薯渣開閉式壓縮成型裝置的設(shè)計(jì)研究

郭文斌高晶晶 德雪紅

(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2. 內(nèi)蒙古商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

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薯渣開閉式壓縮成型裝置的設(shè)計(jì)研究

郭文斌1高晶晶2德雪紅1

(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2. 內(nèi)蒙古商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

根據(jù)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(diǎn)，設(shè)計(jì)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(nèi)腔套等部件可以實(shí)現(xiàn)開式壓縮與閉式壓縮方式的轉(zhuǎn)換。進(jìn)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了校核，結(jié)果顯示開、閉式壓縮裝置的設(shè)計(jì)強(qiáng)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(yè)每年生產(chǎn)淀粉過程中會產(chǎn)生大量的馬鈴薯廢渣。由于薯渣內(nèi)含有纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)、果膠等可利用成分，具有較高的開發(fā)價(jià)值，因此國內(nèi)外學(xué)者針對薯渣的特點(diǎn)及加工處理過程中遇到的問題，對其再利用進(jìn)行了多方面的嘗試。一方面，就薯渣利用的途徑而言，國內(nèi)外相關(guān)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(shí)常將薯渣與相關(guān)物料進(jìn)行混合，例如將薯渣與玉米秸稈混合青貯后飼喂奶牛[9]，或?qū)ⅠR鈴薯廢渣與煤及秸稈等按比例進(jìn)行混燃[10-11]；另一方面，馬鈴薯廢渣內(nèi)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(zhuǎn)向?qū)⑵渑c其它農(nóng)林廢棄物料進(jìn)行混合[11,15]，以利用薯渣中多余的水分，促進(jìn)物料成型。例如將馬鈴薯廢渣與腐殖質(zhì)、黏土、秸稈、碳酸鈣等混合攪拌后制成育苗營養(yǎng)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(zhì)量流率對物料顆粒密度、持久性、燃燒熱值等參數(shù)的影響[6]。

上述研究從多個(gè)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(zhì)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(zhuǎn)鼓式壓濾等機(jī)械脫水方式[17-22]，通過濾帶、濾網(wǎng)、轉(zhuǎn)鼓的擠壓、剪切和摩擦作用對薯渣進(jìn)行脫水，該方式雖然生產(chǎn)成本較低，但實(shí)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(yùn)。因此，本研究針對薯渣的特點(diǎn)，參考農(nóng)業(yè)松散物料在冷態(tài)下壓縮成型的方式，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

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(xiàn)出的力學(xué)特性和脫水效果直接決定了實(shí)際生產(chǎn)中其加工處理方式的選擇。本研究設(shè)計(jì)的壓縮試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)見圖1、2。

成型裝置內(nèi)進(jìn)行閉式壓縮時(shí)，由上壓縮活塞進(jìn)行加載，下壓縮活塞靜置，壓縮物料至指定密度時(shí)保持壓力一段時(shí)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(nèi)水分的排出，壓縮筒內(nèi)壁設(shè)計(jì)有均布的導(dǎo)流孔。進(jìn)行開式壓縮時(shí)，以帶有錐口的內(nèi)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(gòu)成開式壓縮裝置內(nèi)腔，上壓縮活塞加載時(shí)，物料經(jīng)內(nèi)腔套成型后從壓縮筒下端流出，經(jīng)落料口落料；根據(jù)開式壓縮裝置內(nèi)腔套開口錐度及圓柱孔的直徑、長度尺寸比不同，可設(shè)計(jì)不同內(nèi)徑尺寸和開口錐度的內(nèi)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(shù)。

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(nèi)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(shí)受壓物料產(chǎn)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(xù)增大，型腔筒壁所受正壓力N0也逐漸增大，當(dāng)物料密度達(dá)到最大，正壓力N0也達(dá)到峰值，此時(shí)，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(shè)為N1、N2(見圖4)。

1. 上活塞 2. 物料 3. 導(dǎo)流孔 4. 底座 5. 螺釘 6. 下活塞

7. 壓縮筒

圖1 閉式壓縮試驗(yàn)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(nèi)腔套 9. 壓縮筒

圖2 開式壓縮試驗(yàn)裝置

Figure 2 Compression equipment with open mold

圖3 開式壓縮試驗(yàn)裝置可更換式內(nèi)腔套

圖4 閉式壓縮裝置受力示意圖

根據(jù)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(qiáng)度校核 型腔裝置外形尺寸見圖4，型腔設(shè)計(jì)壁厚 δ=7 mm，內(nèi)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(qiáng)度σb=980 MPa，屈服強(qiáng)度σs=785 MPa。根據(jù)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(tài)，因此需對其內(nèi)壁厚度進(jìn)行強(qiáng)度校核，校核時(shí)參考秸稈、木屑等松散物料的成型壓力，取型腔設(shè)計(jì)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(yīng)力(即屈服強(qiáng)度σs)，MPa；

P0——壓縮型腔設(shè)計(jì)壓力，MPa；

D——壓縮型腔設(shè)計(jì)內(nèi)徑，mm；

φ——焊縫系數(shù)，φ≤1.0，此處取1.0。

將已知參數(shù)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(shè)計(jì)壁厚δ，故型腔壁強(qiáng)度符合要求。如果考慮壓縮筒壁上導(dǎo)流孔影響，計(jì)算所得δe將進(jìn)一步減小，型腔的設(shè)計(jì)壁厚會更加安全，因此為簡化計(jì)算，上述強(qiáng)度校核過程對壓縮筒壁上導(dǎo)流孔的影響忽略不計(jì)。

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(gè)典型截面(階段)進(jìn)行，如圖5所示，當(dāng)上活塞在加載力F的作用下開始加載時(shí)，逐漸成型的物料產(chǎn)生脹型力P，導(dǎo)致型腔內(nèi)壁受正壓力N及物料與內(nèi)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(nèi)壁不同位置處受力大小存在一定差異。當(dāng)物料流過a-a截面位置時(shí)，由于物料較為松散，其產(chǎn)生的脹型力P較小，導(dǎo)致正壓力Na-a和摩擦力fa-a均較??；當(dāng)物料被壓至錐口b-b截面處時(shí)，隨著物料密度增大，脹型力增大，此時(shí)型腔內(nèi)壁正壓力Nb-b與摩擦力fb-b也逐漸增大；當(dāng)物料到達(dá)型腔末端出口c-c截面處(內(nèi)壁直徑為dc)時(shí)，摩擦力作用使被壓縮物料密度繼續(xù)增大，此時(shí)型腔內(nèi)壁c-c截面處脹型力P、正壓力Nc-c、摩擦力fc-c均繼續(xù)增大，當(dāng)物料被壓至落料口附近，落料前密度達(dá)到最大值，P、Nc-c和fc-c也達(dá)到峰值，因此，成型裝置型腔內(nèi)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(jù)力的平衡方程有：

(3)

式中：

P——被壓縮物料產(chǎn)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(chǎn)生的脹型力，MPa；

N——型腔內(nèi)壁所受正壓力，MPa；

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

f——型腔內(nèi)壁表面所受單位摩擦力，MPa；

μ——型腔內(nèi)壁表面摩擦系數(shù)。

2.2.2 型腔壁厚強(qiáng)度校核 開式壓縮成型裝置外形尺寸見圖5，增加內(nèi)腔套后，內(nèi)腔套上方作為料斗完成薯渣及混合物料的喂入。內(nèi)腔套材料采用45鋼，σb=600 MPa，σs=355 MPa，τb=480 MPa，料斗設(shè)計(jì)壁厚δ=7 mm，料斗圓筒內(nèi)徑D=95 mm，成型型腔設(shè)計(jì)壁厚為δ0=39.5 mm(內(nèi)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(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)取成型型腔長度L=120 mm，型腔長徑比為1∶4，內(nèi)腔套錐口錐度α=45°，同時(shí)設(shè)物料密度達(dá)到0.8×103～1.4×103kg/m2時(shí)，產(chǎn)生的脹型力P0(即型腔設(shè)計(jì)壓力)為100 MPa[24-27]。

(4)

式中：

δe——型腔內(nèi)壁材料許可的最小厚度，mm；

[σ]t——型腔材料的許用應(yīng)力，MPa；

P0——型腔設(shè)計(jì)壓力，MPa；

d——型腔設(shè)計(jì)內(nèi)徑，mm；

φ——焊縫系數(shù)，φ≤1.0，此處取1.0。

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

因此，型腔內(nèi)壁材料許可的最小厚度δe遠(yuǎn)小于成型型腔設(shè)計(jì)壁厚δ0，強(qiáng)度符合要求。

3 結(jié)論

(1) 本研究針對薯渣及其混合物料的特點(diǎn)，采用組合式設(shè)計(jì)將閉式壓縮成型裝置與開式壓縮成型裝置結(jié)合在一起，通過更換活塞壓板與內(nèi)腔套的方式實(shí)現(xiàn)了閉式壓縮裝置與開式壓縮裝置的相互轉(zhuǎn)換，在降低壓縮成型試驗(yàn)成本及生產(chǎn)成本的同時(shí)，為相關(guān)物料壓縮成型方式的選擇及力學(xué)特性參數(shù)的比較分析提供了較為全面的試驗(yàn)方法。

(2) 薯渣開閉式壓縮成型裝置的設(shè)計(jì)，在傳統(tǒng)開式壓縮與閉式壓縮方法的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)了導(dǎo)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(shí)采用了雙活塞式的結(jié)構(gòu)，使物料壓縮成型后更容易排出；而在開式壓縮時(shí)則通過更換不同尺寸的內(nèi)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(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：2014BS0319)；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)博士科研啟動基金項(xiàng)目(編號：BJ09-21)

郭文斌，男，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)講師，博士。

德雪紅(1977—)，女，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)講師，博士。

E-mail: dexuehong@126.com

2016—04—16