SNJ10 型自动制泥机设计与试验

何江涛，陈 盼，李永辉，张清泉，赵东林，尹学清，楚军威

（中国包装和食品机械有限公司，北京 100083）

0 引言

马铃薯泥是将马铃薯蒸熟、捣烂后制成的一种泥状食品，最大程度地保留了马铃薯原有的风味、质地及营养成分，在西餐中广受欢迎，流行于欧洲和美国。近年来，随着西式快餐在我国的快速发展，马铃薯泥被越来越多的国人所认识和喜爱[1]。自2015 年我国实施马铃薯主粮化发展战略，把马铃薯确定为 “双主” （主粮、主食） 以来，薯泥作为马铃薯主粮化的重要原材料受到越来越多的重视和应用[2-5]。

发达国家用马铃薯泥加工的专用设备种类丰富、性能优良，加工技术也十分成熟。但国内用于马铃薯泥加工的专用设备却很少，中型和大型的马铃薯泥加工线则基本没有。因此，开发满足我国市场需求的马铃薯泥加工成套装备具有广阔的市场前景，而其中制泥技术的优劣是关系到马铃薯泥成品品质的一个关键环节。

为此，研发了SNJ10 型自动制泥机。该机采用带式柔性连续制泥结构，可自动实现薯泥与薯皮等杂质的分离，制泥压力可控、可调，可根据不同品种马铃薯原料的加工工艺需求，设定相应的制泥压力，从而生产出最优质的马铃薯泥，同时该机还采用变频控制，制泥速度可调，可满足不同的生产需求。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

SNJ10 型薯泥机主要由制泥压力控制及调节机构、制泥机构、自动卸料机构、杂质输出机构及链轮传动系统等组成。

SNJ10 型自动制泥机见图1。

技术参数如下：外形尺寸（长×宽×高） 800 mm×1 000 mm×1 200 mm，整机质量300 kg，生产能力100～200 kg·h-1，泥化颗粒直径≤2.0 mm，分离率92%～97%，总功率1.1 kW。

1.2 工作原理

SNJ10 型制泥机由驱动电机带动链轮传动系统驱动各机构协同运转。制泥机构主要由筛筒和皮带组成，其在主驱动电机的带动下做回转运动，并带动物料沿回转方向运行，随着制泥腔的逐渐变小，果肉逐渐被挤压进制泥机构的筛筒内，变成颗粒均匀、质地细腻的薯泥，薯皮则附着在筛筒及皮带的表面，并由后面的清理刮刀及辊刷清除，再由杂质输出机构输出，从而完成制泥及皮肉的自动分离。制泥压力控制及调节机构可转动地固定在机架上，通过调节其上预压紧弹簧的长度，可以灵活调整制泥压力。

2 主要工作部件设计

2.1 链轮传动系统

在满足设计需求的前提下，链传动系统具有结构简单、紧凑及维修方便等优点[6]。由驱动电机输入的动力通过链轮和传动链条被分别传递给制泥机构和杂质输出机构，使其分别绕固定的轴转动。在转动过程中，制泥机构和杂质输出机构由各执行部件的协调运行完成相应的操作。链轮传动系统主要由驱动链轮、传动链条、链条张紧机构、轴承座组及从动链轮等组成。驱动链轮由驱动电机带动，通过调整驱动电机的转速，可以满足一定范围内不同马铃薯泥生产率的需求。

链轮传动系统结构简图见图2。

2.2 制泥压力控制及调节机构

制泥压力控制及调节机构主要由皮带张紧机构、摆臂架、预压辊、主压辊及压力调节机构组成。

制泥压力控制及调节机构结构简图见图3。

皮带张紧机构控制着皮带的预张力，通过调整张紧机构既可以避免皮带运行过程中打滑失速，同时又可以通过降低皮带的弹性而增加一定的制泥压力。预压辊及主压辊沿光滑曲线轨迹可转动地固定在摆臂架上，由皮带的摩擦力带动旋转，且沿皮带运动方向，预压辊及主压辊与筛筒的间隙逐渐变小，从而实现对物料的逐步挤压。压力调节机构与摆臂架采用套筒式结构连接，中间放置压缩弹簧，通过调节压缩弹簧的预压力，可以根据加工工艺需求灵活设置制泥压力，制泥压力在0.05～0.45 MPa 内（可调）。同时，压力调节机构还具有保护筛筒及防止皮带意外损坏的功能，当有坚硬的异物意外进入制泥机内部后，由于异物无法通过筛筒而导致摆臂架受力增加，当摆臂架受力超过预先设置的制泥压力时，摆臂架会自动旋转抬起将异物排出而避免设备的损坏。

2.3 制泥机构

制泥机构主要由进料导槽、筛筒、压泥皮带、清理刮刀机构及辊刷机构组成。

制泥机构结构简图见图4。

熟制的物料经进料导槽，以一定的速度进入筛筒和压泥皮带的啮合区间，随着啮合区间的逐渐缩小，物料的果肉被逐渐压过筛筒表面的孔隙，进入筛筒的内部，变成均匀细腻的泥状物。物料的果皮及杂质则由于不能通过筛筒表面的孔隙而附着在筛筒和皮带的表面，并被其带离啮合区，最终由筛筒表面的清理刮刀和皮带表面的辊刷清除掉。筛筒的表面按菱形、长方形或正方形的排列方式均布一定数量的向心圆孔，孔径φ0.5～3.0 mm （可选）。在开孔率最大化的前提下，圆孔直径的大小决定着制泥机的产能及马铃薯泥的质地。因此，可根据不同的原料及马铃薯泥的使用需求，选用不同圆孔直径。压泥皮带采用食品级强化橡胶带，压泥皮带的柔性可以防止局部制泥压力过大所导致的马铃薯泥细胞破损，淀粉游离。

3 性能试验及结果分析

3.1 性能试验

3.1.1 试验材料

马铃薯品种：大西洋，要求外观良好，无病虫害、无表面发青及腐烂变质。

3.1.2 测试指标与影响因素

制泥效率是评价SNJ10 型制泥机性能好坏的主要指标，制泥效率以产能N 为检测标准，即在单位时间内通过制泥机筛筒的马铃薯泥质量，在保证薯泥品质及泥化率的前提下，单位时间内制得的薯泥质量越高，制泥效率也就越高。产能计算公式如下：

式中：N——产能，kg/h。

n——马铃薯泥化质量，kg。

t——对应的马铃薯泥化时间，min。

每种制泥条件下取3 次样（单次取样质量不少于10 kg），分别按上式计算出对应产能，然后将3 次产能相加后求平均值，所得值即视为该制泥条件下的产能。

试验将原料的喂入速度、压泥皮带的带速和制泥压力3 个参数作为检测制泥机性能的主要因素，在其他参数保持不变时，考查其对制泥效率的影响。

3.1.3 试验方法

参照马铃薯泥加工工艺[7-8]，并适当调整工艺，挑选优质、合格的马铃薯，之后对原料马铃薯进行清洗、切制、漂洗、漂烫、冷却和蒸煮等一系列处理，最后将经过熟化的马铃薯片按预定的制泥条件送入SNJ10 型制泥机内，待设备运行稳定后，按要求测定制泥机的产能。

3.1.4 操作要点

（1） 清洗。将马铃薯表面的泥沙清洗干净。

（2） 切制。将马铃薯切成厚薄均匀的薯片，试验中马铃薯片厚度为10 mm。

（3） 漂烫。将漂洗后的马铃薯条放入85 ℃的热水中漂烫5 min。

（4） 蒸煮。常压蒸汽连续蒸煮30 min。

3.2 试验结果与分析

泥化率是制泥机完成制泥时通过筛筒的马铃薯泥质量与对应投入原料总质量的比值，比值越大，设备的分离效果也越好，一般要求制泥机的泥化率不应低于90%，否则果肉与薯皮分离不彻底，浪费较多。

原料的喂入速度对制泥机的产能及泥化率都有很大的影响。

原料的喂入速度对产能及泥化率的影响见图5。

由图5 可知，随着喂入速度的逐渐增大，马铃薯泥的产能也在逐渐增加，且随着喂入速度的增加变化明显，但当喂入速度大于180 kg/h 时，产能虽然随着喂入速度的增加而增加，但增长速率减小，且当喂入速度大于200 kg/h 时，相应的泥化率低于90%，分离效果变差。因此，选定原料的喂入速度160，180，200 kg/h 这3 个水平值。

压泥皮带的带速与筛筒的转速相对应，带速越高则对筛筒转速越高，在一定的速度范围内，筛筒的转速越高，则成泥速度就越快，相应的制泥机产能就越大。但当带速超过一定的值后，产能基本不再随带速的增加而提高。因此，根据以往的生产经验以及设备自身性能，选定初始压泥皮带的带速0.2，0.3，0.4 m/s 这3 个水平值。

制泥压力对制泥机的产能、泥化率及成品马铃薯泥的品质都有显著的影响，制泥压力过低，则对原料的挤压力小，通过筛筒成泥的速度缓慢，会导致制泥机的产能及泥化率均比较低，设备效率不高；制泥压力过高，则会破坏成品薯泥细胞的完整性[9]，使细胞破裂，淀粉游离，影响成品马铃薯泥的品质。因此，根据以往的生产经验以及设备自身性能，选定初始制泥压力0.25，0.35，0.45 MPa 这3 个水平值。

由上述单因素试验，最终确定制泥机性能试验各因素及水平。

制泥机性能试验因素与水平设计见表1，正交试验结果见表2。

表1 制泥机性能试验因素与水平设计

表2 正交试验结果

由表2 可知，通过均值K 分析认为最佳生产条件为A2B3C2，即喂入速度为180 kg/h，带速为0.4 m/s，制泥压力为0.35 MPa。

通过对极差R 分析认为，以上因子对制泥机产能高低的影响程度，从大到小依次为原料的喂入速度、压泥皮带的带速、制泥压力。

4 结论

（1） SNJ10 型制泥机的制泥效率受诸多因素的影响，试验仅研究了原料的喂料速度、压泥皮带的带速及制泥压力的影响。同时，还应看到马铃薯原料的品种、制泥时物料的熟化程度及筛筒的孔径等均对制泥机的制泥效率有一定的影响，后期还需进行相关方面的试验研究。

（2） 马铃薯制泥正交试验表明，当原料的喂入速度为180 kg/h，带速为0.4 m/s，制泥压力为0.35 MPa时，制泥机产能最高，单位小时内加工制出的马铃薯泥最多；原料的喂入速度、压泥皮带的带速和制泥压力对制泥效率均有影响，影响程度从大到小依次为原料的喂入速度、压泥皮带的带速、制泥压力。

（3） 压泥皮带的带速与制泥效率呈正比，当带速不超过0.4 m/s 时，带速越高相应的制泥效率也就越高；但当带速超过0.4 m/s 时，随着带速的增大，制泥效率逐渐趋于稳定，产能基本不再随带速的增加而提高，这主要是由于带速过高会出现原料打滑现象，进料速度不能显著提高。同时，带速过高，原料不能及时泥化而黏附在筛筒表面，可能会对筛筒及压力调节机构形成巨大的瞬时反作用力，长时间运行易造成设备的疲劳损坏。