液压驱动面条挤压机的设计

上官红喜

SHANGGUAN Hong－xi

（临汾职业技术学院机电系，山西 临汾 041000）

（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Linfen Vocational and Technical College，Linfen，Shanxi 041000，China）

面条是中国老百姓非常喜欢吃的一种食品，在饭店或食堂中有些面条是靠挤压机挤压出来的，比如说山西曲沃的饸饹面，面条挤压机大部分都是靠电机通过皮带带动螺旋机构挤压出来的。如图1所示，这种传统的面条挤压机主要由驱动装置、机体、螺旋机构三部分构成，需靠操作人员往挤压机的进料口输送和好的面团，通过螺旋机构的挤压，由排料口挤出。这种面条挤压机的优点在于省力，缺点在于每次添加面团的量都比较小，操作非常不方便，而且非常危险。经常发生由于操作人员不小心手被卷进挤压机的案例。

另外一种挤压机如图2所示，由手柄、活塞杆、活塞、缸体、固定铰支座等几部分构成。当操作人员把手柄抬起后，依靠人工往缸体中添加面团，靠人力下压手柄，活塞把面条从下面的挤压孔中挤出。这种挤压机优点在于比较安全，缺点在于比较费力、每次添加面团的量也比较小。

图1 传统的面条挤压机Figure 1 Traditional noodle extruding machine

液压传动具有能够实现无极调速，调速方便，而且调速范围大；工作平稳，能快速启动、制动和频繁换向；调节控制简单，操作方便、省力；与电气控制结合、更易实现自动控制和过载保护，能自行润滑，使用寿命较长；液压元件已实现了系列化、标准化、通用化，故安装、调试和使用都比较方便等优点［1］。作者把液压技术应用于挤压机上，设计了一种液压驱动的面条挤压机，这种挤压机具有操作方便，一次添加面团的量大，能够大大减轻操作人员的劳动强度，而且安全可靠。

1 液压面条挤压机的总体设计方案

这种液压面条挤压机由机械机构和液压系统两部分构成，机械机构用来完成面条的挤压作业，液压系统用来为机械机构提供挤压所需的动力，两者共同作用来完成挤压机的功能。

2 液压面条挤压机的机械结构

液压面条挤压机的机械结构如图3［2］所示，其机械机构主要是由模具、机架、固定杆、液压缸和收油盘等几部分构成的。液压缸和机架固定在一起，活塞杆上有一个小活塞，和模具配合来完成挤压作业，固定杆的作用在于使小活塞便于和下面的模具对中，收油盘的作用是防止液压油泄漏溢出到面条中，模具下面的挤压孔可以是各种形状的，可以根据消费者的需求进行更换，以便挤出形状各异的面条。

图3 液压面条挤压机的结构示意图Figure 3 Hydraulic noodle extruding machine structure schematic diagram

该液压面条挤压机的工作过程：当操作人员在模具中填加面团后，换向阀的工作位置在上位“下压”的工作位置时，液压缸的活塞在液压力的作用下下行，当液压缸活塞杆上的小活塞和模具中的面团接触后，面条便从模具下面的挤压孔中挤出；换向阀工作位置在下位“退回”的位置时，液压缸的活塞在液压力的作用下退回到液压缸最里面的位置；换向阀工作位置在中间的“停止”位置时，液压缸的活塞便停止不动，停止挤压作业。

3 液压系统及工作原理

该液压面条挤压机的液压系统如图4所示。其工作原理：当手动换向阀处于上位（下压位置）时，电机通过皮带带动液压油泵，输出的压力油经单向阀、节流阀、换向阀进入液压缸的无杆腔，有杆腔的油液经手动换向阀流入油箱；当手动换向阀处于下位（退回位置）时，电机带动液压油泵，输出压力油经单向阀、节流阀、换向阀进入液压缸的有杆腔，无杆腔的油液经手动换向阀流入油箱；当手动换向阀处于中间位置（停止位置）时，液压缸停止不动，同时电机带动液压油泵，输出的压力油经单向阀、节流阀、手动换向阀卸荷，这时可以降低液压泵的功率，以达到降低功率、节能的要求，延长泵的使用寿命。溢流阀可以调节液压系统的压力，以便根据面团的软硬挤出硬度不同的面条，节流阀可以调节液压缸的运动速度。

图4 液压驱动的面条挤压机的液压系统Figure 4 Hydraulic system of hydraulic driven noodle extruding

4 液压系统主要元件的设计计算

4.1 初步估算系统工作压力

液压缸的有效工作压力可以根据表1［3］确定。

表1 液压缸牵引力与工作压力之间的关系Table 1 Hydraulic cylinder and the relationship between traction force and working pressure

由于面团是比较软的，据表1，选择液压缸的工作压力为1 MPa，牵引力为1 k N。

4.2 活塞的直径计算

该液压缸按照推力要求来计算缸筒内径。要求活塞无杆腔的推力为F时，其直径：

式中：

D—— 活塞直径，mm；

F—— 无杆腔的推力，N；

ηcm—— 机械效率，取0.95；

P—— 液压缸的工作压力，Pa；

ψ—— 液压缸的负载率取0.6。

代入数据得

液压缸的内径，活塞的外径要取标准值还要有其它零件的相互配合，如密封圈等，而这些零件已经标准化，有专门的生产厂家，故活塞和液压缸的内径也应标准化，以便选用标准件。

查液压缸缸筒内径尺寸系列表［4］，选择50 mm。

4.3 活塞杆直径的确定

活塞杆直径根据受力情况和液压缸的结构形式来确定，主要考虑受压。

受压时：P≤5 MPa

式中：

d—— 活塞杆的直径，mm；

D——活塞的直径，mm；

该液压缸的工作压力为P＝1 MPa，所以选择d＝0.5 D，d ＝23.6 mm。

查液压缸活塞尺寸系列表［4］，选择25 mm。

4.4 液压缸壁厚的确定

液压缸壁厚根据结构和工艺要求等确定，一般按照薄壁筒计算，壁厚由式（3）确定：

式中：

δ—— 缸体壁厚，mm；

D——液压缸的内径，m；

Py—— 液压缸的最高工作压力，Py＝ （1.2～1.3）P，Pa；

［δ］—— 钢材的许用强度，Pa。

钢材［δ］＝100 MPa，代入数据：

考虑到液压缸的加工要求，将其壁厚适当加大，据此选择武汉油缸厂生产的单活塞杆SD基本型液压缸，其缸径尺寸为50 mm，B型杆［4］。

4.5 液压缸的流量

按式（4）计算：

式中：

Q—— 液压缸的流量，m L／s；

A—— 活塞的有效工作面积，m2；

ηcV——液压缸的容积效率，采用弹性密封圈时ηcV＝1；

V—— 液压缸的最大运动速度，取0.2 m／s。

4.6 液压泵的额定流量

按式（5）计算：

式中：

qp—— 泵的额定流量，m L／s；

K——系统泄漏系数，一般取K ＝1.1～1.3；

Qma—— 液压缸实际需要的最大流量，m L／s；

代入数据：

qp≥1.1×393＝432 m L／s

对于工作过程始终用节流调速的系统，在确定泵的流量时，应再加上溢流阀的最小溢流量，一般取480 m L／s。

4.7 泵的最高工作压力

泵的工作压力应该根据液压缸的工作压力来确定，即：

式中：

PP—— 泵的最高工作压力，MPa；

Pmax—— 执行元件的最高工作压力，MPa；

∑ΔP——进油路和回油路总的压力损失，可以取0.2～0.5 MPa。

代入数据：

PP≥1＋0.5＝1.5 MPa

据此查齿轮泵的技术规格表，选择CB－B20齿轮泵。其规格见表2［4］。

表2 CB－B20齿轮泵的技术规格Table 2 Technical specifications CB－B20 gear pump

4.8 驱动液压泵的功率

驱动液压泵的功率按式（7）计算。

式中：

P——驱动液压泵的功率，W；

PP—— 液压泵的最高工作压力，Pa；

qp—— 液压泵的额定流量，m3／s；

ηP—— 液压泵的效率，对于齿轮泵，效率在0.6～0.8，这里取0.6。

代入数据：

4.9 电机的功率

电机的功率可以从《电工手册》［5］中查得，加上损耗选择1.5 k W。查电机型号采用Y90L－4，其规格见表3。

表3 Y90L－4电机的技术规格Table 3 Technical specification of Y90L－4 motor

4.10 油箱有效容量的计算

油箱的有效容量按式（8）计算

式中：

V—— 油箱的有效容量，m L；

a——经验系数，对于低压系统一般取2～4，这里取4；

qp—— 液压泵的流量，m L／min；

代入数据：

V＝4×480×60＝115 200 m L

4.11 液压控制元件和辅助元件的选择

液压系统图中元件2、3、7、9的型号规格前文已确定，据工作压力，通过液压控制阀，辅助元件的最大流量，选择的液压控制阀和辅助元件规格型号见表4［6］。

表4 液压控制阀和辅助元件规格型号Table 4 Hydraulic control valve and auxiliary components specifications

4.12 管件尺寸

管件的尺寸由选定的液压元件油口尺寸确定，选择采用钢丝缠绕胶管。胶管尺寸选择4SP－10－70［6］。

4.13 液压油的选择

液压油选用L－HM32［4］，此种液压油具有良好的抗磨性、润滑性、防锈抗氧性等。

5 液压驱动面条挤压机的技术特点

（1）该液压驱动的面条挤压机结构简单、加工效率高、操作方便、安全可靠，随着模具下端的挤出孔形状不同，可以挤出形状各异的面条。

（2）该液压驱动的面条挤压机采用手动换向阀来控制液压缸的运动，采用了液压技术，压力可以通过溢流阀来调节，以便挤出软硬不同的面条。挤压速度可以通过节流阀来进行调节，容易实现过载保护。

6 结论

液压面条挤压机已经设计完成，并已完成制造，经试验，能满足使用要求。针对现行使用的面条挤压机的缺点，确定了液压面条挤压机的总体设计方案，并对液压系统的5个组成部分进行了设计计算，并选择确定。本试验的设计与现行使用的面条挤压机进行比较，虽然一次投资较大，但是大大提高了挤压机的安全性能和加工效率，具有比较高的竞争优势，本研究的论述对于面条挤压机的改造和设计有一定的借鉴作用。

1 兰建设.液压与气压传动［M］.北京：高等教育出版社，2002.

2 张利平.现代液压技术应用220例［M］.北京：化学工业出版社，2009.

3 姜佩东.液压与气动技术［M］.北京：高等教育出版社，2000.

4 李壮云.液压、气动与液力工程手册［M］.北京：电子工业出版社，2008.

5 吕如良.电工手册［M］.上海：上海科学技术出版社，1973.

6 王守成，段俊勇.液压元件及选用［M］.北京：化学工业出版社，2007.