单螺杆挤压膨化机的液压快速调节模头互换装置研究

2020-03-17刘思幸夏云帆李庆凯

农业装备技术 2020年1期

韩非，刘思幸，夏云帆，王东，李庆凯

（1.扬州大学机械工程学院；2.江苏牧羊控股有限公司，江苏扬州 225000）

0 引言

在当今饲料和食品工业中，挤压膨化机是指一种带螺旋特点连续地加工一种产品的机器[1]。挤压膨化机可以设计成包括各种作业，如粉碎、搅拌、匀质、熟化、冷却、抽真空、成形、切割。模头或模具装置装在机镗末端，模板固定其上，用于产品成形出料。本研究根据单螺杆膨化机挤出理论对模头进行设计与制造，结合大功率单螺杆挤压膨化机的产品特点和具体要求，研究不同模头结构形式与结合嵌件、控制阀和分流套匹配方式，设计制造出可液压调节的模头以及模头互换装置使设备在挤压生产过程中能比较迅速而简单地由一种模头更换成另一种模头[2]。

1 单螺杆挤压式膨化机的使用特性解析

单螺杆式挤压膨化机是膨化过程中最重要的工序设备，直接影响膨化饲料的适口性和熟化程度，如何在制粒过程中充分发挥设备工艺优势，提高调质效果，保证产品质量和营养均衡不流失，是膨化工艺的重要现实问题。生产膨化饲料的主要机型是螺杆式挤压膨化机，其主要有两种结构形式，即单螺杆式和双螺杆式挤压膨化机。饲料生产中以使用螺杆式挤压膨化机为主。

1.1 单螺杆式挤压膨化机的工作原理

单螺杆式挤压膨化机主要由进料装置、调质器、螺杆挤压腔体、成形模板与切刀、参数检测与控制系统以及驱动动力等部分所组成。含有一定量淀粉比例（达20%）的粉粒状原料由旋转式加料器均匀地进入调质器，在调质室内进行调湿和升温，经搅拌混合使物料各部分的温度、湿度均匀一致。调质后的物料送入螺杆挤压腔内，挤压腔内的螺杆通常被制成变径(齿根直径)和变螺距的几何形状，使挤压腔空间容积沿物料前进方向逐渐变小，在稳定的螺杆转速下，物料所受到的挤压力逐步增大，其压缩比可达4～10，同时，物料在腔内的移动过程中还伴随着强烈地剪切揉和与摩擦作用，有时，根据需要还可通过腔筒夹套内流过的生蒸汽对物料进行间接加热，这样共同作用的结果使物料温度急骤升高 (110～200℃)，物料中的淀粉随即产生糊化，整个物料变成熔化的塑性胶状体。在挤出模板之前，物料中所含水分的温度虽然很高，但在较大的压强下水分一般并未转变成水蒸汽，直到物料从挤出模孔排出的瞬间，压强骤然降至一个大气压，水分迅速变成过热蒸汽而增大体积，使物料体积亦迅速膨胀，水蒸汽进一步蒸发遗散的结果使物料水分含量降低，同时由于温度也很快下降，物化淀粉随即凝结，水蒸汽的遗散使凝结的胶体状物料中留下许多微孔。所谓膨化就是依据这样的原理和作用结果而得名的。连续挤出的柱状或片状膨化产品经旋转切刀切断后送入冷却、干燥和喷涂等后处理工段。螺杆式挤压膨化机是将输送、换热、搅拌、加压、揉和及剪切等作用集于一体，在一台设备上完成诸如调质、蒸煮、灭菌和蝴化成型等一系列连续地操作过程[3]。

1.2 单螺杆式挤压膨化机的主体结构

单螺杆式挤压膨化机的工作主体由进料装置、调质器、螺杆挤压腔体、模板和切刀装置所组成。

(1)进料装置和调质器：进料装置和调质器与其他压粒机所用的螺旋式进料器和桨叶式调质器的结构类似。调质器装在进料装置与螺杆挤压腔体之间。在调质器内，根据原料的性质和产品的要求通过加注水分或生蒸汽进行调湿和升温，通常要使粉粒原料的水分含量在15%～30%(湿基)，温度升高到70～98℃。在喷水和生蒸汽的同时伴随着搅拌混合使物料的温湿度均匀一致，然后依次将调质后的物料送入螺杆挤压腔体。

(2)螺杆挤压腔体：螺杆挤压腔体由挤压螺杆和挤压腔筒体两部分构成，它们是螺杆式挤压膨化机的关键组件。挤压腔筒体(带夹套或不带夹套)是静止的部件，紧固在机座上。螺杆位于筒体中心，由驱动电机经减速箱减速后驱动螺杆以一定的转速旋转。可以用螺杆拖移泵的工作原理来描述物料在挤压腔内被推移输送和排出过程，即落入螺杆齿槽中的物料，伴随着螺杆的旋转，在螺旋升角的作用下被推移至挤出口。

(3)成型模扳：挤出成型模板用螺栓固接于筒体末端，由于摸板孔口过流面积与腔内过流面积比较要小得多，故模板首先对将要被挤出的原料起节流增压的作用，造成孔口前后产生很大的压力差。物料通过模板孔口而成型。根据产品形状的不同要求，会出现多种成型模。复式成型模可以制造夹心挤压颗粒饲料，这对改善适口性和减少微量饲料的损失应是一个新的途径。

(4)切割机构：被连续挤出的膨化产品由切割机构将其切割成均匀一致的粒段。通常专设一台切割电机驱动割刀架旋转，割刀的旋转速度可由变速装置调节，割刀速度愈快，制品粒段的长度愈短(变速旋转切刀的速度范围为500～600 r/min)。割刀与挤出成型模板之间留有一定的间隙，以免旋转的割刀与模板碰撞摩擦。

1.3 螺杆式挤压膨化机的操作特性

原料及膨化产品的品种、湿度、粒度和面团流变学等参数是选择和确定膨化机类型、操作参数的重要因素。对多数膨化饲料产品（湿度小于10%)，用具有高剪切揉和作用的机型和高温(150～200℃)的操作参数，以使原料中淀粉质充分糊化。要获得较高的切应变速率可增加螺杆转速，选用矮齿形的螺杆为宜。这种机型结构和操作参数还适宜于组织化植物蛋白的挤压加工。反之，对于半干饲料产品(湿度在25%左右)的生产，或者是挤压的目的只是制造成形颗粒产品而不需要膨化的情况，则宜选用低剪切作用的机型和采用较低的操作温度。由于所需的剪切作用较低，螺杆的齿高可取小一些。操作温度通常不超过 90 ℃[4]。

2 出料模头的改造

目前国内挤压膨化工艺中广泛使用的膨化机是通入直接蒸汽的湿式膨化机，其在出料端的模头主要是组合式衬套镶嵌模板结构，尽管该结构具有工作原理和结构简单，生产且制造成本较低的优点，但是在实际生产过程中，用户如果需要调节膨化机腔体内的压力，改善膨化效果，或者是改变产量，均需要将膨化机停机，才能将模板拆掉，并根据需要增减模板上的模孔堵，十分费时费力，关键是停机将严重影响用户的正常生产，这直接就给用户带来较大的经济损失[5]。

本次设计的液压锥环模出料机构，它主要分为三大部分，第一部分主要由模头架和防护罩采用焊合的方式组成为液压模头箱体；第二部分为液压驱动机构，要由液压站、软管、液压缸、接头A11、接头B12和活塞杆组成；第三部分是模头系统，主要由环模和锥磨组合而成。液压模头结构如图2所示。

连接法兰通过螺钉固定在液压缸的活塞杆上，锥模板通过螺钉固定在连接法兰上，装配好的模头是用模头架通过螺栓与挤压膨化机出料端法兰相连的，将环模嵌入模头架内侧的端面内。当挤压膨化机工作时，膨化料随着末端螺旋的推进逐渐往出料端方向前进，启动液压站的电机，在电机的驱动下液压油通过软管从接头A处流入，随着液压油驱动使得液压缸内的活塞杆向左侧方向前进，而活塞杆的顶端通过连接法兰与锥模相连，因此活塞杆推动锥模缓缓向左侧移动，使得锥磨和环模间隙减小，使得膨化机腔体内的压力增加；同样当液压站的液压油通过软管逐渐从接B处流入，随着液压油逐渐增多接头B处压力增强使得液压缸内的活塞杆向右侧方向移动，因此活塞杆带动锥磨缓缓向右侧移动，加大了锥磨和环模的间隙，使得膨化机腔体内压力降低。由于锥磨和环模均匀分布着相同数量的圆弧半径的圆弧槽，因此通过调节它们之间的间隙大小可以控制膨化机腔体内的压力，确保膨化效果。