立式锥形筛筒的设计原理分析

【摘 要】 重点分析了马铃薯加工机械立式锥形筛筒设计原理，说明应用立式锥形筛筒完成淀粉与粉渣的分离两道工序是马铃薯加工较为合理的技术选择。

【关键词】 锥形筛筒 离心 分离

1 北方丘陵山区薯类种植与加工现状

1.1 资源丰富

我国薯类资源十分丰富，仅红薯一项，种植面积近666.67hm2，居世界之首，年总产折粮200亿kg，占世界红薯总产量的80%以上；马铃薯种植面积占世界第2位。红薯、马铃薯2项年总产量达1.5亿t，这是我国一笔巨大的资源财富。

1.2 运输不便

我国薯类资源大部分分布在丘陵山区，种植地点分散，交通运输不便，给大量运输、外出加工处理带来很大的困难。另外，由于薯类本身含水分较多，易腐烂，故不便运输。

1.3 加工技术落后

我国薯类加工业与发达国家相比，有一定的差距。主要表现在：（1）产品能耗高。仅将每1t鲜薯加工成粗淀粉而已，耗电一般都在25kWh以上，与目前先进水平相比高出1倍左右。（2）工效低。每单位配套动力的小时生产率一般都低于300kg，而且产品缺门较多，大多不成系列。（3）出粉少。纯淀粉提取率不足65%，比国外先进水平低20%左右。

2 采用立式锥形筛筒的特点

马铃薯淀粉是一种天然高分子物质，除食用外，在医药、化工、橡胶、造纸等工业上都有广泛的用途。马铃薯淀粉的提取经过粉碎、水漂，将淀粉与粉渣分离，采用锥形筛筒和立式磨辊一次完成粉碎和分离两道工序是马铃薯加工较为合理的技术方式。

立式磨辊和立式锥形筛筒有机组合是一种比较先进的分离机构，其优点是结构紧凑、耗水少、生产率较高、能耗较低、应用较广。

3 锥形筛筒分离机设计原理分析

从力学角度分析马铃薯粉碎分离机工作原理，从而反映出采用锥形筛筒应用在马铃薯粉碎分离机分离机构的可行性。

采用一个椎形圆台筛筒来完成薯浆的分离工序（见图1），该装置必须达到以下工作性能：①薯浆中的淀粉做离心运动从筛孔随着水分沿切线抛出。②薯渣应沿着筛筒向上运动飞出筒外，达到淀粉和薯渣的分离要求。

如果锥形筛筒以角速度ω做匀速圆周运动，薯浆也做匀速圆周运动，当锥形筛筒转速较低时，粉浆和粉渣的附着力足以提供所需的向心力，使粉浆做圆周运动。

如果锥形筛筒以角速度ω高速转动时，附着力不足以提供所需的向心力，薯浆便产生离心现象，逐步远离圆心，到达筛筒壁上。

粉浆随着水分做离心运动穿过网孔，因惯性而沿切线飞出，而粉渣却留在网壁上。那么粉渣是否能够沿筛筒壁向上运动，通过对粉渣在筛筒壁中的运动情况和粉渣受力分析来说明这个问题。

由于粉渣在筛筒壁的空气阻力和摩擦力很小，可忽略不计，取某一点粉渣其质量为定值m，筛筒的锥角为θ，如筛筒围绕直径中心的铅垂轴以角速度ω作匀速运动时，这时薯浆恰好在筛壁h的高度随着筛筒围绕直径中心的铅垂轴以角速度ω作匀速圆周运动，此时筛筒上的薯浆主要受到两个力。筛壁对薯浆的支持力N（N垂直于筛壁）和薯浆本身的重力G（mg）（见图2）。将N分解成两个力，向上的分力N1和指向圆心的分力N2，N2即为薯浆的向心力。

粉渣是否能够沿锥形筒壁飞出，下面假设两种情况，用关系式说明这一问题。

若N1=G则有N1=Nsinθ N=N1/sinθ N2=F向=Ncosθ F向=Ncosθ=G ctgθ F向=mω2r

由于N1=G，也就是筛筒以ω角速度匀速转动时，薯浆向上的分力恰好等于薯浆本身的重力，此时的薯浆紧贴着筛壁绕中心铅垂轴作匀速圆周运动，粉渣绝不会飞出筛筒。要使粉渣能够飞出筛筒，N1必须大于G，要使N1>G，就必须增加角速度ω，即筛筒以角速度ω做高速转动。此时粉渣受力分析（见图3），由于粉渣质量m是一个定值，增加后的角速度ω现为已知条件，粉渣所受向心力为：

F向=mω2r

从公式F向=mω2r可以看出，ω增加后，F向与ω2成正比关系。此时F向>N2，即N2不足以提供薯浆做圆周运动的向心力，薯浆便产生离心现象，逐步远离圆心，到达筛筒壁上，粉浆随着水分做离心运动穿过网孔，因惯性而沿切线飞出，而粉渣却留在网壁上。此时，留在网壁上的粉渣的重量为mg，因为mgmg，所以锥型筛的角速度增加后，由于粉渣向上的分力N1大于粉渣的重力mg，粉渣无疑沿锥飞出筒外。

分离筛角θ与转速有着密切的关系。通过对分离筛的粉渣运动情况用作图（见图4）。

锥角θ的关系式。设分离筛的角速度为ω，粉渣与铅垂轴的中心线垂直距离为L，垂直线与中心轴线的夹角为α，用几何定理可以推出：

α=90°-θ N2=F向 G=mg

F向=mgctgθ=mgtgα （1）

F向=mω2r （2）

代入（2）得

mg tgα=mω2Lsinα （3）

根据三角公式：mg=mω2Lsinα

整理后：g/cosα=ω2L

ω2= （4）

f=ω/2π （5）

将（4）代入（5）得

f = （6）

从公式（6）可看出，如果锥角θ增大，L随着增大，α就减小，cosα增大，则分离筛所要求转速越小；若锥角θ减小，L也减小，α就增大，则分离筛所要求的转速越高。

做匀速运动的粉浆，在所受的分力N2不足以提供圆周运动所需的向心力的情况下，就做逐渐远离圆心的运动，薯浆中的粉渣所受的支持力N向上的分力N1大于粉渣本身的重力，则粉渣沿筛筒壁向上运动，飞出筛筒，达到粉渣与粉浆的分离目的，这就是实施立式锥形筛筒马铃薯粉碎分离机分离机构的设计主导原则。

4 测试结果

以6FL机型为例，其滤网属于锥形筛筒旋转式（见图5），由于锥形筛筒转速达到1500n/min，立式锥形筛筒应做平衡试验。其主要性能指标经测试如下。

①生产率：1518kg/h（4kW电机配套）

②淀粉提取率67.3%

③耗水率31%

④分离率>92%

⑤平均负载程度74.4%

⑥使用可靠技术98.1%

⑦度电生产率549.5kg

5 结语

锥形筛筒离心运动原理在马铃薯粉碎分离机的应用有效提高了淀粉质量，也克服了过去平面筛进行淀粉提取带来的噪音，通过测试数据可以看出利用锥形筛筒和立式磨辊完成马铃薯淀粉的提取是一种较为先进的分离机构，操作方便、结构紧凑，性能稳定，生产率较高，而且采用锥形筛筒的马铃薯粉碎分离机机型占地面积小、投资少，耗能低，适合中小型淀粉厂及专业户、个体使用，确实具有较高的使用价值。

参考文献：

[1]陈志.农机械设计手册[M].北京：中国农业科技出版社，2007.1291-1292.