SNJ10 型自動(dòng)制泥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

何江濤，陳 盼，李永輝，張清泉，趙東林，尹學(xué)清，楚軍威

（中國(guó)包裝和食品機(jī)械有限公司，北京 100083）

0 引言

馬鈴薯泥是將馬鈴薯蒸熟、搗爛后制成的一種泥狀食品，最大程度地保留了馬鈴薯原有的風(fēng)味、質(zhì)地及營(yíng)養(yǎng)成分，在西餐中廣受歡迎，流行于歐洲和美國(guó)。近年來(lái)，隨著西式快餐在我國(guó)的快速發(fā)展，馬鈴薯泥被越來(lái)越多的國(guó)人所認(rèn)識(shí)和喜愛(ài)[1]。自2015 年我國(guó)實(shí)施馬鈴薯主糧化發(fā)展戰(zhàn)略，把馬鈴薯確定為 “雙主” （主糧、主食） 以來(lái)，薯泥作為馬鈴薯主糧化的重要原材料受到越來(lái)越多的重視和應(yīng)用[2-5]。

發(fā)達(dá)國(guó)家用馬鈴薯泥加工的專用設(shè)備種類(lèi)豐富、性能優(yōu)良，加工技術(shù)也十分成熟。但國(guó)內(nèi)用于馬鈴薯泥加工的專用設(shè)備卻很少，中型和大型的馬鈴薯泥加工線則基本沒(méi)有。因此，開(kāi)發(fā)滿足我國(guó)市場(chǎng)需求的馬鈴薯泥加工成套裝備具有廣闊的市場(chǎng)前景，而其中制泥技術(shù)的優(yōu)劣是關(guān)系到馬鈴薯泥成品品質(zhì)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為此，研發(fā)了SNJ10 型自動(dòng)制泥機(jī)。該機(jī)采用帶式柔性連續(xù)制泥結(jié)構(gòu)，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)薯泥與薯皮等雜質(zhì)的分離，制泥壓力可控、可調(diào)，可根據(jù)不同品種馬鈴薯原料的加工工藝需求，設(shè)定相應(yīng)的制泥壓力，從而生產(chǎn)出最優(yōu)質(zhì)的馬鈴薯泥，同時(shí)該機(jī)還采用變頻控制，制泥速度可調(diào)，可滿足不同的生產(chǎn)需求。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

SNJ10 型薯泥機(jī)主要由制泥壓力控制及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、制泥機(jī)構(gòu)、自動(dòng)卸料機(jī)構(gòu)、雜質(zhì)輸出機(jī)構(gòu)及鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。

SNJ10 型自動(dòng)制泥機(jī)見(jiàn)圖1。

技術(shù)參數(shù)如下：外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高） 800 mm×1 000 mm×1 200 mm，整機(jī)質(zhì)量300 kg，生產(chǎn)能力100～200 kg·h-1，泥化顆粒直徑≤2.0 mm，分離率92%～97%，總功率1.1 kW。

1.2 工作原理

SNJ10 型制泥機(jī)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)各機(jī)構(gòu)協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)。制泥機(jī)構(gòu)主要由篩筒和皮帶組成，其在主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)物料沿回轉(zhuǎn)方向運(yùn)行，隨著制泥腔的逐漸變小，果肉逐漸被擠壓進(jìn)制泥機(jī)構(gòu)的篩筒內(nèi)，變成顆粒均勻、質(zhì)地細(xì)膩的薯泥，薯皮則附著在篩筒及皮帶的表面，并由后面的清理刮刀及輥刷清除，再由雜質(zhì)輸出機(jī)構(gòu)輸出，從而完成制泥及皮肉的自動(dòng)分離。制泥壓力控制及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可轉(zhuǎn)動(dòng)地固定在機(jī)架上，通過(guò)調(diào)節(jié)其上預(yù)壓緊彈簧的長(zhǎng)度，可以靈活調(diào)整制泥壓力。

2 主要工作部件設(shè)計(jì)

2.1 鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)

在滿足設(shè)計(jì)需求的前提下，鏈傳動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊及維修方便等優(yōu)點(diǎn)[6]。由驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入的動(dòng)力通過(guò)鏈輪和傳動(dòng)鏈條被分別傳遞給制泥機(jī)構(gòu)和雜質(zhì)輸出機(jī)構(gòu)，使其分別繞固定的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，制泥機(jī)構(gòu)和雜質(zhì)輸出機(jī)構(gòu)由各執(zhí)行部件的協(xié)調(diào)運(yùn)行完成相應(yīng)的操作。鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)鏈輪、傳動(dòng)鏈條、鏈條張緊機(jī)構(gòu)、軸承座組及從動(dòng)鏈輪等組成。驅(qū)動(dòng)鏈輪由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)，通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以滿足一定范圍內(nèi)不同馬鈴薯泥生產(chǎn)率的需求。

鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

2.2 制泥壓力控制及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

制泥壓力控制及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由皮帶張緊機(jī)構(gòu)、擺臂架、預(yù)壓輥、主壓輥及壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。

制泥壓力控制及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

皮帶張緊機(jī)構(gòu)控制著皮帶的預(yù)張力，通過(guò)調(diào)整張緊機(jī)構(gòu)既可以避免皮帶運(yùn)行過(guò)程中打滑失速，同時(shí)又可以通過(guò)降低皮帶的彈性而增加一定的制泥壓力。預(yù)壓輥及主壓輥沿光滑曲線軌跡可轉(zhuǎn)動(dòng)地固定在擺臂架上，由皮帶的摩擦力帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，且沿皮帶運(yùn)動(dòng)方向，預(yù)壓輥及主壓輥與篩筒的間隙逐漸變小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的逐步擠壓。壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與擺臂架采用套筒式結(jié)構(gòu)連接，中間放置壓縮彈簧，通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮彈簧的預(yù)壓力，可以根據(jù)加工工藝需求靈活設(shè)置制泥壓力，制泥壓力在0.05～0.45 MPa 內(nèi)（可調(diào)）。同時(shí)，壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)還具有保護(hù)篩筒及防止皮帶意外損壞的功能，當(dāng)有堅(jiān)硬的異物意外進(jìn)入制泥機(jī)內(nèi)部后，由于異物無(wú)法通過(guò)篩筒而導(dǎo)致擺臂架受力增加，當(dāng)擺臂架受力超過(guò)預(yù)先設(shè)置的制泥壓力時(shí)，擺臂架會(huì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)抬起將異物排出而避免設(shè)備的損壞。

2.3 制泥機(jī)構(gòu)

制泥機(jī)構(gòu)主要由進(jìn)料導(dǎo)槽、篩筒、壓泥皮帶、清理刮刀機(jī)構(gòu)及輥刷機(jī)構(gòu)組成。

制泥機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4。

熟制的物料經(jīng)進(jìn)料導(dǎo)槽，以一定的速度進(jìn)入篩筒和壓泥皮帶的嚙合區(qū)間，隨著嚙合區(qū)間的逐漸縮小，物料的果肉被逐漸壓過(guò)篩筒表面的孔隙，進(jìn)入篩筒的內(nèi)部，變成均勻細(xì)膩的泥狀物。物料的果皮及雜質(zhì)則由于不能通過(guò)篩筒表面的孔隙而附著在篩筒和皮帶的表面，并被其帶離嚙合區(qū)，最終由篩筒表面的清理刮刀和皮帶表面的輥刷清除掉。篩筒的表面按菱形、長(zhǎng)方形或正方形的排列方式均布一定數(shù)量的向心圓孔，孔徑φ0.5～3.0 mm （可選）。在開(kāi)孔率最大化的前提下，圓孔直徑的大小決定著制泥機(jī)的產(chǎn)能及馬鈴薯泥的質(zhì)地。因此，可根據(jù)不同的原料及馬鈴薯泥的使用需求，選用不同圓孔直徑。壓泥皮帶采用食品級(jí)強(qiáng)化橡膠帶，壓泥皮帶的柔性可以防止局部制泥壓力過(guò)大所導(dǎo)致的馬鈴薯泥細(xì)胞破損，淀粉游離。

3 性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 性能試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)材料

馬鈴薯品種：大西洋，要求外觀良好，無(wú)病蟲(chóng)害、無(wú)表面發(fā)青及腐爛變質(zhì)。

3.1.2 測(cè)試指標(biāo)與影響因素

制泥效率是評(píng)價(jià)SNJ10 型制泥機(jī)性能好壞的主要指標(biāo)，制泥效率以產(chǎn)能N 為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，即在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)制泥機(jī)篩筒的馬鈴薯泥質(zhì)量，在保證薯泥品質(zhì)及泥化率的前提下，單位時(shí)間內(nèi)制得的薯泥質(zhì)量越高，制泥效率也就越高。產(chǎn)能計(jì)算公式如下：

式中：N——產(chǎn)能，kg/h。

n——馬鈴薯泥化質(zhì)量，kg。

t——對(duì)應(yīng)的馬鈴薯泥化時(shí)間，min。

每種制泥條件下取3 次樣（單次取樣質(zhì)量不少于10 kg），分別按上式計(jì)算出對(duì)應(yīng)產(chǎn)能，然后將3 次產(chǎn)能相加后求平均值，所得值即視為該制泥條件下的產(chǎn)能。

試驗(yàn)將原料的喂入速度、壓泥皮帶的帶速和制泥壓力3 個(gè)參數(shù)作為檢測(cè)制泥機(jī)性能的主要因素，在其他參數(shù)保持不變時(shí)，考查其對(duì)制泥效率的影響。

3.1.3 試驗(yàn)方法

參照馬鈴薯泥加工工藝[7-8]，并適當(dāng)調(diào)整工藝，挑選優(yōu)質(zhì)、合格的馬鈴薯，之后對(duì)原料馬鈴薯進(jìn)行清洗、切制、漂洗、漂燙、冷卻和蒸煮等一系列處理，最后將經(jīng)過(guò)熟化的馬鈴薯片按預(yù)定的制泥條件送入SNJ10 型制泥機(jī)內(nèi)，待設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，按要求測(cè)定制泥機(jī)的產(chǎn)能。

3.1.4 操作要點(diǎn)

（1） 清洗。將馬鈴薯表面的泥沙清洗干凈。

（2） 切制。將馬鈴薯切成厚薄均勻的薯片，試驗(yàn)中馬鈴薯片厚度為10 mm。

（3） 漂燙。將漂洗后的馬鈴薯?xiàng)l放入85 ℃的熱水中漂燙5 min。

（4） 蒸煮。常壓蒸汽連續(xù)蒸煮30 min。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

泥化率是制泥機(jī)完成制泥時(shí)通過(guò)篩筒的馬鈴薯泥質(zhì)量與對(duì)應(yīng)投入原料總質(zhì)量的比值，比值越大，設(shè)備的分離效果也越好，一般要求制泥機(jī)的泥化率不應(yīng)低于90%，否則果肉與薯皮分離不徹底，浪費(fèi)較多。

原料的喂入速度對(duì)制泥機(jī)的產(chǎn)能及泥化率都有很大的影響。

原料的喂入速度對(duì)產(chǎn)能及泥化率的影響見(jiàn)圖5。

由圖5 可知，隨著喂入速度的逐漸增大，馬鈴薯泥的產(chǎn)能也在逐漸增加，且隨著喂入速度的增加變化明顯，但當(dāng)喂入速度大于180 kg/h 時(shí)，產(chǎn)能雖然隨著喂入速度的增加而增加，但增長(zhǎng)速率減小，且當(dāng)喂入速度大于200 kg/h 時(shí)，相應(yīng)的泥化率低于90%，分離效果變差。因此，選定原料的喂入速度160，180，200 kg/h 這3 個(gè)水平值。

壓泥皮帶的帶速與篩筒的轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)，帶速越高則對(duì)篩筒轉(zhuǎn)速越高，在一定的速度范圍內(nèi)，篩筒的轉(zhuǎn)速越高，則成泥速度就越快，相應(yīng)的制泥機(jī)產(chǎn)能就越大。但當(dāng)帶速超過(guò)一定的值后，產(chǎn)能基本不再隨帶速的增加而提高。因此，根據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)備自身性能，選定初始?jí)耗嗥У膸?.2，0.3，0.4 m/s 這3 個(gè)水平值。

制泥壓力對(duì)制泥機(jī)的產(chǎn)能、泥化率及成品馬鈴薯泥的品質(zhì)都有顯著的影響，制泥壓力過(guò)低，則對(duì)原料的擠壓力小，通過(guò)篩筒成泥的速度緩慢，會(huì)導(dǎo)致制泥機(jī)的產(chǎn)能及泥化率均比較低，設(shè)備效率不高；制泥壓力過(guò)高，則會(huì)破壞成品薯泥細(xì)胞的完整性[9]，使細(xì)胞破裂，淀粉游離，影響成品馬鈴薯泥的品質(zhì)。因此，根據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)備自身性能，選定初始制泥壓力0.25，0.35，0.45 MPa 這3 個(gè)水平值。

由上述單因素試驗(yàn)，最終確定制泥機(jī)性能試驗(yàn)各因素及水平。

制泥機(jī)性能試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1，正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 制泥機(jī)性能試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表2 可知，通過(guò)均值K 分析認(rèn)為最佳生產(chǎn)條件為A2B3C2，即喂入速度為180 kg/h，帶速為0.4 m/s，制泥壓力為0.35 MPa。

通過(guò)對(duì)極差R 分析認(rèn)為，以上因子對(duì)制泥機(jī)產(chǎn)能高低的影響程度，從大到小依次為原料的喂入速度、壓泥皮帶的帶速、制泥壓力。

4 結(jié)論

（1） SNJ10 型制泥機(jī)的制泥效率受諸多因素的影響，試驗(yàn)僅研究了原料的喂料速度、壓泥皮帶的帶速及制泥壓力的影響。同時(shí)，還應(yīng)看到馬鈴薯原料的品種、制泥時(shí)物料的熟化程度及篩筒的孔徑等均對(duì)制泥機(jī)的制泥效率有一定的影響，后期還需進(jìn)行相關(guān)方面的試驗(yàn)研究。

（2） 馬鈴薯制泥正交試驗(yàn)表明，當(dāng)原料的喂入速度為180 kg/h，帶速為0.4 m/s，制泥壓力為0.35 MPa時(shí)，制泥機(jī)產(chǎn)能最高，單位小時(shí)內(nèi)加工制出的馬鈴薯泥最多；原料的喂入速度、壓泥皮帶的帶速和制泥壓力對(duì)制泥效率均有影響，影響程度從大到小依次為原料的喂入速度、壓泥皮帶的帶速、制泥壓力。

（3） 壓泥皮帶的帶速與制泥效率呈正比，當(dāng)帶速不超過(guò)0.4 m/s 時(shí)，帶速越高相應(yīng)的制泥效率也就越高；但當(dāng)帶速超過(guò)0.4 m/s 時(shí)，隨著帶速的增大，制泥效率逐漸趨于穩(wěn)定，產(chǎn)能基本不再隨帶速的增加而提高，這主要是由于帶速過(guò)高會(huì)出現(xiàn)原料打滑現(xiàn)象，進(jìn)料速度不能顯著提高。同時(shí)，帶速過(guò)高，原料不能及時(shí)泥化而黏附在篩筒表面，可能會(huì)對(duì)篩筒及壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)形成巨大的瞬時(shí)反作用力，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行易造成設(shè)備的疲勞損壞。