水果沖擊破碎理論研究

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1、http://www.paper.edu.cn水果沖擊破碎理論研究雷志偉，張紹英，李海濤，魏文軍中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京（100083）E-mail：zw-lei@sohu.com摘要：在分析傳統(tǒng)果蔬破碎方法的基礎(chǔ)上，提出了將沖擊破碎理論應(yīng)用于水果破碎機(jī)上的技術(shù)方案。建立了水果沖擊破碎模型，分析了沖擊破碎中刀盤轉(zhuǎn)速、撞擊角度和給料粒徑等因素對(duì)沖擊破碎效果的影響和規(guī)律。分別用芹菜和紅玉杏等物料對(duì)破碎機(jī)進(jìn)行破碎試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：水果沖擊破碎機(jī)能提高壓榨出汁率，降低能耗。關(guān)鍵詞：水果破碎機(jī)，沖擊破碎，功指數(shù)，撞擊

2、角度，破碎比，出汁率中圖分類號(hào)：TH1221.引言傳統(tǒng)的果蔬榨汁方法主要是將果蔬破碎成糊狀，再將糊狀果蔬進(jìn)行壓榨得到果蔬汁液。在這類方法中的破碎主要依靠剪切作用進(jìn)行，而對(duì)果蔬組織細(xì)胞的破壞作用不大，果蔬組織細(xì)胞破碎率及汁液游離率較低。由于壓榨時(shí)果蔬細(xì)胞組織主要受各向同性的外壓力，若要破[1，5]碎細(xì)胞的結(jié)構(gòu)必須使用很大的壓榨力，由此使壓榨設(shè)備龐大、能耗大、出汁率低。沖擊破碎機(jī)是破碎機(jī)械中一種新型的破碎設(shè)備。與傳統(tǒng)的破碎設(shè)備相比,它具有能耗低、磨損件少、重量輕等特點(diǎn),因此,得到了建材、煤炭、食品和化工等工業(yè)部門

3、的普遍關(guān)注。特別是近年來,由于對(duì)降低能耗的要求越來越高,相對(duì)能耗較低的沖擊破碎機(jī)的應(yīng)用將越來越普及。目前,世界上已有幾種規(guī)格和型號(hào)的沖擊破碎機(jī),其中主要應(yīng)用于采礦業(yè),用[3]來破碎硬質(zhì)巖石和建筑用砂。水果沖擊破碎機(jī)械在我國,目前尚處于試驗(yàn)研究階段。本文研究目的是建立水果沖擊破碎模型，為水果沖擊破碎機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，有益效果是在榨前破碎中增加沖擊破碎工序使物料的細(xì)胞組織充分破碎，增加細(xì)胞游離率，降低壓榨強(qiáng)度，提高出汁率。2.水果沖擊破碎理論2.1沖擊破碎原理如圖1所示，預(yù)切碎的小塊物料自垂直O(jiān)xy平面喂入，

4、喂入半徑為R，沿動(dòng)刀盤葉片1開始加速，1物料塊從拋出半徑R處離開刀盤葉片時(shí)獲得較高2速度v，然后物料塊高速撞擊靜刀盤柱2，使物料a破碎。這種破碎形式是瞬間加力給物料顆粒，使受到?jīng)_擊的物料顆粒沿其內(nèi)部固有的裂紋破碎,或者把顆粒震裂。其特點(diǎn)是顆粒受到?jīng)_擊時(shí),變形來不及擴(kuò)展到整個(gè)粒子,就在碰撞處產(chǎn)生相當(dāng)大的局部應(yīng)力，以便使物料的細(xì)胞組織充分破碎，增加細(xì)胞游離率，降低壓榨強(qiáng)度，提高出汁率。圖1水果破碎機(jī)工作原理圖Fig.1Workingprinciplediagram-1-http://www.paper.edu.c

5、n2.2物料撞擊模型由于刀盤葉片末端與刀盤柱的距離很小，可以認(rèn)為物料塊撞擊刀盤柱的速度vv=。0a設(shè)v與碰撞公法線n的夾角為α，反射角為β。簡化撞擊模型如圖3所示。00沿公法線n0方向的速度分量：vv01=0cosα沿公切線方向速度分量：vv=sinα020沿公切線方向動(dòng)量守恒：mv=mvsinβ(1)021在公法線方向按正碰撞處理：vcosβ=ev(2)101求解式（1）（2）得：2221vv=+sinαecosα，tanβ=tanα10e式中e為恢復(fù)系數(shù)222令t=+sinαecosα。那么：vt=v10

6、2.3物料顆粒的破碎應(yīng)力與能耗2.3.1撞擊應(yīng)力分析物料顆粒撞擊刀盤柱時(shí)的最大沖擊力PN()max由赫茲的接觸應(yīng)力理論推算可得出。在沖擊力的作[3]用下，顆粒內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力σ()Pa由平松公式可f以求出：圖2物料撞擊模型示意圖2211??υυ12?25536σ=?0.34()ρu5Fig.2Themodelofimpactf1nEE12式中E為彈性模量，Pa；υ為泊松比；3ρ1為物料顆粒的密度，kgm/；u為接觸點(diǎn)公法線方向的相對(duì)速度，ms/；n符號(hào)中的下標(biāo)1、2分別表示物料顆粒和刀盤柱。體積為V的物料顆粒的

7、破壞強(qiáng)度σ，用與碎料中的裂隙分布相關(guān)的韋布爾公式來表ps示，實(shí)際工作中多采用下列公式:?bσ=aVsp式中的ab,為常數(shù)此處表示作用于粒子上的沖擊力σ比破壞強(qiáng)度σ大時(shí)，引起粒子的破碎。fs2211??υυ12?255536?b那么由σ>σ有：0.34(?>)ρuaV(3)fs1npEE12由式（3）可求得α的取值范圍α

8、由圖可知：一定體積的物料顆粒在轉(zhuǎn)速小于某一值時(shí)，物料顆粒無法被撞擊破碎；相同撞擊角度或相同轉(zhuǎn)速時(shí)，物料顆粒體積越大越容易被擊碎。圖3撞擊角度α與刀盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.3Relationshipbetweentheangleofarrivalandtherotatespeed2.3.2破碎比及能耗破碎過程中消耗的能量，通常以粒徑x的函數(shù)來表示，其通式為Lewis公式：dxdE=?Knx'1??nn1積