面魚機總體設(shè)計及擠出端關(guān)鍵技術(shù)研究

施法，金向陽

（哈爾濱商業(yè)大學 輕工學院，哈爾濱 150000）

0 引言

面魚是中國北方的一種特色食物[1]，是將面粉及其他谷物粉通過和面、揉面、成型、蒸煮等加工方法制成蝌蚪或棗核形狀的食品，目前的面魚擠壓機存在生產(chǎn)效率低、面魚成型效果差等問題，并在面魚成型方面上缺乏系統(tǒng)的理論研究，為此進行面魚機的創(chuàng)新設(shè)計。

1 概述

食品擠壓技術(shù)是指物料經(jīng)初步調(diào)制（攪拌、剪切、調(diào)和）后[2]，經(jīng)擠壓機的一定機械作用使其通過一個專門設(shè)計的孔口裝置，以形成一定形狀和組織的產(chǎn)品。本文面魚機的擠出端設(shè)計為重要工作。

2 傳統(tǒng)擠壓方案

圖1所示為單螺桿式擠出機工作示意圖，由動力裝置、機體與螺旋裝置組成，其結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，受到學校食堂、小餐廳的歡迎，但由于生產(chǎn)效率較低，無法大規(guī)模持續(xù)生產(chǎn)，且安全系數(shù)較低。

圖1 單螺桿式擠壓機

3 新型面魚機結(jié)構(gòu)三維設(shè)計

3.1 一級螺旋擠壓裝置區(qū)域

圖2為一級螺旋擠壓裝置，是用來提供混合物料的工作區(qū)間，內(nèi)部設(shè)有攪拌槳葉，攪拌槳葉由電動機及傳動裝置使其驅(qū)動，按一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，將物料與水不斷均勻攪拌，通過出料端將混合攪拌好的物料輸送到下一級螺旋擠壓裝置。

圖2 一級螺旋擠壓裝置

3.2 二級螺旋擠壓裝置區(qū)域

在經(jīng)過一級擠壓裝置內(nèi)槳葉初次攪拌物料后，由于混合效果一般，需進行第二輪擠壓混合，如圖3所示，二級螺旋擠壓裝置的螺旋頂部一端通過動力裝置提供轉(zhuǎn)速，從而將動力傳遞至螺旋結(jié)構(gòu)擠壓物料，物料在此階段擠壓后，具有良好的理化特性。此外，物料在等距變深螺桿的擠壓過程可分為加料段、壓縮段和均化段共3個階段。其中加料段的作用是對輸送端送來的物料進行加熱，同時輸送到壓縮段；壓縮段的作用是對上一階段送來的物料起剪切調(diào)和作用；均化段的作用是將塑化均勻的物料在均化段螺槽和機器模具的回壓作用下進一步攪拌塑化均勻，并定量定壓地通過擠出端的模具。由此可以分析出，物料沿著擠出端方向推進，到達擠出端時成型效果達到最佳。

圖3 二級螺旋擠壓裝置剖視圖

3.3 切割面魚裝置

物料在混合擠壓工作結(jié)束之后，需切割成小塊狀，切割機構(gòu)依據(jù)曲柄滑塊機構(gòu)工作原理設(shè)計，曲柄1做周轉(zhuǎn)運動，連桿2隨曲柄做平面運動，刀具3在連桿帶動下沿導軌4做往復直線運動，實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)運動和直線運動的相互轉(zhuǎn)換。隨著刀具的往復直線運動，擠出端的面團被均勻切割下來，由于是多個擠出孔同時切割，刀具切割裝置的工作效率較高，如圖4所示。

圖4 切割面魚裝置三維結(jié)構(gòu)

4 基于方差試驗下分析擠出端結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計

擠出端是將熔融混煉、初步熟化后的物料沿著擠出方向擠出的裝置，設(shè)定擠出端長度分別為68、78、88 mm，擠出孔分別設(shè)定為4、5和6個。通過UG繪制擠出端結(jié)構(gòu)模型和擠出端填充模型，將結(jié)構(gòu)模型與擠出端填充模型相減，即可得到三維流場模型，此模型即為流體域，如圖5所示，模型文件轉(zhuǎn)換成.igs格式后導入有限元軟件Workbench Fluent[3-4]中，從而模擬面團在擠出端速度場的變化情況。

圖5 擠出端裝置及其流體域

本文設(shè)計的擠出端二因素條件下中因素A為擠出端長度、B為擠出孔個數(shù)，同時每個因素設(shè)置3個水平（水平1、水平2、水平3），每個因素的水平數(shù)是相等的，即設(shè)定為二因素三水平試驗表，如表1所示。

表1 二因素三水平試驗表

根據(jù)本文上述分析，設(shè)定影響擠出端物料特性后進行方差試驗，建立二因素三水平設(shè)定序號表，如表2所示。

表2 二因素三水平設(shè)定序號表

為便于分析不同擠出端流場內(nèi)物料的性質(zhì)，對9種擠出端結(jié)構(gòu)類型進行序號排列，如表3所示。

表3 擠出端型號表

4.1 定義邊界條件

面團在Fluid flow（fluent）中定義為非牛頓流體[5]，密度設(shè)置為520 kg/m3，它 的稠度指數(shù)k（Consistency index為稠度指數(shù)， 通常用k來表示）設(shè)置為10，冪律指數(shù)n（Power-Law index為冪律指數(shù)，通常用n來表示）設(shè)置為0.4[6]，入料端進料速度為0.48 m/s，此處壓力為100 Pa，重力加速度為-9.8 m/s2，出料端壓力設(shè)置為0 Pa，殘差曲線計算次數(shù)為100次。通過對比分析可知，擠出端結(jié)構(gòu)長度對物料流動速度速情況影響較小。

4.2 速度場

圖6所示為方差試驗下的9種擠出端流場速度分布云圖，觀察可知，流場內(nèi)局大部分為藍色覆蓋區(qū)域，表示該處物料流速較慢，但在擠出孔處流速驟然升高，這是因為擠出孔設(shè)計在擠出端右端，因此，物料在該處流速最快，由圖內(nèi)紅、黃色區(qū)域覆蓋。

圖6 流場速度云圖

4.3 擠出端結(jié)構(gòu)類型的選定

在擠出端結(jié)構(gòu)裝置中，選定物料的擠出速度作為衡量擠出端類型的優(yōu)選指標，如果擠出端流道內(nèi)物料流動速度過慢，就會使切刀裝置切削效率較低，故選擇較快流速作為擠出端裝置的優(yōu)選指標。表4為以物料流動速度為評價標準的正交分析表，K為速度云圖中各個參數(shù)之和。

表4 以流動速度為評價標準的正交分析表

分析表5可知極差RA＜RB，對于擠出端裝置結(jié)構(gòu)內(nèi)物料的流動速度而言，因素B的極差較大，表明擠出孔的數(shù)量是影響流動速度的第一因素，而擠出端長度為次要因素，采用綜合法確定擠出端結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，優(yōu)選參數(shù)組合為A2B1。

綜合考慮，在一級螺旋擠壓與二級螺旋擠壓過程結(jié)束后，擠出端以物料流動速度作為評價的主要標準，因此擠出端最終確定的優(yōu)選參數(shù)組合為A2B1，即SN4結(jié)構(gòu)。

隨后，選用SN4型的擠出端結(jié)構(gòu)，按照此擠出端結(jié)構(gòu)制造面魚機和加工出來的面魚如圖7所示，面魚全部成型，生產(chǎn)效率也得到明顯的改善。

圖7 面魚機局部設(shè)計圖及成品面魚

5 結(jié)論

擠出端結(jié)構(gòu)通過ANSYS軟件的Workbench Fluent的流體力學模塊分析，改變擠出端的結(jié)構(gòu)長度、擠出孔數(shù)量，控制輸入入料端速度、流體性質(zhì)、出料端壓強等參數(shù)，得出面團的流體速度的規(guī)律，為其選取合適的類型結(jié)構(gòu)，最終通過方差試驗驗證了結(jié)果的準確性，擠出端結(jié)構(gòu)選取以物料流動速度為主要評價標準，即擠出端結(jié)構(gòu)長度為78 mm，擠出孔數(shù)量為4的較優(yōu)組合。通過2次的螺旋擠壓后面團具有良好的成型特性，以SN4型擠出端結(jié)構(gòu)制造面魚機，面魚成型效果上佳，面魚與面魚間不粘連，生產(chǎn)效率較高，面魚樣機實驗驗證了仿真的準確性。