單螺桿擠壓膨化機(jī)的液壓快速調(diào)節(jié)模頭互換裝置研究

韓 非 ，劉思幸，夏云帆 ，王 東，李慶凱

（1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.江蘇牧羊控股有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 引言

在當(dāng)今飼料和食品工業(yè)中，擠壓膨化機(jī)是指一種帶螺旋特點(diǎn)連續(xù)地加工一種產(chǎn)品的機(jī)器[1]。擠壓膨化機(jī)可以設(shè)計(jì)成包括各種作業(yè)，如粉碎、攪拌、勻質(zhì)、熟化、冷卻、抽真空、成形、切割。模頭或模具裝置裝在機(jī)鏜末端，模板固定其上，用于產(chǎn)品成形出料。本研究根據(jù)單螺桿膨化機(jī)擠出理論對(duì)模頭進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造，結(jié)合大功率單螺桿擠壓膨化機(jī)的產(chǎn)品特點(diǎn)和具體要求，研究不同模頭結(jié)構(gòu)形式與結(jié)合嵌件、控制閥和分流套匹配方式，設(shè)計(jì)制造出可液壓調(diào)節(jié)的模頭以及模頭互換裝置使設(shè)備在擠壓生產(chǎn)過程中能比較迅速而簡(jiǎn)單地由一種模頭更換成另一種模頭[2]。

1 單螺桿擠壓式膨化機(jī)的使用特性解析

單螺桿式擠壓膨化機(jī)是膨化過程中最重要的工序設(shè)備，直接影響膨化飼料的適口性和熟化程度，如何在制粒過程中充分發(fā)揮設(shè)備工藝優(yōu)勢(shì)，提高調(diào)質(zhì)效果，保證產(chǎn)品質(zhì)量和營(yíng)養(yǎng)均衡不流失，是膨化工藝的重要現(xiàn)實(shí)問題。生產(chǎn)膨化飼料的主要機(jī)型是螺桿式擠壓膨化機(jī)，其主要有兩種結(jié)構(gòu)形式，即單螺桿式和雙螺桿式擠壓膨化機(jī)。飼料生產(chǎn)中以使用螺桿式擠壓膨化機(jī)為主。

1.1 單螺桿式擠壓膨化機(jī)的工作原理

單螺桿式擠壓膨化機(jī)主要由進(jìn)料裝置、調(diào)質(zhì)器、螺桿擠壓腔體、成形模板與切刀、參數(shù)檢測(cè)與控制系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)動(dòng)力等部分所組成。含有一定量淀粉比例（達(dá)20%）的粉粒狀原料由旋轉(zhuǎn)式加料器均勻地進(jìn)入調(diào)質(zhì)器，在調(diào)質(zhì)室內(nèi)進(jìn)行調(diào)濕和升溫，經(jīng)攪拌混合使物料各部分的溫度、濕度均勻一致。調(diào)質(zhì)后的物料送入螺桿擠壓腔內(nèi)，擠壓腔內(nèi)的螺桿通常被制成變徑(齒根直徑)和變螺距的幾何形狀，使擠壓腔空間容積沿物料前進(jìn)方向逐漸變小，在穩(wěn)定的螺桿轉(zhuǎn)速下，物料所受到的擠壓力逐步增大，其壓縮比可達(dá)4～10，同時(shí)，物料在腔內(nèi)的移動(dòng)過程中還伴隨著強(qiáng)烈地剪切揉和與摩擦作用，有時(shí)，根據(jù)需要還可通過腔筒夾套內(nèi)流過的生蒸汽對(duì)物料進(jìn)行間接加熱，這樣共同作用的結(jié)果使物料溫度急驟升高 (110～200℃)，物料中的淀粉隨即產(chǎn)生糊化，整個(gè)物料變成熔化的塑性膠狀體。在擠出模板之前，物料中所含水分的溫度雖然很高，但在較大的壓強(qiáng)下水分一般并未轉(zhuǎn)變成水蒸汽，直到物料從擠出?？着懦龅乃查g，壓強(qiáng)驟然降至一個(gè)大氣壓，水分迅速變成過熱蒸汽而增大體積，使物料體積亦迅速膨脹，水蒸汽進(jìn)一步蒸發(fā)遺散的結(jié)果使物料水分含量降低，同時(shí)由于溫度也很快下降，物化淀粉隨即凝結(jié)，水蒸汽的遺散使凝結(jié)的膠體狀物料中留下許多微孔。所謂膨化就是依據(jù)這樣的原理和作用結(jié)果而得名的。連續(xù)擠出的柱狀或片狀膨化產(chǎn)品經(jīng)旋轉(zhuǎn)切刀切斷后送入冷卻、干燥和噴涂等后處理工段。螺桿式擠壓膨化機(jī)是將輸送、換熱、攪拌、加壓、揉和及剪切等作用集于一體，在一臺(tái)設(shè)備上完成諸如調(diào)質(zhì)、蒸煮、滅菌和蝴化成型等一系列連續(xù)地操作過程[3]。

1.2 單螺桿式擠壓膨化機(jī)的主體結(jié)構(gòu)

單螺桿式擠壓膨化機(jī)的工作主體由進(jìn)料裝置、調(diào)質(zhì)器、螺桿擠壓腔體、模板和切刀裝置所組成。

(1)進(jìn)料裝置和調(diào)質(zhì)器：進(jìn)料裝置和調(diào)質(zhì)器與其他壓粒機(jī)所用的螺旋式進(jìn)料器和槳葉式調(diào)質(zhì)器的結(jié)構(gòu)類似。調(diào)質(zhì)器裝在進(jìn)料裝置與螺桿擠壓腔體之間。在調(diào)質(zhì)器內(nèi)，根據(jù)原料的性質(zhì)和產(chǎn)品的要求通過加注水分或生蒸汽進(jìn)行調(diào)濕和升溫，通常要使粉粒原料的水分含量在15%～30%(濕基)，溫度升高到70～98℃。在噴水和生蒸汽的同時(shí)伴隨著攪拌混合使物料的溫濕度均勻一致，然后依次將調(diào)質(zhì)后的物料送入螺桿擠壓腔體。

(2)螺桿擠壓腔體：螺桿擠壓腔體由擠壓螺桿和擠壓腔筒體兩部分構(gòu)成，它們是螺桿式擠壓膨化機(jī)的關(guān)鍵組件。擠壓腔筒體(帶夾套或不帶夾套)是靜止的部件，緊固在機(jī)座上。螺桿位于筒體中心，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)減速箱減速后驅(qū)動(dòng)螺桿以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)?？梢杂寐輻U拖移泵的工作原理來(lái)描述物料在擠壓腔內(nèi)被推移輸送和排出過程，即落入螺桿齒槽中的物料，伴隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)，在螺旋升角的作用下被推移至擠出口。

(3)成型模扳：擠出成型模板用螺栓固接于筒體末端，由于摸板孔口過流面積與腔內(nèi)過流面積比較要小得多，故模板首先對(duì)將要被擠出的原料起節(jié)流增壓的作用，造成孔口前后產(chǎn)生很大的壓力差。物料通過模板孔口而成型。根據(jù)產(chǎn)品形狀的不同要求，會(huì)出現(xiàn)多種成型模。復(fù)式成型?？梢灾圃鞀A心擠壓顆粒飼料，這對(duì)改善適口性和減少微量飼料的損失應(yīng)是一個(gè)新的途徑。

(4)切割機(jī)構(gòu)：被連續(xù)擠出的膨化產(chǎn)品由切割機(jī)構(gòu)將其切割成均勻一致的粒段。通常專設(shè)一臺(tái)切割電機(jī)驅(qū)動(dòng)割刀架旋轉(zhuǎn)，割刀的旋轉(zhuǎn)速度可由變速裝置調(diào)節(jié)，割刀速度愈快，制品粒段的長(zhǎng)度愈短(變速旋轉(zhuǎn)切刀的速度范圍為500～600 r/min)。割刀與擠出成型模板之間留有一定的間隙，以免旋轉(zhuǎn)的割刀與模板碰撞摩擦。

1.3 螺桿式擠壓膨化機(jī)的操作特性

原料及膨化產(chǎn)品的品種、濕度、粒度和面團(tuán)流變學(xué)等參數(shù)是選擇和確定膨化機(jī)類型、操作參數(shù)的重要因素。對(duì)多數(shù)膨化飼料產(chǎn)品（濕度小于10%)，用具有高剪切揉和作用的機(jī)型和高溫(150～200℃)的操作參數(shù)，以使原料中淀粉質(zhì)充分糊化。要獲得較高的切應(yīng)變速率可增加螺桿轉(zhuǎn)速，選用矮齒形的螺桿為宜。這種機(jī)型結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)還適宜于組織化植物蛋白的擠壓加工。反之，對(duì)于半干飼料產(chǎn)品(濕度在25%左右)的生產(chǎn)，或者是擠壓的目的只是制造成形顆粒產(chǎn)品而不需要膨化的情況，則宜選用低剪切作用的機(jī)型和采用較低的操作溫度。由于所需的剪切作用較低，螺桿的齒高可取小一些。操作溫度通常不超過 90 ℃[4]。

2 出料模頭的改造

目前國(guó)內(nèi)擠壓膨化工藝中廣泛使用的膨化機(jī)是通入直接蒸汽的濕式膨化機(jī)，其在出料端的模頭主要是組合式襯套鑲嵌模板結(jié)構(gòu)，盡管該結(jié)構(gòu)具有工作原理和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)且制造成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，用戶如果需要調(diào)節(jié)膨化機(jī)腔體內(nèi)的壓力，改善膨化效果，或者是改變產(chǎn)量，均需要將膨化機(jī)停機(jī)，才能將模板拆掉，并根據(jù)需要增減模板上的?？锥?，十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力，關(guān)鍵是停機(jī)將嚴(yán)重影響用戶的正常生產(chǎn)，這直接就給用戶帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失[5]。

本次設(shè)計(jì)的液壓錐環(huán)模出料機(jī)構(gòu)，它主要分為三大部分，第一部分主要由模頭架和防護(hù)罩采用焊合的方式組成為液壓模頭箱體；第二部分為液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，要由液壓站、軟管、液壓缸、接頭A11、接頭B12和活塞桿組成；第三部分是模頭系統(tǒng)，主要由環(huán)模和錐磨組合而成。液壓模頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

連接法蘭通過螺釘固定在液壓缸的活塞桿上，錐模板通過螺釘固定在連接法蘭上，裝配好的模頭是用模頭架通過螺栓與擠壓膨化機(jī)出料端法蘭相連的，將環(huán)模嵌入模頭架內(nèi)側(cè)的端面內(nèi)。當(dāng)擠壓膨化機(jī)工作時(shí)，膨化料隨著末端螺旋的推進(jìn)逐漸往出料端方向前進(jìn)，啟動(dòng)液壓站的電機(jī)，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下液壓油通過軟管從接頭A處流入，隨著液壓油驅(qū)動(dòng)使得液壓缸內(nèi)的活塞桿向左側(cè)方向前進(jìn)，而活塞桿的頂端通過連接法蘭與錐模相連，因此活塞桿推動(dòng)錐模緩緩向左側(cè)移動(dòng)，使得錐磨和環(huán)模間隙減小，使得膨化機(jī)腔體內(nèi)的壓力增加；同樣當(dāng)液壓站的液壓油通過軟管逐漸從接B處流入，隨著液壓油逐漸增多接頭B處壓力增強(qiáng)使得液壓缸內(nèi)的活塞桿向右側(cè)方向移動(dòng)，因此活塞桿帶動(dòng)錐磨緩緩向右側(cè)移動(dòng)，加大了錐磨和環(huán)模的間隙，使得膨化機(jī)腔體內(nèi)壓力降低。由于錐磨和環(huán)模均勻分布著相同數(shù)量的圓弧半徑的圓弧槽，因此通過調(diào)節(jié)它們之間的間隙大小可以控制膨化機(jī)腔體內(nèi)的壓力，確保膨化效果。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的可液壓調(diào)節(jié)的模頭與模頭互換裝置，解決了目前單螺桿擠壓膨化設(shè)備擠壓生產(chǎn)過程中由一種模頭不能迅速又簡(jiǎn)單地更換成另一種模頭的難題，具有廣闊的市場(chǎng)前景。