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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

2020-03-17 10:57:12劉思幸夏云帆李慶凱
農(nóng)業(yè)裝備技術(shù) 2020年1期
關(guān)鍵詞:環(huán)模模頭單螺桿

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,提高調(diào)質(zhì)效果,保證產(chǎn)品質(zhì)量和營養(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)。可以用螺桿拖移泵的工作原理來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)式成型模可以制造夾心擠壓顆粒飼料,這對改善適口性和減少微量飼料的損失應(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??锥拢仲M(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

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單地更換成另一種模頭的難題,具有廣闊的市場前景。

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