III 摘 要 目前膨化食品越來越受到人們的歡迎，而擠壓技術在膨化食品中的應用也更加廣泛。 在擠壓機內的面團類食品中的水分由于處于壓力之下成液態，然后從模板孔擠出時，過熱的水分突然處于常壓下，壓力突然降低，水分蒸發成水蒸汽，產生伸張的和膨脹，這樣使這種產品產生一種低密度輕質的狀態。 擠壓技術作為食品工業中一項非常重要的技術得到更大的發展，現代食品工業用的螺桿擠壓機集混合、融合、蒸煮、改性反映、調質、組織化、成型、膨化等多種功能于一身，體現出有利于自動控制、便于靈活轉產以及節能、節勞力、節省生產場地等優點。 單螺桿擠壓機的結構簡單、易于加工制造、成本低廉，廣泛用于加工各種膨化小吃食品，本設計中設計一臺單螺桿擠壓機，其特點是高轉速，高剪切率，外部無加熱和冷卻裝置，而是利用其高剪切率產生的摩擦熱來加熱熔融原料使食品原料得到蒸煮熟化，從而生產出松脆可口的膨化谷物食品。設計將從擠壓機的傳動系統，擠壓系統，喂料系統等進行完整的設計。 關鍵詞： 膨化食品；擠壓技術；單螺桿擠壓機 IV Abstract At present puffs food more and more to receive peoples welcome. The extrusion technology in puffs in food the application to be also more widespread.In extruder pasta class food moisture content because is in under the pressure to become the liquid state,Then when squeezes out from the template hole, the superheat moisture content suddenly is in under the atmospheric pressure, the pressure reduces suddenly,The pressure reduces suddenly, the moisture evaporation steam, produces promotes and the inflation, like this causes this product to have one kind of low density light quality condition. 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 V 目 錄 摘 要 . III Abstract . IV 目 錄 . V 1 緒論 . 1 1.1 擠壓技術介紹 . 1 1.1.1 擠壓技術在食品生產中的應用 . 1 1.1.2 擠壓技術在食品生產中的發展狀況 . 1 1.1.3 擠壓機生產膨化食 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 本課題在國內外的發展概況及存在的問題 . 2 1.4 本課題研究內容 . 5 2 單螺桿擠壓機整體設計方案 . 6 2.1 擠壓機的主要部件 . 6 2.1.1 擠壓機的供料部件 . 6 2.1.2 螺桿 . 6 2.1.3 機筒 . 6 2.1.4 模頭及模板 . 6 2.1.5 其他 . 7 2.2 擠壓機的驅動裝 置 . 7 2.2.1 電動機的選用 . 7 2.2.2 傳動比分配 . 8 3 擠壓機零部件設計與計算 . 9 3.1 螺 桿的設計 . 9 3.1.1 螺桿的結構 . 9 3.1.2 螺桿各部分參數 . 9 3.2 機筒結構設計 . 12 3.3 帶輪結構設計與計算 . 12 4 螺桿和機筒強度計算及配合要求 . 16 4.1 螺桿強度計算 . 16 4.1.1 螺桿材料選取 . 16 4.1.2 螺桿校核計算 . 16 4.2 機筒強度校核 . 18 5 軸承布置與校核計算 . 20 5.1 徑向軸承 . 20 5.2 推力軸承 . 21 VI 5.3 鍵的強度校核 . 21 5.4 螺桿的生產能力計算 . 22 6 加料系統設計 . 23 6.1 螺旋直徑和轉速的確定 . 23 6.2 螺旋主要結構參數確定 . 23 6.3 電機選用 . 24 6.4 潤滑油的選用 . 24 6.4.1 齒輪傳動的潤滑 . 24 6.4.2 滾動軸承的潤滑 . 25 7 擠壓機操作系統 . 26 7.1 安裝 . 26 7.1.1 擠壓機的安裝基礎 . 26 7.1.2 調整擠壓機水平 . 26 7.1.3 機筒的安裝 . 26 7.1.4 螺桿的裝拆 . 26 7.1.5 模頭的安裝 . 26 7.2 擠壓加工系統的操作與維護 . 26 7.2.1 開車前的準備工作 . 26 7.2.2 開車操作 . 26 7.2.3 運轉中的檢查 . 27 7.2.4 停機 . 27 7.2.5 維護保養 . 27 8 總結與展望 . 29 8.1 總結 . 29 8.2 展望 . 29 致謝 . 30 參考文獻 . 31 高剪切式單螺桿擠壓機設計 1 1 緒論 1.1 擠壓技術介紹 1.1.1 擠壓技術在食品生產中的應用 本世紀 30年代，擠壓技術開始應用于食品加工，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加工的特點，因此在 食品加工領域的應用范圍越來越廣泛。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，從固體脂肪到風味成分的開發，及至飼料寵物食品加工制造都用到食品擠壓機。 螺桿擠壓機能將一系列的化工基本單元過程集中在擠壓機中進行，螺桿擠出已連續生產代替間歇生產，必然有較高的生產率和較低的能耗，也已實現自動化，同時螺桿的攪拌作用業提高了混合質量這些因數加在一起，避讓降低生產成本。擠壓加工技術作為一種經濟實用的新型加工方法廣泛應用于食品生產中，并得到迅速的發展。加工谷物食品的工藝一般須經粉碎、混合、成型、烘烤或油炸、 殺菌干燥等生產工序，每道工序都要有不同的設備，較長的生產線，較大的占地面積，高強度的勞動力，所需設備較多。通過擠壓技術對谷物食品進行加工，初步混合原料后，就可用一臺擠壓機完成混合、熟化、粉碎、殺菌、余干燥、成型等工藝，制成膨化、組織化產品或制成不膨化食品，這些產品在再經油炸或微波、烘干、調味后即可上世，只要簡單根據更換擠壓磨具，并可以很方便的改變產品的造型。相對于傳統工藝，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，減低了產品的生產成本，減少了設備的占地面積，降低了生產勞動強度 ，同時改變了產品的形態和味道，使得產品質量得到了提高 1 。 1.1.2 擠壓技術在食品生產中的發展狀況 上世紀 30 年代，人們首次把擠壓機用于方便食品谷物的生產中 ；到四十年代末期擠壓機的應用在食品領域進一步擴大 ；50 年代初的蒸煮擠壓機已經基本上取代了當時的餅干賠烤 60 年代至今擠壓機的技術以及理論得到了飛速發展，對擠壓機的結構設計、工藝參數、擠壓過程機理進行研究，通過對擠壓機理的探討，進一步研究各種谷物以及蛋白類食物在擠壓過程中 發生的一系列變化，以及擠壓食品的營養與吸收問題 ；現階段隨著控制技術的發展、新材料的發現與應用擠壓技術得到更大的發展，生產能力越來越大，通過對擠壓過程的精確控制，生產出的產品愈加符合人們的期望。 采用擠壓技術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狀態從 70 年代中期開始，尤其是近十幾年來，我國用擠壓方法生產食品得到了很大的發展，隨著任命生活水平的提高以及飲食結構的變化，擠壓食品的品種和產量日益增多 2 。 1.1.3 擠壓機生產膨化食品 本世紀 30 年代，擠壓技術開始應用于高溫短時食品加工，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，因此范圍越來越廣泛地運用于食品加工領域。食品擠壓機可以加工谷物和植物組織蛋白擠壓食品，可以進行糖果制造到奶酪蛋白生產，可以進行固體脂肪到風味成分的開發，以及寵物飼料食品加工。 現在國內外的各大生產膨化食品的公司企業一般都是用擠壓法生產膨化食品，擠壓加無錫太湖學院學士學位論文 2 工概括的說是將食品物料置于擠壓機的高壓和適當的溫度的狀態下，然后突然釋放到常壓，使物料和 各種調味料、香料達到充分滲透、混合和輸出的過程。所以用蒸煮擠壓法生產可以取得更好的混合效果，原料利用率高，營養損失小，生產出的膨化食品口感，香味的持久力都比傳統的加工方法好。 總的來說，用擠壓法生產膨化食品是現今的發展趨勢 3 。 1.1.4 擠壓膨化原理 物料中含有一定的水分 ,物料在擠壓機套筒內受到螺桿的推動作用和卸料模具或套筒內節流裝置的反向阻滯作用以及加熱作用。使得物料處于高達 3 8MPa 的高壓和 200 e 左右的高 溫狀態之下。壓力超過了擠壓溫度下的飽和蒸汽壓 , 使得擠出機套筒內物料中的水分不會沸騰蒸發 , 物料呈現出熔融狀態。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 , 溫度降至 80e左右 , 從而使物料變成多孔結構形狀的膨脹食品 4 。 1.2 意義、目的、研究范圍 食品擠壓技術具有加工范圍廣、生產效率高、產品質量好、加工過程無污染等特點。單螺桿擠壓機的結構簡單、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 務是設計一臺高轉速、高剪切率的單螺桿擠壓機，其外部無外加熱裝置，而是利用高剪切率產生的摩擦熱來加熱熔融原料并使食品原料得到蒸煮熟化，從而生產出松脆可口的膨化谷物食品。 1.3 本課題在國內外的發展概況及存在的問題 直接膨化休閑食品是一類消費非常廣泛的食品，它們是由所使用的擠壓機類型特點而被稱為玉米果，現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上生產的，此類產品是由于產品從擠壓機模板處出來產生直接膨化而得名的，并且除了干燥外不需要進一步的加工處理。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、馬鈴薯條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攝氏度而產生的，在擠壓機內面團中的水分由于面團是處于壓力之下故呈液態，然后當面團從模板孔中擠出擠壓機時，過熱的水分突然處于常壓下，壓力迅速的降低，水分蒸發成水蒸汽，產生伸張的和膨脹是淀粉基質賦予了這種產品一種低是密度和輕的質地，整體密度降到 50160g/L范圍內。這類產品的形狀和大小是由模板設計、擠壓物的粘彈性以及切割方式決定的，用于生產著類產品的設備可以是簡單的夾套式擠壓機到雙螺桿擠 壓機。夾套式擠壓機用于生產諸如玉米卷和大米膨化物等產品，若對配料要求高和生產率高，則應使用較復雜的單螺桿和雙螺桿擠壓機。生產率一般為：夾套式擠壓機 50200kg/h,有較長套筒的單螺桿擠壓機100600kg/h，雙螺桿擠壓機 1501000kg/h5 。 擠壓技術作為食品工業中得一項重要技術并得到更大的發展。它能將食品原料直接擠壓成型得到我們需要的產品。 現代食品工業用的螺桿擠壓機集混合、融和、蒸煮、改性反應、 調質、組織 化、成型、膨化等多種功能于一身，體現出有利于自動控制、便于靈活轉產以及節能、節勞力、節省生產場地等優點。同時，擠壓技術生產嬰兒食品、制品的性狀發生改變，產品的速溶性、沖調性提高，產品極易消化，且提高了氨基酸的含量。 高剪切式單螺桿擠壓機設計 3 目前擠壓技術還可以生產膨化小食品及夾心食品湯料、面包干、人造蛋白肉等。本設計就是生產擠壓膨化食品。 物料經過擠壓后又如下特點： （ 1）成分損失少，有利于人體的吸收。 （ 2）用途廣。 （ 3）生產率高，從進料到成品僅需 20-40s。 （ 4）成本低。 （ 5）維護方便。 基于以上幾點，擠壓技術可以為現代生產提供巨大的支持。 隨著食品工業的迅速發展，螺桿擠壓機被廣泛的應用于食品加工當中，特別是單螺桿擠壓機在各方面都取得了長足的發展。現在單螺桿擠壓機朝著高效能、高速、自動化和輔助配套連續生產方向發展。在螺桿設計方面，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，同時采用了計算機設計螺桿，并對自動控制提出了要求，使得產品的質量更加穩定，生產產品的水平更上一層樓。 多段組件螺桿的單螺桿擠壓機，是由 Wenger 公司（ 1964 年）創新設計和研制開發的成功機型。螺桿采 用若干個可拆卸的單個組件，個個螺桿組件彼此連接安裝在轉軸上，轉軸通過聯軸套管與傳動齒輪箱裝配。第一段稱為定量供料螺桿，它將原料進行混合擠壓，將其運送至下一區段的螺桿組件，在中間區段的螺桿，其節距變得更短，產生更大的混合作用和擠壓作用，接著物料被混合并運送到的三區段產生更大的剪切作用。隨著剪切力和壓力的增大，產生揉合作用，擠壓料轉變成為塑性物質。接著物料被推送到第四區段，該區的物料將受到更加大的剪切作用和發熱，繼而物料的溫度升高和熟化。 在一定的產量條件下，單螺桿擠壓機比雙螺桿擠壓機便宜 1.5-2.5 倍，因為 結構比較簡單，但是對一個擠壓機系統來講，它要對物料進行干燥等一些額外的要求，也會增加產品的成本。 進行綜合的比較，對能耗進行分析，由于單螺桿擠壓機廣泛的采用蒸汽或電加熱以及用水來調節以提供蒸煮加工所需的熱量，所需熱能由機械能提供的將減少。在雙螺桿擠壓過程中，較多的熱量是由輸入的機械能提供的，其他的一些熱量則是由夾套傳遞過來的。相對來說單螺桿索要的熱量消耗要經濟一些。單摞桿擠出物的水分很高，相關的能耗使蒸煮的能耗得到補償。，所以總的能耗并不是很低。另外干燥機的效率只有 40%，相比之下，雙螺桿擠壓機的優點就是它 有很多的能力來處理低水分的物料。除了低水分擠壓會導致配料的過度破壞和產品的負影響外他們兩者的能耗差別不是太大 6 。 總的而言，單螺桿擠壓機有它不足之處，但是它也有不可替代的優點。主要是單螺桿擠壓機結構簡單，制造成本低，加工的產品為各種膨化食品、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。設備在使用一段時間后，可以更換易損件。 從結構上來看，單螺桿擠壓機比雙螺桿擠壓機簡單，操作上的限制也少。雙螺桿擠壓機 的齒輪傳動相對復雜，兩根軸必須同向旋轉，兩軸之間狹窄的空間給設計帶來很大的困難，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小的止推力限制，過度的負擔將導致過度的損壞而增加維修費用。 無錫太湖學院學士學位論文 4 由于單、雙螺桿的不同特點，他們在食品加工中各自起著他們的作用。例如，在寵物食品的蒸煮和成型加工中，單螺桿擠壓機是經濟而有效的方法。在需要良好的控制以及操作靈活的蒸煮反應時，選擇雙螺桿擠壓機會更合適。物料在單螺桿擠壓機中向前輸送的原理與雙螺桿擠壓機的有些不同。在雙螺桿擠壓機中，根據螺桿的旋轉方向， 嚙合程度和螺紋參數的不同，雙螺桿可以分為同向旋轉和異鄉旋轉、嚙合與非嚙合等多種類型。目前發展的主流類型是同向旋轉、完全嚙合梯形螺紋的雙螺桿擠壓機。在雙螺桿擠壓機中，；螺桿和機筒之間扭曲了近于閉合的 C形空間，由喂料機構進入的物料充滿這個空間并被流暢的推送向前，當物料的體積與空隙的體積相等時，繼續送入的物料將會產生壓力，表面看來這是與單螺桿擠壓機一樣，具備了物料和螺桿共轉的條件。但是，對于雙螺桿擠壓機而言，在 C形開口出總有另一螺桿的螺旋齒齒板旋轉著，即一根螺桿的螺旋齒板對另一根螺桿 C形空間中的物料起著擋板的作用 。因此物料不會和螺桿一起共轉，機筒內部就可以做成光滑的表面，可避免不必要的摩擦，降低運轉所需要的能量，同時還可以把螺桿和機筒的間隙做小，減少物料沿縫隙逆向的漏流，機對高水分、高油分的食品原料也不易發生逆流和漏流。提高承載壓力的范圍，甚至還可以進行更高溫度的處理。 在單螺桿擠壓機中，物料基本上緊密圍繞在螺桿周圍，形成螺旋狀的連續帶狀物料。因此，根據螺桿螺母相似的關系，在物料與螺桿的摩擦力大于機筒與物料的摩擦力時，物料將和螺桿一起旋轉，這就不可能實現物料的輸送。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，單螺桿擠壓機為了解決或避免這些問題會在螺桿采取一些措施。比如增加螺桿的頭數，就是螺桿旋轉一周對物料的作用次數。頭數越多，螺桿對物料的推動能力越強。多頭的螺桿適用于粘性較高的物料。不過隨著頭數的增多，螺桿和機筒之間的空間就會更少，物料輸送的絕對量也就降低了。所以沒有必要從進料口到模頭的螺旋頭數都保持一致，可以選擇各種螺桿的放置形式以適應各個區段的物料的變化情況 7 。 為避免物料跟隨螺桿 一起旋轉，可以采用一些方法。在物料上就是降低物料的水分和油分，減少物料與機筒的的潤滑作用。同時，應將物料的分布控制在某個范圍之內，即當物料充滿螺桿與機筒的空間時，應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。不過如果采用自動化控制，會在一定程度上解決問題。單螺桿擠壓機和雙螺桿擠壓機的不同之處見表 1.1。 表 1.1 單、雙螺桿擠壓機的比較 機型 項目 單螺桿擠壓機 雙螺桿擠壓機 物料移動方式 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 在一定范圍內不受限制 物料允許水分 10 30 （ 最大 40） 5 95 物料的熱分布 不均勻 均勻 剪切力 強 弱 逆流產生程度 高 低 高剪切式單螺桿擠壓機設計 5 續表 1.1 加工產品種類 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，能有 效而穩定的長期工作，既能保證食品質量，減少對原材料的浪費，又能增加產量，提高勞動生產率，降低食品成本。應用這種食品擠壓成型機，減少了人身與食品物料的直接接觸和病菌傳播機會。這種成型機具有結構簡單，操作容易，清洗維修方便等特點，適合于在餐廳以及各個超市使用 單螺桿擠壓機優于雙螺桿擠壓機最主要的一點是其結構簡單，價格便宜，因此在食品工業領域有著廣泛地應用，只有當單螺桿擠壓機在生產中不能得到完全令人滿意的效果時才改用雙螺桿擠壓機。螺桿擠壓機在膨化食品擠壓應用廣泛。 目前，美國、日本及西歐等國家對擠壓膨化的理論研究越來 越完善，應用領域越來越廣闊，各種各樣的擠壓食品遍步超市貨架。美國生產的大型擠壓膨化機生產能力已達每小時幾噸至十幾噸，有關擠壓膨化和設備的專利已達百余項 ，擠壓產品遍及世界各地，由于食品工業日新月異的發展，擠壓設備的不斷改進，擠壓理論的不斷完善，擠壓食品在消費者中的地位也越來越重要 8 。 1.4 本課題研究內容 在單螺桿擠壓機中，大部分能量在機筒上傳導。這些能量既有通過機筒外熱的傳導，也有由于螺桿本身的剪切作用所產生的機械能。其中 機械能的大小是由螺桿轉速和螺桿結構所決定的，這是因為剪切率與螺桿轉速成正比，而對于一臺確定的擠壓機，螺桿結構一般是預先確定的，修改的可能性很小。對于大型單螺桿擠壓機，熱交換及其輸送產量和壓力的增加都將變得更加困難，因為擠壓機的尺寸越大，物料的表面積與體積之比就越小 9 。 本設計名為自熱式單螺桿擠壓機，即是用螺桿本身的剪切作用所產生的機械能而產生的熱量來加熱物料，而不需要在外部通過加熱裝置進行預熱物料處理。 無錫太湖學院學士學位論文 6 2 單螺桿擠 壓機整體設計方案 2.1 擠壓機的主要部件 典型的擠壓機的構成包括以下 4 個主要部件：供料機構、螺桿及其傳動機構、機筒、模頭。螺桿的傳動如圖 2.1 所示。 圖 2.1 螺桿的傳動 2.1.1 擠壓機的供料部件 有兩種形式，水平型和垂直型，它們都配有一個料斗，用來接收和暫存待擠壓的原料，并將其運送至螺桿。為了確保原料能有暢流的運動和避免產生“架橋”，料斗內配裝攪拌機，或者采用寬大的出料口，這樣，將有助于該機構保持不間斷的均勻供料工況。 喂料基本要求 按照設計實際需要及具體條件 來決定裝置設計 重力加料 物料在料斗中依靠本身的重力進入擠壓系統，在料斗上方設置喂料器，均勻的喂料，且能控制喂料量，滿足各種不同物料加工需要，避免進料不均勻的現象，提高產品的質量和產量 10 。 2.1.2 螺桿 通常可以這樣講，螺桿是擠壓機最重要的部件，它不僅決定擠壓機的熟化和糊化功能強度，而且還決定最終成品的質量。不同的螺桿，有不同的擠壓功能。螺桿的擠壓功能，決定于螺桿的設計參數。 2.1.3 機筒 包圍在螺桿外面的螺套， 本設計采用 整體結構。 機筒 內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，直線型凹槽會導致較低的流速，但其機械剪切作用則更大。螺桿與其 機筒之間的間隙距離，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，對于擠壓產品外形及質量有很重要的作用。目前 ，已開發應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，環狀形孔眼模頭，以及雙程模壓模頭。在雙程模壓模頭內的進料，來自兩臺擠壓機單程模壓的出料口，可加工成具有雙重顏色或雙重味道的擠壓制品。 （ 1） 模板設計原則為：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；保證模板有足夠的壓縮比，使料能在模板內形成必要的壓力；在強足夠的條件下，結構緊湊，易于加工制造和裝拆維修。同時結構盡量對稱，以使傳熱均 勻；材料選用合理。 高剪切式單螺桿擠壓機設計 7 （ 2） 對模板材料的要求：耐蝕和耐磨損；在模板的內壓作用下有足夠的強度剛度；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 11 。 2.1.5 其他 另外還有的就是動力提供裝置，包括電動機和減速器等等。 2.2 擠壓機的驅動裝置 1) 電動機 可選用結 構簡單，價格合理，穩定可靠的工業用機。 2) 變速裝置 擠壓機所生產的產品各不相同，螺桿的速度也會不一樣，變速的方法可以是采用變速電機比如無級變速的，比較先進的是可控硅交流變速。 3) 傳動裝置 擠壓機螺桿的轉速一般不會很高，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 在擠壓過程中會產生一定的壓力，通過螺桿傳遞到傳動裝置，因此需要增加一些軸承以平衡這些力。軸承的壽命為 2628524365(3 （小時）（天）年）hL小時。 2.2.1 電動機的選用 螺桿轉速一個關鍵性參數，因此在本設計中，我們將采用無級調速電機與有級減速機的組合。 采用無級調速電機，主要是因為其工作特性曲線與擠壓機的工作特性曲線很接近，如圖 3 所 示 。 采 用 它 來 作 原 動 機 ， 能 夠 保 證 有 較 高 的 功 率 因 素 與 效 率( %60%50,96.06.0c o s )，且啟動性能好，運行穩定，可得到較合理的使用。為使螺桿獲得足夠的轉矩，電機調速不應太低，控制在 1300r/min 左右。采用有級減速機，承擔大部分的傳動比，可滿足這一要求。 為減小整機外形尺寸，使結構緊 湊，電機置于下方，通過帶輪傳動帶動減速機。帶輪不僅可以分擔一定的傳動比，而且還可使整個系統傳動穩定，并起到過載保護的作用。 圖 2.2 調速電機的特性工作曲線 所需電動機功率為： 無錫太湖學院學士學位論文 8 kwPP wd (式 2.1) 式中：dP 工作機要求的電動機輸出功率： kw wP 工作機所需要的輸入功率： kw 電動機到工作機之間的傳動裝置總效率 根據螺桿的轉速和螺桿直徑。 直徑 D=45mm 轉速 n=300r/min 擠壓機輸出功率估算： KWKnKDN 5.21)00354.0(2 (式 2.2） 選取電機 YCT280-4A 額定功率 30KW，轉矩 189，調速范圍 132-1320r/min 滿足設計要求。 2.2.2 傳動比分配 1. 總傳動比 為保證螺桿有較高的轉速，滿足一定的螺桿輸入轉矩，取電機工作轉速 1320r/min,擠壓機工作轉速 300r/min，則總傳動比為： 4.43001320 nni 電機總 2. 帶輪傳動比 因為螺桿要高的轉速，總傳動比較小而減速器要承擔大部分傳動比，帶輪將選用較小的傳動比，同時，這樣也可減小機器尺寸和重量，便于安裝。在設計中，我們初取帶輪傳 動比vi=1.2 3. 減速器選用 參考 12 11571158，按強度選用減速機。 計算功率 KWPPKPpAc 1 （式 2.3） 工況系數 KA按輕微沖擊查表 18-40 得 AK =1 減速機傳遞功率vnTP9550 max電電 kw21.2796.09550 1320189 （式 2.4） 則計算計算功率cP= 1 27.21=27.21kw 查表 13 9-2-8 選用 ZDY-100 型減速器，其許用輸入功率 PP1=28kW，傳動比 55.3減i 高剪切式單螺桿擠壓機設計 9 3 擠壓機零部件設計與計算 3.1 螺桿的設計 3.1.1 螺桿的結構 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。本設計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 14 。 3.1.2 螺桿各部分參數 （ 1）螺桿直徑 選取螺桿直徑 sD=45mm 根據， nDsQ 3 （式 3.1） 式中 Q -生產能力 (kg/h) sD -螺桿外徑 (mm) n -螺桿轉速 (n/min) -經驗出料系數，取 0.003 0.007 計算出 Q=164kg/h。 （ 2）螺桿長徑比 從擠壓理論得知，在其他條件一定時，增大長徑比，即等于增加螺桿的長度。結 果物料在螺桿中的停留時間也延長，即保證了物料有充分的熔融時間，但對熱敏性的物料，過大的長徑比易于造成停留時間過長而熱分解。由于本設計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 18SDL 則螺紋段長 mmDLs 81018 （ 3）螺桿各段主要幾何參數 物料在螺桿中的擠壓經歷固體輸送、熔融和均化的過程。因此，整個螺桿的設計通常分為三部分。以下 具體計算確定各段的幾何參數。 a 螺距 S 由于本設計設計成等距變深螺桿 ， 從輸送段到均化段統一取螺距 S=35mm b 各段長 L 根據經驗數據 （ 9 Pg7577）， 確定各段長如下 ： 加料段 L1 15%30%L 121.5243mm， 取螺距 S 35mm 的整倍數 ， L1 215mm 熔融段 L2 50%60%L 405486mm。 出于段長取螺距倍數的考慮 ， 取 L2 420mm。 均化段 L3 L L1 L2 810 215 420 175 c 螺槽深度 H 輸送段螺槽深度 1H ， 在理論上 1H 大 ， 固體輸送量增大 。 在確定 1H 時要考慮螺桿的機械強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，無錫太湖學院學士學位論文 10 再由螺桿幾何壓縮比來計算加料段的螺槽深度 1H 。 均化段螺槽深度 3H =（ 0.0250.06） D=1.1252.7mm （ 式 3.2） 取 3H = 3mm,初步取壓縮比 i=3。 根據 3133331111 HHHelHD HelHDi 三 段螺紋升程相等，螺棱寬度 e也相等 。 所以 1H33H=9 取 1H =10mm. mmH 62 d 螺紋升角s b 參考 10 Pg161 公式 螺桿外徑處螺紋升角 bb DS arc tan （ 式 3.3） 螺桿根徑處螺紋升角 ss DS arc tan （ 式 3.4） 分別計算出各段的螺紋升角 s、 b， 列表 3-1如下 ： 表 3-1