（机械工程专业论文）卧式螺旋馒头成型机成型机理研究及设计.pdf

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- b r e a ds t e a ms h a p em a c h i n eh a sb e e n d e s i g n e d k e y w o r d ：b r e a d s t e a m s h a p e rt h e o r ys p i r a lr o l l e r d e s i g n i n g 2 台肥工业大学硕士学位论文 第一章前言 馒头一作为我国的传统主食已经有二千年的历史，但了解它的历史和对它 的研究目前远远不够。特别是成型设备的研究更少。本章主要陈述馒头的历史 和加工工艺，馒头机的发展过程。特别是目前广泛使用的几种馒头成型机的特 点和存在的问题。这将有利于该机的深入研究和更新设计。 1 1 馒头的历史及加工工艺 馒头在我国传统主食中占有很大的比重，是我国著名的发酵面团蒸食，被 誉为是古代中华面食文化的象征，现代人常常把它同西方的面包相媲美”。 据历史记载，馒头起始于汉朝，其名初见于三国时代。宋代高承事物纪原 记述了有关馒头起源的民间传说，即馒头起源于野蛮时代的人头祭。到南宋时， 猪肉馒头很盛行，元代出现了类似于后世开花馒头的“煎花馒头”。忽思慧饮 膳正要载：“煎花馒头：羊肉、羊脂、羊尾巴、葱、陈皮各切细”，“依次入 料盐酱拌馅包馒头，用煎子煎诸般花样，蒸，用胭脂染花”。由此可见，馒头 最初是包馅的，后来经历了一个由包馅到实心的演变过程，至清代始有“实心 馒头”的记载。今天我们所说的“馒头”一般是指实心的，将包馅的称“包子” 。 中国主食馒头的生产工艺基本上都是以面粉、酵母和水为原料制得的，有 时还加有盐( 做成咸馒头) 或糖( 做成甜馒头) ，此外不再添加其他物料，如 油脂、鸡蛋或牛奶。 馒头的生产工艺共有三种，这是根据所用的发酵粉是酒酿或甜酒、面种还 是纯酵母( 包括鲜酵母和干酵母) 而区分的。以酒酿或甜酒为引子的产品称“水 酵馒头”，产品带有轻微的醇香，别有一番风味，但该工艺古老，且产品质量 不够稳定，目前仅在少数农村地区使用。湖北著名的丰乐河包子( 实际是馒头) 是用此法制成的。以面料为引子的生产工艺，仍广泛应用在广大城乡居民家中 或小工厂中，这种馒头带有咸味，很多中国人特别喜爱。大中型工厂一般都是 以纯酵母为发酵粉的，由于鲜酵母储藏不便，所以经常使用干酵母“”。 馒头的制作原理与面包基本相似，最主要的区别在于馒头是蒸熟的，而面 包是烤熟的。馒头用面粉多是中筋力粉，一般不用高筋力粉；但同等条件下高 蛋白面粉制成的馒头体积比低蛋白粉的体积大1 4 1 1 7 2 c m 3 , 实验结果见图l l 。 由于馒头是蒸熟的，因此产品水分含量要比面包的高很多，水分高容易受多种 合肥工业大学硕士学位论文 微生物感染，货架寿命时间明显缩短，商品价值降低。另外，馒头适合热吃， 冷了食用品质就会明显下降，面包则没有这方面的缺点。这些都是馒头的不足 之处，也是制约大规模工业化生产的重要原因”。关于馒头的蒸煮理论及有关 馒头蒸煮过程中的各种生化、物化变化情况，目前还很少有人进行过研究。但 我们有理由认为，其中的某些变化与面包的基本一样。不同之处在于面包是在 比较高的温度下焙烤出来的，它在焙烤最后阶段发生了美拉德褐变形成了很多 香味；而馒头是在较低的温度下，只会产生略为发硬的馒头皮，不产生焙烤面 包特有的香气”。 名 v 释 世 。 巨 靼 ：窭 怪； 蛋白质害量 图1 1 面粉的蛋白质含量与成品馒头的体积及质构的曲线关系 馒头加工的主要工艺为：和面一发酵一搅拌一成型一醒发，最后汽蒸、冷 却一成为商品。 和面：将面种或称“面头”、“酵头”加水稀释搅拌均匀后，与面粉、水混 合搅拌成可塑性的面团，要求酵母或面种引子均匀地与面团混合在一起。通常 以4 6 5 0 的添水量为宜，l u k o we to l ( 1 9 9 0 ) 报道的数值是5 0 。夏天用凉水、 冬天用温水和面，以保持面团温度在3 0 0 c 左右。大中型工厂多采用单轴s 型 或双轴曲拐式和面机，和面时间为5 1 0 分钟，和面要求与生产面包时一样，即 面粉中蛋白质和淀粉充分吸水膨胀，团内不含生粉，以揉时不粘手、有弹性、 表面光滑为度3 ”。 发酵：发酵是馒头生产的重要环节，发酵方法有三种：( 1 ) 应用面种的天 然酵母发酵法；( 2 ) 甜酒或酒酿汁发酵法；( 3 ) 纯酵母发酵法。三种方法的原 理完全一样，即是酵母利用面粉中的糖分进行酒精发酵产生c o z 气体和酒精， 使面团膨胀成海绵状。面团发酵是在2 6 2 8 0 c 室温和7 5 以上的相对湿度环境 合肥工业大学硕士学位论文 中进行，发酵时间为3 小时。大中型工厂都是以纯酵母为发酵剂进行面团发酵 的，比较简单的一种是一次发酵法，生产时将所有原料一次和面，然后在温度 为2 7 2 9 0 c 、相对湿度为7 5 条件下发酵3 个小时”。通常一次发酵法生产的 馒头有良好的咀嚼感，但其蜂窝状结构较粗糙，一般认为风味较差。经常应用 的是二次发酵法，即先取5 0 7 0 的面粉加入所需酵母发酵，然后将剩余的面粉 和水搅拌进行二次发酵：这种方法生产的馒头柔软，具有微细的海绵结构，风 味较好。它的最大优点是不易受时间和其它条件的影响。 成型与醒发：馒头成型由成型机完成，家庭制作由手工完成。目前应用较 多的是双螺旋辊揉搓成型机成型”1 。醒发的目的是让面团继续膨胀，传统的制 作经验为温度4 0 0 c 相对湿度8 0 时醒发时间1 5 分钟：在没有恒温条件时，冬 季醒发3 0 分钟，夏季醒发2 0 分钟即可。醒发时间过短则制品个小、开口、表 面无光；时间过长则表面开裂。r u b e n t h a l e r ，g l 等人研究的面团醒发时间与馒 头体积和质构的关系曲线见图1 2 。较好的醒发时间为5 8 分钟。 ： 暑 舔 基 。 目 ， 粤 霉 1 遍 暖水率( ) 图1 2面团吸水率与馒头体积和质构的曲线关系 汽蒸与冷却：蒸熟是馒头区别于面包的最重要方面，也是最能体现中国面 食品的关键所在。醒发后的馒头坯放入沸水锅中，常压下蒸2 0 m i n 即熟，要求 火旺蒸汽足，否则面团温度上升较慢，蒸煮时间势必延长。汽蒸结束后立即取 出馒头冷却，以免馒头互相粘连。汽蒸时温度l o o o c ，蒸室压力1 0 k g c m 2 ，时 间2 0 m i n 。汽蒸过程馒头体积平均增大6 0 。 以上是馒头加工工艺的简单概述。 1 2 馒头加工设备的现状及发展 馒头是我国的传统主食，几千年都是手工加工、作坊式生产，真正使用机 械设备生产馒头。可追溯到6 0 年代以后，主要使用的设备是和面机和成型 合肥工业大学硕士学位论文 机，当时是由工人革新生产出来的。最初馒头机的设计是借鉴采用了工业上轧 钢球的方法生产出来的，即螺旋斜轧的方法。螺旋斜轧是采用两个带有螺旋型 槽的轧辊，互相交叉成一定角度，并做同方向旋转，使坯料在轧辊间既绕自身 轴线转动，又沿着轴线向前进，同时钢料受压变形获得所需要的产品螺旋斜 轧钢球( 图1 3 ) ”。目前馒头加工的设备和方法与此方法基本一样。螺旋斜 轧的方法 图l 3 螺旋斜轧钢球 是使棒料在轧辊间螺旋型槽里受到轧制，并被分离成单个的圆球。轧辊每转一 周即可轧制出一个钢球。轧制过程是连续的，这就是最初的设计方法。 但由于种种原因，馒头成形机一直没有大批量生产。改革开放之后，随着 人们工作、生活节奏的加快，以前自己蒸制馒头的居民越来越少，市场馒头需 求增加。特别是城市居民大量需要。所以作坊式的馒头加工点，应运而生。许 多加工点，其加工手段也由原来的手工加工，改由部分机器代替。机器主要是 和面机和馒头成形机。市场增大，设备需求也增加，馒头成形机大量生产，由 原来的卧式双螺旋成形机，发展到盘式和滚式成形机。这三种成型机特点各不 相同，成型的面团形状也不同，双螺旋辊式成型机成型出的是圆球体面团，盘 式成型机成型出的是半椭圆体面团，滚式成型机成型出的是圆柱状面团1 3j 。由 于市场的大量需求，馒头工业化生产的迫切要求，使得在1 9 8 9 年国家经委给 予了计划安排，同时商业部的科技攻关计划也把馒头工业化生产列入了重要的 研究内容。郑州粮食学院承担了馒头工业化生产的研究任务，主要是研究馒头 加工生产线，实现馒头的工业化生产。通过攻关研究，于1 9 9 1 年完成项目， 通过了商业部组织的成果鉴定，并于1 9 9 2 年获得商业部科技进步二等奖，馒 头工业化生产拉开了序幕“”。 在国家“九五”科技攻关计划中，1 9 9 5 年馒头的工业化生产加工技术又 列入计划。郑州粮食学院承担了此项任务。在以前研究成果的基础上，该项目 合肥工业大学硕上学位论文 研究的重点是加工工艺和设备，设备研究一改以往自动生产线的设计，而主要 是现有设备的组合成为生产线。这样，即降低了设备投资成本，又可以解决一 部分职工的就业，市场推广之后，效果非常明显“”。全国各地纷纷上马，呈现 出较好的形势，可以说，我国的传统主食馒头的工业化生产向前迈进了一步。 虽然生产线的设计和研究取得了许多成果，但我们发现，这只是在设备的 选择和组合衔接上做了一些工作，单机并没有改进和解决，设备依然存在这样 和那样的问题，如馒头成型机的面团成型质量不好，重量调节困难，粘辊等问 题。旧的问题未解决，新的问题又产生，针对这些问题，研究人员从几个方面 做了一些工作，如为了改善成型效果，把螺旋曲面加深2 - 3 m m ，主要是改善揉 搓效果，但实际运行没有多少改进。如果再加深1 0 m m ，面团粘辊，运动反而 不畅。然后我们又从成型辊的转速着手研究，其调整的工作量很大，效果也并 不明显”。由于没有更好的办法加以应用，所以说设备未有多少改进，几 乎与6 0 7 0 年代的产品一样，只是外观有些变化，由敞开的变成封闭的，材料 的选择也有一些变化，清洁性和维修有较大改观。纵观这方面的研究，我们通 过检索和查找资料，发现在这一方面的资料不多，只有很少几篇文章。所叙述 的也仅仅是从功率的计算、设备的性能等方面的研究。关于成型机理和成型辊 的研究，可以说几乎没有，也未查找到有关的资料。这些情况说明人们对它的 研究目前很少。所以对馒头加工生产线的主机一一馒头成型机的研究尤为迫切 ( 4 2 o 为了更加充分地了解成型设备及成型的不同方法，下面分别就盘式成型机 和卧式双螺旋辊馒头成型机进行介绍。目前此方面的研究，国内较少。 1 3 盘式馒头成型机 盘式馒头成型机是一种小型的加工设备，它具有成型准确，产量适中或偏 小，馒头大小可变化等特点。它主要是由螺旋挤出机构、成型机构、传动装置 及机架等组成( 图1 4 ) ”。 图1 - 4 盘式馒头成型机 7 合肥工业大学硕士学位论文 该设备外型简洁结构小巧、紧凑，整个设备维修，操作较为方便。 盘式馒头成型机在工作时，首先是由料斗中的面团经螺旋绞龙输送挤出面 棒，面捧碰到限位开关时，信号传达给控制切刀切割面团，面团掉入转动圆盘 漏斗，进入圆盘内滚动，即在模板及转动圆盘的共同作用下产生运动，因模扳 表面形状圆弧尺寸与面团形状接近，面团的顶侧部及底部均受到一定的挤压和 揉捏，故面团在上、下、左右的摩擦作用下，作向前的滚动及侧向的转动。不 断地挤压和揉搓达到成型【4 】。 面团在成型过程中主要是发生物理变化，这是因为面团具有粘附性，内聚 性及弹性。面团经绞龙输送时，聚合物分子间的某些联接所受的张力会使分子 滑移，结构变的松散。一旦进入圆盘，即得到放松与恢复的时间，使面团的结 构得以重新组织，随着面团在圆盘上转动半径的增加，在模板及圆垫的综合作 用下，对面团施加一定量的剪切，使得聚合物变为与剪切力在同一平面内，使 面团的结构更加致密，蛋白质网络更加连续，更加协调一致，其硬度、内聚性 及弹性均相应得到提高，馒头的口感较好【5 j 。 在生产加工过程中，我们发现，面团在圆盘半径较小范围内做两种运动， 即滚动和侧向转动，使面团逐渐成型。但随着半径的增加，面团圆周运动速度 加快，即滚动速度加快，侧向转动消失，故成型出的面团呈d 型，而不是圆球 体。盘式馒头成型机对馒头的成型主要是模板和转动圆盘共同作用的结果。 1 4 卧式双螺旋辊馒头成型机 目前在馒头加工中使用较多的是卧式双螺旋辊成型机，它是将和好的面团 通过推送挤压和定量切割，逐个进行揉和，形成圆球体面团坯。该设备外形较 为整洁，结构紧凑，稳定性好，体积适中( 图1 5 ) 。其工作原理是由电动机起 动后将和好的面团投入进料面斗内” 图1 5卧式双螺旋辊馒头成型机 8 台肥工业大学硕士学位论文 在拨料器的作用下，将面团压入绞龙，并推出面嘴，然后在旋转双辊端部的切 刀切成大小均匀的圆状面团( 图1 - 6 ) ，接着面团依次进入双螺旋辊成型槽内， 在螺旋推动下迅速地揉搓形成表面较为光滑的馒头坯，该机出面锥套采用分节 组合方式，可自由拆卸，清洗残余面团方便，整个设备维修操作简便”。 图1 - 6 圆状面团 卧式馒头成型机的基本要求及面团加工的必要条件 、要有发酵良好的面团 a 要求面团具有均匀的密度，以保证连续生产及下道工序的定量切割： b 面团应有足够的面筋质，以保证馒头成品的弹性： 、定量切割及成型机构 a 该成型机构必须保证定量切割； b 保证在足够短的时问内完成切割； c 成型辊必须保证有良好的成型轨迹，使面团在三个方向( x 、y 、z ) 上 都被均匀揉搓： d 必须保证有成型的准确性( 球状) ； e 不能使已成型的面团粘连在成型机上。 目前的卧式馒头成型机技术参数为： 产量：6 0 个分 馒头产品质量： 1 0 0 克个 工作电压：3 8 0 伏 电机功率： 3 k w 台肥工业大学硕士学位论文 1 5 卧式馒头成型机存在的问题及发展 双螺旋辊馒头成型机目前己成为馒头工业化生产的主要设备，并且逐步得 到广大生产企业的认同，虽然已使用了近3 0 多年，但到目前为止，结构及外 形基本没有改变。所以在企业生产使用巾，也小断反映出目前设备存在的币足 和今后加工制造需要完善的部分。主要问题反映在以下几个方而： 图1 9 面团结疤 a 成型不够完善，面团两头总是存在一些结疤，一头较重( 图1 - 9 ) 。虽然许 多企业均致力于改善成型效果，但均未从根本上解决。 b 螺旋辊制造的粗糙、均匀度不高，曲面加工不规整。由于没有科学的加工 标准，所以成型辊的质量难以保证。 c 切刀的加工质量和硬度不够高，以及两辊旋刀间隙较大，是造成面团结疤 的主要原因。有个别厂家在此方面做了一些研究和改进，有所改善，但效果并 不好。许多馒头加工企业使用机械的同时，还要人工再加工( 图1 - l o ) 。 图1 1 0人工再加工 合肥工业大学硕十学位论文 d 设备的可调性差，定量精度较难掌握和保证，绞龙输送面团容易造成面团 的回流，多次挤压，可使面团变硬，成型较差。 e 成型时的防粘是通过布面斗内的面粉在不断向面团撒面来达到的。目前的 设备是撒粉不均匀，撒的面粉较多容易糊孔，也造成一定程度的浪费。 f 设备的自清洁性较差。每工作一次之后，必须人工用刮刀清理粘糊在各个 部位的面团，否则下次难以正常工作。 g 设备的产量不高，设备的外观需要改进。 本章小结 本章叙述了馒头的历史和馒头加工设备的发展过程，特别是提出了目前加 工机器的特点和存在的一些问题。 针对以上成型机所存在的问题，我们的研究工作主要应针对成型设备中存 在的问题，即成型的主要机构和主要部件进行研究。首先应对成型的原理进行 研究和探讨，以掌握最佳的成型方法；了解和认识成型辊的成型曲面。改进设 计，进一步提高面团成型质量，真正提高成型机器的质量，满足加工企业的需 要。 今后的馒头成型机将趋向于一机多功能；成型辊能够互换；可以成型不同 的面团：整机体积将小型化，产量将得到提高；操作和使用将更加方便，机器 的宜人性更好；清洁性更强。 该项目的研究得到河南省科学技术厅的资助，科技项目“小型馒头自动生 产线”分别在1 9 9 8 年和1 9 9 9 年列入省科技攻关计划，“食品机械造型设计理 论”在1 9 9 9 年列入河南省自然科学基金项目。同时该项目的研究也得到了一 些企业的支持。 台肥工业大学硕士学位论文 第二章卧式馒头成型机的成型机理及分析 馒头成型机已使用了几十年，但变化不大，改进不多。其主要原因是缺乏 馒头成型的基础理论研究，缺乏对设各的理论分析。譬如，面团成型的枧理 面团成型的运动分析，影响面团成型的主要因索有那些：面团的流变学特性对 藩躅成型的影响；成型辍的最小和极限转速楚多少；螺旋辊静成型曲瑟楚仟么； 成型辊对面团在成型过程中的馋用，成型辊的速度对成型确什么影响等。到彝 前均没有完整的结论。所以本章主要对此进行研究和探讨，日的是为今后的研 究和设计提供理论基础。 2 1 卧式双螺旋馒头机的成型机构及成型机理 双螺旋馒头成型枫主要由螺旋挤出梳构帮双蜾旋成型辊缩成。其成型主要 经过两个过程，鄹送面及辊压成型( 图2 一1 ) ，当机器工伤以后，料斗内豹疆圜 在螺旋输送叶片的输送下，轴向推进，把面斗内的面团，箍入成型室，进入成 型室的磋耀在上下斜鬟的双螺旋辊端的切刀切割之后，正式进入戏形揉搓哙段， 这个过程是在两个螺旋辊及前后两个侧辊的共同旋转作用下进行。面闭与辊之 润表两存在摩擦力，就使得霞困在双辊豹援推佟用下，傲舀身的转动和辊子的 轴l 甸运动，达到面团成型，这时的运动轨迹是聪秘运动的合成( 图2 2 ) ”。诬 团在成型室的两种运动，邵为自嘉豹转动和辊子的轴向运动( 蔺2 - 3 ) ，从胬中 可以看如，颟豳自身旋转的轴线与辊的轴线固一个方向，弼且与辊的轴线倾斜 一个角度“，也郎是螺旋辊的 魁2 - 1送蘸及辊压成型 合肥工业大学硕士学拉论文 螺旋升角，面团以轴线做自身的转动。同时，沿辊轴线向前运动，对面团进行 揉搓，以达到成型和输送的目的。 从实际观察来看，成型的面团，总是在面团上有两个节巴，其中一个节巴 非常明显，难咀消除。经过分析我们发现，面团在成型室运动中，自转基本上 图2 - 2 图2 3 是以两个节巴的连线为轴线进行旋转，a 角越小，节巴越明显，也就越难以消 除。主要原因是面团的切割处，在成型过程中没有受到应有的推挤揉搓所致， 实际上就是未与辊面很好地接触造成的。 由于成型室的螺旋双辊一般安装较长，大约为6 0 c m 。再加上前段的螺旋 含肥工业大学硕士学位论文 面团输送，这样面团在成型过程中的物理性质将发生一些变化，面团有一个放 松与恢复的时间，从而使那些在输送过程中产生的一些断裂的联接得以重新形 成，而面团的结构得以重新组织，同时弹性模量有所增加，弹性增加，而弹性 变形量逐渐减少，同时其内聚力增强，所以成型出的面团质量较好【6 j 。 2 2 馒头成型运动分析 由于面团的复杂特性，在研究过程中将馒头面团设定为理想状态下的“刚 体”。完全充满两成型辊所形成的圆弧内( 近似认为是圆弧，还要证明确认) ， 当两辊以相同转速相向运动时，馒头面团在圆弧曲面内由于螺旋辊与面团之间 摩擦力的作用，面团相对于成型弧面滑动、翻滚，从而起到将面团成型的作用。 因此，馒头面团在圆弧曲面内的成型过程，可设想为馒头面团表面与圆弧曲面 接触处某一动点p 的运动，可以见图2 - 4 、2 - 5 。 图中，动点p 所在径向截面与基准径向截面间夹角为a ，e 为动点尸相对 于基准点尸d 绕圆弧中心o 转过的转角，y 为圆弧半径参量，l 为圆弧中心位 置参量，b 为螺旋距参量，d 为螺旋角参量。 如图2 4 所示，设0 0 一l = 1 j ，r o = 一r s i n p j + r c o s p k 。先令r 。绕i 轴( 原点为0 ) 回转 一角度e ，则得新点向量r p ( 原点为0 ) 为： k 倒2 4 r p = l - ( i o ) xr o = 1 一r s i n ( d 一0 ) j + r c o s ( p o ) k 然后再令r ，绕k 轴( 原点为0 ) 回转一角度n ，则得新点向量( nk ) r 一， 最后，令此新点向量的终点沿k 轴方向移动一与旺值成比例的距离b ak ，所获 得的点向量的终点将是馒头生坯表面( 即圆弧曲面) 上的一个点，因此所求馒 头生坯表面( 曲面) 参数方程可写成为1 ： 一 垒墨三些奎兰銎圭兰垒堡奎 k l 图2 5 r = ( a k ) x r p + b a k r p = l 一( e i ) xr o = i r s i n ( 8 0 ) j * r c o s ( b 一0 ) k r = ( a k ) r p + b a k = ( a k ) 1 - r s i n ( b - 0 ) j + r c o s ( b 0 ) k ) + b a k = 【| _ r s i n ( b - 0 ) c o s a j 廿r s i n ( b - 0 ) s i n a i + r c o s ( 1 3 0 ) + b a k 设r = x i + y j + z k 则可得：x - - 一卜r s i n ( 量一0 ) s i n a ( 1 ) y = 【i _ r s i n ( b 一0 ) c o s a( 2 ) z = r c o s ( p 0 ) + b a( 3 ) 式( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 即为双辊式馒头生坯成型机在成型过程中馒头生坯表面( 曲 面) 参数方程式。 将式( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 对时间t 求导得： 砉= 嘉警+ 塞害= s i n a + rs i n a c o s ( 7 f l 一口) 】警面2 丽百+ 丽i 2卅j j 百 一【f c o s q - - t c o s 6 s i n 舻o ) 3 a _ o 又车= 珊：2 n n ，所以整理上式得： 害= 【s i n a + y s i n a c 0 8 一剀百d o p c o s 口一邶。仃s i n 秘一o ) 3 - 2 翮 ( 4 ) d v酞d ea vd 8 一一一 d t8 0d to ad t ( 5 ) = c o s a + y c o s a c o s ( f l 一口i d o 一 1 c o s a - y s i n a s i n 一o ) 3 2 脚 鲁= 品警+ 亳塑d t = y s i n ( f l 一目) 百d 8 + ”一 c s ) 1 5 合肥工业大学颈士学位论文 当馒头面团呈理想状态，相对于圆弧无滑动时，即辈：0 ，则式( 4 ) 、( 5 ) 、 a t ( 6 ) 变为： 冬= 一 c o s a y c o s a s i n ( f l 一0 ) 】2 删 ( 7 ) “l 掣 s i n ays i n a s i n ( f l o ) 1 2 n n ( 8 ) “f 堕：6 z 删( 9 ) 出 式中1 、r 、b 、b 为常数，n 为成型辊转动速度。式( 4 ) 、( 5 ) 、( 6 ) 、( 7 ) 、 ( 8 ) 、( g ) 即为馒头面团表面( 曲面) 在成型过程中某点的瞬时速度。 由式( 7 ) 、( 8 ) 、( 9 ) 可知；馒头面团在成型过程中，成型辊的长度大小 ( 即l 的大小) ，成型辊的转动速度，圆弧半径及螺旋距对馒头面团成型影响较 大。随着l 、n 的增大，馒头面团上某点的瞬时速度也增大，但r 和b 的增大又 使其速度变小。同时随着公式中变量0 、c 的变化，其速度方向也不断变化，因 而馒头面团由表及里随着运动速度的大小及方向的不断变化，在运动过程中不 断被揉、搓，从而使面团主要组成部分一一麦谷蛋白聚合物之间联接键发生变 化，并重新聚合成不同的层次，同时使面团内部结构更加致密，导致面团表皮 硬度增强。 2 3 双螺旋成型辊转速的确定 在双螺旋辊式馒头机的设计中，目前对成型辊运转速度的大小还缺乏较完 善的计算公式，面团成型的具体真实过程还未有足够的认识，所以在设计时往 往凭经验确定或试验得出，这样影响了成型机设计的准确性，难以充分发挥机 器的成型效果。所以有必要从成型效果的角度出发，对成型辊的转速进行分析 研究。 螺旋辊转速的大小直接影响面团的成形效果和生产率，转速过低，成形 时间长，成形效果差，生产率也低；转速过高，面团会被螺旋辊抛起，面团轴 向移动效果下降，还会引起变形，成形效果也差，并使电耗增加。所以，必须 对成形机螺旋辊的转速给予确定，求出其转速的最大值及最小值，也即面团不 被抛起时的螺旋辊转速和面团能够自转时的成型辊转速，确立一个速度范围， 以备设计时使用”1 。 2 3 1 最大转速的确定 台肥工业大学硕士学僦论文 图2 - 6 某一韫置横截面受力情况 蓄先在癍囊室螺旋藏黧辊菜一位譬上，彀一横簸面，弼图2 - 6 ，蠲中嚣溺 受力情况；面团重力p = m g 。上辊对面翻的压力f 1 ，及左侧辊对颟团的推动f 2 ， 设面团与上辊的接触面积为sl ，与侧辊的接触面积为s 2 。 篷予在螺旋袋形孛，交黟量较夺，放可试为是撵。蓬交澎” 则有fl = a y s if2 = g y s 2 s s2 式中g 为弹性率，面团的弹性率大约为8 3 1 0 6 这因厘米2 力f 2 匏佟用方囊与0 1 0 。靛连线垂妻。 从圈中看出，此时的离心力作用方向在两辊轴心的连线上，所以使面团不 被糖趋鹃条释为瑟溺所受商心力不褥，j 、于离心力( 夜郎其中使瑟团发奄y 交形 量所具窍的力) ”“ 即肖f 目p _ ( 1 ) 壶瀚i 虿始 f 自= f t + m g c o s 饯 ( 2 ) pg = m r ( i ) 2( 3 ) 将( 2 ) 式帮( 3 ) 式投入( 1 ) 式褥 f 自m r ( i ) 2 f i + m g c o s 瞎m r ( i ) 2 r 一钱垂楚豹圆拳经 。甜兰3 0 。f 1 + m g c o s a 7 ￥m r 玎竺r c ，v 皿兰堡m r l 2 塑 1 7 合肥工业大学硕士学位论文 也即3 0 1 g y s + m g c o s a 2 3 2 最小转速的确定 成型机双辊在正常转动中，为匀加速运动，我们假设，面团在某一位置时， 面团重量所产生的摩擦力对辊的力矩为常数，根据刚体转动惯量的公式则有 以下计算结果。 根据n = j j 一刚体转动惯量( k g m 2 ) 一角加速度n 一力矩 又因占：竺! 堕u 一转动的末角速度。一转动的初角速度 则有n j ( z - - 0 9 0 t 故有盼”= 圭揪2 _ 坐t 6 0o = o 取t 为单位时间 ：型r m r 式中m 为螺旋辊上一段圆弧的辊质量r 为辊半径，f 为摩擦系数，大约 在1 5 2 ，5 则国鲁r h 垒! 塑：之内 ，村r 从以上的计算可知，要保证面团有好的成形效果，馒头成型机螺旋辊的转 速应确定在 ! ! 竺星：茎万3 0 f l + m g c o s a r d 1 r万vm r 依据以上公式，单位取为公斤、米，则有计算结果大体为4 5 转分n 1 4 0 转分 2 3 3 转速分析 从以上的计算可知，要保证面团成形质量好并有一定的产量，螺旋辊的转 速要保证在确定的范围内。转速的大小要加以控制”。 从公式中看出，转速的大小与面团的质量m 和半径r 、辊的质量m ， 合肥工业丈学硕士学位论文 面团与辊的摩擦系数f ，双辊布置的位置a 有关。 最低转速的确定，除了与面团质量m 和面团与辊的摩擦系数f 有关外， 主要是与辊的质量m 有关。辊的质量越大，所要求的最低转速就越小。 最高转速的确定主要与面团质量和螺旋辊的位置布置、上辊对面团的反 作用力有关，实际卧式馒头成型机双螺旋辊的转速为： 上、下成型辊转速 n 。：1 2 0 坚一4 0 ：6 0 4 03 6 m l n n 下1 2 0 丽1 8 丽4 0 = 6 i n 成型辊转一周所需时间 t = 6 0 r m i n = 1 f 2 4 面团的流变学特性 面团属于粘弹性材料，它被描述为迄今为止人们所知的“复杂的流变材料” “。因为面团的流变学性质与汽蒸和焙烘食品的质量密切相关，所以在人们尚 未完全理解粘弹性测量以前，各种实验方法就已经形成。对于面团来说，因面 团具有一个迅速的弹性变形，因此它包括一个自由虎克要素，另外，它还具有 一个不可恢复的残余变形，它还包含一个自由牛顿要素，所以一个虎克要索与 一个牛顿要素串连被称作麦克斯韦模型。显然面团的特性可用麦克斯韦模型来 表示。 面团是面粉与水的混合物，在调制过程中，蛋白质形成网络，淀粉微粒填 充于其中，这种连续的基质称为面团。它具有粘附性、内聚性及弹性。 面团的这些性质来自它的许多成分：蛋白质、淀粉、脂肪等，但是一般认 为面筋蛋白质在面团的内聚性及弹性方面起着根本作用。 面团形成及搅拌过程中的工艺特性有以下几个阶段。拾起阶段、卷起阶段、 面筋扩展阶段、面筋完成阶段、搅拌过渡阶段等饨。也即面粉与水和其他辅料 在搅拌装置中，在初期所形成的面絮，其内聚性很低，无弹性，也无延伸性， 整个面团显得粗糙，易散落，表面不整齐。随着搅拌的延续，其内聚力逐渐增 强，而且形成具有弹性的面团，并较柔软，粘性较小，具有延伸性。继续搅拌 使面团更光滑，表面显得更干爽而有光泽，细腻整洁而无粗糙感，具有良好的 弹性和延伸性，面团柔软。这一理想品质的获得称为面团的“形成”。然而当 台肥工业大学硕士学位论文 搅拌再继续进行时，面团最终将失去它的弹性，变得非常易于伸延和附着性增 强。并且获得一些流体的特征峥j 。 为了认清在机械加工过程中，特别是螺旋输送蛟龙对面团流变性质的影 响。我们进行了一定的试验，通过对生面团进行测试，并对其硬度、内聚性及 弹性进行评价，从而发现了生面团在螺旋输送过程中的变化。 2 4 1 试验方法和试验仪器 压缩试验在万能试验机( 1 1 2 2 型) 上进行，试样由一套模具制备，试样呈 圆柱体型，其横断面直径为5 e m ，厚度为2 c m ，试验机下落部分速度为2 c m m i n 。 弹性模量的测定在一台平行板式粘弹仪上进行，记录仪速度为2 0 e m m i n 。 不同输送距离生面团试样的制备在一台螺旋输送机上进行。 在万能试验机上获得的周期性变形曲线按照弗雷德曼( f r i e d m a n ) 及鲍恩 ( b o u r n e ) 提出的方法被转换为硬度、内聚性和粘附能力。 2 4 2 试验结果 a 硬度与输送距离的关系 生面团测试结果表明，手工揉制的面团的硬度为8 6 牛顿，而经螺旋绞龙 输送不同距离的硬度，低于手工揉制的面团硬度的5 0 。这就意味着面团经手 工揉制以后，其结构变得更致密，而面团经绞龙输送以后，结构变得松散一些， 见图2 4 1 为生面团与输送距离的关系。 有资料也报道，熟制以后揉制的面团的硬度为3 7 5 牛顿，随着输送距离的 增加，面团的硬度降低，但大都较揉制的熟面团稍低，它们之间的硬度百分比 大约在9 1 9 8 之间。这说明面团经熟制加工后，绞龙的输送距离对面团硬度 的影响减弱，揉制与机制面团的硬度差别变小，比生面团的变化要小。 生面团在输送距离为3 2 厘米时，硬度最高；6 4 厘米时，面团硬度降低。 ，、4 2 擎4 0 宅3 8 警3 6 嗣3 4 蓦3 2 3 0 01 63 24 86 4 输送距离( 厘米) 图2 4 1生面团硬度与输送距离的关系 b 内聚性与输送距离的关系 合肥工业大学硕士学位论文 从图2 4 2 中可以看出，当输送距离s 在3 2 c m 以下时，面团的内聚性呈 连续缓慢增长，当s 为3 2 e m 时，其内聚性与揉制的面团数值相同。当s 大于3 2 c m 时，其内聚性急剧增强。 鼎 懈 酥 翟 露 园 恒 刊 o1 63 24 8 6 4 输送距离( 厘米) 2 4 2 生面团内聚性导数与输送距离的关系 c 粘附性与输送距离的关系 揉制面团的粘附能力为0 9 牛顿厘米。所有机制面团的粘附性均比手工 揉制的面团强。见图2 4 - 3 ，2 4 4 。 d 弹性模量e 。与输送距离的关系 揉制面团的杨式模量e o 为7 0 1 1 0 5 达n n 米2 。当输送距离s 从0 增大 到6 4 c m 时，弹性模量e 0 随着增长。在s 3 9 c m 时，机制比揉制面团的e 。大的多 ( 图2 4 5 ，2 4 6 ) 。 h g 莫勒在“食品流变学导论”中指出“杨式模量越小，在已定力作用下 的弹性变形越大，即材料的变形越容易“。机制面团的e 。大，则弹性变形能力小。 1 63 2 4 86 4 输送距离( 厘米) 2 4 3 生面团粘附能力与输送距离的关系 2 l 3 5 2 5 l 5 o 互 1 o 一*域举廿一r耀蓝桨g围旧州 台肥t 业大学硕士学位论文 1 63 24 8 6 4 输送距离( 厘米) 2 4 4 熟面团的粘附能力与输送距离的关系 1 63 24 86 4 输送距离( 厘米) 2 4 5 生面团的e 。与输送距离的关系 一2 5 娄2 0 要1 5 百1 0 旧 蠹5 0 1 63 24 8 6 4 输送距离( 厘米) 2 4 6 熟面团的e 。与输送距离的关系 6 5 4 3 2 1 0 0 o o o o o 一*嘲鞲廿一r积釜撰g困恒器鞲 o 8 6 4 2 0 一*哑圜艘一盆圆目爿 台肥1 二业大学硕士学位论文 通过以上试验分析，我们初步得出如下结论： 螺旋绞龙输送的面团硬度比揉制的面团硬度低5 0 。 当输送距离小于3 2 c m 时，绞龙输送的面团与揉制的面团内聚性相似。 当输送距离为o - 6 4 c m 时，绞龙输送面团的粘附能力比揉制的面团大，所 以在面团成型时要不断地撒粉。 当输送距离大于3 8 c m 时，绞龙输送面团比揉制面团的杨式模量低。 当螺旋辊在成型面团时，不断地推挤揉搓时，是向面团施加剪切力的过程。 在这种条件下，聚合物间较弱的联接键很容易断开，而使聚合物容易变为与剪 切力在同一平面内。使面团结构更加致密，导致面团硬度增强。当聚合物相互 接触时，聚合物间新的联接键形成“”。这些单独的微弱力量将由于交联的排列， 而协同作用，从而使蛋白质网络更加连续，更加协调一致，其结果是面团的强 度大大增加，杨氏模量增大。所以面团的硬度，内聚性及弹性增加，而粘附性 较低。成型的面团较好，成为圆球体，表面基本光洁，无粗糙感，具有一定的 弹性。 面团密度一般按面团含水量4 5 计算，每l o o g 湿面中含水4 5 ，则l o o g 于面中，相对含水为 m w a t e r = 4 5 1 0 0 1 0 0 = 4 5 则每l o o g 干面粉加水后重1 4 5 9 成型辊中面团的体积为 矿：! 丌f 翌1 0 11 。：8 7 1 1 3 7 耐 3 2 则成型辊输送面团的密度 p = 1 1 1 3 7 = 1 6 6 4 乡厶， 计算值比经验测试值1 1 7 9 c i n 3 略大。 本章小结 通过本章的研究： l 对面团的加工过程进行了分析，明确了面团的加工成型原理及面团的运 动状况，充实和完善了面团成型的理论数据，解决了馒头成型的认识问题。 2 成型辊转速范围的确定4 5 n 1 4 0 转分，这是馒头加工设备理论上的 完善。通过这个结果我们可以有效地指导设计，增大成型辊的转速，提高产量， 可以达到1 0 0 个分馒头。目前的成型设备生产量较低，只有6 0 个分面团，这 个产量已经维持了几十年，制约了馒头加工的产量。 合肥工业大学硕十学位论文 3 根据面团流变学特性的试验研究，通过对面团的硬度、粘度、弹性模量、 内聚性与输送距离关系的实验，明确了螺旋成型辊的轴向极限长度和最小长度 尺寸范围3 2 l 6 4 厘米。 这些研究的结果，对设备的设计和生产有很好的指导作用。 台肥工业大学硕士学位论文 第三章成型辊的加工及螺旋面的形成与分析 成型室是馒头机的主要部分，而成型辊是关键。所以对成型辊的研究相当 重要。本章主要是针对卧式双螺旋馒头成型机一成型辊进行研究，包括加工、 成型及对面团的作用力分析等。 到目前为止，机械厂对成型辊的加工还是依靠经验的方法，不少企业对成 型辊是什么螺旋曲面表达不清；轮廓线是什么，没有准确、具体的数据和计算 表达结果。这给设备的深入研究带来了很多困难：再就是面团的受力状况没有 系统的研究。如研究分析成型辊对面团产生的作用力及面团与成型辊之问的摩 擦力等。本章主要对成型辊加工、形状及辊与面团之间的作用力进行研究。 3 1 成型辊的加工制造 对螺旋成形辊的研究。我们所选设备为“飞雁牌”m g 6 0 z i x 型，该类型 设备的成形辊，如图3 1 。目前国内4 5 家企业生产的螺旋成型辊结构均相同， 所用的材料和加工方法也基本相同。螺旋成型辊辊长5 0 0 m m ，外圆直径大约 1 6 0 r a m ，内圆直径大约为1 0 5 m m ，有8 个成型槽，在辊的左端螺旋齿上镶有切刀， 主要是切断挤出的面团，然后面团进入螺旋成型过程。在辊的右端，下成形辊 圆弧增大，目的是使己成形好的面团能够顺利下落。两成型辊平行放置，与垂 直面倾斜2 5 0 角度安装在墙板上，同时在成型辊的前后分别放置能够同向旋转 的两个挡辊