薯渣开闭式压缩成型装置的设计研究

郭文斌高晶晶 德雪红

(1. 内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2. 内蒙古商贸职业学院，内蒙古 呼和浩特 010070)



薯渣开闭式压缩成型装置的设计研究

郭文斌1高晶晶2德雪红1

(1. 内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2. 内蒙古商贸职业学院，内蒙古 呼和浩特 010070)

根据马铃薯淀粉加工后的薯渣及其混合物料松散、含水率高的特点，设计制造集开式压缩、闭式压缩于一体的成型装置用于完成马铃薯废渣及其混合物料的脱水与成型，该压缩装置通过更换压缩活塞、内腔套等部件可以实现开式压缩与闭式压缩方式的转换。进而测量比较不同压缩方式和条件下薯渣及其混合物料脱水、成型的效果。并还对成型装置的关键结构参数进行了校核，结果显示开、闭式压缩装置的设计强度符合要求。

马铃薯；废渣；混合物料；开式压缩；闭式压缩

马铃薯淀粉加工企业每年生产淀粉过程中会产生大量的马铃薯废渣。由于薯渣内含有纤维素、淀粉、蛋白质、果胶等可利用成分，具有较高的开发价值，因此国内外学者针对薯渣的特点及加工处理过程中遇到的问题，对其再利用进行了多方面的尝试。一方面，就薯渣利用的途径而言，国内外相关研究主要集中在利用其制备饲料[1-5]与燃料[6-8]，为了改善薯渣作为饲料的适口性、提高薯渣作为燃料的燃烧热值，在制备饲料和燃料时常将薯渣与相关物料进行混合，例如将薯渣与玉米秸秆混合青贮后饲喂奶牛[9]，或将马铃薯废渣与煤及秸秆等按比例进行混燃[10-11]；另一方面，马铃薯废渣内部残留的淀粉与水等成分，使其具有胶黏特性[12-14]，因此近年来对薯渣的处理方式逐渐转向将其与其它农林废弃物料进行混合[11,15]，以利用薯渣中多余的水分，促进物料成型。例如将马铃薯废渣与腐殖质、黏土、秸秆、碳酸钙等混合搅拌后制成育苗营养杯，用于田间育苗[16]；又例如将薯渣与致密化成型较难的荞麦壳混合后，分析薯渣在混合物料中的含量及物料质量流率对物料颗粒密度、持久性、燃烧热值等参数的影响[6]。

上述研究从多个角度为马铃薯废渣的利用提供了思路，但含水率高、松散、易腐败变质仍是薯渣再利用过程中遇到的主要问题。目前其前处理主要采用带式、转鼓式压滤等机械脱水方式[17-22]，通过滤带、滤网、转鼓的挤压、剪切和摩擦作用对薯渣进行脱水，该方式虽然生产成本较低，但实际脱水效果并不理想，且处理后的薯渣仍未成型，不易于储运。因此，本研究针对薯渣的特点，参考农业松散物料在冷态下压缩成型的方式，设计了专门的集开式压缩、闭式压缩于一体的成型装置用于分析研究薯渣及其混合物料在压缩过程中的脱水与成型。

1 开、闭式压缩成型装置的设计

作为一种含水率高且具有黏弹性的固体松散物料，马铃薯废渣的可压缩性以及其在不同压缩条件下所表现出的力学特性和脱水效果直接决定了实际生产中其加工处理方式的选择。本研究设计的压缩试验装置结构见图1、2。

成型装置内进行闭式压缩时，由上压缩活塞进行加载，下压缩活塞静置，压缩物料至指定密度时保持压力一段时间，随后上压缩活塞退出，物料在下压缩活塞作用下压出；为便于压缩过程中薯渣及混合物料内水分的排出，压缩筒内壁设计有均布的导流孔。进行开式压缩时，以带有锥口的内腔套(见图3)替换闭式压缩装置中的下活塞，与闭式压缩筒配合后构成开式压缩装置内腔，上压缩活塞加载时，物料经内腔套成型后从压缩筒下端流出，经落料口落料；根据开式压缩装置内腔套开口锥度及圆柱孔的直径、长度尺寸比不同，可设计不同内径尺寸和开口锥度的内腔套互相替换后完成薯渣及其混合物料的压缩成型，获取物料压缩成型的最佳长径比等参数。

2 开闭式压缩成型装置的校核

2.1 闭式压缩成型装置的校核

2.1.1 型腔受力分析 闭式压缩成型装置型腔内的受力见图4。物料置入型腔后，在上活塞的作用力F下，物料密度增大，此时受压物料产生的胀型力P使型腔筒壁承受正压力N0，随着物料密度继续增大，型腔筒壁所受正压力N0也逐渐增大，当物料密度达到最大，正压力N0也达到峰值，此时，上活塞压板与下活塞压板也同样受到胀型力P作用，因此，可将上下活塞压板受力分别设为N1、N2(见图4)。

1. 上活塞 2. 物料 3. 导流孔 4. 底座 5. 螺钉 6. 下活塞

7. 压缩筒

图1 闭式压缩试验装置

Figure 1 Compression equipment with closed mold

1. 上活塞 2. 物料 3. 底座 4. 螺栓 5. 落料口 6. 支架 7. 螺钉 8. 内腔套 9. 压缩筒

图2 开式压缩试验装置

Figure 2 Compression equipment with open mold

图3 开式压缩试验装置可更换式内腔套

图4 闭式压缩装置受力示意图

根据力的平衡方程可得：

P=N0=N1=N2，

(1)

式中：

P——物料胀型力，MPa；

N0——型腔筒壁承受正压力，MPa；

N1——上活塞压板所受压力，MPa；

N2——下活塞压板所受压力，MPa。

2.1.2 型腔壁厚强度校核 型腔装置外形尺寸见图4，型腔设计壁厚 δ=7 mm，内径D=95 mm，上、下活塞压板厚度t= 20 mm，活塞杆直径d=30 mm，型腔材料选取合金钢40Cr，抗拉强度σb=980 MPa，屈服强度σs=785 MPa。根据压缩装置的受力分析可以看出，压缩过程中型腔处于近似密闭容器状态，因此需对其内壁厚度进行强度校核，校核时参考秸秆、木屑等松散物料的成型压力，取型腔设计压力P0为100 MPa[23]，校核公式：

(2)

式中：

δe—— 型腔材料的许可最小壁厚，mm；

[σ]t—— 型腔材料的许用应力(即屈服强度σs)，MPa；

P0——压缩型腔设计压力，MPa；

D——压缩型腔设计内径，mm；

φ——焊缝系数，φ≤1.0，此处取1.0。

将已知参数P0= 100 MPa，D= 95 mm，带入式(2)得：

δe= 6.463 mm < δ。

因此，型腔材料的许可最小壁厚δe小于型腔的设计壁厚δ，故型腔壁强度符合要求。如果考虑压缩筒壁上导流孔影响，计算所得δe将进一步减小，型腔的设计壁厚会更加安全，因此为简化计算，上述强度校核过程对压缩筒壁上导流孔的影响忽略不计。

2.2 开式压缩成型装置的校核

2.2.1 型腔受力分析 开式压缩成型装置型腔的受力分析分3个典型截面(阶段)进行，如图5所示，当上活塞在加载力F的作用下开始加载时，逐渐成型的物料产生胀型力P，导致型腔内壁受正压力N及物料与内壁表面间摩擦力f。开式压缩过程中，随着物料的移动、成型，型腔内壁不同位置处受力大小存在一定差异。当物料流过a-a截面位置时，由于物料较为松散，其产生的胀型力P较小，导致正压力Na-a和摩擦力fa-a均较小；当物料被压至锥口b-b截面处时，随着物料密度增大，胀型力增大，此时型腔内壁正压力Nb-b与摩擦力fb-b也逐渐增大；当物料到达型腔末端出口c-c截面处(内壁直径为dc)时，摩擦力作用使被压缩物料密度继续增大，此时型腔内壁c-c截面处胀型力P、正压力Nc-c、摩擦力fc-c均继续增大，当物料被压至落料口附近，落料前密度达到最大值，P、Nc-c和fc-c也达到峰值，因此，成型装置型腔内壁在c-c截面处受力最大。

图5 开式压缩装置受力示意图

根据力的平衡方程有：

(3)

式中：

P——被压缩物料产生的胀型力，MPa；

Pa-a、Pb-b、Pc-c——被压缩物料在a-a、b-b、c-c处产生的胀型力，MPa；

N——型腔内壁所受正压力，MPa；

Na-a、Nb-b、Nc-c——型腔内壁在a-a、b-b、c-c处所受正压力，MPa；

f——型腔内壁表面所受单位摩擦力，MPa；

μ——型腔内壁表面摩擦系数。

2.2.2 型腔壁厚强度校核 开式压缩成型装置外形尺寸见图5，增加内腔套后，内腔套上方作为料斗完成薯渣及混合物料的喂入。内腔套材料采用45钢，σb=600 MPa，σs=355 MPa，τb=480 MPa，料斗设计壁厚δ=7 mm，料斗圆筒内径D=95 mm，成型型腔设计壁厚为δ0=39.5 mm(内腔套壁厚与型腔壁厚之和)，成型型腔直径dc=30 mm，活塞压板厚度t=20 mm，进行强度分析时取成型型腔长度L=120 mm，型腔长径比为1∶4，内腔套锥口锥度α=45°，同时设物料密度达到0.8×103～1.4×103kg/m2时，产生的胀型力P0(即型腔设计压力)为100 MPa[24-27]。

(4)

式中：

δe——型腔内壁材料许可的最小厚度，mm；

[σ]t——型腔材料的许用应力，MPa；

P0——型腔设计压力，MPa；

d——型腔设计内径，mm；

φ——焊缝系数，φ≤1.0，此处取1.0。

根据开式压缩成型装置型腔受力分析可知，成型型腔内壁在c-c截面处受力最大，故需要校核，此时P=Pc-c=100 MPa，d=30 mm，将数值带入式(4)计算得：

因此，型腔内壁材料许可的最小厚度δe远小于成型型腔设计壁厚δ0，强度符合要求。

3 结论

(1) 本研究针对薯渣及其混合物料的特点，采用组合式设计将闭式压缩成型装置与开式压缩成型装置结合在一起，通过更换活塞压板与内腔套的方式实现了闭式压缩装置与开式压缩装置的相互转换，在降低压缩成型试验成本及生产成本的同时，为相关物料压缩成型方式的选择及力学特性参数的比较分析提供了较为全面的试验方法。

(2) 薯渣开闭式压缩成型装置的设计，在传统开式压缩与闭式压缩方法的基础上，考虑了物料在压缩过程中的脱水问题，在压缩型腔筒壁上设计了导流孔，便于薯渣及其它含水率高的物料压缩过程中排出水分。此外，该装置在闭式压缩时采用了双活塞式的结构，使物料压缩成型后更容易排出；而在开式压缩时则通过更换不同尺寸的内腔套，改变型腔长径比，以便于不同种类、不同配比混合物料的成型及成型后物料的排出。

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Research of designing compression equipment with open mold and closed mold for potato pulp processing

GUO Wen-bin1GAOJing-jing2DEXue-hong1

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot,InnerMongolia010018,China; 2.InnerMongoliaBusiness&TradeVocationalCollege,Hohhot,InnerMongolia010070,China)

The purpose of this research was to design and manufacture a multifunctional equipment for processing potato pulp and its mixture with other agroforestry wastes. The equipment combined the methods of compressing with both open and closed mold, considering adequately the densification and dewatering characteristics of potato pulp. During the compressing, the closed and open mold can be converted to each other flexibly by changing the piston of a sleeve. By this means, it is easy to observe and compare the effectiveness of the two methods. Moreover, the densification and dewatering of potato pulp under different conditions were investigated. Finally, the strength verification of the multi-function equipment was accomplished, and the results showed that it could meet the requirements.

potato; waste residue; mixture of agroforestry wastes; compressing with open mold; compressing with closed mold

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

郭文斌，男，内蒙古农业大学讲师，博士。

德雪红(1977—)，女，内蒙古农业大学讲师，博士。

E-mail: dexuehong@126.com

2016—04—16