洋芋魚魚成型機結構優化與性能試驗

盧天齊，程躍勝，陳 達，馮懷章，祁巖龍，于 洋

(1.中國機械工業集團有限公司，北京100080； 2.新疆農業科學院綜合試驗場，新疆 烏魯木齊830000)

0 引言

馬鈴薯亦稱洋芋，是全球僅次于小麥、水稻和玉米的第4大主要糧食作物，被稱為“地球未來的糧食”[1]。馬鈴薯作為一種兼用型農作物，種植面積逐年增加[2]。我國馬鈴薯種植面積和年產量均位居世界首位，1994—2017年中國馬鈴薯生產總量年均7 247.55萬t[3]。據2014年統計，我國是馬鈴薯生產和消費的第1大國[4-6]。2015年，原農業部把馬鈴薯主糧化工作列入重要議程[4]。2016年初，原農村部發布《關于推進馬鈴薯產業開發的指導意見》，開啟了我國馬鈴薯主食化戰略的新篇章[7]。

在新疆等西北地區，馬鈴薯是農戶種植的主要農作物，也是西北地區的主要食物，既可作為蔬菜，也可作為主食，食用形式多樣。洋芋魚魚是新疆等地區的特色馬鈴薯主食制品，其加工工藝流程為將馬鈴薯洗凈去皮后制漿，再添加小麥面粉等輔料，揉制成面團，軟硬適度的面團再被加工成兩端稍尖且中間圓柱狀(形似魚魚)的洋芋魚魚制品。作為鮮食品，可與豬肉蔬菜等進行炒制熟后食用，也可與湯料醬汁等進行燴燉后食用；還可以將鮮食的洋芋魚魚進行蒸煮熟化后，冷卻速凍制成半成品，食用前解凍，再與其他輔料配料一起進行加工。作為主要的地方特色食品之一的洋芋魚魚，老少皆宜，深受老百姓的歡迎，帶動了馬鈴薯消費市場的發展。

傳統的洋芋魚魚加工制作皆是手工完成，生產效率低、勞動強度大且費力費時，導致消費量受到限制。并且，洋芋魚魚的外觀質量因人而異，大小規格難以統一，影響后續制作的均勻性和色香味形質量。為解決手工制作洋芋魚魚的生產效率低、勞動強度大和制品規格不一等問題，采用機械化生產加工，用設備代替人工完成洋芋魚魚制作過程中的各道工序，實現洋芋魚魚標準化和工業化生產。

機械化加工洋芋魚魚的工藝流程如圖1所示。前部的原料清洗去皮工藝在現有設備中均能滿足要求，實現機械化。馬鈴薯制漿護色工序，可以配置專用的打漿設備。拌料混合、面團揉制和面棒制作工序可以借助面制品加工設備完成相應的功能。但是后續的模壓成型工序需要研發專用配套設備，現有的專用配套設備難以滿足這項要求。因此，本文主要通過對洋芋魚魚成型機理進行研究，通過對洋芋魚魚成型機進行結構優化及相關試驗研究，為模壓成型工序階段專用配套設備的研究和應用提供參考依據，以滿足洋芋魚魚機械成型的功能需求。

1 成型機理與初步試驗

從性能方面看，在圖1的工藝路線中，模壓成型工序專用設備需滿足以下3個條件[8-10]。①滿足以薯漿制作的面團進行機械成型的功能需求。由于薯漿面團具有一定的黏性，在制作洋芋魚魚的過程中容易與器具發生粘連，因此成型設備對這種特定物料應具有一定的防粘連的適應性。②成型的洋芋魚魚制品應具有統一的規格和統一的外形尺寸，其成型率應達到90%以上。③成型設備要具有一定的生產能力，實現規模化生產，單機生產率達到300 kgh。

1.1成型機理

模壓成型時，采用一對半徑為r1的模壓輥，其圓柱表面上雕刻一周半徑為r2的洋芋魚魚模型，洋芋魚魚的長度沿模壓輥的軸向排列。當面團物料從模壓輥上方進入模壓對輥的擠壓區域，物料被充填進模孔中，多余的物料經模壓角處被排擠到下一個模孔中進行物料充填。隨著模壓輥的相對轉動，模孔內的物料被擠壓成模孔形狀，并在對輥脫離擠壓接觸后依靠重力或輔助外力的作用從模孔中分離出來，完成模壓成型。

如圖2所示，物料在模孔中充填滿后，多余的物料必須經過模壓角α區域被排出。當α區域狹窄時，物料難以從模孔中排出，造成模孔內的物料過多過剩。當過多的物料不可壓縮時，造成模壓輥軸芯反向受力，并逐漸產生間隙，從而使模壓成型的洋芋魚魚形成連串，不能完成單體成型。所以模壓角α是模壓成型機構中的一個關鍵參數。

在圖2的機構尺寸中，模壓角α=2β；而β角是模壓輥表面上模孔直徑2r2與軸芯之間扇形的夾角。因此有2πβr1360=2r2，于是有

α=2β=720r2(πr1)

從式中可以看出，模孔半徑r2越大，模壓角α越大，有利于模壓成型；反之，模壓輥半徑r1越大，模壓角α越小，不利于模壓成型。

1.2輥壓成型初步試驗

為了探索洋芋魚魚成型的相關參數，針對不同模壓輥徑進行洋芋魚魚成型試驗。試驗模壓輥分別采用直徑60、90和160 mm的3種規格，模壓輥由聚四氟材料制作。模壓輥表面模孔尺寸為直徑7 mm、總長60 mm(頭尾部各長9 mm)，3種規格的模壓輥對應的模壓角分別是26.75°、17.83°和10.03°。模壓輥的轉速為20～25 rmin。

將馬鈴薯漿料和面粉等輔料混合制作的面團，送入上述模壓輥進行模壓成型試驗，檢驗洋芋魚魚成型效果。在面團含水量為40%～48%時，經過多次的成型試驗，輥徑60和90 mm模壓輥均能較好地實現洋芋魚魚成型；而輥徑為160 mm的模壓輥，其壓制的洋芋魚魚經常出現連串現象，不能較好地實現單體成型。由此驗證了模壓輥的模壓角α=10.03°偏小，建議α≥15°。

由圖3中可知，機械成型的洋芋魚魚，與手工成型相比，外形長度均勻一致，表面也比較光滑，基本能夠滿足形狀上的要求。

2 成型機結構優化及參數確定

2.1總體結構優化

采用機械式模壓成型技術和工藝，一對圓柱表面上開設有洋芋魚魚形狀半體模孔的模壓輥相向轉動，物料(棒狀面團)從上方送入到充填區域。半體模孔相互對應吻合，在充填物料后嚙合在一起，形成整體洋芋魚魚。隨著模壓輥嚙合表面脫離接觸后模孔分離，孔中的洋芋魚魚由于重力作用而脫離出模孔，達到洋芋魚魚成型的目的。模壓輥由聚四氟材料制作，由于具有親水性，光滑的模孔表面不易粘連物料，避免洋芋魚魚破碎，且方便清洗模孔，提高成型率。

為了降低洋芋魚魚成型時的破碎，輔助成型的洋芋魚魚快速脫離模孔，在模壓輥的側下方各配置1個毛刷輥。由聚四氟材料制作的毛刷輥，表面栽有一系列的尼龍毛刷，毛刷硬度適中，便于尼龍毛絲深入模孔中刷擦模壓輥表面，清理表面上殘留物料。

為了提高洋芋魚魚的成型率，在模壓輥的上方配置一對進料輥。進料輥相向同步轉動，并間隔一定的距離，形成對物料(棒狀面團)的夾持和輸送。輸送的進料量稍大于洋芋魚魚成型的用料量，使得物料在模壓輥進料區形成一定的盈余量。采用聚四氟材料制作的進料輥，圓柱面上車銑光滑的溝槽，以增加進料輥的附著力，提高送料能力。

2.2確定模壓成型速度(轉速)

模壓成型速度由模壓輥的轉速和模壓輥直徑2個參數確定。成型速度影響設備的生產率(產量)，成型速度越高，設備的產量也越高。但受制于成型質量(成型率)，過快的成型速度將使洋芋魚魚擠壓成型時間縮短，可能造成物料充填不足、魚魚脫模不徹底和成型率低等問題。

根據初步成型試驗數據，輥徑為60和90 mm，模壓輥成型的線速度為

V=πDN60

式中V——模壓輥線速度，mms

D——模壓輥直徑，mm

N——模壓輥軸轉速，rmin

在初步成型試驗中，模壓輥的直徑為D=60、90 mm，模壓輥軸的轉速按N=25 rmin計算，其對應的線速度為80～120 mms。為了提高生產率，建議適當提高線速度范圍，放寬至120～150 mms。

2.3計算生產率

成型機的生產率與成型速度、模壓輥寬度(進料排數)和模孔尺寸(洋芋魚魚大小，即洋芋魚魚的單體質量)等參數有關。

選取洋芋魚魚的規格為直徑7 mm(中間段)、總長60 mm、兩端各10 mm長漸縮尖頭，其單體質量δ=1.9 g。

模壓輥直徑90 mm，單排開孔數K=25，排數N=5，轉速n=25 rmin，成型率系數η=0.9，則成型機的生產率為

P=60ηδnKN1 000

3 樣機性能驗證試驗

3.1試驗目的及方法

試驗樣機采用直徑90 mm、單排開孔數25和排數為5的模壓對輥，模壓輥電機采用1.1 kW減速電機，使用變頻器進行轉速調節控制。采用新鮮馬鈴薯清洗去皮后制成的漿料(粒度約1.2 mm)與小麥面粉進行混合，由和面機進行10 min的均勻攪拌和面，然后用壓面機碾壓成面皮至表面光滑，面皮厚度5 mm，寬度與模壓輥一致。

本次試驗主要通過調整模壓輥的轉速和改變物料的含水率，考察洋芋魚魚成型的質量和效果，驗證洋芋魚魚模壓成型機結構參數的合理性。主要測試指標為成型率和生產率。

成型率的檢測方法：隨機抽取一定時間內生產出的洋芋魚魚，稱量其樣品凈質量，然后對樣品根據洋芋魚魚尺寸規格判定成型是否合格，將成型合格的洋芋魚魚稱取質量，計算合格洋芋魚魚質量與樣品質量的百分比即為成型率。

生產率的檢測方法：在成型機正常工作時的某一段時間內，收集并測定經成型機成型的合格洋芋魚魚質量，然后換算成單位時間的生產能力。

3.2試驗數據及分析

試驗數據及檢測結果如表1～3所示。

表1 物料含水率(w=37%)的試驗結果

表2 物料含水率(w=39%)的試驗結果

表3 物料含水率(w=42%)的試驗結果

從試驗數據可以看出，物料的含水率對洋芋魚魚成型率影響比較顯著。含水率為37%的面料，物性表現為較硬，成型過程中物料流變性較差，易發生模孔充料過多，導致產生連體現象，影響成型率。當物料含水率為42%時，面料表現為偏軟，容易發生粘模現象，導致洋芋魚魚脫模時不徹底或破碎。就馬鈴薯漿料和小麥面粉配制的物料而言，最佳的含水率為39%～42%，洋芋魚魚成型率最高，可達95%以上。

從成型機的機械結構方面來看，試驗樣機的模壓輥采用的模壓角α=17.83°，模壓輥轉速達22 rmin時，成型的線速度達到103.62 mms。樣機在上述狀態下能夠較好地完成洋芋魚魚成型的目的，成型率高達95%以上。說明樣機的結構設計切實可行，參數選擇合理。

4 結論

4.1模壓角是影響模壓成型效果的重要結構參數

模壓輥的直徑和模孔的直徑決定了模壓角的大小，夾角越大越利于物料的流動，有利于模孔中的產品形成單體，防止產品成型時發生連串現象。試驗證明，洋芋魚魚成型時的模壓角≥15°為佳。

4.2成型速度與成型率的關系

為了提高生產率，希望采用較高的成型速度。但是，洋芋魚魚成型速度在一定范圍內與成型率成正相關，超出一定范圍后會導致成型率下降，成型質量變差。試驗驗證，洋芋魚魚成型時最佳線速度為120～150 mms。

4.3模壓輥軸的剛度與定位方式影響成型效果

模壓輥對壓的成型方式使物料被擠壓在模孔中，當物料流動性較差或者喂入的物料過多時，就會造成模壓輥反向受力，從而對模壓輥軸產生極大的徑向壓力。因此，模壓輥軸應具有較高的剛度。同時，模壓輥軸的定位必須牢固可靠，確保在工作狀態下2個模壓輥外表面緊密，且在物料擠壓時軸心不應受力移位而產生間隙，導致成型時連成串狀。