熟化小麥麩皮機(jī)械超微粉碎生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)

武文璇，賈振超，孔凡祝，張宗超，李青，崔相全，韓夢(mèng)龍，龔魁杰，李英治

（1.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250100；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，山東濟(jì)南 250100）

小麥麩皮為小麥制粉工藝中將胚和胚乳提取后的副產(chǎn)物，約占小麥籽粒的22%～25%，年產(chǎn)量達(dá) 2 000萬噸［1，2］，因口感差、食用不便等基本上直接應(yīng)用于飼料工業(yè)，很少進(jìn)行深加工和再利用，經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高。但小麥麩皮富含纖維素和半纖維素，還有較為豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、低聚糖、植酸以及天然抗氧化成分等，是預(yù)防糖尿病和心血管疾病等現(xiàn)代人高分病的重要食療資源［3-5］。

將麩皮加工成微粉回添到面粉中制成全麥粉進(jìn)一步食用已成為麥麩深加工的重要研究方向。但是，研究發(fā)現(xiàn)麩皮是由三種力學(xué)性質(zhì)不同的結(jié)構(gòu)層組成的三維復(fù)合材料，若直接進(jìn)行粉碎的話，破碎形式比較復(fù)雜［6］，且粉碎過程中溫升較高，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，因此現(xiàn)階段麩皮微粉主要是在實(shí)驗(yàn)室條件下獲得，還未真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)［7］。將小麥麩皮熟化處理后可有效降低麩皮韌性，有利于進(jìn)一步進(jìn)行超微粉碎，并且小麥麩皮經(jīng)熟化及超微粉碎處理后可有效改善口感，提高膳食纖維的溶解性［8］，增強(qiáng)產(chǎn)品功能性及營養(yǎng)性，延長保質(zhì)期［9，10］，已成為小麥全粉加工麩皮處理的重要途徑。因此，根據(jù)熟化小麥麩皮物料特性和粉碎機(jī)理，研發(fā)與之相匹配的粉碎分級(jí)工藝及適用于工廠化生產(chǎn)的超微粉碎生產(chǎn)線意義重大。

1 熟化小麥麩皮超微粉碎生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

熟化小麥麩皮超微粉碎生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由引風(fēng)機(jī)、熟化小麥麩皮機(jī)械超微粉碎機(jī)、混合輸送管道、旋風(fēng)收集器、脈沖除塵器、冷風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)和控制柜等組成。

圖1 熟化小麥麩皮超微粉碎生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

本生產(chǎn)線主要用于熟化小麥麩皮的超微粉碎作業(yè)。其工作原理為：熟化小麥麩皮經(jīng)專用進(jìn)料口及螺旋送料器被送入到機(jī)體與導(dǎo)流圈之間的粉碎室，在粉碎室內(nèi)，轉(zhuǎn)子盤與固定齒圈產(chǎn)生高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使麩皮在轉(zhuǎn)子盤和固定齒圈間受到?jīng)_擊、剪切、研磨及物料間的相互撞擊等綜合作用實(shí)現(xiàn)粉碎。粉碎后的物料，在負(fù)壓氣流的拉力作用下，小粉?？朔灾兀S氣流越過導(dǎo)流圈，進(jìn)入分級(jí)室。分級(jí)葉輪由葉片組成，高速旋轉(zhuǎn)的葉片產(chǎn)生與負(fù)壓相反的離心力，沉入葉道內(nèi)的粉粒同時(shí)受到負(fù)壓氣流的向心力和粉粒自重及葉輪產(chǎn)生的離心力的作用，粉粒中大于臨界粒徑的顆粒因質(zhì)量大被甩回粉碎室繼續(xù)粉碎，小于臨界粒徑的顆粒經(jīng)混合輸送管道進(jìn)入旋風(fēng)收集器經(jīng)排料閥排出。分級(jí)葉輪的旋轉(zhuǎn)速度越高，分級(jí)的粉粒越細(xì)，調(diào)整分級(jí)葉輪的旋轉(zhuǎn)是控制粉粒大小的決定因素。粉碎過程中產(chǎn)生的粉塵由脈沖除塵器收集，以減少粉塵污染，同時(shí)提高物料的利用率。粉碎過程中產(chǎn)生的熱量由冷風(fēng)機(jī)和冷水機(jī)通過強(qiáng)制冷卻技術(shù)進(jìn)行消除，以達(dá)到降溫的效果。整個(gè)粉碎過程通過電控箱控制實(shí)現(xiàn)設(shè)備的電源供應(yīng)、手／自動(dòng)啟?？刂啤乜丶斑B續(xù)生產(chǎn)等功能。

2 主要部件的設(shè)計(jì)

針對(duì)熟化小麥麩皮物料特性及粉碎過程中出現(xiàn)的問題對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括熟化小麥麩皮機(jī)械超微粉碎機(jī)、旋風(fēng)收集器、脈沖除塵器以及引風(fēng)機(jī)選型，這些關(guān)鍵零部件直接影響著整條生產(chǎn)線的性能，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要注意結(jié)構(gòu)的合理性以及參數(shù)選擇的匹配性。

2.1 熟化小麥麩皮機(jī)械超微粉碎機(jī)設(shè)計(jì)

熟化小麥麩皮機(jī)械超微粉碎機(jī)是整個(gè)粉碎機(jī)的核心部分，其設(shè)計(jì)質(zhì)量將直接影響熟化小麥麩皮的粉碎效率、分級(jí)精度以及產(chǎn)品質(zhì)量，因此需要對(duì)機(jī)械超微粉碎主機(jī)的核心部件如喂料裝置、粉碎分級(jí)裝置等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。熟化小麥麩皮機(jī)械超微粉碎機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 熟化小麥麩皮機(jī)械超微粉碎機(jī)總體結(jié)構(gòu)

2.1.1 喂料裝置的設(shè)計(jì) 小麥麩皮經(jīng)熟化及壓碎處理后物料形狀為直徑5～10 mm、長度30～50 mm的圓條，且熟化后的物料韌性下降，脆性加強(qiáng)，有利于強(qiáng)制喂料。但小麥麩皮還存在重量輕、流動(dòng)性差的特點(diǎn)，易堵塞設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)均勻精確高效喂料，喂料裝置采用帶變頻控制的喂料電機(jī)及雙螺桿體積式喂料機(jī)構(gòu)［11］，可有效控制喂入量，實(shí)現(xiàn)喂料均勻，不易堵塞，保證喂料暢通。

2.1.2 粉碎分級(jí)一體化裝置的設(shè)計(jì) 采用內(nèi)置機(jī)械粉碎與氣流分級(jí)一體技術(shù)，將粉碎與分級(jí)融合于一體，如圖3所示。粉碎部件和分級(jí)輪同軸心布置，分級(jí)輪通過分級(jí)電機(jī)帶動(dòng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，并配合導(dǎo)流罩以及引風(fēng)機(jī)提供的負(fù)壓，對(duì)粉碎物料進(jìn)行分級(jí)，合格細(xì)粉在機(jī)內(nèi)被分級(jí)，然后排出機(jī)外，避免了過粉碎現(xiàn)象，粗粉在機(jī)內(nèi)自動(dòng)循環(huán)回料被繼續(xù)粉碎，直至達(dá)到目標(biāo)細(xì)度，從而提高了粉碎效率，保證粉碎質(zhì)量。

圖3 粉碎分級(jí)一體裝置結(jié)構(gòu)

（1）粉碎室：粉碎室主要包含刀盤、刀頭、齒圈以及粉碎主軸。刀頭安裝在刀盤上，刀盤高速旋轉(zhuǎn)使得刀頭與固定齒圈產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，刀頭在與固定齒圈的配合下對(duì)物料產(chǎn)生沖擊、研磨及剪切作用，使物料粉碎。刀盤高速運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可達(dá)4 200 r／min，因此刀盤要有良好的動(dòng)平衡性［12］以降低噪音、延長使用壽命，同時(shí)加工精度要滿足設(shè)計(jì)要求。刀頭和齒圈與被粉碎物料之間產(chǎn)生激烈的碰撞和沖擊，勢必會(huì)造成磨損，作為易損件，刀頭和齒圈均采用耐磨合金材料制成。經(jīng)過多次對(duì)比試驗(yàn)，確定粉碎室主要零部件結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用菱形刀頭，該類型刀頭對(duì)于小麥麩皮等具有一定韌性的物料具有很好的剪切作用，可實(shí)現(xiàn)纖維性物料的高效粉碎。

圖4 粉碎室主要零部件結(jié)構(gòu)

（2）分級(jí)室：分級(jí)室主要由分級(jí)輪、導(dǎo)流罩、分級(jí)軸以及端蓋組成。分級(jí)室的高度和直徑根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行選取和計(jì)算。分級(jí)室直徑與分級(jí)生產(chǎn)加工能力有關(guān)，直徑變大，相應(yīng)的生產(chǎn)加工能力提高。根據(jù)以往產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果及國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品直徑與加工能力對(duì)應(yīng)關(guān)系［13］，總結(jié)得到機(jī)械超微粉碎分級(jí)室的直徑與生產(chǎn)加工能力對(duì)照表，見表1。分級(jí)室高度計(jì)算參照經(jīng)驗(yàn)公式確定。

表1 分級(jí)室的直徑與生產(chǎn)加工能力對(duì)照情況

分級(jí)室高度H2計(jì)算公式［14］如下：

式中，φ為比例因子，取值1.2～1.3；H1為粉碎腔體高度，mm；D為分級(jí)室內(nèi)徑尺寸，mm；γ0為分級(jí)輪半徑，mm；β為粉碎區(qū)向中心擴(kuò)散的角度，12°～14°。

分級(jí)輪安裝在分級(jí)軸上，分級(jí)軸與粉碎主軸同軸心且同向轉(zhuǎn)動(dòng)，其工作時(shí)也是高速運(yùn)轉(zhuǎn)，分級(jí)輪的動(dòng)平衡性以及分級(jí)輪葉片的間隙直接影響分級(jí)效果和分級(jí)效率，因此制作時(shí)需要進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)且分級(jí)輪葉片要選用有一定耐磨性的材料，其設(shè)計(jì)及制作工藝要求較高。經(jīng)過多次對(duì)比試驗(yàn)，確定分級(jí)室的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 分級(jí)室主要零部件結(jié)構(gòu)

2.2 旋風(fēng)收集器的設(shè)計(jì)

旋風(fēng)收集器主要包括沙克龍筒體、星型卸料器、進(jìn)出風(fēng)口及氣錘，如圖6所示，利用離心力將氣流中的粉體分離出來從而進(jìn)行收集。采用星型卸料器可以保證生產(chǎn)線在連續(xù)工作的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)連續(xù)均勻出料。針對(duì)麩皮超微粉流動(dòng)性差的問題，沙克龍筒體上安裝氣錘，周期性撞擊沙克龍筒體，以利于麥麩超微粉流出。根據(jù)熟化小麥麩皮機(jī)械超微粉碎機(jī)的性能參數(shù)對(duì)旋風(fēng)收集器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素——壓力損失、旋風(fēng)分離筒直徑、旋風(fēng)分離器壁厚進(jìn)行理論計(jì)算和強(qiáng)度校核，使之與熟化小麥麩皮機(jī)械超微粉碎機(jī)性能參數(shù)相匹配。

圖6 旋風(fēng)收集器結(jié)構(gòu)

2.3 脈沖除塵器的設(shè)計(jì)

針對(duì)生產(chǎn)過程中的除塵問題，利用脈沖式除塵器對(duì)粉塵進(jìn)行收集，脈沖除塵器直接與引風(fēng)機(jī)相連，由引風(fēng)機(jī)提供負(fù)壓，為減少運(yùn)行中的風(fēng)量損失，脈沖除塵器整體必須密封可靠。除塵箱內(nèi)均布多個(gè)能抗靜電的除塵布袋，粉塵收集在除塵袋外面，脈沖管道安裝于除塵袋內(nèi)，為提高除塵效果和效率，在脈沖管道上增加除塵支管，結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖見圖7，改進(jìn)后除塵效率顯著提高，風(fēng)機(jī)能耗大幅下降。通過電磁脈沖閥依次帶動(dòng)各組除塵布袋實(shí)現(xiàn)振動(dòng)，將布袋上的粉塵振落入除塵箱體底部集中收集，清潔空氣由引風(fēng)機(jī)排出。脈沖除塵器下端安裝手動(dòng)蝶閥，運(yùn)行過程中，需要把除塵器下端的手動(dòng)蝶閥關(guān)閉牢固，停機(jī)時(shí)打開手動(dòng)蝶閥收集粉塵，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備連續(xù)無塵作業(yè)，保證工作環(huán)境清潔無污染，避免出現(xiàn)環(huán)保問題。

圖7 脈沖管道結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖

2.4 低溫冷卻系統(tǒng)及控制系統(tǒng)

2.4.1 低溫冷卻系統(tǒng) 為降低粉碎過程中物料溫升大對(duì)成品品質(zhì)的影響，采用自冷卻與外冷卻相結(jié)合的降溫方式。由引風(fēng)機(jī)提供負(fù)壓輸送使粉碎機(jī)作業(yè)時(shí)粉碎室內(nèi)產(chǎn)生的熱量全部送出，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制自冷。在此基礎(chǔ)上，增加水冷和風(fēng)冷循環(huán)冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制外冷卻。如圖1所示，粉碎室增加自然風(fēng)進(jìn)口、強(qiáng)制冷風(fēng)進(jìn)口及強(qiáng)制冷水進(jìn)口，粉碎室及端蓋內(nèi)有水冷腔體，通過水管與冷水機(jī)相連接，冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)管經(jīng)冷風(fēng)連接管與強(qiáng)制冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)口相連接，使得強(qiáng)制水冷或強(qiáng)制風(fēng)冷與粉碎室完美結(jié)合。通過雙重冷卻方式能夠有效抵消粉碎過程中產(chǎn)生的熱量，避免熱敏性物料在粉碎腔內(nèi)黏附和堆積問題的出現(xiàn)，保證目標(biāo)物料的粉碎質(zhì)量并保障其營養(yǎng)價(jià)值。

2.4.2 控制系統(tǒng) 采用PLC、觸摸屏及相關(guān)低壓控制元件實(shí)現(xiàn)對(duì)整條粉碎生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)粉碎機(jī)的啟?？刂?、分級(jí)粒度控制、粉碎主電機(jī)負(fù)荷控制、低溫冷卻粉碎系統(tǒng)的溫度控制，控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖8所示。該控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)粉碎過程中加工工藝與設(shè)備參數(shù)相匹配，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，操作方便，可視性好。

圖8 熟化麩皮超微粉碎機(jī)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)構(gòu)成

3 樣機(jī)試驗(yàn)及結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，完成熟化麩皮超微粉碎生產(chǎn)線的樣機(jī)制作，并根據(jù) JB／T 12837—2016《機(jī)械沖擊式超微粉碎設(shè)備試驗(yàn)方法》對(duì)樣機(jī)粉碎及分級(jí)性能進(jìn)行測試，結(jié)果見表2。測試結(jié)果表明技術(shù)優(yōu)化方案基本可行，整機(jī)各優(yōu)化部分基本性能都能實(shí)現(xiàn)，小麥麩皮粉碎質(zhì)量較好，穩(wěn)定可靠，產(chǎn)品性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。進(jìn)一步用樣機(jī)對(duì)熟化小麥麩皮進(jìn)行粉碎試驗(yàn)，測得粉碎細(xì)度達(dá)到160目時(shí)，產(chǎn)量為100 kg／h。熟化小麥麩皮超微粉碎機(jī)生產(chǎn)線樣機(jī)實(shí)物見圖9，熟化黑麥麩皮粉碎前后效果對(duì)比見圖10。

表2 熟化麩皮超微粉碎生產(chǎn)線主要性能參數(shù)

圖9 熟化小麥麩皮超微粉碎生產(chǎn)線實(shí)物

圖10 熟化黑麥麩皮超微粉碎效果

4 結(jié)論

（1）熟化小麥麩皮機(jī)械超微粉碎生產(chǎn)線針對(duì)熟化小麥麩皮的物料特性及粉碎機(jī)理進(jìn)行設(shè)計(jì)，將機(jī)械粉碎和氣流分級(jí)融為一體，結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)粉碎分級(jí)自循環(huán)，避免過度粉碎，同時(shí)采用大顆粒高壓氣密封系統(tǒng)以及高效連續(xù)脈沖除塵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)熟化小麥麩皮的超微粉碎，提高分級(jí)精度和粉碎效率，解決小麥麩皮口感差與加工成本高的問題。

（2）針對(duì)粉碎過程中高溫導(dǎo)致物料粘結(jié)、蛋白變性從而引起品質(zhì)下降的問題，利用低溫風(fēng)冷技術(shù)對(duì)軸承座和粉碎室進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，同時(shí)在粉碎室及端蓋處增加水冷腔體，兩種強(qiáng)制冷卻方式相結(jié)合能有效保證整機(jī)低溫運(yùn)行，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）利用PLC、觸摸屏及相關(guān)低壓控制元件實(shí)現(xiàn)對(duì)整條粉碎生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制，保證整條生產(chǎn)線啟停有序，前后銜接順暢，關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)監(jiān)控及報(bào)告，實(shí)現(xiàn)粉碎過程中加工工藝與設(shè)備參數(shù)相匹配，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，操作方便。

（4）熟化小麥麩皮超微粉碎試驗(yàn)表明：粉碎粒度達(dá)到160目時(shí)，產(chǎn)量可達(dá)100 kg／h，產(chǎn)品粒度滿足小麥全粉加工需求，產(chǎn)量可滿足一定程度的工廠化生產(chǎn)。接下來還需進(jìn)一步對(duì)樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在滿足粒度要求的前提下進(jìn)一步提高產(chǎn)量，符合規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。