面魚機總體設計及擠出端關鍵技術研究

施法，金向陽

（哈爾濱商業大學 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的理論研究，為此進行面魚機的創新設計。

1 概述

食品擠壓技術是指物料經初步調制（攪拌、剪切、調和）后[2]，經擠壓機的一定機械作用使其通過一個專門設計的孔口裝置，以形成一定形狀和組織的產品。本文面魚機的擠出端設計為重要工作。

2 傳統擠壓方案

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，其結構簡單、成本較低，受到學校食堂、小餐廳的歡迎，但由于生產效率較低，無法大規模持續生產，且安全系數較低。

圖1 單螺桿式擠壓機

3 新型面魚機結構三維設計

3.1 一級螺旋擠壓裝置區域

圖2為一級螺旋擠壓裝置，是用來提供混合物料的工作區間，內部設有攪拌槳葉，攪拌槳葉由電動機及傳動裝置使其驅動，按一定轉速旋轉，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域

在經過一級擠壓裝置內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速，從而將動力傳遞至螺旋結構擠壓物料，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束之后，需切割成小塊狀，切割機構依據曲柄滑塊機構工作原理設計，曲柄1做周轉運動，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，實現了旋轉運動和直線運動的相互轉換。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構

4 基于方差試驗下分析擠出端結構的參數設計

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，設定擠出端長度分別為68、78、88 mm，擠出孔分別設定為4、5和6個。通過UG繪制擠出端結構模型和擠出端填充模型，將結構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，同時每個因素設置3個水平（水平1、水平2、水平3），每個因素的水平數是相等的，即設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

根據本文上述分析，設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定序號表，如表2所示。

表2 二因素三水平設定序號表

為便于分析不同擠出端流場內物料的性質，對9種擠出端結構類型進行序號排列，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]，密度設置為520 kg/m3，它 的稠度指數k（Consistency index為稠度指數， 通常用k來表示）設置為10，冪律指數n（Power-Law index為冪律指數，通常用n來表示）設置為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，出料端壓力設置為0 Pa，殘差曲線計算次數為100次。通過對比分析可知，擠出端結構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，流場內局大部分為藍色覆蓋區域，表示該處物料流速較慢，但在擠出孔處流速驟然升高，這是因為擠出孔設計在擠出端右端，因此，物料在該處流速最快，由圖內紅、黃色區域覆蓋。

圖6 流場速度云圖

4.3 擠出端結構類型的選定

在擠出端結構裝置中，選定物料的擠出速度作為衡量擠出端類型的優選指標，如果擠出端流道內物料流動速度過慢，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，對于擠出端裝置結構內物料的流動速度而言，因素B的極差較大，表明擠出孔的數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構的幾何參數，優選參數組合為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選參數組合為A2B1，即SN4結構。

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

圖7 面魚機局部設計圖及成品面魚

5 結論

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