高剪切式單螺桿擠壓機(jī)設(shè)計(jì)

III 摘 要 目前膨化食品越來(lái)越受到人們的歡迎，而擠壓技術(shù)在膨化食品中的應(yīng)用也更加廣泛。 在擠壓機(jī)內(nèi)的面團(tuán)類(lèi)食品中的水分由于處于壓力之下成液態(tài)，然后從模板孔擠出時(shí)，過(guò)熱的水分突然處于常壓下，壓力突然降低，水分蒸發(fā)成水蒸汽，產(chǎn)生伸張的和膨脹，這樣使這種產(chǎn)品產(chǎn)生一種低密度輕質(zhì)的狀態(tài)。 擠壓技術(shù)作為食品工業(yè)中一項(xiàng)非常重要的技術(shù)得到更大的發(fā)展，現(xiàn)代食品工業(yè)用的螺桿擠壓機(jī)集混合、融合、蒸煮、改性反映、調(diào)質(zhì)、組織化、成型、膨化等多種功能于一身，體現(xiàn)出有利于自動(dòng)控制、便于靈活轉(zhuǎn)產(chǎn)以及節(jié)能、節(jié)勞力、節(jié)省生產(chǎn)場(chǎng)地等優(yōu)點(diǎn)。 單螺桿擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工制造、成本低廉，廣泛用于加工各種膨化小吃食品，本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)一臺(tái)單螺桿擠壓機(jī)，其特點(diǎn)是高轉(zhuǎn)速，高剪切率，外部無(wú)加熱和冷卻裝置，而是利用其高剪切率產(chǎn)生的摩擦熱來(lái)加熱熔融原料使食品原料得到蒸煮熟化，從而生產(chǎn)出松脆可口的膨化谷物食品。設(shè)計(jì)將從擠壓機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，擠壓系統(tǒng)，喂料系統(tǒng)等進(jìn)行完整的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞： 膨化食品；擠壓技術(shù)；單螺桿擠壓機(jī) IV Abstract At present puffs food more and more to receive peoples welcome. The extrusion technology in puffs in food the application to be also more widespread.In extruder pasta class food moisture content because is in under the pressure to become the liquid state,Then when squeezes out from the template hole, the superheat moisture content suddenly is in under the atmospheric pressure, the pressure reduces suddenly,The pressure reduces suddenly, the moisture evaporation steam, produces promotes and the inflation, like this causes this product to have one kind of low density light quality condition. The extrusion technology took in the food industry an extremely important technology obtains a bigger development,Modern food industrial used screw rod extruder have the mix, the fusion, the steam boiling, the modification reflected, the quenching and tempering, the organization, the formation, puff and so on many kinds of functions,manifests is advantageous to the automatic control, is advantageous for produces a different product nimbly as well as the energy conservation, the festival labor force, saves produces merits and so on location. The single screw extruder structure simple, easy to process the manufacture, the cost is inexpensive, widely uses in processing each kind to puff snack food,In the design designs a single screw rod extruder, its characteristic is the high speed, high cutting rate, the outside does not have the heating and the cooling system, but is uses the friction heat which its high cutting rate produces to heat up the fusing raw material enable food raw material to obtain the steam boiling curing, thus produces the pine crisply delicious to puff grain food. The design from the extruder transmission system, the extrusion system, will feed the material system and so on to carry on the integrity the design. Keyword: euffs food extrusion technology single screw extruder V 目 錄 摘 要 . III Abstract . IV 目 錄 . V 1 緒論 . 1 1.1 擠壓技術(shù)介紹 . 1 1.1.1 擠壓技術(shù)在食品生產(chǎn)中的應(yīng)用 . 1 1.1.2 擠壓技術(shù)在食品生產(chǎn)中的發(fā)展?fàn)顩r . 1 1.1.3 擠壓機(jī)生產(chǎn)膨化食 品 . 1 1.1.4 擠壓膨化原理 . 2 1.2 意義、目的、研究范圍 . 2 1.3 本課題在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問(wèn)題 . 2 1.4 本課題研究?jī)?nèi)容 . 5 2 單螺桿擠壓機(jī)整體設(shè)計(jì)方案 . 6 2.1 擠壓機(jī)的主要部件 . 6 2.1.1 擠壓機(jī)的供料部件 . 6 2.1.2 螺桿 . 6 2.1.3 機(jī)筒 . 6 2.1.4 模頭及模板 . 6 2.1.5 其他 . 7 2.2 擠壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝 置 . 7 2.2.1 電動(dòng)機(jī)的選用 . 7 2.2.2 傳動(dòng)比分配 . 8 3 擠壓機(jī)零部件設(shè)計(jì)與計(jì)算 . 9 3.1 螺 桿的設(shè)計(jì) . 9 3.1.1 螺桿的結(jié)構(gòu) . 9 3.1.2 螺桿各部分參數(shù) . 9 3.2 機(jī)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 12 3.3 帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 . 12 4 螺桿和機(jī)筒強(qiáng)度計(jì)算及配合要求 . 16 4.1 螺桿強(qiáng)度計(jì)算 . 16 4.1.1 螺桿材料選取 . 16 4.1.2 螺桿校核計(jì)算 . 16 4.2 機(jī)筒強(qiáng)度校核 . 18 5 軸承布置與校核計(jì)算 . 20 5.1 徑向軸承 . 20 5.2 推力軸承 . 21 VI 5.3 鍵的強(qiáng)度校核 . 21 5.4 螺桿的生產(chǎn)能力計(jì)算 . 22 6 加料系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 23 6.1 螺旋直徑和轉(zhuǎn)速的確定 . 23 6.2 螺旋主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定 . 23 6.3 電機(jī)選用 . 24 6.4 潤(rùn)滑油的選用 . 24 6.4.1 齒輪傳動(dòng)的潤(rùn)滑 . 24 6.4.2 滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑 . 25 7 擠壓機(jī)操作系統(tǒng) . 26 7.1 安裝 . 26 7.1.1 擠壓機(jī)的安裝基礎(chǔ) . 26 7.1.2 調(diào)整擠壓機(jī)水平 . 26 7.1.3 機(jī)筒的安裝 . 26 7.1.4 螺桿的裝拆 . 26 7.1.5 模頭的安裝 . 26 7.2 擠壓加工系統(tǒng)的操作與維護(hù) . 26 7.2.1 開(kāi)車(chē)前的準(zhǔn)備工作 . 26 7.2.2 開(kāi)車(chē)操作 . 26 7.2.3 運(yùn)轉(zhuǎn)中的檢查 . 27 7.2.4 停機(jī) . 27 7.2.5 維護(hù)保養(yǎng) . 27 8 總結(jié)與展望 . 29 8.1 總結(jié) . 29 8.2 展望 . 29 致謝 . 30 參考文獻(xiàn) . 31 高剪切式單螺桿擠壓機(jī)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 1.1 擠壓技術(shù)介紹 1.1.1 擠壓技術(shù)在食品生產(chǎn)中的應(yīng)用 本世紀(jì) 30年代，擠壓技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于食品加工，它具有集輸送，混煉，剪切，加熱，加壓等多種化工單元操作于一體的高溫短時(shí)加工的特點(diǎn)，因此在 食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。除了谷物及植物組織蛋白擠壓食品以外，從糖果制造到酪蛋白生產(chǎn)，從固體脂肪到風(fēng)味成分的開(kāi)發(fā)，及至飼料寵物食品加工制造都用到食品擠壓機(jī)。 螺桿擠壓機(jī)能將一系列的化工基本單元過(guò)程集中在擠壓機(jī)中進(jìn)行，螺桿擠出已連續(xù)生產(chǎn)代替間歇生產(chǎn)，必然有較高的生產(chǎn)率和較低的能耗，也已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，同時(shí)螺桿的攪拌作用業(yè)提高了混合質(zhì)量這些因數(shù)加在一起，避讓降低生產(chǎn)成本。擠壓加工技術(shù)作為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型加工方法廣泛應(yīng)用于食品生產(chǎn)中，并得到迅速的發(fā)展。加工谷物食品的工藝一般須經(jīng)粉碎、混合、成型、烘烤或油炸、 殺菌干燥等生產(chǎn)工序，每道工序都要有不同的設(shè)備，較長(zhǎng)的生產(chǎn)線(xiàn)，較大的占地面積，高強(qiáng)度的勞動(dòng)力，所需設(shè)備較多。通過(guò)擠壓技術(shù)對(duì)谷物食品進(jìn)行加工，初步混合原料后，就可用一臺(tái)擠壓機(jī)完成混合、熟化、粉碎、殺菌、余干燥、成型等工藝，制成膨化、組織化產(chǎn)品或制成不膨化食品，這些產(chǎn)品在再經(jīng)油炸或微波、烘干、調(diào)味后即可上世，只要簡(jiǎn)單根據(jù)更換擠壓磨具，并可以很方便的改變產(chǎn)品的造型。相對(duì)于傳統(tǒng)工藝，擠壓加工改變了谷物食品的加工工藝，大大減短了加工工藝過(guò)程，豐富了谷物樣式，減低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，減少了設(shè)備的占地面積，降低了生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度 ，同時(shí)改變了產(chǎn)品的形態(tài)和味道，使得產(chǎn)品質(zhì)量得到了提高 1 。 1.1.2 擠壓技術(shù)在食品生產(chǎn)中的發(fā)展?fàn)顩r 上世紀(jì) 30 年代，人們首次把擠壓機(jī)用于方便食品谷物的生產(chǎn)中 ；到四十年代末期擠壓機(jī)的應(yīng)用在食品領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大 ；50 年代初的蒸煮擠壓機(jī)已經(jīng)基本上取代了當(dāng)時(shí)的餅干賠烤 60 年代至今擠壓機(jī)的技術(shù)以及理論得到了飛速發(fā)展，對(duì)擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)、擠壓過(guò)程機(jī)理進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)擠壓機(jī)理的探討，進(jìn)一步研究各種谷物以及蛋白類(lèi)食物在擠壓過(guò)程中 發(fā)生的一系列變化，以及擠壓食品的營(yíng)養(yǎng)與吸收問(wèn)題 ；現(xiàn)階段隨著控制技術(shù)的發(fā)展、新材料的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用擠壓技術(shù)得到更大的發(fā)展，生產(chǎn)能力越來(lái)越大，通過(guò)對(duì)擠壓過(guò)程的精確控制，生產(chǎn)出的產(chǎn)品愈加符合人們的期望。 采用擠壓技術(shù)加工食品在我國(guó)已有悠久的歷史，但直到 70 年代還停留在爆米花的手工業(yè)狀態(tài)從 70 年代中期開(kāi)始，尤其是近十幾年來(lái)，我國(guó)用擠壓方法生產(chǎn)食品得到了很大的發(fā)展，隨著任命生活水平的提高以及飲食結(jié)構(gòu)的變化，擠壓食品的品種和產(chǎn)量日益增多 2 。 1.1.3 擠壓機(jī)生產(chǎn)膨化食品 本世紀(jì) 30 年代，擠壓技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于高溫短時(shí)食品加工，它具有集輸送，混煉，剪切，加熱，加壓等多種化工單元操作于一體的特點(diǎn)，因此范圍越來(lái)越廣泛地運(yùn)用于食品加工領(lǐng)域。食品擠壓機(jī)可以加工谷物和植物組織蛋白擠壓食品，可以進(jìn)行糖果制造到奶酪蛋白生產(chǎn)，可以進(jìn)行固體脂肪到風(fēng)味成分的開(kāi)發(fā)，以及寵物飼料食品加工。 現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的各大生產(chǎn)膨化食品的公司企業(yè)一般都是用擠壓法生產(chǎn)膨化食品，擠壓加無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 工概括的說(shuō)是將食品物料置于擠壓機(jī)的高壓和適當(dāng)?shù)臏囟鹊臓顟B(tài)下，然后突然釋放到常壓，使物料和 各種調(diào)味料、香料達(dá)到充分滲透、混合和輸出的過(guò)程。所以用蒸煮擠壓法生產(chǎn)可以取得更好的混合效果，原料利用率高，營(yíng)養(yǎng)損失小，生產(chǎn)出的膨化食品口感，香味的持久力都比傳統(tǒng)的加工方法好。 總的來(lái)說(shuō)，用擠壓法生產(chǎn)膨化食品是現(xiàn)今的發(fā)展趨勢(shì) 3 。 1.1.4 擠壓膨化原理 物料中含有一定的水分 ,物料在擠壓機(jī)套筒內(nèi)受到螺桿的推動(dòng)作用和卸料模具或套筒內(nèi)節(jié)流裝置的反向阻滯作用以及加熱作用。使得物料處于高達(dá) 3 8MPa 的高壓和 200 e 左右的高 溫狀態(tài)之下。壓力超過(guò)了擠壓溫度下的飽和蒸汽壓 , 使得擠出機(jī)套筒內(nèi)物料中的水分不會(huì)沸騰蒸發(fā) , 物料呈現(xiàn)出熔融狀態(tài)。一旦物料從模頭擠出 , 壓力將驟降為常壓 , 物料中水分瞬間蒸發(fā) , 溫度降至 80e左右 , 從而使物料變成多孔結(jié)構(gòu)形狀的膨脹食品 4 。 1.2 意義、目的、研究范圍 食品擠壓技術(shù)具有加工范圍廣、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、加工過(guò)程無(wú)污染等特點(diǎn)。單螺桿擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工制造、成本低廉，廣泛用于加工各種膨化小吃食品。本課題的任 務(wù)是設(shè)計(jì)一臺(tái)高轉(zhuǎn)速、高剪切率的單螺桿擠壓機(jī)，其外部無(wú)外加熱裝置，而是利用高剪切率產(chǎn)生的摩擦熱來(lái)加熱熔融原料并使食品原料得到蒸煮熟化，從而生產(chǎn)出松脆可口的膨化谷物食品。 1.3 本課題在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問(wèn)題 直接膨化休閑食品是一類(lèi)消費(fèi)非常廣泛的食品，它們是由所使用的擠壓機(jī)類(lèi)型特點(diǎn)而被稱(chēng)為玉米果，現(xiàn)在這類(lèi)食品已被稱(chēng)為直接膨化食品，通常，直接膨化的食品在高剪切蒸煮積壓機(jī)上生產(chǎn)的，此類(lèi)產(chǎn)品是由于產(chǎn)品從擠壓機(jī)模板處出來(lái)產(chǎn)生直接膨化而得名的，并且除了干燥外不需要進(jìn)一步的加工處理。一些直接膨化的休閑食品的典型代表 的玉米卷（焙烤的或油炸的）、洋蔥圈、馬鈴薯?xiàng)l和近來(lái)的立體休閑食品。 直接膨化休閑食品的膨化過(guò)程是由加熱物料使溫度超過(guò) 100攝氏度而產(chǎn)生的，在擠壓機(jī)內(nèi)面團(tuán)中的水分由于面團(tuán)是處于壓力之下故呈液態(tài)，然后當(dāng)面團(tuán)從模板孔中擠出擠壓機(jī)時(shí)，過(guò)熱的水分突然處于常壓下，壓力迅速的降低，水分蒸發(fā)成水蒸汽，產(chǎn)生伸張的和膨脹是淀粉基質(zhì)賦予了這種產(chǎn)品一種低是密度和輕的質(zhì)地，整體密度降到 50160g/L范圍內(nèi)。這類(lèi)產(chǎn)品的形狀和大小是由模板設(shè)計(jì)、擠壓物的粘彈性以及切割方式?jīng)Q定的，用于生產(chǎn)著類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)備可以是簡(jiǎn)單的夾套式擠壓機(jī)到雙螺桿擠 壓機(jī)。夾套式擠壓機(jī)用于生產(chǎn)諸如玉米卷和大米膨化物等產(chǎn)品，若對(duì)配料要求高和生產(chǎn)率高，則應(yīng)使用較復(fù)雜的單螺桿和雙螺桿擠壓機(jī)。生產(chǎn)率一般為：夾套式擠壓機(jī) 50200kg/h,有較長(zhǎng)套筒的單螺桿擠壓機(jī)100600kg/h，雙螺桿擠壓機(jī) 1501000kg/h5 。 擠壓技術(shù)作為食品工業(yè)中得一項(xiàng)重要技術(shù)并得到更大的發(fā)展。它能將食品原料直接擠壓成型得到我們需要的產(chǎn)品。 現(xiàn)代食品工業(yè)用的螺桿擠壓機(jī)集混合、融和、蒸煮、改性反應(yīng)、 調(diào)質(zhì)、組織 化、成型、膨化等多種功能于一身，體現(xiàn)出有利于自動(dòng)控制、便于靈活轉(zhuǎn)產(chǎn)以及節(jié)能、節(jié)勞力、節(jié)省生產(chǎn)場(chǎng)地等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，擠壓技術(shù)生產(chǎn)嬰兒食品、制品的性狀發(fā)生改變，產(chǎn)品的速溶性、沖調(diào)性提高，產(chǎn)品極易消化，且提高了氨基酸的含量。 高剪切式單螺桿擠壓機(jī)設(shè)計(jì) 3 目前擠壓技術(shù)還可以生產(chǎn)膨化小食品及夾心食品湯料、面包干、人造蛋白肉等。本設(shè)計(jì)就是生產(chǎn)擠壓膨化食品。 物料經(jīng)過(guò)擠壓后又如下特點(diǎn)： （ 1）成分損失少，有利于人體的吸收。 （ 2）用途廣。 （ 3）生產(chǎn)率高，從進(jìn)料到成品僅需 20-40s。 （ 4）成本低。 （ 5）維護(hù)方便。 基于以上幾點(diǎn)，擠壓技術(shù)可以為現(xiàn)代生產(chǎn)提供巨大的支持。 隨著食品工業(yè)的迅速發(fā)展，螺桿擠壓機(jī)被廣泛的應(yīng)用于食品加工當(dāng)中，特別是單螺桿擠壓機(jī)在各方面都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展?，F(xiàn)在單螺桿擠壓機(jī)朝著高效能、高速、自動(dòng)化和輔助配套連續(xù)生產(chǎn)方向發(fā)展。在螺桿設(shè)計(jì)方面，除增大螺桿的直徑，螺桿的長(zhǎng)徑比，也研制了各種新型高效的螺桿，同時(shí)采用了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)螺桿，并對(duì)自動(dòng)控制提出了要求，使得產(chǎn)品的質(zhì)量更加穩(wěn)定，生產(chǎn)產(chǎn)品的水平更上一層樓。 多段組件螺桿的單螺桿擠壓機(jī)，是由 Wenger 公司（ 1964 年）創(chuàng)新設(shè)計(jì)和研制開(kāi)發(fā)的成功機(jī)型。螺桿采 用若干個(gè)可拆卸的單個(gè)組件，個(gè)個(gè)螺桿組件彼此連接安裝在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸通過(guò)聯(lián)軸套管與傳動(dòng)齒輪箱裝配。第一段稱(chēng)為定量供料螺桿，它將原料進(jìn)行混合擠壓，將其運(yùn)送至下一區(qū)段的螺桿組件，在中間區(qū)段的螺桿，其節(jié)距變得更短，產(chǎn)生更大的混合作用和擠壓作用，接著物料被混合并運(yùn)送到的三區(qū)段產(chǎn)生更大的剪切作用。隨著剪切力和壓力的增大，產(chǎn)生揉合作用，擠壓料轉(zhuǎn)變成為塑性物質(zhì)。接著物料被推送到第四區(qū)段，該區(qū)的物料將受到更加大的剪切作用和發(fā)熱，繼而物料的溫度升高和熟化。 在一定的產(chǎn)量條件下，單螺桿擠壓機(jī)比雙螺桿擠壓機(jī)便宜 1.5-2.5 倍，因?yàn)?結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是對(duì)一個(gè)擠壓機(jī)系統(tǒng)來(lái)講，它要對(duì)物料進(jìn)行干燥等一些額外的要求，也會(huì)增加產(chǎn)品的成本。 進(jìn)行綜合的比較，對(duì)能耗進(jìn)行分析，由于單螺桿擠壓機(jī)廣泛的采用蒸汽或電加熱以及用水來(lái)調(diào)節(jié)以提供蒸煮加工所需的熱量，所需熱能由機(jī)械能提供的將減少。在雙螺桿擠壓過(guò)程中，較多的熱量是由輸入的機(jī)械能提供的，其他的一些熱量則是由夾套傳遞過(guò)來(lái)的。相對(duì)來(lái)說(shuō)單螺桿索要的熱量消耗要經(jīng)濟(jì)一些。單摞桿擠出物的水分很高，相關(guān)的能耗使蒸煮的能耗得到補(bǔ)償。，所以總的能耗并不是很低。另外干燥機(jī)的效率只有 40%，相比之下，雙螺桿擠壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)就是它 有很多的能力來(lái)處理低水分的物料。除了低水分?jǐn)D壓會(huì)導(dǎo)致配料的過(guò)度破壞和產(chǎn)品的負(fù)影響外他們兩者的能耗差別不是太大 6 。 總的而言，單螺桿擠壓機(jī)有它不足之處，但是它也有不可替代的優(yōu)點(diǎn)。主要是單螺桿擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，加工的產(chǎn)品為各種膨化食品、速溶谷物粉、鍋巴類(lèi)小食品，蘇釋方便米粥。還有就是其操作維修方便。設(shè)備在使用一段時(shí)間后，可以更換易損件。 從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，單螺桿擠壓機(jī)比雙螺桿擠壓機(jī)簡(jiǎn)單，操作上的限制也少。雙螺桿擠壓機(jī) 的齒輪傳動(dòng)相對(duì)復(fù)雜，兩根軸必須同向旋轉(zhuǎn)，兩軸之間狹窄的空間給設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的困難，特別是推力軸承的放置就有很大的問(wèn)題。而且，雙螺桿的扭力、壓力和比單螺桿擠壓機(jī)小的止推力限制，過(guò)度的負(fù)擔(dān)將導(dǎo)致過(guò)度的損壞而增加維修費(fèi)用。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 由于單、雙螺桿的不同特點(diǎn)，他們?cè)谑称芳庸ぶ懈髯云鹬麄兊淖饔?。例如，在寵物食品的蒸煮和成型加工中，單螺桿擠壓機(jī)是經(jīng)濟(jì)而有效的方法。在需要良好的控制以及操作靈活的蒸煮反應(yīng)時(shí)，選擇雙螺桿擠壓機(jī)會(huì)更合適。物料在單螺桿擠壓機(jī)中向前輸送的原理與雙螺桿擠壓機(jī)的有些不同。在雙螺桿擠壓機(jī)中，根據(jù)螺桿的旋轉(zhuǎn)方向， 嚙合程度和螺紋參數(shù)的不同，雙螺桿可以分為同向旋轉(zhuǎn)和異鄉(xiāng)旋轉(zhuǎn)、嚙合與非嚙合等多種類(lèi)型。目前發(fā)展的主流類(lèi)型是同向旋轉(zhuǎn)、完全嚙合梯形螺紋的雙螺桿擠壓機(jī)。在雙螺桿擠壓機(jī)中，；螺桿和機(jī)筒之間扭曲了近于閉合的 C形空間，由喂料機(jī)構(gòu)進(jìn)入的物料充滿(mǎn)這個(gè)空間并被流暢的推送向前，當(dāng)物料的體積與空隙的體積相等時(shí)，繼續(xù)送入的物料將會(huì)產(chǎn)生壓力，表面看來(lái)這是與單螺桿擠壓機(jī)一樣，具備了物料和螺桿共轉(zhuǎn)的條件。但是，對(duì)于雙螺桿擠壓機(jī)而言，在 C形開(kāi)口出總有另一螺桿的螺旋齒齒板旋轉(zhuǎn)著，即一根螺桿的螺旋齒板對(duì)另一根螺桿 C形空間中的物料起著擋板的作用 。因此物料不會(huì)和螺桿一起共轉(zhuǎn)，機(jī)筒內(nèi)部就可以做成光滑的表面，可避免不必要的摩擦，降低運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的能量，同時(shí)還可以把螺桿和機(jī)筒的間隙做小，減少物料沿縫隙逆向的漏流，機(jī)對(duì)高水分、高油分的食品原料也不易發(fā)生逆流和漏流。提高承載壓力的范圍，甚至還可以進(jìn)行更高溫度的處理。 在單螺桿擠壓機(jī)中，物料基本上緊密?chē)@在螺桿周?chē)?，形成螺旋狀的連續(xù)帶狀物料。因此，根據(jù)螺桿螺母相似的關(guān)系，在物料與螺桿的摩擦力大于機(jī)筒與物料的摩擦力時(shí)，物料將和螺桿一起旋轉(zhuǎn)，這就不可能實(shí)現(xiàn)物料的輸送。在模頭附近高壓或高濕的情況下，返壓力易使物料逆流， 物料的水分、油分越高，這種趨勢(shì)就越顯著。因此，單螺桿擠壓機(jī)為了解決或避免這些問(wèn)題會(huì)在螺桿采取一些措施。比如增加螺桿的頭數(shù)，就是螺桿旋轉(zhuǎn)一周對(duì)物料的作用次數(shù)。頭數(shù)越多，螺桿對(duì)物料的推動(dòng)能力越強(qiáng)。多頭的螺桿適用于粘性較高的物料。不過(guò)隨著頭數(shù)的增多，螺桿和機(jī)筒之間的空間就會(huì)更少，物料輸送的絕對(duì)量也就降低了。所以沒(méi)有必要從進(jìn)料口到模頭的螺旋頭數(shù)都保持一致，可以選擇各種螺桿的放置形式以適應(yīng)各個(gè)區(qū)段的物料的變化情況 7 。 為避免物料跟隨螺桿 一起旋轉(zhuǎn)，可以采用一些方法。在物料上就是降低物料的水分和油分，減少物料與機(jī)筒的的潤(rùn)滑作用。同時(shí)，應(yīng)將物料的分布控制在某個(gè)范圍之內(nèi)，即當(dāng)物料充滿(mǎn)螺桿與機(jī)筒的空間時(shí)，應(yīng)使后繼物料的傳輸比例降低，物料各粒子得以分散，從而降低物料在螺桿之間的緊密程度。實(shí)際上 ，食品物料一般多是不定型，不均勻，高水分，高油分，多成分的物料，因此，還沒(méi)有成熟的方法解決這些難題。不過(guò)如果采用自動(dòng)化控制，會(huì)在一定程度上解決問(wèn)題。單螺桿擠壓機(jī)和雙螺桿擠壓機(jī)的不同之處見(jiàn)表 1.1。 表 1.1 單、雙螺桿擠壓機(jī)的比較 機(jī)型 項(xiàng)目 單螺桿擠壓機(jī) 雙螺桿擠壓機(jī) 物料移動(dòng)方式 摩擦滑移 具有一定的正向輸送 加工能力 受物料成分的限制 在一定范圍內(nèi)不受限制 物料允許水分 10 30 （ 最大 40） 5 95 物料的熱分布 不均勻 均勻 剪切力 強(qiáng) 弱 逆流產(chǎn)生程度 高 低 高剪切式單螺桿擠壓機(jī)設(shè)計(jì) 5 續(xù)表 1.1 加工產(chǎn)品種類(lèi) 少 多 耐久性 大 比單螺桿稍差 本課題中的單螺桿食品擠壓機(jī)，能有 效而穩(wěn)定的長(zhǎng)期工作，既能保證食品質(zhì)量，減少對(duì)原材料的浪費(fèi)，又能增加產(chǎn)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低食品成本。應(yīng)用這種食品擠壓成型機(jī)，減少了人身與食品物料的直接接觸和病菌傳播機(jī)會(huì)。這種成型機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易，清洗維修方便等特點(diǎn)，適合于在餐廳以及各個(gè)超市使用 單螺桿擠壓機(jī)優(yōu)于雙螺桿擠壓機(jī)最主要的一點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，因此在食品工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用，只有當(dāng)單螺桿擠壓機(jī)在生產(chǎn)中不能得到完全令人滿(mǎn)意的效果時(shí)才改用雙螺桿擠壓機(jī)。螺桿擠壓機(jī)在膨化食品擠壓應(yīng)用廣泛。 目前，美國(guó)、日本及西歐等國(guó)家對(duì)擠壓膨化的理論研究越來(lái) 越完善，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣闊，各種各樣的擠壓食品遍步超市貨架。美國(guó)生產(chǎn)的大型擠壓膨化機(jī)生產(chǎn)能力已達(dá)每小時(shí)幾噸至十幾噸，有關(guān)擠壓膨化和設(shè)備的專(zhuān)利已達(dá)百余項(xiàng) ，擠壓產(chǎn)品遍及世界各地，由于食品工業(yè)日新月異的發(fā)展，擠壓設(shè)備的不斷改進(jìn)，擠壓理論的不斷完善，擠壓食品在消費(fèi)者中的地位也越來(lái)越重要 8 。 1.4 本課題研究?jī)?nèi)容 在單螺桿擠壓機(jī)中，大部分能量在機(jī)筒上傳導(dǎo)。這些能量既有通過(guò)機(jī)筒外熱的傳導(dǎo)，也有由于螺桿本身的剪切作用所產(chǎn)生的機(jī)械能。其中 機(jī)械能的大小是由螺桿轉(zhuǎn)速和螺桿結(jié)構(gòu)所決定的，這是因?yàn)榧羟新逝c螺桿轉(zhuǎn)速成正比，而對(duì)于一臺(tái)確定的擠壓機(jī)，螺桿結(jié)構(gòu)一般是預(yù)先確定的，修改的可能性很小。對(duì)于大型單螺桿擠壓機(jī)，熱交換及其輸送產(chǎn)量和壓力的增加都將變得更加困難，因?yàn)閿D壓機(jī)的尺寸越大，物料的表面積與體積之比就越小 9 。 本設(shè)計(jì)名為自熱式單螺桿擠壓機(jī)，即是用螺桿本身的剪切作用所產(chǎn)生的機(jī)械能而產(chǎn)生的熱量來(lái)加熱物料，而不需要在外部通過(guò)加熱裝置進(jìn)行預(yù)熱物料處理。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 2 單螺桿擠 壓機(jī)整體設(shè)計(jì)方案 2.1 擠壓機(jī)的主要部件 典型的擠壓機(jī)的構(gòu)成包括以下 4 個(gè)主要部件：供料機(jī)構(gòu)、螺桿及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)筒、模頭。螺桿的傳動(dòng)如圖 2.1 所示。 圖 2.1 螺桿的傳動(dòng) 2.1.1 擠壓機(jī)的供料部件 有兩種形式，水平型和垂直型，它們都配有一個(gè)料斗，用來(lái)接收和暫存待擠壓的原料，并將其運(yùn)送至螺桿。為了確保原料能有暢流的運(yùn)動(dòng)和避免產(chǎn)生“架橋”，料斗內(nèi)配裝攪拌機(jī)，或者采用寬大的出料口，這樣，將有助于該機(jī)構(gòu)保持不間斷的均勻供料工況。 喂料基本要求 按照設(shè)計(jì)實(shí)際需要及具體條件 來(lái)決定裝置設(shè)計(jì) 重力加料 物料在料斗中依靠本身的重力進(jìn)入擠壓系統(tǒng)，在料斗上方設(shè)置喂料器，均勻的喂料，且能控制喂料量，滿(mǎn)足各種不同物料加工需要，避免進(jìn)料不均勻的現(xiàn)象，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量 10 。 2.1.2 螺桿 通?？梢赃@樣講，螺桿是擠壓機(jī)最重要的部件，它不僅決定擠壓機(jī)的熟化和糊化功能強(qiáng)度，而且還決定最終成品的質(zhì)量。不同的螺桿，有不同的擠壓功能。螺桿的擠壓功能，決定于螺桿的設(shè)計(jì)參數(shù)。 2.1.3 機(jī)筒 包圍在螺桿外面的螺套， 本設(shè)計(jì)采用 整體結(jié)構(gòu)。 機(jī)筒 內(nèi)表面通常制成凹槽形狀，有的是直線(xiàn)型凹槽，有的是螺線(xiàn)型凹槽。螺線(xiàn)型凹槽，產(chǎn)生助推的順流，而直線(xiàn)型凹槽，則阻礙順流。因而，直線(xiàn)型凹槽會(huì)導(dǎo)致較低的流速，但其機(jī)械剪切作用則更大。螺桿與其 機(jī)筒之間的間隙距離，通常保持在最小程度，藉以減少滲漏流。 2.1.4 模頭及模板 在 機(jī)筒 的終端，通常配裝具有各種形狀孔眼的模壓盤(pán)，一般被稱(chēng)之謂模頭。模頭具有雙重功能：將擠壓料模壓成所要求的形狀。確定模頭孔眼的幾何形狀，對(duì)于擠壓產(chǎn)品外形及質(zhì)量有很重要的作用。目前 ，已開(kāi)發(fā)應(yīng)用多種孔眼形式的單程模壓模頭，例如圓筒形孔眼模頭，狹槽形孔眼模頭，環(huán)狀形孔眼模頭，以及雙程模壓模頭。在雙程模壓模頭內(nèi)的進(jìn)料，來(lái)自?xún)膳_(tái)擠壓機(jī)單程模壓的出料口，可加工成具有雙重顏色或雙重味道的擠壓制品。 （ 1） 模板設(shè)計(jì)原則為：熔融料的流道呈十分光滑的流線(xiàn)型，不得有突變，更不能有死角和滯留區(qū)；保證模板有足夠的壓縮比，使料能在模板內(nèi)形成必要的壓力；在強(qiáng)足夠的條件下，結(jié)構(gòu)緊湊，易于加工制造和裝拆維修。同時(shí)結(jié)構(gòu)盡量對(duì)稱(chēng)，以使傳熱均 勻；材料選用合理。 高剪切式單螺桿擠壓機(jī)設(shè)計(jì) 7 （ 2） 對(duì)模板材料的要求：耐蝕和耐磨損；在模板的內(nèi)壓作用下有足夠的強(qiáng)度剛度；在高溫下不變形，模板各組成零件視所處位置和工作要求可選不同的材料。對(duì)模板的加工裝配要求：模板的裝配要求高，各零件的加工視作用不同而異。所以，選用材料為：38CrMoAl 氮化處理 11 。 2.1.5 其他 另外還有的就是動(dòng)力提供裝置，包括電動(dòng)機(jī)和減速器等等。 2.2 擠壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置 1) 電動(dòng)機(jī) 可選用結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格合理，穩(wěn)定可靠的工業(yè)用機(jī)。 2) 變速裝置 擠壓機(jī)所生產(chǎn)的產(chǎn)品各不相同，螺桿的速度也會(huì)不一樣，變速的方法可以是采用變速電機(jī)比如無(wú)級(jí)變速的，比較先進(jìn)的是可控硅交流變速。 3) 傳動(dòng)裝置 擠壓機(jī)螺桿的轉(zhuǎn)速一般不會(huì)很高，小于 500rpm，可以選用減速裝置將其直接減到一定的范圍即可。 4) 推力軸承 在擠壓過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的壓力，通過(guò)螺桿傳遞到傳動(dòng)裝置，因此需要增加一些軸承以平衡這些力。軸承的壽命為 2628524365(3 （小時(shí)）（天）年）hL小時(shí)。 2.2.1 電動(dòng)機(jī)的選用 螺桿轉(zhuǎn)速一個(gè)關(guān)鍵性參數(shù)，因此在本設(shè)計(jì)中，我們將采用無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)與有級(jí)減速機(jī)的組合。 采用無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)，主要是因?yàn)槠涔ぷ魈匦郧€(xiàn)與擠壓機(jī)的工作特性曲線(xiàn)很接近，如圖 3 所 示 。 采 用 它 來(lái) 作 原 動(dòng) 機(jī) ， 能 夠 保 證 有 較 高 的 功 率 因 素 與 效 率( %60%50,96.06.0c o s )，且啟動(dòng)性能好，運(yùn)行穩(wěn)定，可得到較合理的使用。為使螺桿獲得足夠的轉(zhuǎn)矩，電機(jī)調(diào)速不應(yīng)太低，控制在 1300r/min 左右。采用有級(jí)減速機(jī)，承擔(dān)大部分的傳動(dòng)比，可滿(mǎn)足這一要求。 為減小整機(jī)外形尺寸，使結(jié)構(gòu)緊 湊，電機(jī)置于下方，通過(guò)帶輪傳動(dòng)帶動(dòng)減速機(jī)。帶輪不僅可以分擔(dān)一定的傳動(dòng)比，而且還可使整個(gè)系統(tǒng)傳動(dòng)穩(wěn)定，并起到過(guò)載保護(hù)的作用。 圖 2.2 調(diào)速電機(jī)的特性工作曲線(xiàn) 所需電動(dòng)機(jī)功率為： 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 kwPP wd (式 2.1) 式中：dP 工作機(jī)要求的電動(dòng)機(jī)輸出功率： kw wP 工作機(jī)所需要的輸入功率： kw 電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)之間的傳動(dòng)裝置總效率 根據(jù)螺桿的轉(zhuǎn)速和螺桿直徑。 直徑 D=45mm 轉(zhuǎn)速 n=300r/min 擠壓機(jī)輸出功率估算： KWKnKDN 5.21)00354.0(2 (式 2.2） 選取電機(jī) YCT280-4A 額定功率 30KW，轉(zhuǎn)矩 189，調(diào)速范圍 132-1320r/min 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 2.2.2 傳動(dòng)比分配 1. 總傳動(dòng)比 為保證螺桿有較高的轉(zhuǎn)速，滿(mǎn)足一定的螺桿輸入轉(zhuǎn)矩，取電機(jī)工作轉(zhuǎn)速 1320r/min,擠壓機(jī)工作轉(zhuǎn)速 300r/min，則總傳動(dòng)比為： 4.43001320 nni 電機(jī)總 2. 帶輪傳動(dòng)比 因?yàn)槁輻U要高的轉(zhuǎn)速，總傳動(dòng)比較小而減速器要承擔(dān)大部分傳動(dòng)比，帶輪將選用較小的傳動(dòng)比，同時(shí)，這樣也可減小機(jī)器尺寸和重量，便于安裝。在設(shè)計(jì)中，我們初取帶輪傳 動(dòng)比vi=1.2 3. 減速器選用 參考 12 11571158，按強(qiáng)度選用減速機(jī)。 計(jì)算功率 KWPPKPpAc 1 （式 2.3） 工況系數(shù) KA按輕微沖擊查表 18-40 得 AK =1 減速機(jī)傳遞功率vnTP9550 max電電 kw21.2796.09550 1320189 （式 2.4） 則計(jì)算計(jì)算功率cP= 1 27.21=27.21kw 查表 13 9-2-8 選用 ZDY-100 型減速器，其許用輸入功率 PP1=28kW，傳動(dòng)比 55.3減i 高剪切式單螺桿擠壓機(jī)設(shè)計(jì) 9 3 擠壓機(jī)零部件設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1 螺桿的設(shè)計(jì) 3.1.1 螺桿的結(jié)構(gòu) 普通螺桿按其螺紋升角和螺槽深度分為： 等距變深，等深變距，變深變距。本設(shè)計(jì)中將采用等距變深螺桿，即螺桿的螺距不 變而螺槽深度變化 14 。 3.1.2 螺桿各部分參數(shù) （ 1）螺桿直徑 選取螺桿直徑 sD=45mm 根據(jù)， nDsQ 3 （式 3.1） 式中 Q -生產(chǎn)能力 (kg/h) sD -螺桿外徑 (mm) n -螺桿轉(zhuǎn)速 (n/min) -經(jīng)驗(yàn)出料系數(shù)，取 0.003 0.007 計(jì)算出 Q=164kg/h。 （ 2）螺桿長(zhǎng)徑比 從擠壓理論得知，在其他條件一定時(shí)，增大長(zhǎng)徑比，即等于增加螺桿的長(zhǎng)度。結(jié) 果物料在螺桿中的停留時(shí)間也延長(zhǎng)，即保證了物料有充分的熔融時(shí)間，但對(duì)熱敏性的物料，過(guò)大的長(zhǎng)徑比易于造成停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而熱分解。由于本設(shè)計(jì)中需要加工的物料只要將其熟化或者半熟化，并擠壓成型即可。所以只取 18SDL 則螺紋段長(zhǎng) mmDLs 81018 （ 3）螺桿各段主要幾何參數(shù) 物料在螺桿中的擠壓經(jīng)歷固體輸送、熔融和均化的過(guò)程。因此，整個(gè)螺桿的設(shè)計(jì)通常分為三部分。以下 具體計(jì)算確定各段的幾何參數(shù)。 a 螺距 S 由于本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)成等距變深螺桿 ， 從輸送段到均化段統(tǒng)一取螺距 S=35mm b 各段長(zhǎng) L 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) （ 9 Pg7577）， 確定各段長(zhǎng)如下 ： 加料段 L1 15%30%L 121.5243mm， 取螺距 S 35mm 的整倍數(shù) ， L1 215mm 熔融段 L2 50%60%L 405486mm。 出于段長(zhǎng)取螺距倍數(shù)的考慮 ， 取 L2 420mm。 均化段 L3 L L1 L2 810 215 420 175 c 螺槽深度 H 輸送段螺槽深度 1H ， 在理論上 1H 大 ， 固體輸送量增大 。 在確定 1H 時(shí)要考慮螺桿的機(jī)械強(qiáng)度和物料的物理壓縮比大小 。 一般先確定均化段螺槽深度后，無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 再由螺桿幾何壓縮比來(lái)計(jì)算加料段的螺槽深度 1H 。 均化段螺槽深度 3H =（ 0.0250.06） D=1.1252.7mm （ 式 3.2） 取 3H = 3mm,初步取壓縮比 i=3。 根據(jù) 3133331111 HHHelHD HelHDi 三 段螺紋升程相等，螺棱寬度 e也相等 。 所以 1H33H=9 取 1H =10mm. mmH 62 d 螺紋升角s b 參考 10 Pg161 公式 螺桿外徑處螺紋升角 bb DS arc tan （ 式 3.3） 螺桿根徑處螺紋升角 ss DS arc tan （ 式 3.4） 分別計(jì)算出各段的螺紋升角 s、 b， 列表 3-1如下 ： 表 3-1