洋芋魚魚成型機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能試驗(yàn)

盧天齊，程躍勝，陳 達(dá)，馮懷章，祁巖龍，于 洋

(1.中國機(jī)械工業(yè)集團(tuán)有限公司，北京100080； 2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院綜合試驗(yàn)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(nóng)作物，種植面積逐年增加[2]。我國馬鈴薯種植面積和年產(chǎn)量均位居世界首位，1994—2017年中國馬鈴薯生產(chǎn)總量年均7 247.55萬t[3]。據(jù)2014年統(tǒng)計(jì)，我國是馬鈴薯生產(chǎn)和消費(fèi)的第1大國[4-6]。2015年，原農(nóng)業(yè)部把馬鈴薯主糧化工作列入重要議程[4]。2016年初，原農(nóng)村部發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)開發(fā)的指導(dǎo)意見》，開啟了我國馬鈴薯主食化戰(zhàn)略的新篇章[7]。

在新疆等西北地區(qū)，馬鈴薯是農(nóng)戶種植的主要農(nóng)作物，也是西北地區(qū)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(qū)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(tuán)，軟硬適度的面團(tuán)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(jìn)行炒制熟后食用，也可與湯料醬汁等進(jìn)行燴燉后食用；還可以將鮮食的洋芋魚魚進(jìn)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(jìn)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(fèi)市場的發(fā)展。

傳統(tǒng)的洋芋魚魚加工制作皆是手工完成，生產(chǎn)效率低、勞動強(qiáng)度大且費(fèi)力費(fèi)時，導(dǎo)致消費(fèi)量受到限制。并且，洋芋魚魚的外觀質(zhì)量因人而異，大小規(guī)格難以統(tǒng)一，影響后續(xù)制作的均勻性和色香味形質(zhì)量。為解決手工制作洋芋魚魚的生產(chǎn)效率低、勞動強(qiáng)度大和制品規(guī)格不一等問題，采用機(jī)械化生產(chǎn)加工，用設(shè)備代替人工完成洋芋魚魚制作過程中的各道工序，實(shí)現(xiàn)洋芋魚魚標(biāo)準(zhǔn)化和工業(yè)化生產(chǎn)。

機(jī)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(xiàn)有設(shè)備中均能滿足要求，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。馬鈴薯制漿護(hù)色工序，可以配置專用的打漿設(shè)備。拌料混合、面團(tuán)揉制和面棒制作工序可以借助面制品加工設(shè)備完成相應(yīng)的功能。但是后續(xù)的模壓成型工序需要研發(fā)專用配套設(shè)備，現(xiàn)有的專用配套設(shè)備難以滿足這項(xiàng)要求。因此，本文主要通過對洋芋魚魚成型機(jī)理進(jìn)行研究，通過對洋芋魚魚成型機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及相關(guān)試驗(yàn)研究，為模壓成型工序階段專用配套設(shè)備的研究和應(yīng)用提供參考依據(jù)，以滿足洋芋魚魚機(jī)械成型的功能需求。

1 成型機(jī)理與初步試驗(yàn)

從性能方面看，在圖1的工藝路線中，模壓成型工序?qū)Ｓ迷O(shè)備需滿足以下3個條件[8-10]。①滿足以薯漿制作的面團(tuán)進(jìn)行機(jī)械成型的功能需求。由于薯漿面團(tuán)具有一定的黏性，在制作洋芋魚魚的過程中容易與器具發(fā)生粘連，因此成型設(shè)備對這種特定物料應(yīng)具有一定的防粘連的適應(yīng)性。②成型的洋芋魚魚制品應(yīng)具有統(tǒng)一的規(guī)格和統(tǒng)一的外形尺寸，其成型率應(yīng)達(dá)到90%以上。③成型設(shè)備要具有一定的生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，單機(jī)生產(chǎn)率達(dá)到300 kgh。

1.1成型機(jī)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(dāng)面團(tuán)物料從模壓輥上方進(jìn)入模壓對輥的擠壓區(qū)域，物料被充填進(jìn)?？字?，多余的物料經(jīng)模壓角處被排擠到下一個模孔中進(jìn)行物料充填。隨著模壓輥的相對轉(zhuǎn)動，模孔內(nèi)的物料被擠壓成?？仔螤睿⒃趯伱撾x擠壓接觸后依靠重力或輔助外力的作用從?？字蟹蛛x出來，完成模壓成型。

如圖2所示，物料在?？字谐涮顫M后，多余的物料必須經(jīng)過模壓角α區(qū)域被排出。當(dāng)α區(qū)域狹窄時，物料難以從?？字信懦觯斐赡？變?nèi)的物料過多過剩。當(dāng)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(chǎn)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(jī)構(gòu)中的一個關(guān)鍵參數(shù)。

在圖2的機(jī)構(gòu)尺寸中，模壓角α=2β；而β角是模壓輥表面上?？字睆?r2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，?？装霃絩2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(yàn)

為了探索洋芋魚魚成型的相關(guān)參數(shù)，針對不同模壓輥徑進(jìn)行洋芋魚魚成型試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)狠伔謩e采用直徑60、90和160 mm的3種規(guī)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(guī)格的模壓輥對應(yīng)的模壓角分別是26.75°、17.83°和10.03°。模壓輥的轉(zhuǎn)速為20～25 rmin。

將馬鈴薯漿料和面粉等輔料混合制作的面團(tuán)，送入上述模壓輥進(jìn)行模壓成型試驗(yàn)，檢驗(yàn)洋芋魚魚成型效果。在面團(tuán)含水量為40%～48%時，經(jīng)過多次的成型試驗(yàn)，輥徑60和90 mm模壓輥均能較好地實(shí)現(xiàn)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(jīng)常出現(xiàn)連串現(xiàn)象，不能較好地實(shí)現(xiàn)單體成型。由此驗(yàn)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(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及參數(shù)確定

2.1總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用機(jī)械式模壓成型技術(shù)和工藝，一對圓柱表面上開設(shè)有洋芋魚魚形狀半體模孔的模壓輥相向轉(zhuǎn)動，物料(棒狀面團(tuán))從上方送入到充填區(qū)域。半體?？紫嗷?yīng)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(dá)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?？妆砻娌灰渍尺B物料，避免洋芋魚魚破碎，且方便清洗?？祝岣叱尚吐?。

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?？?，在模壓輥的側(cè)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?？字兴⒉聊狠伇砻妫謇肀砻嫔蠚埩粑锪?。

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

2.2確定模壓成型速度(轉(zhuǎn)速)

模壓成型速度由模壓輥的轉(zhuǎn)速和模壓輥直徑2個參數(shù)確定。成型速度影響設(shè)備的生產(chǎn)率(產(chǎn)量)，成型速度越高，設(shè)備的產(chǎn)量也越高。但受制于成型質(zhì)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(jù)初步成型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，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(zhuǎn)速，rmin

在初步成型試驗(yàn)中，模壓輥的直徑為D=60、90 mm，模壓輥軸的轉(zhuǎn)速按N=25 rmin計(jì)算，其對應(yīng)的線速度為80～120 mms。為了提高生產(chǎn)率，建議適當(dāng)提高線速度范圍，放寬至120～150 mms。

2.3計(jì)算生產(chǎn)率

成型機(jī)的生產(chǎn)率與成型速度、模壓輥寬度(進(jìn)料排數(shù))和模孔尺寸(洋芋魚魚大小，即洋芋魚魚的單體質(zhì)量)等參數(shù)有關(guān)。

選取洋芋魚魚的規(guī)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(zhì)量δ=1.9 g。

模壓輥直徑90 mm，單排開孔數(shù)K=25，排數(shù)N=5，轉(zhuǎn)速n=25 rmin，成型率系數(shù)η=0.9，則成型機(jī)的生產(chǎn)率為

P=60ηδnKN1 000

3 樣機(jī)性能驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)?zāi)康募胺椒?/h3>

試驗(yàn)樣機(jī)采用直徑90 mm、單排開孔數(shù)25和排數(shù)為5的模壓對輥，模壓輥電機(jī)采用1.1 kW減速電機(jī)，使用變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)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(jìn)行混合，由和面機(jī)進(jìn)行10 min的均勻攪拌和面，然后用壓面機(jī)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(yàn)主要通過調(diào)整模壓輥的轉(zhuǎn)速和改變物料的含水率，考察洋芋魚魚成型的質(zhì)量和效果，驗(yàn)證洋芋魚魚模壓成型機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。主要測試指標(biāo)為成型率和生產(chǎn)率。

成型率的檢測方法：隨機(jī)抽取一定時間內(nèi)生產(chǎn)出的洋芋魚魚，稱量其樣品凈質(zhì)量，然后對樣品根據(jù)洋芋魚魚尺寸規(guī)格判定成型是否合格，將成型合格的洋芋魚魚稱取質(zhì)量，計(jì)算合格洋芋魚魚質(zhì)量與樣品質(zhì)量的百分比即為成型率。

生產(chǎn)率的檢測方法：在成型機(jī)正常工作時的某一段時間內(nèi)，收集并測定經(jīng)成型機(jī)成型的合格洋芋魚魚質(zhì)量，然后換算成單位時間的生產(chǎn)能力。

3.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)及檢測結(jié)果如表1～3所示。

表1 物料含水率(w=37%)的試驗(yàn)結(jié)果

表2 物料含水率(w=39%)的試驗(yàn)結(jié)果

表3 物料含水率(w=42%)的試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(xiàn)為較硬，成型過程中物料流變性較差，易發(fā)生?？壮淞线^多，導(dǎo)致產(chǎn)生連體現(xiàn)象，影響成型率。當(dāng)物料含水率為42%時，面料表現(xiàn)為偏軟，容易發(fā)生粘?，F(xiàn)象，導(dǎo)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(dá)95%以上。

從成型機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面來看，試驗(yàn)樣機(jī)的模壓輥采用的模壓角α=17.83°，模壓輥轉(zhuǎn)速達(dá)22 rmin時，成型的線速度達(dá)到103.62 mms。樣機(jī)在上述狀態(tài)下能夠較好地完成洋芋魚魚成型的目的，成型率高達(dá)95%以上。說明樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)切實(shí)可行，參數(shù)選擇合理。

4 結(jié)論

4.1模壓角是影響模壓成型效果的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)

模壓輥的直徑和?？椎闹睆?jīng)Q定了模壓角的大小，夾角越大越利于物料的流動，有利于?？字械漠a(chǎn)品形成單體，防止產(chǎn)品成型時發(fā)生連串現(xiàn)象。試驗(yàn)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(guān)系

為了提高生產(chǎn)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(nèi)與成型率成正相關(guān)，超出一定范圍后會導(dǎo)致成型率下降，成型質(zhì)量變差。試驗(yàn)驗(yàn)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?？字校?dāng)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(chǎn)生極大的徑向壓力。因此，模壓輥軸應(yīng)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(tài)下2個模壓輥外表面緊密，且在物料擠壓時軸心不應(yīng)受力移位而產(chǎn)生間隙，導(dǎo)致成型時連成串狀。