向閥工作位置在下位“退回”的位置時，液壓缸的活塞在液壓力的作用下退回到液壓缸最里面的位置；換向閥工作位置在中間的“停止”位置時，液壓缸的活塞便停止不動，停止擠壓作業(yè)。

3 液壓系統(tǒng)及工作原理

該液壓面條擠壓機的液壓系統(tǒng)如圖4所示。其工作原理：當(dāng)手動換向閥處于上位（下壓位置）時，電機通過皮帶帶動液壓油泵，輸出的壓力油經(jīng)單向閥、節(jié)流閥、換向閥進入液壓缸的無桿腔，有桿腔的油液經(jīng)手動換向閥流入油箱；當(dāng)手動換向閥處于下位（退回位置）時，電機帶動液壓油泵，輸出壓力油經(jīng)單向閥、節(jié)流閥、換向閥進入液壓缸的有桿腔，無桿腔的油液經(jīng)手動換向閥流入油箱；當(dāng)手動換向閥處于中間位置（停止位置）時，液壓缸停止不動，同時電機帶動液壓油泵，輸出的壓力油經(jīng)單向閥、節(jié)流閥、手動換向閥卸荷，這時可以降低液壓泵的功率，以達(dá)到降低功率、節(jié)能的要求，延長泵的使用壽命。溢流閥可以調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的壓力，以便根據(jù)面團的軟硬擠出硬度不同的面條，節(jié)流閥可以調(diào)節(jié)液壓缸的運動速度。

圖4 液壓驅(qū)動的面條擠壓機的液壓系統(tǒng)Figure 4 Hydraulic system of hydraulic driven noodle extruding

4 液壓系統(tǒng)主要元件的設(shè)計計算

4.1 初步估算系統(tǒng)工作壓力

液壓缸的有效工作壓力可以根據(jù)表1［3］確定。

表1 液壓缸牽引力與工作壓力之間的關(guān)系Table 1 Hydraulic cylinder and the relationship between traction force and working pressure

由于面團是比較軟的，據(jù)表1，選擇液壓缸的工作壓力為1 MPa，牽引力為1 k N。

4.2 活塞的直徑計算

該液壓缸按照推力要求來計算缸筒內(nèi)徑。要求活塞無桿腔的推力為F時，其直徑：

式中：

D—— 活塞直徑，mm；

F—— 無桿腔的推力，N；

ηcm—— 機械效率，取0.95；

P—— 液壓缸的工作壓力，Pa；

ψ—— 液壓缸的負(fù)載率取0.6。

代入數(shù)據(jù)得

液壓缸的內(nèi)徑，活塞的外徑要取標(biāo)準(zhǔn)值還要有其它零件的相互配合，如密封圈等，而這些零件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，有專門的生產(chǎn)廠家，故活塞和液壓缸的內(nèi)徑也應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化，以便選用標(biāo)準(zhǔn)件。

查液壓缸缸筒內(nèi)徑尺寸系列表［4］，選擇50 mm。

4.3 活塞桿直徑的確定

活塞桿直徑根據(jù)受力情況和液壓缸的結(jié)構(gòu)形式來確定，主要考慮受壓。

受壓時：P≤5 MPa

式中：

d—— 活塞桿的直徑，mm；

D——活塞的直徑，mm；

該液壓缸的工作壓力為P＝1 MPa，所以選擇d＝0.5 D，d ＝23.6 mm。

查液壓缸活塞尺寸系列表［4］，選擇25 mm。

4.4 液壓缸壁厚的確定

液壓缸壁厚根據(jù)結(jié)構(gòu)和工藝要求等確定，一般按照薄壁筒計算，壁厚由式（3）確定：

式中：

δ—— 缸體壁厚，mm；

D——液壓缸的內(nèi)徑，m；

Py—— 液壓缸的最高工作壓力，Py＝ （1.2～1.3）P，Pa；

［δ］—— 鋼材的許用強度，Pa。

鋼材［δ］＝100 MPa，代入數(shù)據(jù)：

考慮到液壓缸的加工要求，將其壁厚適當(dāng)加大，據(jù)此選擇武漢油缸廠生產(chǎn)的單活塞桿SD基本型液壓缸，其缸徑尺寸為50 mm，B型桿［4］。

4.5 液壓缸的流量

按式（4）計算：

式中：

Q—— 液壓缸的流量，m L／s；

A—— 活塞的有效工作面積，m2；

ηcV——液壓缸的容積效率，采用彈性密封圈時ηcV＝1；

V—— 液壓缸的最大運動速度，取0.2 m／s。

4.6 液壓泵的額定流量

按式（5）計算：

式中：

qp—— 泵的額定流量，m L／s；

K——系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K ＝1.1～1.3；

Qma—— 液壓缸實際需要的最大流量，m L／s；

代入數(shù)據(jù)：

qp≥1.1×393＝432 m L／s

對于工作過程始終用節(jié)流調(diào)速的系統(tǒng)，在確定泵的流量時，應(yīng)再加上溢流閥的最小溢流量，一般取480 m L／s。

4.7 泵的最高工作壓力

泵的工作壓力應(yīng)該根據(jù)液壓缸的工作壓力來確定，即：

式中：

PP—— 泵的最高工作壓力，MPa；

Pmax—— 執(zhí)行元件的最高工作壓力，MPa；

∑ΔP——進油路和回油路總的壓力損失，可以取0.2～0.5 MPa。

代入數(shù)據(jù)：

PP≥1＋0.5＝1.5 MPa

據(jù)此查齒輪泵的技術(shù)規(guī)格表，選擇CB－B20齒輪泵。其規(guī)格見表2［4］。

表2 CB－B20齒輪泵的技術(shù)規(guī)格Table 2 Technical specifications CB－B20 gear pump

4.8 驅(qū)動液壓泵的功率

驅(qū)動液壓泵的功率按式（7）計算。

式中：

P——驅(qū)動液壓泵的功率，W；

PP—— 液壓泵的最高工作壓力，Pa；

qp—— 液壓泵的額定流量，m3／s；

ηP—— 液壓泵的效率，對于齒輪泵，效率在0.6～0.8，這里取0.6。

代入數(shù)據(jù)：

4.9 電機的功率

電機的功率可以從《電工手冊》［5］中查得，加上損耗選擇1.5 k W。查電機型號采用Y90L－4，其規(guī)格見表3。

表3 Y90L－4電機的技術(shù)規(guī)格Table 3 Technical specification of Y90L－4 motor

4.10 油箱有效容量的計算

油箱的有效容量按式（8）計算

式中：

V—— 油箱的有效容量，m L；

a——經(jīng)驗系數(shù)，對于低壓系統(tǒng)一般取2～4，這里取4；

qp—— 液壓泵的流量，m L／min；

代入數(shù)據(jù)：

V＝4×480×60＝115 200 m L

4.11 液壓控制元件和輔助元件的選擇

液壓系統(tǒng)圖中元件2、3、7、9的型號規(guī)格前文已確定，據(jù)工作壓力，通過液壓控制閥，輔助元件的最大流量，選擇的液壓控制閥和輔助元件規(guī)格型號見表4［6］。

表4 液壓控制閥和輔助元件規(guī)格型號Table 4 Hydraulic control valve and auxiliary components specifications

4.12 管件尺寸

管件的尺寸由選定的液壓元件油口尺寸確定，選擇采用鋼絲纏繞膠管。膠管尺寸選擇4SP－10－70［6］。

4.13 液壓油的選擇

液壓油選用L－HM32［4］，此種液壓油具有良好的抗磨性、潤滑性、防銹抗氧性等。

5 液壓驅(qū)動面條擠壓機的技術(shù)特點

（1）該液壓驅(qū)動的面條擠壓機結(jié)構(gòu)簡單、加工效率高、操作方便、安全可靠，隨著模具下端的擠出孔形狀不同，可以擠出形狀各異的面條。

（2）該液壓驅(qū)動的面條擠壓機采用手動換向閥來控制液壓缸的運動，采用了液壓技術(shù)，壓力可以通過溢流閥來調(diào)節(jié)，以便擠出軟硬不同的面條。擠壓速度可以通過節(jié)流閥來進行調(diào)節(jié)，容易實現(xiàn)過載保護。

6 結(jié)論

液壓面條擠壓機已經(jīng)設(shè)計完成，并已完成制造，經(jīng)試驗，能滿足使用要求。針對現(xiàn)行使用的面條擠壓機的缺點，確定了液壓面條擠壓機的總體設(shè)計方案，并對液壓系統(tǒng)的5個組成部分進行了設(shè)計計算，并選擇確定。本試驗的設(shè)計與現(xiàn)行使用的面條擠壓機進行比較，雖然一次投資較大，但是大大提高了擠壓機的安全性能和加工效率，具有比較高的競爭優(yōu)勢，本研究的論述對于面條擠壓機的改造和設(shè)計有一定的借鑒作用。

1 蘭建設(shè).液壓與氣壓傳動［M］.北京：高等教育出版社，2002.

2 張利平.現(xiàn)代液壓技術(shù)應(yīng)用220例［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

3 姜佩東.液壓與氣動技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2000.

4 李壯云.液壓、氣動與液力工程手冊［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

5 呂如良.電工手冊［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1973.

6 王守成，段俊勇.液壓元件及選用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.