高剪切式單螺桿擠壓機(jī)設(shè)計(jì)

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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目 錄摘 要IIIAbstractIV目 錄V1 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r1 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 本課題在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題2 1.4 本課題研究內(nèi)容52 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83 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124 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185 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 5.3 鍵的強(qiáng)度校核21 5.4 螺桿的生產(chǎn)能力計(jì)算226 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 潤滑油的選用24 6.4.1 齒輪傳動(dòng)的潤滑24 6.4.2 滾動(dòng)軸承的潤滑257 擠壓機(jī)操作系統(tǒng)24 7.1 安裝24 7.1.1 擠壓機(jī)的安裝基礎(chǔ)24 7.1.2 調(diào)整擠壓機(jī)水平24 7.1.3 機(jī)筒的安裝24 7.1.4 螺桿的裝拆24 7.1.5 模頭的安裝24 7.2 擠壓加工系統(tǒng)的操作與維護(hù)26 7.2.1 開車前的準(zhǔn)備工作26 7.2.2 開車操作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)278 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)31I3高剪切式單螺桿擠壓機(jī)設(shè)計(jì)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，較長的生產(chǎn)線，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。 1.1.2 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)、擠壓過程機(jī)理進(jìn)行研究，通過對(duì)擠壓機(jī)理的探討，進(jìn)一步研究各種谷物以及蛋白類食物在擠壓過程中發(fā)生的一系列變化，以及擠壓食品的營養(yǎng)與吸收問題;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)能力越來越大，通過對(duì)擠壓過程的精確控制，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年代中期開始，尤其是近十幾年來，我國用擠壓方法生產(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。 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)味成分的開發(fā)，以及寵物飼料食品加工。 現(xiàn)在國內(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，擠壓加工概括的說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?？偟膩碚f，用擠壓法生產(chǎn)膨化食品是現(xiàn)今的發(fā)展趨勢。 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。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、加工過程無污染等特點(diǎn)。單螺桿擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、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)，其外部無外加熱裝置，而是利用高剪切率產(chǎn)生的摩擦熱來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 本課題在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題直接膨化休閑食品是一類消費(fèi)非常廣泛的食品，它們是由所使用的擠壓機(jī)類型特點(diǎn)而被稱為玉米果，現(xiàn)在這類食品已被稱為直接膨化食品，通常，直接膨化的食品在高剪切蒸煮積壓機(jī)上生產(chǎn)的，此類產(chǎn)品是由于產(chǎn)品從擠壓機(jī)模板處出來產(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和近來的立體休閑食品。直接膨化休閑食品的膨化過程是由加熱物料使溫度超過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)著類產(chǎn)品的設(shè)備可以是簡單的夾套式擠壓機(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,有較長套筒的單螺桿擠壓機(jī)100600kg/h，雙螺桿擠壓機(jī)1501000kg/h。 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?，F(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。 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)軸通過聯(lián)軸套管與傳動(dòng)齒輪箱裝配。第一段稱為定量供料螺桿，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)榻Y(jié)構(gòu)比較簡單，但是對(duì)一個(gè)擠壓機(jī)系統(tǒng)來講，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來的。相對(duì)來說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。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)上來看，單螺桿擠壓機(jī)比雙螺桿擠壓機(jī)簡單，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)帶來很大的困難，特別是推力軸承的放置就有很大的問題。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，過度的負(fù)擔(dān)將導(dǎo)致過度的損壞而增加維修費(fèi)用。由于單、雙螺桿的不同特點(diǎn)，他們?cè)谑称芳庸ぶ懈髯云鹬麄兊淖饔谩＠?，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型。目前發(fā)展的主流類型是同向旋轉(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，物料基本上緊密圍繞在螺桿周圍，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，這種趨勢就越顯著。因此，單螺桿擠壓機(jī)為了解決或避免這些問題會(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。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，還沒有成熟的方法解決這些難題。不過如果采用自動(dòng)化控制，會(huì)在一定程度上解決問題。單螺桿擠壓機(jī)和雙螺桿擠壓機(jī)的不同之處見表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1030（最大40）595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 續(xù)表1.1加工產(chǎn)品種類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、日本及西歐等國家對(duì)擠壓膨化的理論研究越來越完善，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣闊，各種各樣的擠壓食品遍步超市貨架。美國生產(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)者中的地位也越來越重要。1.4 本課題研究內(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。 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)生的熱量來加熱物料，而不需要在外部通過加熱裝置進(jìn)行預(yù)熱物料處理。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。 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，有的是直線型凹槽，有的是螺線型凹槽。螺線型凹槽，產(chǎn)生助推的順流，而直線型凹槽，則阻礙順流。因而，直線型凹槽會(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，一般被稱之謂模頭。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，來自兩臺(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，以使傳熱均 勻；材料選用合理。 （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。 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) 推力軸承在擠壓過程中會(huì)產(chǎn)生一定的壓力，通過螺桿傳遞到傳動(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，我們將采用無級(jí)調(diào)速電機(jī)與有級(jí)減速機(jī)的組合。采用無級(jí)調(diào)速電機(jī)，主要是因?yàn)槠涔ぷ魈匦郧€與擠壓機(jī)的工作特性曲線很接近，如圖3所示。采用它來作原動(dòng)機(jī)，能夠保證有較高的功率因素與效率()，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，并起到過載保護(hù)的作用。圖2.2 調(diào)速電機(jī)的特性工作曲線 所需電動(dòng)機(jī)功率為： (式2.1) 式中：工作機(jī)要求的電動(dòng)機(jī)輸出功率：kw 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： (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：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=1.23. 減速器選用 參考11571158，按強(qiáng)度選用減速機(jī)。 計(jì)算功率 （式2.3） 工況系數(shù)KA按輕微沖擊查表18-40得 =1 減速機(jī)傳遞功率 （式2.4） 則計(jì)算計(jì)算功率= 127.21=27.21查表9-2-8選用ZDY-100型減速器，其許用輸入功率PP1=28kW，傳動(dòng)比 73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。 3.1.2 螺桿各部分參數(shù) （1）螺桿直徑 選取螺桿直徑 =45mm根據(jù)， （式3.1）式中 Q -生產(chǎn)能力 (kg/h) -螺桿外徑 (mm) -螺桿轉(zhuǎn)速 (n/min) -經(jīng)驗(yàn)出料系數(shù)，取0.0030.007 計(jì)算出 Q=164kg/h。 （2）螺桿長徑比從擠壓理論得知，在其他條件一定時(shí)，增大長徑比，即等于增加螺桿的長度。結(jié)果物料在螺桿中的停留時(shí)間也延長，即保證了物料有充分的熔融時(shí)間，但對(duì)熱敏性的物料，過大的長徑比易于造成停留時(shí)間過長而熱分解。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 則螺紋段長 （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L 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)（Pg7577），確定各段長如下：加料段 L115%30%L121.5243mm，取螺距S35mm的整倍數(shù)， L1215mm 熔融段 L250%60%L405486mm。出于段長取螺距倍數(shù)的考慮，取 L2420mm。均化段 L3LL1L2810215420175 c 螺槽深度 H 輸送段螺槽深度，在理論上大，固體輸送量增大。在確定時(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，再由螺桿幾何壓縮比來計(jì)算加料段的螺槽深度。均化段螺槽深度 =（0.0250.06）D=1.1252.7mm （式3.2）取= 3mm,初步取壓縮比i=3。根據(jù)三段螺紋升程相等，螺棱寬度e也相等。所以=9 取=10mm. d 螺紋升角 參考Pg161公式 螺桿外徑處螺紋升角 （式3.3） 螺桿根徑處螺紋升角 （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 各段螺紋升角第一段第二段第三段b241916s141414 圖3.1梯形螺紋斷面 （4）螺紋斷面形狀的確定 對(duì)于小直徑螺桿，一般選用梯形螺紋，由于其前后緣有較大的傾角，有利于物料的流動(dòng)，同時(shí)具有較好的混合和均化物料的作用。其斷面形狀如圖3.1所示。 本設(shè)計(jì)中，各段螺紋統(tǒng)一取傾角 = 15 圓角半徑 r=0.5mm,R=(0.50.67) 取1mm, （式3.5） 螺棱頂寬 e(0.080.12)3.65.4mm （式3.6） 取e=5mm .壓縮比i 全螺紋螺桿的壓縮比，等于加料段一個(gè)螺距的螺槽容積與擠出段一個(gè)螺距的螺槽容積之比，不計(jì)過渡圓弧的影響，其計(jì)算式如下： （式3.7）式中 S1、S2分別為加料段、擠出段的螺距 m1、m2分別為加料段、擠出段的螺紋頭數(shù) e1、e2分別為加料段、擠出段平均直徑處的螺紋軸向厚度 D、d 分別為螺桿外徑、根徑 F1、F2分別為加料段、擠出段的嚙合面積的一半由于是單頭螺紋，截面形狀一致，D1=D2，d1=35，d2 =43 e1=e2= e=5，m1=m2=1，忽略嚙合面積F1、F2，初步估算壓縮比 （式3.8）由于螺桿等深，截面形狀一致，據(jù)有相關(guān)資料，物料在擠壓過程中發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，本身由固體粉料轉(zhuǎn)化為熔體將有兩倍左右的物理壓縮比。如果擠壓機(jī)本身的壓縮比過小，將會(huì)導(dǎo)致擠壓過程中需要較大的進(jìn)給速度或更大的螺桿轉(zhuǎn)速，才能滿足所需要的壓力和充滿程度。另外，考慮到化學(xué)反應(yīng)對(duì)壓縮比的影響，我們認(rèn)為估算值還是有一定參考意義的。 圖3.2 螺桿設(shè)計(jì)圖3.2 機(jī)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)筒采用整體式機(jī)筒，其特點(diǎn)是長度大，加工要求比較高，在加工精度和裝配精度上容易得到保證（特別是螺桿和機(jī)筒的同軸度要求），簡化了裝配工作，在機(jī)筒上設(shè)置外加熱不容易受到限制，機(jī)筒受熱均勻，應(yīng)用比較廣泛。在機(jī)筒和螺桿的加工方面，螺桿的外圍粗糙度定為1.6，在車床上面進(jìn)行磨削加工，而機(jī)筒外層可在主式磨床上采用平行磨進(jìn)行深孔磨，其粗糙度取3.2。螺桿及機(jī)筒的外圍及內(nèi)孔的精度要求，較高是為了減少物料對(duì)其表面的磨損，我們要求的是物料被進(jìn)行高剪切，同時(shí)減少對(duì)設(shè)備的磨損，延長機(jī)器的使用壽命。 螺桿和機(jī)筒在擠出機(jī)受到高溫，高壓的作用，同時(shí)受到機(jī)械刮磨及化學(xué)腐蝕作用。從螺桿和套筒的磨損機(jī)理中是較為復(fù)雜的，其中主要包括有：粘連磨損，磨料磨損，分層磨損，化學(xué)磨損。機(jī)筒螺桿共同組成了擠壓機(jī)的擠壓系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)形式關(guān)系到熱量傳遞的穩(wěn)定性和均勻性，在設(shè)計(jì)機(jī)筒時(shí)，要考慮到機(jī)筒結(jié)構(gòu)形式的選擇，機(jī)筒上的加料口形式，機(jī)筒和機(jī)頭的連接方式以及機(jī)筒機(jī)械加工的難易等問題。機(jī)筒元件的結(jié)構(gòu)形式分為：帶加料口的機(jī)筒元件，帶側(cè)加料口的機(jī)筒元件等等。設(shè)計(jì)采用的是帶加料口的機(jī)筒元件。料口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加料口的結(jié)構(gòu)必須與物料形狀相適應(yīng)，使被加工的物料能從料斗或加料器中不斷流入螺桿不中斷，對(duì)各種粉料和帶狀物都能很好的適應(yīng)，且用的較多。圖3.3 機(jī)筒設(shè)計(jì)圖3.3 帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算以下設(shè)計(jì)計(jì)算參考設(shè)計(jì)功率：電機(jī)輸出功率,工作情況系數(shù) 取1.1 小帶輪轉(zhuǎn)速取r/min初定傳動(dòng)比=1.2計(jì)算項(xiàng)目 計(jì)算內(nèi)容 計(jì)算結(jié)果定 V 帶 輪 型 號(hào) 和 帶 輪 直 徑工作情況系數(shù) 11.5 選帶型號(hào) 11.15 選B型小帶輪直徑 36.1-24 大帶輪直徑 (設(shè)1%) 取基準(zhǔn)直徑 取236mm大帶輪轉(zhuǎn)速 =1006.8r/min計(jì) 算 帶 長求Dm 218mm求 18初取中心距 初取中心距： 帶長 =1993 （式3.9） 基準(zhǔn)長度 取 L=2000mm求 中 心 距 和 包 角實(shí)際中心距 a+=657.5 取a657mm小輪包角 1176.86120求 帶 根 數(shù)帶速 傳動(dòng)比 帶根數(shù) 單根帶功率 4.5kW； 0.98； ； 0.98； 取z6根求 軸 上 載 荷張緊力 由 q=0.17 單根帶拉力 軸上載荷 3864N材 料 與 結(jié) 構(gòu)帶輪結(jié)構(gòu) 小帶輪采用實(shí)體式，大帶輪設(shè)計(jì)成腹板式，具體外形結(jié)構(gòu)略帶輪材料 大、小帶輪均采用HT200鑄造圖3.4 帶輪設(shè)計(jì)圖4 螺桿和機(jī)筒強(qiáng)度計(jì)算及配合要求4.1螺桿強(qiáng)度計(jì)算4.1.1螺桿材料選取螺桿材料選用38CrMoAlA，氮化處理，其綜合性能較好，使用廣泛。主要性能參數(shù)詳見表1。表4-1 我國螺桿和機(jī)筒的常用材料材料類別 性能 45#40Cr鋼鍍鉻38CrMoAlA屈服極限()360800850最高使用溫度()500500熱處理硬度(HRC)基體45，鍍鉻層5565耐HCL腐蝕性不好較好中等熱處理工藝簡單較復(fù)雜復(fù)雜線膨脹系數(shù)（10-6/）12.1基體13.8，鉻層8.29.214.8相對(duì)價(jià)格11.52.54.1.2 螺桿校核計(jì)算圖4.1 螺桿的受力示意圖螺桿的受力狀態(tài)如圖4.1所示。在螺桿的全長上主要受到物料的壓力p、克服物料的阻力所需的扭矩Mt和自重G的作用。由圖可知，沿螺桿徑向所受的壓力p大小相等，方向相反，因而可互相抵消，計(jì)算時(shí)只考慮p對(duì)螺桿軸向的影響（即軸向力pz）。通過以上分析，對(duì)螺桿的強(qiáng)度計(jì)算，可歸結(jié)為壓、扭、彎聯(lián)合作用下的復(fù)合計(jì)算，由于一般情況下螺桿根徑處的承載能力最差，因此可進(jìn)一步地歸結(jié)為在上述復(fù)合應(yīng)力作用下螺桿根徑斷面強(qiáng)度計(jì)算。以下參考對(duì)螺桿進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算：1) 由軸向力 產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力 (式4-1）取螺桿軸向最大壓力50MPa桿外徑45mm,取螺桿內(nèi)徑平均值=32mm，代入上式，得2) 由扭矩Mt產(chǎn)生的剪應(yīng)力 （式4-2）根據(jù) pg134式（1-5-2b) 對(duì)于D90mm的擠出機(jī)，取K0.00354，另取n為螺桿最高轉(zhuǎn)速n300r/min.則計(jì)算所得擠壓機(jī)驅(qū)動(dòng)功率取傳動(dòng)效率0.85，則電機(jī)輸出功率 查 選用YCT2804A調(diào)速電機(jī)。YCT2804A機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)如下表4.2所示：表4-2 YCT2804A電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)標(biāo)稱功率 （kW）輸出轉(zhuǎn)矩 （Nm）額定轉(zhuǎn)速下調(diào)速范圍（r/min）轉(zhuǎn)速變化率不大于%3018913201323取擠壓機(jī)主電機(jī)最大傳動(dòng)功率=25kw則 3) 螺桿自重產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力 （式4-3）將L0.81m7.85103kg/m3代入上式，得4) 螺桿的復(fù)合應(yīng)力 根據(jù)材料力學(xué)可知，對(duì)于塑性材料合成應(yīng)力應(yīng)用第三強(qiáng)度理論計(jì)算，即 （式4-4）式中 （式4-5）螺桿材料許用應(yīng)力： （式4-6）由表2-2，取850MPa，3，則所以復(fù)合應(yīng)力 (118.53241072)1/2244.6MPa283.333MPa螺桿強(qiáng)度足夠。4.2 機(jī)筒強(qiáng)度校核根據(jù)式（3-15）得： Pa （式4-7）根據(jù)式（3-16）得： pa （式4-8）根據(jù)式（3-19）得： pa （式4-9）根據(jù)式（3-20）得： （式4-10）=1.0210Pa=2.833 Pa所以，機(jī)筒強(qiáng)度足夠。經(jīng)過上述計(jì)算,螺桿機(jī)筒部件圖見圖4.2。圖4.2 螺桿機(jī)筒部件設(shè)計(jì)圖5 軸承布置與校核計(jì)算51徑向軸承在設(shè)計(jì)從動(dòng)軸時(shí)，基于徑向力和軸向力分別由徑向軸承和推力軸承承擔(dān)的考慮，同時(shí)由于兩軸中心距較小，限制了徑向軸承的外徑，故本設(shè)計(jì)中選用強(qiáng)度和尺寸要求都很好的雙列滾針軸承NA6907,以下我們參考Pg377對(duì)其進(jìn)行動(dòng)載荷校核計(jì)算。圖5.1 軸承布置 計(jì)算項(xiàng)目 計(jì)算內(nèi)容 計(jì)算結(jié)果沖擊載荷系數(shù) 查表(按輕微沖擊選取) 1.2徑向力Fr 分別計(jì)算A、B兩處軸承承受的徑向力 RAx2RAy21/2 6358.24521513.96821/2 6536.006N RBx2RBy