韓 非 ，劉思幸，夏云帆 ，王 東，李慶凱

（1.揚州大學機械工程學院；2.江蘇牧羊控股有限公司，江蘇 揚州 225000）

0 引言

在當今飼料和食品工業(yè)中，擠壓膨化機是指一種帶螺旋特點連續(xù)地加工一種產品的機器[1]。擠壓膨化機可以設計成包括各種作業(yè)，如粉碎、攪拌、勻質、熟化、冷卻、抽真空、成形、切割。模頭或模具裝置裝在機鏜末端，模板固定其上，用于產品成形出料。本研究根據單螺桿膨化機擠出理論對模頭進行設計與制造，結合大功率單螺桿擠壓膨化機的產品特點和具體要求，研究不同模頭結構形式與結合嵌件、控制閥和分流套匹配方式，設計制造出可液壓調節(jié)的模頭以及模頭互換裝置使設備在擠壓生產過程中能比較迅速而簡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的使用特性解析

單螺桿式擠壓膨化機是膨化過程中最重要的工序設備，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)揮設備工藝優(yōu)勢，提高調質效果，保證產品質量和營養(yǎng)均衡不流失，是膨化工藝的重要現實問題。生產膨化飼料的主要機型是螺桿式擠壓膨化機，其主要有兩種結構形式，即單螺桿式和雙螺桿式擠壓膨化機。飼料生產中以使用螺桿式擠壓膨化機為主。

1.1 單螺桿式擠壓膨化機的工作原理

單螺桿式擠壓膨化機主要由進料裝置、調質器、螺桿擠壓腔體、成形模板與切刀、參數檢測與控制系統(tǒng)以及驅動動力等部分所組成。含有一定量淀粉比例（達20%）的粉粒狀原料由旋轉式加料器均勻地進入調質器，在調質室內進行調濕和升溫，經攪拌混合使物料各部分的溫度、濕度均勻一致。調質后的物料送入螺桿擠壓腔內，擠壓腔內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方向逐漸變小，在穩(wěn)定的螺桿轉速下，物料所受到的擠壓力逐步增大，其壓縮比可達4～10，同時，物料在腔內的移動過程中還伴隨著強烈地剪切揉和與摩擦作用，有時，根據需要還可通過腔筒夾套內流過的生蒸汽對物料進行間接加熱，這樣共同作用的結果使物料溫度急驟升高 (110～200℃)，物料中的淀粉隨即產生糊化，整個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，但在較大的壓強下水分一般并未轉變成水蒸汽，直到物料從擠出?？着懦龅乃查g，壓強驟然降至一個大氣壓，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，水蒸汽進一步蒸發(fā)遺散的結果使物料水分含量降低，同時由于溫度也很快下降，物化淀粉隨即凝結，水蒸汽的遺散使凝結的膠體狀物料中留下許多微孔。所謂膨化就是依據這樣的原理和作用結果而得名的。連續(xù)擠出的柱狀或片狀膨化產品經旋轉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，在一臺設備上完成諸如調質、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的主體結構

單螺桿式擠壓膨化機的工作主體由進料裝置、調質器、螺桿擠壓腔體、模板和切刀裝置所組成。

(1)進料裝置和調質器：進料裝置和調質器與其他壓粒機所用的螺旋式進料器和槳葉式調質器的結構類似。調質器裝在進料裝置與螺桿擠壓腔體之間。在調質器內，根據原料的性質和產品的要求通過加注水分或生蒸汽進行調濕和升溫，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伴隨著攪拌混合使物料的溫濕度均勻一致，然后依次將調質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成，它們是螺桿式擠壓膨化機的關鍵組件。擠壓腔筒體(帶夾套或不帶夾套)是靜止的部件，緊固在機座上。螺桿位于筒體中心，由驅動電機經減速箱減速后驅動螺桿以一定的轉速旋轉?？梢杂寐輻U拖移泵的工作原理來描述物料在擠壓腔內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，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過流面積比較要小得多，故模板首先對將要被擠出的原料起節(jié)流增壓的作用，造成孔口前后產生很大的壓力差。物料通過模板孔口而成型。根據產品形狀的不同要求，會出現多種成型模。復式成型?？梢灾圃鞀A心擠壓顆粒飼料，這對改善適口性和減少微量飼料的損失應是一個新的途徑。

(4)切割機構：被連續(xù)擠出的膨化產品由切割機構將其切割成均勻一致的粒段。通常專設一臺切割電機驅動割刀架旋轉，割刀的旋轉速度可由變速裝置調節(jié)，割刀速度愈快，制品粒段的長度愈短(變速旋轉切刀的速度范圍為500～600 r/min)。割刀與擠出成型模板之間留有一定的間隙，以免旋轉的割刀與模板碰撞摩擦。

1.3 螺桿式擠壓膨化機的操作特性

原料及膨化產品的品種、濕度、粒度和面團流變學等參數是選擇和確定膨化機類型、操作參數的重要因素。對多數膨化飼料產品（濕度小于10%)，用具有高剪切揉和作用的機型和高溫(150～200℃)的操作參數，以使原料中淀粉質充分糊化。要獲得較高的切應變速率可增加螺桿轉速，選用矮齒形的螺桿為宜。這種機型結構和操作參數還適宜于組織化植物蛋白的擠壓加工。反之，對于半干飼料產品(濕度在25%左右)的生產，或者是擠壓的目的只是制造成形顆粒產品而不需要膨化的情況，則宜選用低剪切作用的機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

目前國內擠壓膨化工藝中廣泛使用的膨化機是通入直接蒸汽的濕式膨化機，其在出料端的模頭主要是組合式襯套鑲嵌模板結構，盡管該結構具有工作原理和結構簡單，生產且制造成本較低的優(yōu)點，但是在實際生產過程中，用戶如果需要調節(jié)膨化機腔體內的壓力，改善膨化效果，或者是改變產量，均需要將膨化機停機，才能將模板拆掉，并根據需要增減模板上的?？锥?，十分費時費力，關鍵是停機將嚴重影響用戶的正常生產，這直接就給用戶帶來較大的經濟損失[5]。

本次設計的液壓錐環(huán)模出料機構，它主要分為三大部分，第一部分主要由模頭架和防護罩采用焊合的方式組成為液壓模頭箱體；第二部分為液壓驅動機構，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。液壓模頭結構如圖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出料端法蘭相連的，將環(huán)模嵌入模頭架內側的端面內。當擠壓膨化機工作時，膨化料隨著末端螺旋的推進逐漸往出料端方向前進，啟動液壓站的電機，在電機的驅動下液壓油通過軟管從接頭A處流入，隨著液壓油驅動使得液壓缸內的活塞桿向左側方向前進，而活塞桿的頂端通過連接法蘭與錐模相連，因此活塞桿推動錐模緩緩向左側移動，使得錐磨和環(huán)模間隙減小，使得膨化機腔體內的壓力增加；同樣當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處壓力增強使得液壓缸內的活塞桿向右側方向移動，因此活塞桿帶動錐磨緩緩向右側移動，加大了錐磨和環(huán)模的間隙，使得膨化機腔體內壓力降低。由于錐磨和環(huán)模均勻分布著相同數量的圓弧半徑的圓弧槽，因此通過調節(jié)它們之間的間隙大小可以控制膨化機腔體內的壓力，確保膨化效果。

3 結語

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