薯渣開閉式壓縮成型裝置的設計研究

郭文斌高晶晶 德雪紅

(1. 內蒙古農業大學機電工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2. 內蒙古商貿職業學院，內蒙古 呼和浩特 010070)

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薯渣開閉式壓縮成型裝置的設計研究

郭文斌1高晶晶2德雪紅1

(1. 內蒙古農業大學機電工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2. 內蒙古商貿職業學院，內蒙古 呼和浩特 010070)

根據馬鈴薯淀粉加工后的薯渣及其混合物料松散、含水率高的特點，設計制造集開式壓縮、閉式壓縮于一體的成型裝置用于完成馬鈴薯廢渣及其混合物料的脫水與成型，該壓縮裝置通過更換壓縮活塞、內腔套等部件可以實現開式壓縮與閉式壓縮方式的轉換。進而測量比較不同壓縮方式和條件下薯渣及其混合物料脫水、成型的效果。并還對成型裝置的關鍵結構參數進行了校核，結果顯示開、閉式壓縮裝置的設計強度符合要求。

馬鈴薯；廢渣；混合物料；開式壓縮；閉式壓縮

馬鈴薯淀粉加工企業每年生產淀粉過程中會產生大量的馬鈴薯廢渣。由于薯渣內含有纖維素、淀粉、蛋白質、果膠等可利用成分，具有較高的開發價值，因此國內外學者針對薯渣的特點及加工處理過程中遇到的問題，對其再利用進行了多方面的嘗試。一方面，就薯渣利用的途徑而言，國內外相關研究主要集中在利用其制備飼料[1-5]與燃料[6-8]，為了改善薯渣作為飼料的適口性、提高薯渣作為燃料的燃燒熱值，在制備飼料和燃料時常將薯渣與相關物料進行混合，例如將薯渣與玉米秸稈混合青貯后飼喂奶牛[9]，或將馬鈴薯廢渣與煤及秸稈等按比例進行混燃[10-11]；另一方面，馬鈴薯廢渣內部殘留的淀粉與水等成分，使其具有膠黏特性[12-14]，因此近年來對薯渣的處理方式逐漸轉向將其與其它農林廢棄物料進行混合[11,15]，以利用薯渣中多余的水分，促進物料成型。例如將馬鈴薯廢渣與腐殖質、黏土、秸稈、碳酸鈣等混合攪拌后制成育苗營養杯，用于田間育苗[16]；又例如將薯渣與致密化成型較難的蕎麥殼混合后，分析薯渣在混合物料中的含量及物料質量流率對物料顆粒密度、持久性、燃燒熱值等參數的影響[6]。

上述研究從多個角度為馬鈴薯廢渣的利用提供了思路，但含水率高、松散、易腐敗變質仍是薯渣再利用過程中遇到的主要問題。目前其前處理主要采用帶式、轉鼓式壓濾等機械脫水方式[17-22]，通過濾帶、濾網、轉鼓的擠壓、剪切和摩擦作用對薯渣進行脫水，該方式雖然生產成本較低，但實際脫水效果并不理想，且處理后的薯渣仍未成型，不易于儲運。因此，本研究針對薯渣的特點，參考農業松散物料在冷態下壓縮成型的方式，設計了專門的集開式壓縮、閉式壓縮于一體的成型裝置用于分析研究薯渣及其混合物料在壓縮過程中的脫水與成型。

1 開、閉式壓縮成型裝置的設計

作為一種含水率高且具有黏彈性的固體松散物料，馬鈴薯廢渣的可壓縮性以及其在不同壓縮條件下所表現出的力學特性和脫水效果直接決定了實際生產中其加工處理方式的選擇。本研究設計的壓縮試驗裝置結構見圖1、2。

成型裝置內進行閉式壓縮時，由上壓縮活塞進行加載，下壓縮活塞靜置，壓縮物料至指定密度時保持壓力一段時間，隨后上壓縮活塞退出，物料在下壓縮活塞作用下壓出；為便于壓縮過程中薯渣及混合物料內水分的排出，壓縮筒內壁設計有均布的導流孔。進行開式壓縮時，以帶有錐口的內腔套(見圖3)替換閉式壓縮裝置中的下活塞，與閉式壓縮筒配合后構成開式壓縮裝置內腔，上壓縮活塞加載時，物料經內腔套成型后從壓縮筒下端流出，經落料口落料；根據開式壓縮裝置內腔套開口錐度及圓柱孔的直徑、長度尺寸比不同，可設計不同內徑尺寸和開口錐度的內腔套互相替換后完成薯渣及其混合物料的壓縮成型，獲取物料壓縮成型的最佳長徑比等參數。

2 開閉式壓縮成型裝置的校核

2.1 閉式壓縮成型裝置的校核

2.1.1 型腔受力分析 閉式壓縮成型裝置型腔內的受力見圖4。物料置入型腔后，在上活塞的作用力F下，物料密度增大，此時受壓物料產生的脹型力P使型腔筒壁承受正壓力N0，隨著物料密度繼續增大，型腔筒壁所受正壓力N0也逐漸增大，當物料密度達到最大，正壓力N0也達到峰值，此時，上活塞壓板與下活塞壓板也同樣受到脹型力P作用，因此，可將上下活塞壓板受力分別設為N1、N2(見圖4)。

1. 上活塞 2. 物料 3. 導流孔 4. 底座 5. 螺釘 6. 下活塞

7. 壓縮筒

圖1 閉式壓縮試驗裝置

Figure 1 Compression equipment with closed mold

1. 上活塞 2. 物料 3. 底座 4. 螺栓 5. 落料口 6. 支架 7. 螺釘 8. 內腔套 9. 壓縮筒

圖2 開式壓縮試驗裝置

Figure 2 Compression equipment with open mold

圖3 開式壓縮試驗裝置可更換式內腔套

圖4 閉式壓縮裝置受力示意圖

根據力的平衡方程可得：

P=N0=N1=N2，

(1)

式中：

P——物料脹型力，MPa；

N0——型腔筒壁承受正壓力，MPa；

N1——上活塞壓板所受壓力，MPa；

N2——下活塞壓板所受壓力，MPa。

2.1.2 型腔壁厚強度校核 型腔裝置外形尺寸見圖4，型腔設計壁厚 δ=7 mm，內徑D=95 mm，上、下活塞壓板厚度t= 20 mm，活塞桿直徑d=30 mm，型腔材料選取合金鋼40Cr，抗拉強度σb=980 MPa，屈服強度σs=785 MPa。根據壓縮裝置的受力分析可以看出，壓縮過程中型腔處于近似密閉容器狀態，因此需對其內壁厚度進行強度校核，校核時參考秸稈、木屑等松散物料的成型壓力，取型腔設計壓力P0為100 MPa[23]，校核公式：

(2)

式中：

δe—— 型腔材料的許可最小壁厚，mm；

[σ]t—— 型腔材料的許用應力(即屈服強度σs)，MPa；

P0——壓縮型腔設計壓力，MPa；

D——壓縮型腔設計內徑，mm；

φ——焊縫系數，φ≤1.0，此處取1.0。

將已知參數P0= 100 MPa，D= 95 mm，帶入式(2)得：

δe= 6.463 mm < δ。

因此，型腔材料的許可最小壁厚δe小于型腔的設計壁厚δ，故型腔壁強度符合要求。如果考慮壓縮筒壁上導流孔影響，計算所得δe將進一步減小，型腔的設計壁厚會更加安全，因此為簡化計算，上述強度校核過程對壓縮筒壁上導流孔的影響忽略不計。

2.2 開式壓縮成型裝置的校核

2.2.1 型腔受力分析 開式壓縮成型裝置型腔的受力分析分3個典型截面(階段)進行，如圖5所示，當上活塞在加載力F的作用下開始加載時，逐漸成型的物料產生脹型力P，導致型腔內壁受正壓力N及物料與內壁表面間摩擦力f。開式壓縮過程中，隨著物料的移動、成型，型腔內壁不同位置處受力大小存在一定差異。當物料流過a-a截面位置時，由于物料較為松散，其產生的脹型力P較小，導致正壓力Na-a和摩擦力fa-a均較??；當物料被壓至錐口b-b截面處時，隨著物料密度增大，脹型力增大，此時型腔內壁正壓力Nb-b與摩擦力fb-b也逐漸增大；當物料到達型腔末端出口c-c截面處(內壁直徑為dc)時，摩擦力作用使被壓縮物料密度繼續增大，此時型腔內壁c-c截面處脹型力P、正壓力Nc-c、摩擦力fc-c均繼續增大，當物料被壓至落料口附近，落料前密度達到最大值，P、Nc-c和fc-c也達到峰值，因此，成型裝置型腔內壁在c-c截面處受力最大。

圖5 開式壓縮裝置受力示意圖

根據力的平衡方程有：

(3)

式中：

P——被壓縮物料產生的脹型力，MPa；

Pa-a、Pb-b、Pc-c——被壓縮物料在a-a、b-b、c-c處產生的脹型力，MPa；

N——型腔內壁所受正壓力，MPa；

Na-a、Nb-b、Nc-c——型腔內壁在a-a、b-b、c-c處所受正壓力，MPa；

f——型腔內壁表面所受單位摩擦力，MPa；

μ——型腔內壁表面摩擦系數。

2.2.2 型腔壁厚強度校核 開式壓縮成型裝置外形尺寸見圖5，增加內腔套后，內腔套上方作為料斗完成薯渣及混合物料的喂入。內腔套材料采用45鋼，σb=600 MPa，σs=355 MPa，τb=480 MPa，料斗設計壁厚δ=7 mm，料斗圓筒內徑D=95 mm，成型型腔設計壁厚為δ0=39.5 mm(內腔套壁厚與型腔壁厚之和)，成型型腔直徑dc=30 mm，活塞壓板厚度t=20 mm，進行強度分析時取成型型腔長度L=120 mm，型腔長徑比為1∶4，內腔套錐口錐度α=45°，同時設物料密度達到0.8×103～1.4×103kg/m2時，產生的脹型力P0(即型腔設計壓力)為100 MPa[24-27]。

(4)

式中：

δe——型腔內壁材料許可的最小厚度，mm；

[σ]t——型腔材料的許用應力，MPa；

P0——型腔設計壓力，MPa；

d——型腔設計內徑，mm；

φ——焊縫系數，φ≤1.0，此處取1.0。

根據開式壓縮成型裝置型腔受力分析可知，成型型腔內壁在c-c截面處受力最大，故需要校核，此時P=Pc-c=100 MPa，d=30 mm，將數值帶入式(4)計算得：

因此，型腔內壁材料許可的最小厚度δe遠小于成型型腔設計壁厚δ0，強度符合要求。

3 結論

(1) 本研究針對薯渣及其混合物料的特點，采用組合式設計將閉式壓縮成型裝置與開式壓縮成型裝置結合在一起，通過更換活塞壓板與內腔套的方式實現了閉式壓縮裝置與開式壓縮裝置的相互轉換，在降低壓縮成型試驗成本及生產成本的同時，為相關物料壓縮成型方式的選擇及力學特性參數的比較分析提供了較為全面的試驗方法。

(2) 薯渣開閉式壓縮成型裝置的設計，在傳統開式壓縮與閉式壓縮方法的基礎上，考慮了物料在壓縮過程中的脫水問題，在壓縮型腔筒壁上設計了導流孔，便于薯渣及其它含水率高的物料壓縮過程中排出水分。此外，該裝置在閉式壓縮時采用了雙活塞式的結構，使物料壓縮成型后更容易排出；而在開式壓縮時則通過更換不同尺寸的內腔套，改變型腔長徑比，以便于不同種類、不同配比混合物料的成型及成型后物料的排出。

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Research of designing compression equipment with open mold and closed mold for potato pulp processing

GUO Wen-bin1GAOJing-jing2DEXue-hong1

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot,InnerMongolia010018,China; 2.InnerMongoliaBusiness&TradeVocationalCollege,Hohhot,InnerMongolia010070,China)

The purpose of this research was to design and manufacture a multifunctional equipment for processing potato pulp and its mixture with other agroforestry wastes. The equipment combined the methods of compressing with both open and closed mold, considering adequately the densification and dewatering characteristics of potato pulp. During the compressing, the closed and open mold can be converted to each other flexibly by changing the piston of a sleeve. By this means, it is easy to observe and compare the effectiveness of the two methods. Moreover, the densification and dewatering of potato pulp under different conditions were investigated. Finally, the strength verification of the multi-function equipment was accomplished, and the results showed that it could meet the requirements.

potato; waste residue; mixture of agroforestry wastes; compressing with open mold; compressing with closed mold

內蒙古自然科學基金項目(編號：2014BS0319)；內蒙古農業大學博士科研啟動基金項目(編號：BJ09-21)

郭文斌，男，內蒙古農業大學講師，博士。

德雪紅(1977—)，女，內蒙古農業大學講師，博士。

E-mail: dexuehong@126.com

2016—04—16