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挤压机概述
当前，在世界各国的粮食、食品和饲料加工机械制造业上，许多主要的大中型集团公司，生产多种机型的挤压机。这些挤压机已越来越广泛地应用。例如，应用于加工宠物饲料、水产饲料、特种经济动物饲料和幼畜哺乳期饲料。挤压机的高效通用性和经济收益，使得挤压技术已成为开发新产品的一种高新技术。 不同机型的挤压机，它们的工作性能差别很大,同时，挤压机的工作性能与挤压工艺和技术应用密切相关。为了适应我国饲料行业发展的需要，很有必要重视挤压技术的应用。为此，本文将介绍挤压机的主要类型和结构组成，并简述一些工作原理，供新建、扩建和改建企业在拟定设计方案和生产实践上，用作实用的技术参考。 1. 挤压机结构组成 无论是哪种机型的挤压机，它们都必须包括以下5个主要部件：供料机构、螺杆及其传动机构、内槽壳套（通称螺套）、料流阻限器（通称模头），以及料流截断装置（也可称为截料机构）。 1.1 供料机构 挤压机的供料部件，有两种形式，水平型和垂直型，它们都配有一个料斗，用来接收和暂存待挤压的原料，并将其运送至螺杆（见图1）。为了确保原料能有畅流的运动和避免产生“结拱”，料斗内配装搅拌机，或者采用宽大的出料口，这样，将有助于该机构保持不间断的均匀供料工况。供料机构保持均匀供料极为重要。因为，要保证挤压机具有恰当的功能作用，以及为了保证挤压料质量具有均质的品况，不间断的均匀供料是挤压机正常工作必不可少的前提条件。 1.2 螺杆 通常可以这样讲，螺杆是挤压机最重要的部件，它不仅决定挤压机的熟化和糊化功能强度，而且还决定最终成品的质量。不同的螺杆，有不同的挤压功能。螺杆的挤压功能，决定于螺杆的设计参数。螺杆的各种设计参数，可参见图2。 螺纹节距（t），是两个相邻螺纹轮廓上对应点之间的距离；螺纹旋转1周，螺纹线在轴向上推进的距离（螺距n），以螺纹节距计量的倍数，称为顺向螺槽数，或称为螺纹头数。单头螺纹的螺杆，螺距等于螺纹节距；双头螺纹的螺杆，螺距等于两倍螺纹节距；三头螺纹的螺杆，螺距等于三倍螺纹节距（见图3a,3b,3c）。多头螺纹的螺杆，能增大运送能力和粘性流（Qd）。在螺杆连续地混合和运送物料的过程中，螺杆产生机械摩擦作用和热量，从而物料将产生熔化。 1.3 螺套 围包在螺杆外面的螺套，可制成整体结构，但通常配装夹套，藉以用作蒸气或过热油的循环加热，或用作循环水冷却，其目的是使挤压机能准确地调节各工作区段的温度。大多数的螺套，都配装压力传感器和温度传感器，并配装温度控制装置。螺套内表面通常制成凹槽形状，有的是直线型凹槽，有的是螺线型凹槽（见图4）。螺线型凹槽，产生助推的顺流，而直线型凹槽，则阻碍顺流。因而，直线型凹槽会导致较低的流速，但其机械剪切作用则更大。螺杆与其螺套之间的间隙距离，通常保持在最小程度，藉以减少渗漏流。 1.4 模头 在螺套的终端，通常配装具有各种形状孔眼的模压盘，一般被称之谓模头。模头具有双重功能：将挤压料模压成所要求的形状；用作为阻流器，以增大挤压机熟化作用区段内的压力。确定模头孔眼的几何形状，对于挤压产品外形及质量有很重要的作用。目前，已开发应用多种孔眼形式的单程模压模头，例如圆筒形孔眼模头，狭槽形孔眼模头，环状形孔眼模头（见图5），以及双程模压模头（见图6）。在双程模压模头内的进料，来自两台挤压机单程模压的出料口，可加工成具有双重颜色或双重味道的挤压制品。 1.5 截料机构 模压后的挤压料的成型，必须装配截料机构。截料机构所需具备功能的要求是：能够将模压之后的挤压料，按规定的长度要求，均匀地切断成整齐表面的制品。截断料的长度，取决于切刀转速；切刀转速越快，截断料长度越短。截断料的整齐度，在很大程度上取决于切刀与模头的间隙距离：该间隙距离，应小于0.2mm，藉以确保整齐地切断挤压料；但应大于0.05mm，以免刀刃与模头之间形成高的摩擦阻力。常用的截料机构，有垂直切刀和水平切刀两种型式，如图7所示。 2. 挤压机的类型和螺杆工作原理 各种挤压机，按照它们的设计特点，可区分成两大类型的挤压机：双螺杆挤压机和单螺杆挤压机。 2.1 双螺杆挤压机 在双螺杆挤压机的组成中，两个旋转螺杆安装在同一个螺套内，根据两螺杆的旋转方向和布置方位，可以有4种构型（见图8）。啮合螺杆构型，其双螺杆具有如同正压泵的功能，这种构型挤压机的双螺杆，能更有效地增大机内物料的粘性流和减少物料滑动；另外，这种啮合构型双螺杆，较比非啮合构型双螺杆产生较小的剪切作用，因为后者存在开路通道。要使双螺杆能够产生所要求的作用，在双螺杆的设计上，需要解决许多复杂的技术问题。双螺杆挤压机有两种类别：两个不同长度螺杆的双螺杆挤压机，两个相同长度螺杆的双螺杆挤压机。 2.1.1 螺杆不同长度的双螺杆挤压机 ReinhartandStephenson（1969）设计的这种型式挤压机，如图9所示。原料的进料斗（1），安装在两个不同长度螺杆（2)和(3）之间的位置上，螺杆装在座板（4）上，座板安装在挤压机机壳（5）上。两个螺杆上分别安装各自的传动齿轮（6），这对齿轮由电机（7）驱动，从而使两个螺杆均按内向旋转。两螺杆均分成若干个区段，以利于充分和有效地进行加工物料。较短的螺杆，分成供料—混合、熟化和减压等三个区段。较长的螺杆，除了具有相同于上述构型的这三个区段以外，还有成型区段，该区段的作用是，将挤压料模压成所要求的形状和大小。 原料在挤压机其它区段受挤压之前，先在供料—混合区段进行初步混合，供料—混合区段（a）的螺杆，具有宽大和深度的螺槽，螺杆和螺套之间有足够的空间，用作充分地混合。在熟化区段（b），随着螺槽深度变成较浅，螺杆直径迅速增大，从而对物料所施加的压力增大。相应长度的过渡区段的作用是，将混合原料从供料—混合区段均匀地流动到熟化区段；在熟化区段后部的区位内，混合原料的淀粉物质被糊化，蛋白物质被改性。 在经受熟化作用之后，挤压料被强制推入减压区段（c）。减压区段螺杆，相比于前面两区段螺杆，直径要小得多，而螺槽深度则要深得多，从而对物料所施加的压力降低。在该区段上，装有减压阀（8），它可被打开与大气压相通，或者与真空泵相连。减压区段有两个主要功能：排除在熟化区段所形成的一些水蒸气，使成品的总水分含量降低；排除会产生不宜异味的各种气体。另外，如果要求较小的膨化作用，则可调节减压阀，通过排除足够量的水蒸气来降低温度，可达到控制膨胀作用的目的。唯独长螺杆才具有成型区段（d）。成型区段的螺杆，其直径增大且螺槽深度减小，从而对物料所施加的压力增大。该压力必须高到足以能使挤压料通过模头（9）而恰当地成型。 2.1.2 螺杆相同长度的双螺杆挤压机 这是最常用型式的双螺杆挤压机。这种型式的挤压机，可设计成不同的构型，如图10所示。螺杆的直径可以是等径（图10a）或是不等径（图10b），或者是锥形变径（图10c）。螺槽宽度和螺纹表面宽度，它们也都可以有不同的情况（如图10a1和图10a2）。 图11表示的是通用型式的双螺杆挤压机。进料斗（1）置于一对螺杆（2）相间方位的上部，待挤压原料由此入机。这对螺杆，围包在同一螺套（3）的内部，螺套与模头（4）相连。螺杆上安装齿轮（5），齿轮由可变速电机驱动。双螺杆的构型相同，有若干个不同的区段，这些区段各自具有不同的功能。在第一区段（a）内，入机原料被初步地混合，而在第二区段(b)内，由于是反向螺纹的螺杆，所以，物料在被送到第三区段即熟化区段（c）之前，经受强烈的混合作用，而在熟化区段内，挤压料经受强烈的机械剪切作用，进行熟化。第四区段（d）的螺杆，具有双头螺纹，它们将料流压入第五区段（e），该区段的螺杆，具有更多螺头螺纹，它们起着泵送功能，将料流从熟化区段排出并压入模头。 2.2 单螺杆挤压机 单螺杆挤压机，是饲料工业上最通用的挤压机，正如它的构型定名所描述的，它只用一个螺杆来实施挤压功能。单螺杆挤压机可区分成两类机型：整体螺杆的单螺杆挤压机；多段组件螺杆的单螺杆挤压机。 2.2.1整体螺杆的单螺杆挤压机 整体螺杆机型，是单螺杆挤压机最通用的机型。这种机型的单螺杆挤压机，其螺杆为单件加工制造成型。单螺杆挤压机整体螺杆机型的一个实例，如图12所示。待挤压原料，通过进料斗（1）输入螺杆（2），螺杆由电机（3）驱动。在原料被混合和运送至螺杆中央部位的过程中，由水阀（4）喷洒水分；在那个部位，由于螺槽宽度减小，机械摩擦作用增大。通过蒸汽阀（5）喷洒添加的蒸汽。专门设计安装的若干个挡料销件（6），伸入在螺槽之中，藉以增大湍流而达到增大剪切作用的功效。在模头板架（7）上，装有截料机构（8），其切刀由电机（9）驱动。除了可采用如图12上所示的变螺槽宽度的螺杆以外，还可采用其它型式的整体螺杆（见图13）。 平直型螺杆，具有不变深度的螺槽。锥型螺杆，它从供料端至卸料端，具有锥形的轴杆，因而，螺槽深度逐渐减小。整体螺杆的第三种型式是锥形—平直组合型，这种型式的螺杆，在开始部位的一定距离内，呈螺距减小的锥形，在其余的部位则是平直形。第四种型式是断续螺纹型，这种型式的螺杆，具有螺纹切断的部位，藉以增大挤压料的渗漏流和湍流。当然，若采用增大螺杆长度的方法，也能取得同样的效果。 2.2.2多段螺杆组件的单螺杆挤压机 这种机型的单螺杆挤压机（见图14），是由Wenger公司（1964年）创新设计和研制开发成功的机型，螺杆采用若干个可拆卸的单独组件，各种螺杆组件彼此连接，安装在转轴（1）上，转轴通过联轴套管（2）与传动齿轮箱配装。第一区段螺杆组件，是定量—供料螺杆，或称为进料螺杆（3），其螺槽具有相当大的节距和深度。该螺杆组件的功能是，混合待挤压原料，且将其运送至下一区段的螺杆组件；在第一区段内，颗粒原料仍呈不连续物料的状态存在，但由于这些颗粒被向前推进，因而有轻度的压缩。中间区段的螺杆（4），其节距较短，产生更大的混合作用和挤压作用，并且，其螺槽深度较浅，所以，在物料被混合和运送至第三区段（5）的同时，产生更大的剪切作用。在第三区段内，随着剪切力和压力增大，产生揉和作用，同时，挤压料转变成为塑性物质。为了增大该区段的剪切作用，可配装断续螺纹的螺杆组件，藉以产生更多的渗漏流和湍流。当这种塑性物质进入第四区段（6）时，由于该区段螺套已成为充满物料的情况，从而使物料经受高度的剪切作用，继而使物料温度升高和产生熟化作用。在熟化区段（7），为了产生更大的剪切作用和产热作用，采用直径逐渐减小的锥形螺杆，同时，其螺纹节距和螺槽深度也减小。这种机型的单螺杆挤压机，还配装一系列的剪切阻流组件（8）（见图15），以利于每个区段保持各自的压力和剪切力作用条件，并且，每个区段的螺杆采用各自的螺套（9）围包，它们有的是螺线凹槽螺套（10），有些是直线凹槽螺套（11）（见图4）。 多段螺杆组件的单螺杆挤压机，按照各种螺杆组件的配用组合，挤压机可以产生许多种的挤压工况。根据生产上的具体要求，螺杆组件配用组合的工作区段数，可以在2～10的范围改变（需要相应更换转轴和联轴套管）；并可改变配用剪切阻流组件的直径，以及改变配用的螺套凹槽型式。因而，这种机型的单螺杆挤压机，具有很灵活的挤压功能。
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