基于流體仿真的家用面條機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高 飛 張 鵬 張暢原 張峰瑞

(大連工業(yè)大學(xué)，遼寧 大連 116034)

面條以食用方便、營養(yǎng)豐富等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代家庭的必備食物，尤其是自制面條，更是憑借其可以根據(jù)消費(fèi)者的喜好制備面糊得到了人們的廣泛喜愛，但制作過程較復(fù)雜。

目前，科研人員對(duì)面條機(jī)生產(chǎn)工藝及設(shè)備的相關(guān)研究雖取得了一些成果[1-3]，但對(duì)面團(tuán)流體和機(jī)械結(jié)構(gòu)的相互作用缺乏系統(tǒng)的研究。面條機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于當(dāng)攪拌介質(zhì)的黏度較高時(shí)，攪拌葉片受力不均勻，無法在出口形成穩(wěn)定的壓力，順利將面團(tuán)擠出形成面條；或在啟動(dòng)過程中扭矩突然增大導(dǎo)致葉片折彎或者折斷[4]。

為解決上述問題，試驗(yàn)擬設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)緊湊簡單，加工效率高的家用面條機(jī)，并且對(duì)所設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的面條機(jī)是否能產(chǎn)生穩(wěn)定的壓力將面團(tuán)擠出形成面條，同時(shí)也對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行仿真分析。

1 面條機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 面條機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)

家用面條機(jī)的功能是將水和面粉進(jìn)行混合、攪拌，再通過模具擠壓成不同形狀的面條。內(nèi)部結(jié)合微電腦控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化制作，不僅可以制作各種類型的面條，例如龍須面、寬面、空心面等，也可選擇單獨(dú)和面。

面條機(jī)在中國屬于工廠大型生產(chǎn)設(shè)備，近幾年，由于小家電的普及，各廠家才轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)小型化家用面條機(jī)[5-6]。雖然目前市面上的面條機(jī)有很多品牌，但種類和形式單一，均采用了水平布置的攪拌軸結(jié)構(gòu)，橫向擠出。這種設(shè)計(jì)方案雖然避免了縱向布置造成的泄漏問題，但是也會(huì)造成更多的原料浪費(fèi)。因此設(shè)計(jì)以解決下端密封問題為前提，采用縱向布置。整機(jī)三維設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

整機(jī)外形長250 mm、寬300 mm、高520 mm，符合家用電器的外觀要求，安裝、拆卸、維護(hù)、使用起來也十分方便。從結(jié)構(gòu)布局上看，電機(jī)和螺旋擠壓軸均豎直放置，采用一對(duì)錐齒輪和一對(duì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，有效利用了內(nèi)部空間。面條機(jī)工作時(shí)，電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)主動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，兩錐齒輪相互嚙合，進(jìn)而帶動(dòng)被動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿和被動(dòng)錐齒輪同軸，使得蝸桿發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪蝸桿相互嚙合，因此蝸輪以及與之同軸的螺旋擠壓軸獲得驅(qū)動(dòng)力矩發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋擠壓軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)水與面粉的混合物進(jìn)行充分?jǐn)嚢?、揉搓形成面團(tuán)，之后再對(duì)混合充分的面團(tuán)進(jìn)行自上而下的輸送并擠壓，當(dāng)面團(tuán)通過下方的模具后，形成面條。

1. 整機(jī) 2. 定位螺栓 3. 制面容器 4. 箱體 5. 箱蓋 6. 后蓋板 7. 傳動(dòng)裝置

用戶操作步驟：將容器洗凈裝好，先在控制面板上選擇所要制作的面條類型和口味，LED屏幕顯示所需的原材料和擠壓模具；用戶根據(jù)屏幕提示，安裝相應(yīng)的擠壓模具并將定量原料倒入容器入料口中；用戶在面板上確認(rèn)后，機(jī)器將自動(dòng)開始和面工作，待和面完成后自動(dòng)進(jìn)入擠面階段。根據(jù)面條類型不同，出面時(shí)間會(huì)有所差異，平均5 min完成出面(總時(shí)長約15 min，可產(chǎn)500 g面條)，此時(shí)機(jī)器會(huì)蜂鳴提醒用戶取走面條。設(shè)備主要設(shè)計(jì)參數(shù)：容量500 g，重量7.8 kg，電機(jī)轉(zhuǎn)速1 400 r/min，攪拌軸轉(zhuǎn)速48 r/min，電壓220 VAC，頻率20 Hz，功率200 W。

1.2 面條模具的設(shè)計(jì)

面條模具為圓盤狀，直徑為100 mm，最大厚度為17 mm，其上開有若干個(gè)圓形通孔，面團(tuán)受壓時(shí)，將從通孔中擠出，形成面條。

模具通過螺紋旋合固定在容器出口處，模具中心設(shè)有錐形凸起，同擠壓軸下部的錐形凹槽配合，對(duì)擠壓軸起支撐作用，使擠壓軸在工作時(shí)始終保持豎直方向旋轉(zhuǎn)，這樣的設(shè)計(jì)便于模具的安裝且解決了縱向擠壓易導(dǎo)致泄露的問題。如圖2所示，常規(guī)類型的“掛面”模具，開有圓形通孔。除此之外，設(shè)備還可以配備更多類型的模具，用于制作其他面條，如寬面、龍須面等。

1.3 擠壓軸的設(shè)計(jì)

擠壓軸主體由中心軸和螺旋面構(gòu)成，高222 mm，螺旋面最大直徑為150 mm，擠壓軸直接與面團(tuán)接觸，通過自身旋轉(zhuǎn)執(zhí)行和面、擠面的動(dòng)作。擠壓軸上端與低速軸配合，低速軸下端與擠壓軸上端具有同樣的異形橫截面，使低速軸下端能恰好插在擠壓軸上端的空腔中，從而限制兩者之間的周向旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到傳遞轉(zhuǎn)矩的目的。軸的中間部分設(shè)計(jì)成螺旋式結(jié)構(gòu)，螺旋面主要用于攪拌、擠壓、揉搓、輸送面團(tuán)。為了防止擠壓軸在工作過程中受到徑向擾動(dòng)而偏離旋轉(zhuǎn)軸線，在軸的底端設(shè)計(jì)一個(gè)與模具中心錐形凸起有著同樣尺寸的錐形凹糟，二者恰好相互配合，使軸工作時(shí)始終保持在豎直方向旋轉(zhuǎn)，擠壓軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 面條模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.4 傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)

面條機(jī)采用豎直布置的200 W的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過錐齒輪改變傳動(dòng)方向，再通過蝸輪蝸桿進(jìn)行減速。攪拌結(jié)構(gòu)采用豎直設(shè)計(jì)，面條模具為可拆卸更換的部件，面條機(jī)配備多種不同形狀的面條模具，不同的面條模具可以擠出不同形狀的面條，如普通面、龍須面、寬面、空心面等。這樣的設(shè)計(jì)較面輥結(jié)構(gòu)[7-8]更加緊湊，在實(shí)現(xiàn)和面、擠面功能的前提下，整機(jī)體積大大縮小，傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)如圖4所示。

1.5 制面容器的設(shè)計(jì)

制面容器長194 mm，寬190 mm，高185 mm，用于存放物料，物料通過側(cè)邊矩形開口加入容器，制面容器的下端為出面口，外圍加工出螺紋，使模具旋合其上，更換方便快捷。制面容器如圖5所示，兩直角邊處開有兩個(gè)通孔，其作用是將容器固定在機(jī)器箱體上。安裝方法為使用兩根特制的長螺栓，穿入兩個(gè)通孔，再旋合進(jìn)箱體上對(duì)應(yīng)位置的螺紋孔中。這種設(shè)計(jì)方便拆裝，清洗時(shí)省時(shí)省力。

圖3 擠壓軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 面條模具 2. 擠壓軸 3. 蝸輪 4. 蝸桿 5. 錐齒輪 6. 聯(lián)軸器 7. 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

1.6 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

箱體大致呈長方體，長250 mm，寬300 mm，高462 mm，箱體用于支撐、固定其他零部件，其外觀直接決定了面條機(jī)整體是否美觀，因此其設(shè)計(jì)相當(dāng)重要。箱體結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，正面設(shè)有一個(gè)很大的空腔，用于安裝制面容器，以及放置接面容器；箱體的背面設(shè)有兩個(gè)豎直對(duì)齊的空腔，分別用來放置電機(jī)和電子元器件；箱體上端的孔槽，用于順應(yīng)傳動(dòng)部分的零部件，如蝸輪、錐齒輪等。

上箱蓋長250 mm，寬300 mm，高60 mm，如圖7所示，上箱蓋的下部同樣設(shè)有與箱體上部孔槽互為對(duì)稱的孔槽，通過孔槽的形狀控制并固定傳動(dòng)部分零部件的位置。

2 面條機(jī)擠壓裝置的流固耦合仿真

2.1 面團(tuán)仿真參數(shù)的確定

面團(tuán)為面粉與其他成分的液體經(jīng)過揉捏混合而成，其中含有大量的水分、碳水化合物以及蛋白質(zhì)。面團(tuán)由于混合多種成分，其流體性質(zhì)為非牛頓流體中的冪律流體，且是一種假塑性流體，假塑性流體的流變特性常用如下的指數(shù)函數(shù)方程描述[9]。

(1)

圖5 制面容器的設(shè)計(jì)

1. 制面容器位 2. 蝸輪位 3. 蝸桿位 4. 錐齒輪位 5. 電機(jī)位 6. 電源位

圖7 上箱蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

式中：

τ——剪切力，Pa；

n——流動(dòng)特性系數(shù)；

k——黏性系數(shù)。

通過式(1)可以看出，表觀黏度隨剪切速率的增大而減小。這是因?yàn)榫哂屑偎苄粤鲃?dòng)性質(zhì)的液體大多含有高分子的膠體粒子，這些粒子多由鏈狀高分子構(gòu)成，在靜止或低流速時(shí)，相互鉤掛纏結(jié)，黏度較大，顯得黏稠。但當(dāng)流速增大時(shí)，由于流層之間剪切應(yīng)力的作用，使比較散亂的鏈狀粒子滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)收縮成團(tuán)，減少了互相的鉤掛，從而使黏度降低。

在Fluent軟件中進(jìn)行流體仿真時(shí)，對(duì)于假塑性流體，一般采用carreau黏性模型[10]，該黏度模型采用式(2)計(jì)算流體黏度。

η=η+(η0-η

(2)

式中：

n——冪指數(shù)；

λ——時(shí)間常數(shù)，s；

η0——零剪切黏度，Pa·s；

η——無限剪切黏度，Pa·s 。

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[11]，得到面團(tuán)參數(shù)如表1所示。

2.2 建立分析模型

對(duì)面團(tuán)流體的擠壓過程進(jìn)行有限元分析時(shí)，應(yīng)盡可能簡化模型，以提高仿真速度。文章對(duì)擠壓裝置的模型進(jìn)行簡化，僅保留實(shí)際工作的部分，如圖8所示。容器內(nèi)壁的最大直徑為160 mm，擠壓軸葉片的最大直徑為150 mm，兩者之間留有5 mm的間距，用于防止壓力過大損壞零件，并能排出面團(tuán)中摻雜的空氣。

表1 面團(tuán)參數(shù)

2.3 擠壓裝置的流固耦合仿真

用流固耦合的分析方式在ANSYS workbench軟件中對(duì)擠壓裝置進(jìn)行有限元分析，主要是為了得到面團(tuán)流體在裝置中的應(yīng)力分布情況，以及該裝置的核心零件——擠壓軸在受到面團(tuán)流體的反作用力后的應(yīng)力分布情況和變形情況。

2.3.1 面團(tuán)流體仿真分析 將外殼、擠壓軸和面條模具的裝配體模型導(dǎo)入ANSYS workbench軟件后，進(jìn)行多次布爾操作和切片操作，生成面團(tuán)流體區(qū)域。該模型中存在運(yùn)動(dòng)區(qū)域，即擠壓軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此要用到動(dòng)區(qū)域計(jì)算模型，文中采用單參考系模型(SRF)，對(duì)模型進(jìn)行了簡化。對(duì)于需要利用SRF進(jìn)行仿真計(jì)算的三維旋轉(zhuǎn)模型需要遵循旋轉(zhuǎn)對(duì)稱規(guī)則，而圖3中的模型下方有24個(gè)凸臺(tái)，并不滿足旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，因此要將模型進(jìn)行分割。再對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的劃分結(jié)果如圖9所示，軟件統(tǒng)計(jì)出模型劃分有603 420個(gè)單元格，118 635個(gè)節(jié)點(diǎn)。上部分的主體結(jié)構(gòu)滿足旋轉(zhuǎn)對(duì)稱條件，運(yùn)行計(jì)算時(shí)，上部分流域的分析數(shù)據(jù)可以通過接觸面?zhèn)鬟f給下部分流域。

在Fluent中，需要對(duì)模型添加材料參數(shù)、區(qū)域條件以及邊界條件。材料參數(shù)依照表1進(jìn)行設(shè)置；攪拌軸以48 r/min 的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此上部區(qū)域單位換算的轉(zhuǎn)速為0.8 r/s，下部區(qū)域靜止；進(jìn)口條件設(shè)置為pressure-outlet，壓力為101 kPa，出口條件為outflow，其余壁面條件為默認(rèn)設(shè)置[12-13]，設(shè)置完成后進(jìn)行求解運(yùn)算。

軟件求解運(yùn)算完成后，在ANSYS的后處理模塊CFD-Post中查看計(jì)算結(jié)果，壓力云圖如圖10所示。從圖10 可以看出，壓力分布在46.25～994.20 kPa，自上而下逐漸增加，出口處的壓力相對(duì)比較穩(wěn)定，為894.40～994.20 kPa，因此可以確定，面條會(huì)在出面口均勻地?cái)D出。

圖8 擠壓部分的簡化模型

圖9 流域網(wǎng)格劃分

2.3.2 擠壓軸的靜力學(xué)仿真 對(duì)擠壓軸進(jìn)行靜力學(xué)有限元仿真，分析擠壓軸在面團(tuán)流體壓力下的變形情況以及應(yīng)力分布情況。

擠壓軸的材料為結(jié)構(gòu)鋼。對(duì)模型劃分網(wǎng)格如圖11所示，包括13 019個(gè)單元格和26 474個(gè)節(jié)點(diǎn)。劃分網(wǎng)格后，要對(duì)模型施加約束和載荷。對(duì)擠壓軸的上端面施加固定約束，對(duì)下端面的錐形槽面施加無摩擦約束；將在Fluent計(jì)算出的面團(tuán)流體與擠壓軸接觸的壁面的壓力作用在該模型上，完成載荷施加[14]。

軟件計(jì)算完成后，查看計(jì)算結(jié)果，應(yīng)變云圖見圖12，最大形變量為0.62 mm，位于擠壓軸的下部螺旋面的邊緣處，滿足工況要求。應(yīng)力云圖見圖13，最大應(yīng)力為289.64 MPa，位于擠壓軸中心與螺旋面相連接處，在數(shù)值上小于材料的許用應(yīng)力，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工況要求。

2.4 分析各個(gè)參數(shù)對(duì)壓力的影響

為了探討面團(tuán)密度、冪律指數(shù)、零剪切黏度以及擠壓軸轉(zhuǎn)速4個(gè)因素對(duì)最大擠壓力的影響，采用控制單一變量法，在原來的仿真基礎(chǔ)上，分別對(duì)每個(gè)因素再增加2組仿真試驗(yàn)進(jìn)行壓力結(jié)果比對(duì)。

圖10 壓力云圖

圖11 擠壓軸網(wǎng)格劃分

圖12 應(yīng)變云圖

圖13 應(yīng)力云圖

2.4.1 面團(tuán)密度對(duì)壓力的影響 按照2.3中的仿真流程，運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行仿真，圖14(a)是冪律指數(shù)為0.4，零剪切黏度為24.35 kPa·s，擠壓軸轉(zhuǎn)速為0.8 r/s時(shí)不同面團(tuán)密度所對(duì)應(yīng)的最大壓力變化情況，面團(tuán)密度為850，1 000，1 150 kg/m3時(shí)的最大壓力分別為994.20，993.80，994.20 kPa，由此可以判定，流體的密度對(duì)壓力的影響極小。

2.4.2 冪律指數(shù)對(duì)壓力的影響 圖14(b)是面團(tuán)密度為850 kg/m3，零剪切黏度為24.35 kPa·s，擠壓軸轉(zhuǎn)速為0.8 r/s 時(shí)不同冪律指數(shù)所對(duì)應(yīng)的最大壓力變化情況，冪律指數(shù)為0.2，0.4，0.6時(shí)的最大壓力分別為543.70，994.20，1562.00 kPa，因此，冪律指數(shù)對(duì)壓力的影響很大。

2.4.3 零剪切黏度對(duì)壓力的影響 圖14(c)是面團(tuán)密度為850 kg/m3，冪律指數(shù)為0.4，擠壓軸轉(zhuǎn)速為0.8 r/s時(shí)不同零剪切黏度所對(duì)應(yīng)的最大壓力變化情況，零剪切黏度分別為10，20，30 kPa·s時(shí)的最大壓力分別為462.20，834.40，1 113.00 kPa，因此，黏度對(duì)壓力的影響也很大。

2.4.4 擠壓軸轉(zhuǎn)速對(duì)壓力的影響 圖14(d)是面團(tuán)密度為850 kg/m3，冪律指數(shù)為0.4，零剪切黏度為24.35 kPa·s 時(shí)不同擠壓軸轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的最大壓力變化情況，擠壓軸轉(zhuǎn)速為0.8，1.0，1.2 r/s時(shí)的最大壓力分別為994.20，1 046.00，1 095.00 kPa。由此可知，擠壓軸的轉(zhuǎn)速對(duì)壓力的影響較小。

通過對(duì)面團(tuán)流體的密度、冪律指數(shù)、零剪切黏度以及擠壓軸轉(zhuǎn)速對(duì)擠壓過程中壓力影響的分析可知，面團(tuán)流體的密度和擠壓軸的轉(zhuǎn)速對(duì)壓力的影響較小，在設(shè)計(jì)過程中可適當(dāng)忽略二者對(duì)壓力的影響；而面團(tuán)流體的零剪切黏度和冪律指數(shù)對(duì)壓力的影響較大，零剪切黏度越大，壓力越大，冪律指數(shù)越大，壓力也越大。因此，設(shè)計(jì)過程中，在保證面條口感、裝置強(qiáng)度等條件下，可適當(dāng)提高面團(tuán)黏度和冪律指數(shù)，從而提高面條的緊致程度，減少面條斷開的情況。若要對(duì)更高黏度或更大冪律指數(shù)的面團(tuán)進(jìn)行攪拌擠壓時(shí)，可對(duì)面條機(jī)的主要工作部件擠壓軸的螺旋面進(jìn)行加厚，或者對(duì)螺旋面和軸芯的連接處進(jìn)行倒圓角處理，以保證面條機(jī)工作的可靠性。

3 結(jié)論

運(yùn)用流固耦合的方法對(duì)面條機(jī)的攪拌擠壓部分進(jìn)行

圖14 不同參數(shù)對(duì)最大壓力的影響

了有限元仿真，通過仿真分析驗(yàn)證了面條機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，擠壓軸的強(qiáng)度以及對(duì)面團(tuán)的擠壓力均滿足設(shè)計(jì)要求。影響擠壓力的因素有4個(gè)，其中面團(tuán)黏度和冪律指數(shù)對(duì)壓力的影響較大，而面團(tuán)密度和擠壓軸轉(zhuǎn)速的影響較小，因此設(shè)計(jì)過程中，可以適當(dāng)忽略面團(tuán)密度和擠壓軸轉(zhuǎn)速的影響。運(yùn)用流固耦合有限元仿真的方法輔助面條機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相比于傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)，能夠大大提高設(shè)備的研發(fā)效率，減少設(shè)計(jì)成本。通過找出適合面團(tuán)流體的有限元仿真的參數(shù)模型，可以為和面團(tuán)流體相關(guān)的設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。由于該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏向于對(duì)非牛頓流體的仿真分析，未對(duì)擠壓軸螺旋結(jié)構(gòu)的螺距參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合螺距的結(jié)構(gòu)參數(shù)與擠出壓力作為優(yōu)化目標(biāo)是接下來的另一個(gè)主要工作內(nèi)容。