胡萝卜微粉碎机盘刀设计及试验.pdf

第 28 卷第 9 期农 业 工 程 学 报Vol.28No.9642012 年5 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringMay 2012胡萝卜微粉碎机盘刀设计及试验宫元娟，佟林林，秦军伟（沈阳农业大学工程学院，沈阳 110866）摘要：为提高胡萝卜微粉碎机的粉碎效率，降低能耗，该文基于干燥后的胡萝卜力学特性，确定了其较佳粉碎方式为：采用剪切粉碎，胡萝卜片的含水率为 5%。在此基础上，试验设计了 3 种粉碎盘刀（单刃盘刀、双刃盘刀、齿式盘刀），进而对粉碎物料及粉碎盘刀受力分析，表明 3 种盘刀运行时，受到的最大应力均小于其屈服力，工作稳定，不宜发生断裂。以盘刀类型、转子转速、刀底间隙为因素，以单位耗能粉体产量为试验指标，试验结果表明：齿式盘刀单位耗能粉体产量最高，其次为双刃盘刀，单刃盘刀最低；胡萝卜微粉碎机最佳工作参数为：齿式盘刀、转子转速为 1 455 r/min、刀底间隙为 7 mm，此时生产 120 目的胡萝卜微粉单位能耗产量最大，该结果为胡萝卜微粉碎机的设计与推广使用提供了参考。关键词：力学特性，设计，粉碎，盘刀，胡萝卜doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.09.011中图分类号：S631.2 TQ029+.1文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-09-0064-06宫元娟，佟林林，秦军伟.胡萝卜微粉碎机盘刀设计及试验J.农业工程学报，2012，28(9)：6469.Gong Yuanjuan,Tong Linlin,Qin Junwei.Design and experiment on carrot micro-comminution cuttersJ.Transactions of theChinese Society ofAgricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(9):6469.(in Chinese with English abstract)0引言胡萝卜，享有“小人参”、“金笋”的美誉，日本则称为人参1-2。属于根茎类植物，为春冬季节的主要蔬菜之一。目前，胡萝卜在中国产量高，储存时间短，价格低，导致胡萝卜产业处于增产不增收的状态。针对此现状，通过微粉碎技术将胡萝卜加工成胡萝卜全粉，既拓宽了原料的使用范围，又能充分利用原料中的膳食纤维和营养成分，实现原料的全效利用2-3，是拓宽胡萝卜综合利用的有效途径。微粉碎是指利用机械或流体动力的方法克服固体内部凝聚力使之破碎，从而将 510 mm 的物料粉碎至 150 m 以下的操作技术。在中国植物性物料微粉碎技术沿用了矿物质和金属材料微粉碎技术。李凤生研究表明物料微粉碎方法的选择决定于物料的粉碎特性，即抗拉（折、弯）、抗压（挤）和抗剪切（磨、撕）等特性4。物料的剪切、压缩力学特性决定了粉碎机的核心工作部件的结构形式，根据干燥后胡萝卜物料的力学特性进行设计微粉碎机核心部件，是提高其粉碎效率的有效途径，值得探讨研究。本文在对干燥后胡萝卜力学特性分析的基础上，确定出干燥后的胡萝卜微粉碎较适宜的粉碎条件，并根据胡萝卜的力学特性对原有粉碎机进行改进设计，设计出胡萝卜微粉碎机的核心部件，进而对其进行力学分析与收稿日期：2011-06-14修订日期：2012-03-20基金项目：辽宁省教育厅科技攻关项目“胡萝卜精细加工及其综合应用研究”（编号 2004D210）。作者简介：宫元娟（1963），女辽宁瓦房店人，教授，主要从事农产品深加工方面研究。沈阳沈阳农业大学工程学院，110866。Email：试验研究，确定了实现微粉碎的适宜工作参数，以最大限度地提高胡萝卜微粉碎效率，降低耗能，为胡萝卜微粉碎机的设计与使用提供参考。1材料与方法1.1材料与设备胡萝卜为红芯一号，平均湿基含水率为 90.3%。101-OA 型数显式电热恒温干燥箱（上海阳光实验仪器有限公司）、CM7-8102 型微机电子万能试验机（美特斯工业系统（中国）有限公司）、CP423S 电子天平（精度 0.001g，北京赛多利斯天平有限公司）。1.2方法与设计1.2.1胡萝卜物理机械特性试验胡萝卜物理机械特性试验的主要工艺流程为：胡萝卜清洗切片或块（3 mm 片、5 mm 片、5 mm3块）烘干称质量标定含水率（含水率分别为 3%、5%、7%）粉碎力学特性试验。1）干燥后的胡萝卜含水率标定：将胡萝卜清洗，分别于胡萝卜的首、尾及中间切 3 mm 片、5 mm 片、5 mm3块各 15 个置于 8590的 101-OA 型数显式电热恒温干燥箱中干燥，并按要求调整含水率为 3%、5%、7%时取出，备用。2）粉碎力学特性试验：根据微机电子万能试验机使用要求设定入口力为 0.1 N，试验速度为 10 mm/min。将干燥好的胡萝卜片和块置于电子万能试验机上进行剪切、压缩试验。每项试验重复 5 次。1.2.2微粉碎机的工作原理及结构微粉碎机结构如图 1 所示，其主要由柱形粉碎室、粉碎盘刀、粉碎导轨、风机、粉体收集系统等组成。第 9 期宫元娟等：胡萝卜微粉碎机盘刀设计及试验65粉碎盘刀组件是微粉碎机的核心部件（如图 1b 所示），由盘刀、盘刀轴、轴套、端盖、轴承、挡套、挡圈等组成。微粉碎机是利用研磨、剪切的形式实现胡萝卜微粉碎。胡萝卜干片通过投料口进入柱形粉碎室，被沿着粉碎导轨做圆周运动的粉碎盘刀碾压、剪切而实现粉碎。粉碎后合格的胡萝卜粉体通过风机的负压气流带出粉碎室，进入粉体收集系统，完成粉碎。1.粉碎盘刀组件2.进料斗3.机盖4.进料调整阀5.盘刀调整锁紧装置6.盘刀调整杆7.出料调控阀8.连接管9.风机10.集料器接口11.出料口12.机底座13.带轮14.盘刀轴15,18.挡圈16.密封17.轴套19.盘刀20.挡套21.轴承22.端盖图 1微粉碎机结构简图Fig.1Structural diagram of micro-comminution1.2.3盘刀的设计微粉碎机的核心部件为粉碎盘刀，根据胡萝卜力学特性以及胡萝卜在粉碎过程中的受力情况，设计了 3 种不同粉碎盘刀（单刃盘刀、双刃盘刀及齿式盘刀）。单刃盘刀、双刃盘刀、齿式盘刀的尺寸如图 2 所示。齿式盘刀齿的设计是根据渐开线圆柱齿轮的齿形设计，其分度圆直径为 175 mm、模数为 5、齿数为 35 个。3 种盘刀在微粉碎过程中，对物料产生的作用力因结构的差异而不同。单刃盘刀微粉碎过程中的受力分析如图 2a 所示，由于是单刃刀，物料主要受到单倍的摩擦力及盘刀对物料的挤压力，盘刀在转子的带动下，在物料槽中公转，对物料产生摩擦力，并由摩擦力带动其进行自转，从而对物料产生挤压研磨，使其粉碎。双刃盘刀微粉碎过程中的受力分析如图 2b 所示，根据受力分析图可看出，物料主要受到双倍的摩擦力及盘刀对物料的挤压力，同时两个刀刃之间有环槽，当物料挤入时，会受到两刃对物料的横向挤压力的同时，每个刃对物料均产生剪切作用，其粉碎效率较高。齿式盘刀微粉碎过程中的受力如图 2c 所示，齿式盘刀即在单刃盘刀的基础上，将刃变成齿。根据受力分析图 2 可看出，物料主要受到盘刀齿对物料产生的剪切力、撞击力、挤压力及较小的摩擦力，而胡萝卜粉碎特性研究表明，剪切力比挤压研磨力的粉碎效果好，故其粉碎效率高。a.单刃盘刀b.双刃盘刀c.齿式盘刀注：N1为总压力，N；G 为盘刀重力，N；Np为支持力，N；Ns为摩擦力，N；Nq为剪切力，N；Nz为撞击力，N。图 2盘刀下物料的受力分析Fig.2Stress analysis of material under milling cutter1.2.4盘刀的应力分析根据微粉碎机的工作原理，应用 Solidworks 软件建立箱体及 3 种盘刀的零件模型。根据核心部件的受力分析及微粉碎机的工作条件：电机功率 Pg=1.5 kW、电机频率 f=40 Hz（转子转速为1 164 r/min）、刀底间隙 9 mm，对 3 种盘刀（单刃盘刀、双刃盘刀、齿式盘刀）的受力进行计算，并应用 Solidworks软件中的 simulation 功能进行静力学分析。应用 Solidworks 软件输入各部分零件的材料性能参数，从而得出盘刀组件及箱体盖的质量、重力、体积、表面积、密度等参数。从而得箱体压力 N1。箱体主轴为空心，中间安装弹簧。盘刀调整杆调节刀底间隙时，转子受弹簧向上的弹力，压力弹簧的弹簧常数 K 的计算公式如（1）所示。K=（Gd4）/（8Dm3NC）（1）式中，G 为线材的钢性模数；d 为弹簧线径，mm；D0为弹簧外径，mm；Di为弹簧内径，mm；Dm为弹簧中径（D0-d），mm；N 为弹簧总圈数；NC为弹簧有效圈数（N-2）。农业工程学报2012 年66盘刀纵向受力 NP（N）为总压力 N1（N）、重力 G（N）及弹力的合力。计算公式如（2）所示。NP=(N1+G)/2-(Kxt)/2（2）式中，K 为（1）式中求出的弹簧常数；xt为弹簧变形长度，mm。根据物料摩擦系数表，选取胡萝卜的摩擦系数 fS，则盘刀受到的摩擦力 NS（N）表达式如（3）所示。NS=NPfS（3）另外齿式盘刀除了受到摩擦力、压力外，还有撞击力。根据受力分析可知撞击力与转子的转速有关，转子转速与电机频率的关系公式如（4）所示。n60f/p（1-0.03）（4）式中，n 为转子的转速，r/min；f 为电机频率，Hz；p 为电机旋转磁场的极对数。通过外力偶矩 Me的公式及力与力偶矩 Me的关系，得撞击力 Nz（N）的表达式如（5）所示。9549gzPNn l（5）式中，Pg为电机功率，kW；l 为力臂，m。1.2.5胡萝卜微粉碎试验将干燥到含水率 5%的 3 mm 胡萝卜片置于微粉碎机中，调节刀底间隙为 9 mm，主轴电机频率设为 40 Hz（即转子转速为 1 164 r/min），风机电机频率设为 70 Hz（即风机转速为 2 037 r/min）。粉碎效果试验中每 10 min 计量粉体数量，每种盘刀运行 1 h总粉碎样品为 250 g。耗能试验中每 0.5h 计耗电量，每种盘刀共运行 3 h，总粉碎样品 250 g。针对胡萝卜微粉碎机，为了考察各因素对粉碎效率的影响，依据前期单因素试验结果：电机频率为 4050 Hz，刀底间隙为 5、7 和 9 mm，风机频率为 70 Hz 时，对胡萝卜微粉碎机单位耗能产量影响明显。设计了 3 因素 3 水平的正交试验，并考虑了盘刀类型及转子转速的交互作用。以盘刀类型、转子转速和刀底间隙为正交试验因素，以单位耗能产量为试验指标，试验因素水平表如表 1 所示。表 1试验因素及水平Table 1Influence factors and levels of test因素水平A盘刀类型B转子转速/(r min-1)C刀底间隙/mm1齿式盘刀1 16492双刃盘刀1 309.573单刃盘刀1 45552结果与分析2.1胡萝卜物理机械特性分析2.1.1干燥后的胡萝卜剪切特性分析对胡萝卜剪切特性试验结果对比分析见图 3，由图 3可以看出：含水率为 5%时所需剪切力最小；对干燥后的胡萝卜块进行剪切所需要的力比胡萝卜片大；在剪切特性试验中，鲜胡萝卜厚为 3 mm、干燥后含水率为5%的胡萝卜片需要的剪切力最小为 3.0 N。图 3胡萝卜剪切试验结果Fig.3Shear test results of carrots2.1.2干燥后的胡萝卜压缩特性分析对胡萝卜压缩特性试验结果分析见图 4，由图 4 可以看出：对干燥后的胡萝卜片，当含水率为 5%时所需挤压力最小。在压缩试验中，干燥后的胡萝卜块所需的挤压力比胡萝卜片大。鲜胡萝卜厚为 3 mm，干燥后含水率为 5%的胡萝卜片需要的挤压力最小为 9.9 N。胡萝卜粉碎力学特性试验分析表明，剪切力比挤压力更容易实现胡萝卜的粉碎。同时，无论是受剪切力还是挤压力，鲜胡萝卜厚度为 3 mm、干燥后含水率为 5%的胡萝卜片的粉碎特性较好。图 4胡萝卜压缩试验结果Fig.4Compression test results of carrots2.2盘刀应力分析将计算结果添加到 Solidworks 软件中，进行应力分析，得应力分布图（图 5）。根据图 5 可以看出，单刃盘刀的受力区域受到的最大应力为 10106N/m2，双刃盘刀为 89106N/m2，齿式盘刀为 31106N/m2，3 种粉碎盘a.单刃盘刀第 9 期宫元娟等：胡萝卜微粉碎机盘刀设计及试验67b.双刃盘刀c.齿式盘刀图 5 盘刀应力分析Fig.5Stress analysis of milling cutter刀均未达到屈服力 221106N/m2。3 种盘刀均工作稳定，不宜发生断裂，此外，双刃盘刀的最大应力大于其他 2种类型。故当长时间使用时，双刃盘刀将比其他 2 种盘刀更易损坏。综上所述，物料在双刃盘刀和齿式盘刀的作用下，比物料在单刃盘刀下受力增加了剪切力及撞击力，即粉碎效率比单刃盘刀高。而双刃盘刀的最大应力大于其他 2种类型，故当长时间使用时，双刃盘刀将比其他 2 种盘刀更易损坏，故齿式盘刀应为最佳粉碎盘刀。2.3盘刀粉碎、耗能分析3 种盘刀粉碎效果分析见图 6，耗电量见图 7。由图6 可已看出齿式盘刀的粉碎效果最好，其次为双刃盘刀，单刃盘刀粉碎效率低。图 63 种盘刀粉碎效果对比Fig.6Comparison of comminution effects of three cutters由图 7 可看出在相应的粉碎时间内 3 种盘刀的耗电量基本相同。从 3 h 的耗电总量来看，单刃盘刀总耗电量比双刃盘刀高 0.035 kW h，比齿式盘刀高 0.02 kW h。图 73 种盘刀微粉碎耗电对比Fig.7Comparison of micro-comminution power of three cutters2.4正交试验设计选用试验方案 L9(34)，试验结果如表 2 所示。表 2正交试验结果Table 2Results of orthogonal test因素试验结果试验号盘刀类型A转子转速B盘刀类型 转子转速 AB刀底间隙C单位耗能产量/(g(kW h)-1)11111179.521222218.131333243.04212384.25223173.262312169.17313266.38321330.093321115.5极差分析结果（表 3）表明：影响生产 120 目胡萝卜微粉的单位耗能产量的主次因素依次为盘刀类型转子转速刀底间隙（盘刀类型转子转速），盘刀类型和转子转速的交互作用的极差值远小于盘刀类型、转子转速、刀底间隙三因素的极差值，故盘刀类型与转子转速的交互作用不显著。最优水平组合为 A1B3C2，即胡萝卜微粉碎机工作最佳参数为：齿式盘刀、转子转速为 1455r/min、刀底间隙为 7 mm，此时生产 120 目胡萝卜微粉的单位能耗产量最大。表 3正交试验极差分析Table 3Range analysis of orthogonal test单位耗能产量/(g(kW h)-1)ABABCk1213.5110.0126.2122.7k2108.9107.1139.3151.2k370.6175.9127.5119.1极差 R142.968.813.132.1较优水平A1B3(AB)2C2主次因素ABCAB注：单位能耗产量以通过 120 目的胡萝卜粉为计算依据。方差分析见表 4。从表 4 中可以看出，对 120 目胡萝卜粉单位能耗产量的影响，盘刀类型极显著，电机频率为显著，刀底间隙为不显著。方差分析确定的因素主次关系与极差分析结论一致。农业工程学报2012 年68表 4方差分析Table 4Result of variance analysis120 目胡萝卜粉的单位能耗产量/(g(kW h)-1)方差来源偏差平方和自由度方差F 值显著性盘刀类型32 850.02.016 425.0105.4*电机频率9 088.32.04 544.129.2*刀底间隙1 849.22.0924.65.9误差 e311.62.0155.8注：F0.05(2,2)=19.0、F0.01(2,2)=99，“*”为极显著、“*”为显著3结论1）胡萝卜力学特性试验表明，鲜胡萝卜片 3 mm 厚、干燥后含水率为 5%时最易粉碎，且剪切力方式比挤压方式的粉碎效率高。2）基于干燥后的胡萝卜力学特性设计了 3 种粉碎盘刀（单刃盘刀、双刃盘刀、齿式盘刀），并通过对物料受力分析得出：齿式盘刀和双刃盘刀的粉碎效果比单刃盘刀高。利用solidworks软件对3种盘刀进行静力学分析，3 种盘刀工作时的最大应力均远小于其屈服极限，说明其工作稳定，不宜发生断裂；而双刃盘刀的最大应力大于其他 2 种类型，故当长时间使用时，双刃盘刀将比其他 2种盘刀更易损坏，故齿式盘刀为较好粉碎盘刀。3）3 种盘刀粉碎效率、耗能试验表明，3 种盘刀粉碎效率差别明显，当微粉碎 10 min 后，齿式盘刀的产粉量明显升高，并持续呈上升趋势，双刃盘刀其次，单刃盘刀产粉量的趋势平缓。但在相应的粉碎时间内，耗电量基本相同。4）正交试验结果表明，影响生产 120 目胡萝卜微粉单位能耗产量的主次因素顺序为盘刀类型转子转速刀底间隙。胡萝卜微粉碎机较佳参数组合为：齿式盘刀、转子转速为 1 455 r/min、刀底间隙为 7 mm，此时生产 120目的胡萝卜微粉单位能耗产量最大。参考文献1宫元娟，曾程，秦军伟，等.胡萝卜微粉物理特性和营养成分的影响因素J.农业机械学报，2009，40(11)：124128.Gong Yuanjuan,Zeng Cheng,Qin Junwei,et al.Influencefactors on physical properties and nutrient component forcarrot micro-powderJ.Transactions of the Chinese Societyfor Agricultural Machinery,2009,40(11):124128.(inChinese with English abstract)2曹龙奎，张永明.胡萝卜超微粉制备技术的研究J.农产品加工学刊，2005，36(4)：1214.Cao Longkui,Zhang Yongming.Preparation technology ofsuperfine grinding powder of carrotJ.Academic Periodicalof Farm Products Processing,2005,36(4):1214.(inChinese with English abstract)3宫元娟，田素博，李成华，等.胡萝卜精细加工技术及其综合应用J.农业工程学报，2006，22(4)：199203.Gong Yuanjuan,Tian Subo,Li Chenghua.Review of refiningprocessingandcomprehensiveutilizationofcarrotJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(Transactions of the CSAE),2006,22(4):199203.(in Chinese with English abstract)4乔长晟，穆彩云，叶宏涛，等.胡萝卜粉的研制J.山东食品发酵科研与生产，2005，139(4)：1618.5李凤生，刘宏英，刘雪东，等.微纳米粉体制备与改性设备M.北京：国防工业出版社，2004.6曹龙奎，黄威，李成华，等.玉米花粉超微粉碎破壁技术的试验研究J.农业工程学报，2003，19(6)：209211.Cao Longkui,Huang Wei,Li Chenghua,et al.Superfine grindingfor dilupidating walls of maize pollenJ.Transactions of theChinese Society of Agricultural Engineering(Transactions ofthe CSAE),2003,19(6):209211.(in Chinese with Englishabstract)7郑慧，王敏，王军，等.超微粉碎对苦荞麸功能特性的影响J.农业工程学报，2007，23(12)：258262.Zheng Hui,Wang Min,Wang Jun,et al.Effect of supermicro-milling on functional properties of tartary buckwheatbranJ.Transactions of the Chinese Society of AgriculturalEngineering(Transactions of the CSAE),2007,23(12):258262.(in Chinese with English abstract)8陈洁，解晓霞，庞咏梅，等.胡萝卜粉中类胡萝卜素含量的快速测定J.新疆农业科学，2004，41(专刊)：103105.9严怡红.胡萝卜营养价值与功能食品加工J.食品研究与开发，2003，24(6)：120122.10 李成华，曹龙奎.振动磨超微粉碎黑木耳的试验研究J.农业工程学报，2008，24(4)：246250.Li Chenghua,Cao Longkui.Experiment study on superfinepulverizing of black agarics with vibration ball millJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2008,24(4):246250.(inChinese with English abstract)11 马荣山，李艳玲，宫元娟.不同干燥方法对胡萝卜粉理化性质影响的研究J.食品工业科技，2008，29(4)：107109.Ma Rongshan,Li Yanling,Gong Yuanjuan.Effects ofdifferent drying methods on physical and chemical propertiesof carrot powerJ.Science and Technology of Food Industry,2008,29(4):107109.(in Chinese with English abstract)12 姚宗路，田宜水，孟海波，等.木质类生物质粉碎机设计J.农业工程学报，2011，27(13)：267271.Yao Zonglu,Tian Yishui,Meng Haibo,et al.Design ofwood-biomassgrinderJ.TransactionsoftheChineseSociety of Agricultural Engineering(Transactions of theCSAE),2011,27(13):267271.(in Chinese with Englishabstract)13 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Agricultural University,Shenyang 110866,China)Abstract:In order to improve the smashing efficiency and reduce the energy consumption of the micro-comminutionmuller for carrot,based on the mechanical properties of dried carrot,the better smashing method,the shearing grindingmethod was determined with carrot piece moisture content of 5%.Based on above research,three kinds of smashingcutters(the single edge smashing cutter,the double edge smashing cutter and the teeth-formula smashing cutter)weredesigned.The stress analysis of material and the smashing cutters showed that the biggest stress was smaller than theyield stress,and the cutters worked stable and was not easily ruptured.The smashing cutter type,the rotor speed and thecutter bottom gap were taken as influence factors,and the energy consumption per unit powder output was taken asexperimental target.The test results indicated that the energy consumption per unit powder output comminuted by theteeth-formula smashing cutter was the highest,followed by the double edge smashing cutter and single edge smashingcutter.The optimum technique and parameters of the micro-comminution for carrot were that using teeth-formulasmashing cutter,the rotor speed was 1 455 r/min,the cutter bottom gap was 7 mm,under which the maxmum output perunit energy consumption could obtained with 120 mesh carrot powder.The research can provide a reference for designof carrot micro-comminution equipment.Key words:mechanical properties,design,comminution,cutters,carrot