闭式马铃薯渣脱水、压缩成型试验装置设计研究

德雪红，郭文斌，张建超，马克西姆，德志强

(1.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018；2.株洲硬质合金集团有限公司，湖南 株洲 412000)



闭式马铃薯渣脱水、压缩成型试验装置设计研究

德雪红1，郭文斌1，张建超1，马克西姆1，德志强2

(1.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018；2.株洲硬质合金集团有限公司，湖南 株洲 412000)

马铃薯渣松散、密度低、水分高，不利于回收利用，因此将其压缩成较高密度的成型物料块是解决上述问题的有效途径。传统的薯渣压缩设备需要先去除水分，再进行压缩。本文根据马铃薯渣的压缩特性，研制了一种高效方便的脱水、压缩同时完成的闭式薯渣压缩试验装置，且优化了薯渣压缩装置。同时，对关键部件进行了受力分析，并进行了样机的试制。结果表明：设计的薯渣压缩试验装置效率高，证明了此压缩试验装置设计的可行性。

薯渣；压缩成型；闭式

0 引言

我国作为世界上马铃薯生产大国之一，每年马铃薯淀粉产量大约在30～40万t[1-5]。生产加工马铃薯淀粉过程中，一般每生产1 t的淀粉会产生约0.8t的薯渣，这些马铃薯渣中主要含有水、细胞碎片、残余淀粉颗粒和薯皮细胞及细胞结合物，含水量高达80%～90%。由于薯渣物料松散、含水量高，储存和运输十分困难，容易腐败变质，造成对生态环境的污染；如果将其当成废渣掩埋，又会导致土壤和地下水的污染[6-10]。因此，通过对薯渣物料进行压缩脱水、成型，解决马铃薯渣的储运问题，有利于对其进行后续的综合开发利用，减少对生态环境的污染，具有十分现实的意义。

1 薯渣机械脱水及压缩成型现状[11-24]

新鲜马铃薯渣含水率高达90%左右，但并不具有液态流体性质，而是表现出粘弹性，这主要与其中的淀粉、纤维等残留物质有关。生产中去除马铃薯渣中水分的常见方法有:直接烘干法—直接用烘干设备烘干马铃薯渣；机械压缩干燥法—先用机械压缩设备去除马铃薯渣中部分水分，再做其他方式干燥。直接烘干法能耗高，且薯渣残余淀粉在高温下易出现糊化现象，未能实现广泛使用；实际生产中，机械压缩干燥法中，转鼓式、带式压滤机等脱水机械常用来前期脱水处理，为进一步开发利用薯渣做准备。

1)转鼓式压滤机：有双转鼓对榨机常见机型。其关键工作部件由两个含金属滤网的可相向转动的转鼓组成，转鼓上设有用于导流的导流孔，两转鼓转动过程中，薯渣中被挤出汁液通过金属滤网被导流孔送入鼓内，从底部孔隙被排出鼓外。

2)带式压滤机：由两条上下张紧的滤带作为关键部件，其带间可夹带薯渣从多个并排的辊压筒间通过，依靠滤带自身张力产生对薯渣的压榨和剪切力，挤出薯渣中水分，完成脱水。

马铃薯渣还可利用压缩式、螺旋式、离心式等脱水设备实现脱水。其中，螺旋式淀粉渣压榨机，设备造价低、结构简单，其关键部件螺旋轴由3段组成，两端及内壁有多个出水口，利用摩擦、压缩在连续压榨过程中脱去水分；活塞压缩式薯渣脱水装置，设备分为3部分：动力区(液压式)、主脱水区和脱水堆积区。连续出料，脱水耗能低，效果好；离心式脱水机先将马铃薯渣浆置于池中，沉淀后用脱水机对其进行脱水，再烘干得薯渣单体饲料，最后对其做固态菌群发酵，并与玉米等配料混合制成能量饲料。

上述薯渣前处理脱水设备及方法在一定程度上解决了新鲜马铃薯渣脱水处理时耗能高的问题；但由于淀粉颗粒等物质的影响及纤维“重吸”现象[1-3]，目前脱水机械一般只能将薯渣含水量降到70%左右，且处理后物料松散，仍不利于运输。本文结合马铃薯渣物料松散、粘弹性好、含水率高的特点，设计了适用于马铃薯薯渣挤压脱水及成型的柱塞式压缩装置，如图1所示。该装置可完成薯渣物料的闭式压缩试验，并在马铃薯渣的压缩成型的过程中脱出物料的水分。

2 实验装置的设计与校核

2.1 闭式薯渣物料成型机工作原理

闭式薯渣物料成型机成型装置结构如图1所示。薯渣在型腔内受柱塞板挤压成型，在其过程中，对薯渣物料做假设：①材料设为各向同性的可压缩连续体；②作用于材料的惯性力和体积力不计；③物料在成型过程中遵循总体质量不变规律；④塑性应变相比于弹性应变小很多；⑤挤压过程中物料中水分大部分由型腔气孔排出。根据上述假设可设当薯渣挤压成成型物料达到一定密度时，所受最大平均正压力均匀作用在成型机型腔内壁上。

1.柱塞杆 2.物料 3.气孔 4.卸料板 5.顶杆 6.底座 7.型腔 8.柱塞板图1 闭式薯渣物料压缩成型机装配结构示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of assembly structure of compression molding machine for closed potato residue

闭式薯渣压缩成型机装配结构，由物料成型型腔、底座、卸料板、柱塞板、柱塞杆及顶杆等零件组成。型腔里的松散的薯渣物料在柱塞杆压力F作用下受柱塞板的挤压，水分从型腔的气孔里排出(气孔均布排列于型腔16孔×6排)，而薯渣被挤压形成致密度一定的成型物料，当其达到密度越大，将产生的胀型力P作用于型腔内壁也越大；当薯渣物料被压缩成型后，由顶杆推动卸料板顶出成型物料。

2.2 闭式薯渣压缩成型机成型型腔力学分析

2.2.1 成型型腔力学分析

闭式薯渣压缩成型机成型型腔受力状况如图2所示。薯渣物料放入成型型腔后，在柱塞杆的力F的作用下，松散的薯渣中水分被挤出沿着气孔流出，薯渣被压缩成一定形状；而受压缩成型物料产生相应胀型力P，作用于型腔，使型腔内壁受正压力N的作用，随着物料致密度增大，型腔内壁正压力N逐渐增大，当物料密度达到最高，正压力N达到峰值；此时，柱塞板及卸料板也同样受到胀型力P作用，故柱塞板及卸料板内壁受力分别为N2、N3，具体如图2所示。

图2 闭式薯渣压缩成型机成型部件受力简图Fig.2 Diagram of stress of closed compression molding machine parts for potato residue

由力的平衡方程，分析型腔内壁受力状态为

P=N1

P=N2

P=N3

式中P—物料的胀型力(MPa)；

N1—型腔内壁受力(MPa)；

N2—柱塞板内壁受力(MPa)；

N3—卸料板内壁受力(MPa)。

型腔内壁受到均匀的胀型力的作用，且随胀型力P的增大而增大，故型腔壁厚的大小决定着承受力的大小。

2.2.2 柱塞板力学分析

柱塞板受力如图3所示。柱塞板受到薯渣成型物料产生的均匀的胀型力P的作用，在此作用下，柱塞板外缘处产生较大弯矩，故随胀型力P的增大，柱塞板弯矩也增大。

2.2.3 型腔气孔力学分析

型腔气孔受力状态如图4所示。

在薯渣物料松散状态时，物料里充满空气和水分，此时柱塞板在外力F的作用下，向下运动使得型腔内体积变小，实现薯渣物料的压缩；此时，物料中气体由气孔被挤压排除型腔外，柱塞板继续下行，型腔内体积继续变小，物料中水分开始被挤压出来，顺着气孔流出；其流动速度由压缩速度大小决定，水流产生的压力p’作用于气孔壁上，如图4(b)所示。

1.柱塞杆 2.柱塞板图3 柱塞板受力简图Fig.3 Diagram of stress of piston plate

1.薯渣物料 2.型腔壁 3.气孔 4.卸料板 5.顶杆 6.底座 (a)

1.薯渣物料 2.型腔壁 3.薯渣挤出水 (b)图4 型腔气孔受力简图Fig.4 Diagram of stress of hole on mold cavity

2.3 成型型腔内壁强度校核

型腔装置外形尺寸如图2所示。型腔设计厚度t1=7mm，型腔内径D=95mm，卸料板厚度t3=20mm，柱塞板厚度t2=20mm，型腔材料为合金钢40Cr的无缝钢管，σb=980MPa，σs=785MPa，筒壁设计压力100MPa；柱塞杆直径d0=30mm。

2.3.1 成型型腔壁厚度的校核

这里由于型腔内壁处于类似密闭容器状态(气孔由于直径dk=1mm太小，忽略不计)，因此其型腔壁厚需要进行校核，根据上述分析有

式中P0—成型型腔设计压力(MPa)；

[σ]t—型腔材料在设计温度下的许用应力(MPa)；

te—型腔内壁材料有效许可最小厚度(mm)；

Di—成型型腔设计内径(mm)；

Ф—焊接制造因素，Ф≤1.0，这里取1.0。

根据分析，成型型腔内壁均匀受力，故需校核内壁厚度，这里P0=Pd-d=100MPa，Di=D=95mm，带入数值到上式计算得

即t1=7mm≥te=6.46mm，满足要求。

根据以上分析可知，设计厚度大于许可最小厚度，故强度合格。

2.3.2 柱塞板的强度校核

根据分析，柱塞板最外缘处有如下计算公式

式中σmax—柱塞板实际受最大应力(MPa)；

D—柱塞板直径(mm)；

t2—柱塞板的厚度(mm)；

k—结构特征系数，这里取0.27。

带入数值到上式整理计算得

σmax=609 MPa≤785 MPa=[σs]

根据以上分析可知，柱塞板强度合格。

根据上述设计及力学分析设计制造出试验用闭式薯渣压缩成型样机如图5所示。

2.3.3 气孔水压力的计算

气孔在薯渣物料被压缩过程中，由于型腔内壁较大的压力使得被挤压排除的水分由气孔流出的过程中产生较大压强，流出过程中主要以喷射状流出。假设柱塞板向下移动过程中，一般挤出水量为0.000 3m3/s，此时需水流喷射速度为

式中v—气孔内水流平均流速(m/s)；

Q—流量(m3/s)；

D—管道内径(mm)。

由以上结果可知：喷射速度达到382m/s较大，将形成水分飞溅，影响机器操作，故还需要设计防护罩于型腔外壁，防止水分飞溅。

通过初期薯渣的压缩试验，压缩机脱水、压缩顺利，薯渣压缩成型效果好，脱水效果理想。

图5 闭式薯渣脱水、压缩成型样机Fig.5 Closed compression molding machine for potato residue

3 结论

1)针对薯渣含水率高、松散等特点，闭式薯渣压缩试验装置的设计主要解决薯渣压缩过程中的成型与脱水问题，其优点是通过压缩同时完成薯渣的脱水及成型。

2)闭式压缩成型机成型效果与脱水效果较好，经校核强度符合成型的要求。实际使用时，将加装保护壳，以防止排出的水分飞溅，进行水分的引流。

3)本设计为薯渣前处理过程中的机械脱水方式的改进、成型效率的提高提供了参考，可进一步简化薯渣压缩装备。

[1] 沈群.薯类加工技术[M].北京：中国轻工业出版社,2010.

[2] 王卓, 顾正彪, 洪雁.马铃薯渣的开发与利用[J].中国粮油学报,2007,22(2):133-136.

[3] 郭文斌,高晶晶,王春光.马铃薯渣开发利用的研究现状及发展对策[J].农机化研究,2015,37(2):261-264.

[4] 宁平. 固体废物处理与处置[M].北京：高等教育出版社,2008.

[5] 赵萍,张珍.马铃薯渣生料发酵饲料生产[J].食品与发酵工业，2000, 27(3):82-84.

[6] Toru S, Kazunori T, Masaya K. Cellulose production from glucose using a glucose dehydrogenase gene(gdh)- deficient mutant of gluconacet obacter xylinus and its use for bioconversion of sweet potato pulp[J]. Journal of Bioscience and Biengineering, 2005,99(4): 415-222.

[7] Yoko H, Maki R, Hirose J. Microbial prodution of hydrogen from starch -manufacturing wastes [J].Biomass and Bioenergy, 2002, 22:389-395.

[8] 杨希娟. 马铃薯渣开发利用前景分析[J].粮食加工. 2009, 34(6):68-70.

[9] 王拓一,张杰.马铃薯渣的综合利用研究[J].农产品加工学刊, 2008,142(7):103-105.

[10] Slawomir Obidzinski. Analysis of usability of potato pulp as solid fuel[J].Fuel Processing Technology, 2012, 94： 67-74.

[11] Eun-Jung Lee, Dong-Keon Kweon, Bong-Kyung Koh, et al.Physical Characteristics of Sweet Potato Pulp/Polycaprolactone Blends [J].Journal of Applied Polymer Science, 2004, 92, 861-866.

[12] 赵昱.带式浓缩压滤机：中国，201205473[P].2008-05-15.

[13] 金翼.马铃薯渣脱水设备：中国，202428678[P].2012-09-12.

[14] 曾祥平,郭曦,蒋立茂.薯渣脱水方法及设备：中国，101423557[P].2009-05-06.

[15] 王彦波.薯渣脱水机：中国，201161991[P].2008-12-10.

[16] 胡秋云. 薯渣脱水机：中国，202494300[P].2011-10-17.

[17] 陈奇伟.真空吸滤正压反吹双转鼓对轧式粘质纤维榨水机：中国，101235092A[P].2008-08-06.

[18] 冯水珑，冯琪.木薯渣压干机:中国，202456332 U[P].2012-10-03．

[19] 罗永健，朱旭．一种淀粉渣的脱水设备:中国，201926254 U[P].2011-08-10．

[20] 李伟光，王科，李伟奇.薯渣燃料棒的生产工艺:中国，102492510A2[P].2012-06-13．

[21] 陈阳明.螺旋式淀粉渣压榨机:中国，201610418 U[P].2010-10-20．

[22] 马庆囝，马长虹，卢林兴.马铃薯渣饲料制备方法:中国，101828632A[P].2010-09 -15．

[23] 孙万成，肖明，孙小凤.马铃薯渣脱水技术研究[J]．食品研究与开发，2010，31(3):69-73．

[24] 陈志成．薯类精深加工利用技术[M].北京:化学工业出版社，2004．

Study on the Design of the Closed Type Test Device for the Dehydration and Compression of the Potato Residue

De Xuehong1, Guo Wenbin1, Zhang Jianchao1, Makeximu1, De Zhiqiang2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China; 2.Zhuzhou Cemented Carbide Group Co., Ltd.，Zhuzhou 412000，China)

Potato residue is not conducive to recycling,because of its loose, low density,high moisture content.So it is an effective way to solve the problems by compressing it into a high density molding material block.The traditional potato residue compression equipment need to remove moisture, and then carry on the compression. According to the characteristics of potato residue,a kind of high efficient and convenient testing device was developed,which was made by the method of high efficiency and convenience.Simultaneously, the key components were analyzed, and the model machine was trial-manufacture.The results showed that the design of the potato residue compression test device could achieved high compression, and the feasibility of the design of the compression test device was proved.

potato residue;compression forming;closed type

2016-05-18

内蒙古自治区自然科学基金项目(2014BS0319)；内蒙古农业大学博士科研启动基金项目(BJ09-21)

德雪红(1977-)，女(达斡尔族)，黑龙江德都人，讲师，博士，(E-mail)dexuehong@126.com。

郭文斌(1981-)，男，呼和浩特人，讲师，博士，(E-mail)wenbingwb2000@sina.com。

S226.9;TS239

A

1003-188X(2017)03-0181-05