謝明佐 賈瑞清 馬 飛 周東旭

(中國礦業(yè)大學(xué)﹝北京﹞機電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

一種小型家用磨面機的設(shè)計研究

謝明佐 賈瑞清 馬 飛 周東旭

(中國礦業(yè)大學(xué)﹝北京﹞機電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

設(shè)計了一款適合家用的小型多功能磨機，該裝置采用立輥磨的磨制形式，同時配有外筒旋轉(zhuǎn)驅(qū)動螺旋提升機構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)磨粉均勻。針對磨機進行了功能結(jié)構(gòu)及工作原理的介紹，以及立輥磨和提升機構(gòu)運動學(xué)理論研究。對整機及其關(guān)鍵部件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。對外筒驅(qū)動的螺旋提升機構(gòu)進行了面粉顆粒物料EDEM輸送模擬仿真，研究物料輸送效率影響因素，為磨機電機選型及整機設(shè)計提供參考。

立輥磨；結(jié)構(gòu)設(shè)計；螺旋提升機構(gòu)；EDEM仿真

Abstract： A small low speed milling machine has been designed for household use. The device adopts vertical roller mill grinding, and is equipped with the outer cylinder rotation drive screw lift to achieve a uniform grinding mechanism which ensures the produced flour's nutrition structure intact. The function structure and working principle of the mill, the kinematics theory of the roller mill and the lifting mechanism are applied. A new structure of the whole machine as well as its key parts has been performed. The software EDEM has been used to carry out the simulation of the particle transport of flour, and the factors which affecting the efficiency of material conveying have been studied. Thus this study provides reference for the selection of the motor and the design of the whole machine.

Keywords： vertical roller mill; structural design; spiral lifting mechanism; EDEM simulation

隨著生活水平的日益提高，人們開始不斷追求健康綠色、天然營養(yǎng)的食品，這也將成為現(xiàn)代社會的一種時尚和保障食品安全的一種趨勢[1]。長期以來，中國面粉加工常常采用大功率機械進行加工，精度及智能化程度低，市場占有率嚴重不足，單臺一次加工量一般在50 kg以上，大型面粉加工廠一次加工量更是以噸計[2]。傳統(tǒng)面粉加工存在以下問題：① 面粉量大不易保存，易發(fā)生腐?。虎?高溫高速鋼磨容易造成營養(yǎng)流失，面粉營養(yǎng)價值相對不高；③ 超市面粉含有大量添加劑(如增白劑等)[3]。目前國內(nèi)外對小型家用磨面機研究較少[4]，市售產(chǎn)品以刀片切割和臥式碾磨2種為主，見圖1。其中刀片切割形式容易破環(huán)面粉顆粒營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，研磨顆粒不夠細；臥式碾磨通過動、靜磨片對谷物顆粒進行高速研磨，磨制顆粒細，效率高，但高溫容易破壞面粉營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，同時這種碾磨方式會對部分累積顆粒重復(fù)碾壓，破壞面粉結(jié)構(gòu)，顆粒也不夠均勻。針對以上問題，本試驗提出一種小型家用磨機，采用立式行星磨的形式，配有螺旋提升機構(gòu)，低速磨制，能夠?qū)崿F(xiàn)對大顆粒面粉重復(fù)碾磨。

圖1 常用磨制方式

1 磨機的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整體功能結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1.1 磨機的整體功能結(jié)構(gòu) 如圖2所示，該設(shè)備由電機、傳動機構(gòu)、磨輥磨環(huán)、螺旋提升機構(gòu)、面斗以及殼體等部分構(gòu)成。

該設(shè)備的直徑為340 mm，高為500 mm，同普通家用高壓鍋、電飯煲大小相似，滿足在家中使用的要求。

1. 頂蓋 2. 智能控制盤 3. 入料倉 4. 碾磨倉 5. 篩料倉 6. 集料倉

圖2 磨機功能結(jié)構(gòu)圖

Figure 2 Functional structure of mill

1.1.2 磨機的工作原理 整個面粉磨制過程主要通過磨輥與磨環(huán)的作用將谷物顆粒磨碎，然后通過螺旋提升機構(gòu)提升進行重復(fù)磨制，使面粉顆粒均勻一致。

首先接通電源，使電機空轉(zhuǎn)，然后將谷物顆粒倒入入料盤，選擇對應(yīng)的檔位，打開下料閘門，這時磨面機開始自動磨制面粉。

磨制過程中，首先谷物顆粒由于重力作用掉入入料倉，在配料盤的離心作用下進入磨輥和磨環(huán)的空隙，磨輥與磨環(huán)的相互作用將谷物顆粒碾碎成較小顆粒，當顆粒足夠小時便會通過錐形篩掉入面斗，較大的顆粒通過錐形篩滑落到提升機構(gòu)底盤，通過外筒旋轉(zhuǎn)的螺旋提升機構(gòu)重新回到入料倉重復(fù)磨制，直至都碾碎成小顆粒落入面斗，面粉磨制完成，電機自動停止。

1.2 磨機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 磨機的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 磨機作為家電產(chǎn)品，在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計[5]時既要滿足家電產(chǎn)品的便攜與美觀，又要滿足其基本功用。重點考察以下因素：

(1) 結(jié)構(gòu)緊湊美觀，重量適中便于移動，要求各個機構(gòu)布置及選材合理。

(2) 工作過程平穩(wěn)，噪音低。

(3) 使用快捷智能，便于拆卸清洗。

根據(jù)以上設(shè)計要求，將磨機分為動力機構(gòu)、傳動機構(gòu)、支撐機構(gòu)、碾磨機構(gòu)、提升機構(gòu)、附屬系統(tǒng)等主要功能體系[6]?？傃b圖見圖 3。

磨面機的磨粉原理主要借鑒國外的Szego行星磨的粉磨原理[7]，并加以改進創(chuàng)新。

當打開入料閘門，入料倉中的谷物顆粒掉落在旋轉(zhuǎn)的配料盤上，在離心力的作用下滑到料倉邊緣并進入碾磨倉，磨輥對谷物顆粒進行擠壓、剪切和研磨，從而將谷物碾細。磨輥上加工有對稱的螺旋磨紋，既能保證谷物顆粒碾磨時受擠壓和剪切作用，又有良好的溝槽導(dǎo)向作用，使磨細的顆粒及時排出以防多次碾壓破壞面粉營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，同時具有良好的散熱作用。

1.2.2 磨機關(guān)鍵部件的設(shè)計

(1) 動力及傳動機構(gòu)：磨機主要通過配備變頻器的小型減速電機提供動力，然后通過聯(lián)軸器與螺旋外筒相連接，同時螺旋外筒又作為立輥磨的主軸。外筒的下端分別通過一組滑動軸承和一組滾針軸承，固定在下支撐盤上，上端以一組滾動軸承固定于上支撐盤。滾動軸承承受主軸軸向力，滾針軸承承受主軸徑向力[8]。 螺旋葉片下端通過鍵槽的方式固定在底料盤上，上端通過一組滾珠軸承固定在聯(lián)軸器上，保證其位置固定[9]。

1. 頂蓋 2. 減速電機 3. 聯(lián)軸器 4. 入料倉 5. 配料盤 6. 螺旋葉片 7. 螺旋外筒 8. 磨輥 9. 磨環(huán) 10. 外殼 11. 支撐盤 12. 錐形篩網(wǎng) 13. 底料盤 14. 集料斗 15. 底座

圖3 磨機總裝圖

Figure 3 Mill assembly drawing

(2) 碾磨機構(gòu)：采用立輥磨的形式，避免了其他形式的磨機對面粉顆粒的重復(fù)碾壓造成營養(yǎng)結(jié)構(gòu)破壞，該磨機由螺旋外筒作為其主軸為其提供動力，主軸通過花鍵與上下行星架連接將動力傳遞給行星架系，行星架通過連接管連接滑槽，滑槽可以通過調(diào)節(jié)連接管外的預(yù)緊彈簧來調(diào)節(jié)其徑向位置，從而調(diào)節(jié)磨輥與磨環(huán)之間的間隙，實現(xiàn)對磨制面粉顆粒大小的控制。四對磨輥均布在行星架上每一對豎直方向的滑槽之間，磨輥主要由磨輥軸、磨輥外環(huán)和上下深溝球軸承以及密封裝置構(gòu)成，磨輥外環(huán)制有螺旋狀磨紋，磨環(huán)固定在磨機的底架上[10]。

(3) 提升機構(gòu)：由于低速狀態(tài)下可能存在面粉碾壓不均，所以裝置設(shè)置了螺旋提升機構(gòu)，碾壓較小的面粉顆粒時可以通過錐形面篩落入集料頭，未能經(jīng)過篩選的顆粒滑落至底料盤，通過螺旋提升機構(gòu)重新運送至入料斗進行二次碾壓，直至所有面粉顆粒碾壓均勻。

1. 螺旋外筒(主軸) 2. 配料盤 3. 行星架 4. 預(yù)緊彈簧 5. 磨輥軸 6. 磨輥外環(huán) 7. 磨環(huán) 8. 軸承套 9. 深溝球軸承 10. 軸承端蓋 11. 滑槽

圖4 碾磨機構(gòu)

Figure 4 Milling mechanism

該磨面機的提升機構(gòu)見圖5。提升機構(gòu)主要原理是，通過外筒旋轉(zhuǎn)從而垂直向上提升面粉顆粒。機構(gòu)主要由螺旋葉片、螺旋外筒、底料盤組成。螺旋葉片固定在底料盤上，螺旋外筒在軸承的固定下通過聯(lián)軸器與電機相聯(lián)。

1. 螺旋葉片 2. 螺旋外筒(主軸) 3. 軸套 4. 滾針軸承 5. 滾動軸承 6. 緊固螺栓 7. 入料盤 8. 支撐盤 9. 面篩 10. 底料盤

圖5 提升機構(gòu)

Figure 5 Lifting mechanism

(4) 附屬系統(tǒng)及整體外觀圖：附屬系統(tǒng)主要包括智能控制設(shè)備、殼體、其他附屬設(shè)備如集料斗等。其中磨機頂蓋、磨機外殼、磨機底座可以快速拆卸，磨環(huán)、磨輥也可取下清洗，整機拆和清洗方便。整機外觀效果見圖6。

圖6 整機外觀效果圖

2 磨機理論研究

2.1 立輥磨運動學(xué)微分方程

面粉磨制的過程中受力情況十分復(fù)雜，在建立系統(tǒng)運動模型時作一定的簡化，以單個磨輥為研究目標，在穩(wěn)定工況下立輥磨的簡化運動學(xué)模型[7]見圖7。

螺旋外筒(主軸)與行星架通過鍵固定連接，整體以角速度ω1沿順時針方向轉(zhuǎn)動。4組磨輥隨行星架沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，同時在摩擦力作用下沿自身中心軸線以ω2逆時針自轉(zhuǎn)，其中前者為牽連運動，后者為相對轉(zhuǎn)動。單個磨輥的運動見表1。

圖7 立輥磨運動學(xué)模型

運動類型運動狀態(tài)角速度相對運動沿O2軸轉(zhuǎn)動ω2=ω1R/r牽連運動繞O1軸勻速圓周運動ω1絕對運動平面復(fù)合運動ω=ω2+ω1

設(shè)逆時針方向為正，則ω2取正號，ω1取負號，可知：

ω=ω2-ω1。

(1)

即：

ω=ω1(R-r)/r。

(2)

由達郎伯-拉格朗日方程，可得到立輥磨運動學(xué)方程

d2θ/dt2-ω1(R-r)=0。

(3)

2.2 螺旋提升機構(gòu)運動學(xué)模型

提升機構(gòu)[11]簡化模型見圖8，假定在外筒中取一個顆粒A，它和螺旋葉片上表面以及外筒內(nèi)壁同時緊密接觸，然后將螺旋葉片展開成平面圖見圖9。圖9(a)中VA是外筒上與顆粒A相接觸的點的切向線速度，VA是顆粒A的速度，α為螺旋葉片升角，γ為VC逆時針旋轉(zhuǎn)到VA時的夾角，VCA是顆粒A相對于外筒上顆粒A和外筒之間接觸點的相對速度；圖9(c)中VL和VT分別是顆粒速度VA的垂直方向速度分量和水平速度分量。

在圖9(a)中：

VC=r×ω1，

(4)

圖8 提升機構(gòu)簡化模型

圖9 顆粒速度矢量圖

ω1=)π×n1(/30，

(5)

(6)

式中：

r——螺旋葉片螺旋半徑，mm；

ω1——外筒角速度，rad/s；

n1——外筒轉(zhuǎn)速，r/min；

p——螺旋葉片螺距，mm。

根據(jù)速度合成定理可知，顆粒A的速度矢量等于外筒內(nèi)壁上和顆粒接觸點的速度矢量與顆粒相對于此接觸點的矢量之和，見圖9(b)。

(7)

觀察圖9(b)，根據(jù)三角關(guān)系可以推出式(8)：

VA×sinγ=VCA×sinβ=

(8)

(9)

當VA、VC、α已知時可以求得γ和β。其中VC、α分別代表外筒轉(zhuǎn)速、螺旋葉片升角，可以視為輸送機的固定參數(shù)，VA代表物料顆粒的速度，對于不同的外筒轉(zhuǎn)速、物料屬性、顆粒和外筒內(nèi)壁摩擦系數(shù)、顆粒和螺旋葉片摩擦系數(shù)、顆粒和顆粒間摩擦系數(shù)緊密相關(guān)。

VA數(shù)值大小可以根據(jù)能量守恒的方法進行分析。

WA=W1+W2+W3+W4，

(10)

(11)

式中：

WA——輸送顆粒A所做得功，J；

W1——顆粒A的動能，J；

W2——顆粒A獲得的勢能，J；

W3——顆粒A和其他顆粒、外筒以及螺旋葉片摩擦損失的能量，J；

W4——顆粒A形變過程中損失的能量，J。

根據(jù)式(10)可知，相同的輸送機輸送量，不同材料的粉體顆粒由于其物理屬性不同，輸送時輸送機的驅(qū)動功率是不同的。

VA的垂直速度分量和水平速度分量分別見式(12)和(13)。

VL=VA×sinγ，

(12)

VT=VA×cosγ。

(13)

3 螺旋提升機構(gòu)EDEM仿真及分析

為了研究螺旋提升機構(gòu)的提升輸送能力，確定螺旋葉片升角和電機正常工作轉(zhuǎn)速，采用EDEM軟件[12]進行運輸機理的分析[13]。

3.1 動態(tài)模擬

(1) 分析的物料對象為小麥粗面粉顆粒(平均顆粒直徑為1 mm)，模擬前，預(yù)先定義碰撞模型(包括顆粒與顆粒，顆粒與外筒外壁及底料盤)為 Hertz-Mindlin(no slip)模型，同時要定義好實體的材料特性，其中面粉和外筒、螺旋S葉片的材料特性[14]見表2 。

表2 材料特性參數(shù)表

(2) 需要設(shè)置好相關(guān)顆粒與殼體的摩擦因數(shù)，通過查閱資料[15]，確定面粉顆粒與面粉顆粒、面粉顆粒與鋼之間的摩擦因數(shù)見表3。

表3 顆粒間、顆粒與殼體間的摩擦因數(shù)

(3) 將前面所建立的 CAD 模型導(dǎo)入系統(tǒng)[16]，設(shè)置每個部分的材料特性并添加顆粒工廠，然后設(shè)置好顆粒和顆粒工廠相關(guān)參數(shù)，同時設(shè)置好仿真相關(guān)參數(shù)，開始仿真，動態(tài)仿真效果見圖 10。

圖10 EDEM仿真效果圖

3.2 數(shù)據(jù)分析與處理

通過 EDEM 軟件對本例的分析內(nèi)容主要包括：螺旋葉片螺旋升角、外筒轉(zhuǎn)速、質(zhì)量流率。分別建立螺旋葉片升角為15°，30°，45°，60°，75°的提升機構(gòu)簡化模型，分別模擬在100，200，300，400，500，600 r/min轉(zhuǎn)速下面粉顆粒輸送情況，忽略振動等因素[17]，分析結(jié)果見圖 11。

由圖11(a)可知，在外筒轉(zhuǎn)速固定的情況下，不同螺旋升角下面粉顆粒的平均質(zhì)量流率變化趨勢；當外筒轉(zhuǎn)速為200 r/min，螺旋升角在45°～60°時，面粉顆粒的平均質(zhì)量流率達到一個高峰階段。

由圖11(b)可知，當螺旋升角上升到45°以后，面粉顆粒的平均質(zhì)量流率隨外筒轉(zhuǎn)速的變化趨勢基本趨于穩(wěn)定：即在外筒轉(zhuǎn)速從100 r/min上升至200 r/min過程中，平均質(zhì)量流率逐漸升高并在200 r/min左右時達到峰值，隨后隨著外筒轉(zhuǎn)速的加大逐漸減小。

圖11 離散單元法分析結(jié)果

綜上所述，為了使磨機提升機構(gòu)垂直輸送的效率達到最大，同時保證磨機低溫低速工作，選取提升機構(gòu)螺旋葉片升角為60°，外筒轉(zhuǎn)速即電機正常工作轉(zhuǎn)速為200 r/min。

4 結(jié)論

(1) 通過分析當前中國面粉加工情況以及針對現(xiàn)有家用小型磨面機的存在的問題，提出了一款新型家用小型立輥磨面機。磨機采用立輥行星磨的形式節(jié)省了產(chǎn)品空間，實現(xiàn)了低速磨制面粉，并采用螺旋提升機構(gòu)既保證面粉顆粒均勻，又不破壞其營養(yǎng)結(jié)構(gòu)。一次加工量在3～5 kg，體積較小，同時可通過調(diào)節(jié)磨輥磨環(huán)間隙用作磨制其他谷物等用途，整個磨機可快速拆卸，便于清洗，適合家庭使用。

(2) 本試驗對關(guān)鍵部件立輥磨和螺旋提升機構(gòu)進行了理論分析，建立了運動學(xué)模型；對磨機進行了總體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計以及關(guān)鍵部件的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計；通過軟件EDEM對螺旋提升機構(gòu)進行了面粉粗顆粒物料輸送分析，研究了螺旋葉片和外筒轉(zhuǎn)速分別對面粉顆粒平均質(zhì)量流率的影響，從而確定了螺旋葉片升角為60°，外筒轉(zhuǎn)速為200 r/min。

(3) 下一步將針對具體谷物顆粒進行試驗研究，確定各零部件具體參數(shù)，通過測試確定磨機的主要技術(shù)指標，通過面粉營養(yǎng)結(jié)構(gòu)分析作進一步改進，同時設(shè)計其智能控制系統(tǒng)，提高磨機操作的控制性能。

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Design and research of a new type of vertical home flour mill

XIE Ming-zuoJIARui-qingMAFei宋 濤SONGTaoZHOUDong-xu

(SchoolofMechanicalandInformationEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing10083,China)

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.08.023

謝明佐，男，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)在讀碩士研究生。

賈瑞清(1958—)，男，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)教授，博士生導(dǎo)師，博士。E-mail：ruiqingjia@163.com

2017—05—03