单螺杆食品挤出机设计

常州工学院毕业设计

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY

毕 业 设 计 说 明 书

题目： 单螺杆食品挤出机设计

二级学院（直属学部）： 无锡技师学院 专业： 数控车 学生姓名： 指导教师姓名： 评阅教师姓名：

班级： 学号： 职称： 职称：

2014 年03月

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摘 要

针对设计要求，对单螺杆食品挤出机进行了设计。主要包括传动系统、挤出系统、加料系统、冷却和加热系统的设计。此单螺杆挤出机是通过电机将动力传给带轮，经减速传给螺杆，为了满足变速范围的要求，采用普通电机加变频器进行无级调速。为了便于安装和拆卸，机筒采用的是左右剖分式结构，分三段进行加热和冷却。通过电磁阀和传感器进行温度的控制和冷却水的进出，保证温度在所允许的范围内。

关键词：单螺杆 挤出机 剖分式 冷却

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单螺杆食品挤出机设计

Abstract

According to the design requirement, the single screw food extruder is designed. Mainly comprises a transmission system, extrusion system, feeding system, the cooling and heating system design. The single screw extruder is through the motor transmits power to the belt wheel through a speed reducer, transmitted to a screw, in order to meet the requirements of speed range, the common motor with frequency converter for stepless speed regulation. In order to facilitate the installation and disassembly, barrel is based around a split structure, is divided into three parts for heating and cooling. Through an electromagnetic valve and a sensor for temperature control and cooling water import, ensure the temperature in the allowed range.

Keywords: single-screw extruder split cold

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目 录

摘 要 ............................................................................................................................................................ 1 ABSTRACT .................................................................................................................................................. 2 目 录 .............................................................................................................................................................. 3 1 绪 论 .......................................................................................................................................................... 5 1.1 研究的意义 ......................................................................................................................................... 5 1.2 挤压技术的发展 ................................................................................................................................. 5 1.3 国内外发展的现状 ............................................................................................................................. 6 1.4 挤压加工的原理 ................................................................................................................................. 6 2方案设计 ..................................................................................................................................................... 8 2.1设计的要求 ......................................................................................................................................... 8 2.2 方案设计部分 ..................................................................................................................................... 8 2.2.1 方案的整体确定 ......................................................................................................................... 8 2.2.2 机筒与螺杆材料的选择 ............................................................................................................. 9 3 设计计算 .................................................................................................................................................. 10 3.1 传动系统设计 ................................................................................................................................... 10 3.1.1 电机的选择 ............................................................................................................................... 10 3.1.2 传动比的分配 ........................................................................................................................... 10 3.2 螺杆的设计 ....................................................................................................................................... 12 3.3 齿轮的设计 ....................................................................................................................................... 15 3.3.1 输入轴上齿轮的设计 ............................................................................................................... 15 3.3.2 Ⅱ轴Ⅲ轴上一对齿轮的设计 ................................................................................................... 18 3.3.3 计算输出轴上的小齿轮 ........................................................................................................... 22 3.4 轴的计算 ........................................................................................................................................... 25 3.5 带轮计算 ........................................................................................................................................... 26 3.5.1 确定计算功率Pca .................................................................................................................... 26 3.5.2 选窄V带带型 .......................................................................................................................... 26 3.5.3 确定带轮的基准直径 ............................................................................................................... 26 3.5.4 确定窄V带的基准长度和中心距 .......................................................................................... 26 3.5.5 包角 .......................................................................................................................................... 27 3.5.6 计算根数................................................................................................................................... 27 3.6 轴的校核 ........................................................................................................................................... 27 4 冷却装置 .................................................................................................................................................. 31

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4.1 水冷 ................................................................................................................................................... 31 4.2 风冷 ................................................................................................................................................... 31 5 设计总结 .................................................................................................................................................. 32 6 致 谢 ........................................................................................................................................................ 33 7 参考文献 .................................................................................................................................................. 34

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1 绪 论

1.1 研究的意义

单螺杆挤出机由于结构简单，造价便宜，因此广泛的应用于食品、塑料、饲料等各个领域。在塑料加工行业，挤出成型作为聚合物加工工业中的一项重要技术，在聚合物树脂应用工程技术、挤出生产设备研制技术两方面互相促进。各种结构与功能的挤出机如混炼型螺杆挤出机，排气式挤出机，双螺杆、多螺杆挤出机，反应式挤出机，组合式挤出机，适应高分子材料物理与化学特性而建造的成型装置，具有各种制品所需要的专门功能，能够实施成型步骤的挤出生产线辅机，以追求操作简便、控制精确、节能高效，清洁生产的目标而不断改进的新兴设备。在食品加工行业不仅用于谷物食品加工，而且也越来越多地用于糖果糕点类产品乃至香料等产品的加工，涉及主餐类，早餐类，儿童营养食品、中老年食品、健康功能性和休闲小食品等领域。逐渐应用在水产品、仿生制品、调味品、方便面、速溶饮料、变性淀粉和加湿宠物食粮等方面。通过挤压技术生产的食品具有松脆可口，有助于消化的特点。在饲料加工方面我国现有的饲料加工仍以单螺杆膨化挤出机为主。当今挤压技术已经渗透到人们生活的各个方面，因此有必要不断改进挤压设备，降低产品的成本[1-5]。

在我国挤出设备的总体技术水平相当于先进国家的八十年代水平。当然也不乏一批具备九十年代乃至当今国际领先水平的产品，但一些专用性强的高新技术产品还需依赖进口。据海关统计，近年来我国挤出机的进口量呈现出逐年递减之势，2000年比1999年进口台数减少了5.3%，外汇支出减少32.7%，而出口台数减少了73%，创汇却增加了12.3%，这说明国产挤出机技术含量有一定的提高，出口的价格也相对的上涨。而国外的挤压技术已经有上百年历史，设备更新的较快，功能越来越完备，因此有必要加强我国挤压机技术的发展，使生产出来的产品在国际市场上占有一席之地[2]。

1.2 挤压技术的发展

挤出技术作为一种经济实用的新型加工方法广泛应用于食品生产中，并得到迅速的发展。谷物食品的传统加工工艺一般需经过粉碎、混合、成型、烘烤或油炸、杀菌、干燥等生产工序，每道工序都需配备相应的设备，生产流水线长、占地面积大、劳动强度高、设备种类多[3]。采用挤压技术来加工谷物食品，在原料经过初步粉碎和混合后既可用一台挤压机一步完成混炼、熟化、破碎、杀菌、预干燥、成型等工艺，制成膨化，组织化产品或制成不膨化的产品，这些产品在经油炸、烘干、调味后即可上市销售，只要简单的更换挤压模具，便可以很方便的改变产品的造型。与传统生产工艺相比，挤压加工极大的改善了谷物食品的加工工艺，缩短了工艺过程，丰富了谷物食品的花色品种，降低了产品的生产费用，减少了占地面积，大大的降低了劳动强度，同时也改善了产品的组织状态和口感，提高了产品的质量[4]。

早期的食品挤压机采用的是活塞式或注塞式灌肠机。现在使用的挤压机是集混合、混炼、熟化、挤出成型于一体的加工设备，它的许多优点在挤压灌肠机中是得不到体现的。20世纪30年代末期，首次将挤压机应用于方便食品谷物的生产中，1936年第一台应用于谷物加工的单螺杆挤压蒸煮机问世，并在该行业取得成功。目前，美国生产的大型挤压机生产能力已达到每小时几吨至十几吨。近年来，国外挤压食品已经成

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为单独一大类方便食品，有主食类、早点类、儿童食品、各种小食品等方便食品。膨化大米可做主食面包、点心面包、蒸制品、炸制品等，将玉米挤压膨化后粉碎，加入面包中，使面包具有特殊的口感和香味。1980年，美国学者研究了挤压快餐食品的风味与色泽。在挤压食品中使用部分色素及风味剂，使挤压食品更具有吸引力。挤压技术不仅在食品工业中应用广泛，而且在其他工业中具有广阔的前景。如发酵工业，尤其是塑料工业中[3-5]。

1.3 国内外发展的现状

中国双螺杆挤出机产品系列不全，规格较少。中国很多塑料支配企业仍采用进口的双螺杆挤出机。20世纪90年代初。华南理工大学发明了电磁动态塑化挤出机，新的理论与概念引人注目。

近几年中国塑料机械成套性已有很大进展。如塑料造粒机组从主机、供料计量、机头、造粒和回收系统，到加热、冷却、电控、温控系统都达到了相当完善的程度。薄壁管、厚壁管、缠绕管、波纹管（单、双壁）、复合管等各种管材机组的规格日趋齐全，产品水平、质量不断提高。为适应多层复合膜的需要，符合共挤技术及其成型机组（吹膜机组）也发展迅速。如青岛德意利集团最近研制的中空壁缠绕管生产线，生产的直管管径可达300mm。又如广东金明塑胶设备有限公司吸收、引进德国莱芬豪塞公司关键技术制造的大型多层共挤复合膜机组，吹制膜的单幅宽可达20m。该机组可吹制棚膜、农膜和土工膜，是一机两用设备，使用于线性低密度聚乙烯、茂金属线性低密度聚乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、（乙烯/乙酸/乙烯酯）共聚物等多种原料。机组中除采用了内冷技术及超声波监控技术外，还同时采用了机、电、气动和液压等多种技术，并有多项技术申请了技术专利[6]。

20世纪50年代，石油化工的发展使高分子工业迅速成熟；60年代，塑料、橡胶、化纤三大合成材料的生产向规模化转变；70年代，世界合成高分子材料在总体积上已经超过了金属材料。聚合物只有通过成型加工才能成为有使用价值的制品。成型加工是高分子材料不可缺少的生产环节。

挤出成型作为聚合物加工工业中的一项重要技术，是在聚合物树脂应用工程技术、挤出生产设备研制技术两方面互相促进，又互相依存而发展起来的。形形色色的挤出产品；早期的硬PVC型材，交联PE、铝塑复合、PP-R管材，双向拉伸聚丙烯薄膜，多层共挤复合膜，具有高阻隔性、透气性、自黏性，热收缩性、自消性等特殊性能的薄膜，功能母粒与色母粒，发泡制品。运用挤出加工手段制备改性聚合材料，共混增强、增契技术，辐射核性技术，纳米复合技术，以及其他的一些新型改性技术。各种结构与功能的挤出机如混炼型螺杆挤出机，排气式挤出机，双螺杆、多螺杆式挤出机，反应式挤出机、组合式挤出机，适应高分子材料物理与化学特性而建立的成型装置，具有各种制品所需要的专门功能，能够实施成型步骤的挤出生产线辅机，以追求操作简便、控制精确、节能高效、清洁生产的目标而不断改进的新型设备[7]。

1.4 挤压加工的原理

食品的挤压概括的说就是将食品物料置于挤压机的高温高压状态下，然后突然释放至常温常压，使物料内部结构和性质发生变化的过程。这些物料通常是以谷物原料

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如大米、糯米、小麦、豆类、玉米、高粱、等为主体，添加水、脂肪、蛋白质、微量元素等配料混合而成。挤压加工方法是借助挤压机螺杆的推动力，将物料向前挤压，物料受到混合、搅拌和摩擦以及高剪切力作用，使得淀粉粒解体，同时机腔内温度压力升高（可达到150-200。C，压力可达1MPa以上），然后从一定形状的模孔瞬间挤出，由高温高压突然降至常温常压，其中游离水分在此压差下急骤汽化，水的体积可膨胀大约2000倍。膨化的瞬间，谷物的结构发生了变化，他使生淀粉转化成熟淀粉，同时变成层状疏松的海绵体，谷物体积膨大到几倍到几十倍。如图所示，当疏松的食品原料从加料斗进入机筒内时，随着螺杆的转动，沿着螺槽方向向前输送，称为加料段，与此同时，由于受到机头的阻力作用，固体物料逐渐压实，又由于物料受到来自于机筒的外部加热以及物料在螺杆与机筒的强烈搅拌、混合、剪切等作用，温度升高、开始熔融，直至全部熔融，称为压缩熔融段。由于螺槽逐渐变浅，继续升温升压，食品物料得到蒸煮，出现淀粉糊化，脂肪、蛋白质变性等一系列复杂的生化反应，组织进一步均化，最后定量、定压地由机头模口均匀挤出，称为计量均化段[8]。上述即为食品挤压加工的三段过程。

1-物料 2-料斗 3-水槽 4-螺钉 5-加热板 6-料槽 7-模头 8-螺杆

9-模口 10-连头 11-密封圈 12-螺筒 13-轴 14-连轴

图1-1 挤压加工过程示意图

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2方案设计

2.1设计的要求

单螺杆挤出机的直径为35mm，长径比为16，采用变频无级调速，转速范围为15r/min-150r/min，公比??1.41。

2.2 方案设计部分

2.2.1 方案的整体确定

螺杆挤出机的设计应是一个整体的设计，包括传动系统，加料系统，加热冷却系统，控制系统的设计。

传动系统包括电机的选择，为了满足转速范围在15r/min-150r/min，变频无级调速的要求，可直接使用变频电机还是采用普通电机加变频器两种方案。为了达到减少成本的目的，采用普通电机加变频器的方式，在普通电机中还有型号选择的问题，因为转速越低，成本越高，采用何种电机，也影响到以后的总传动比，电机转速越高，总传动比就越大，从而使变速箱过于庞大，综合以上因素，采用的是同步转速1500r/min的Y112-4的电机配合变频范围在25Hz-50Hz的变频器，这样只需要采用二级减速器就可以达到要求的转速范围。由于输出轴的最终转速是在一定范围内的，因此必须采用多联滑块，是采用二联还是三联，另外采用了多联滑块，变速比多大也是一个必须讨论的问题，过大则导致最小转速与最大转速的比值过小，而使用的只是15r/min-150r/min的转速范围，造成了浪费。升速比与降速比的选择也影响到重合的速度范围，重合过多也造成了极大的浪费。因此在确定升降比的时候采用由后往前的推力方式，采用的是双联滑块。此时有两种方案，方案一升2.5降2，方案二升2降2.5，他们的转速重合范围都是35-75r/min，采用不同的方案对减速部分的减速比有很大的影响。方案一中的减速比为24，方案二中的减速比为19.7，一中减速比过大，使得减速部分较大，因此采用的是方案二。在单螺杆挤出机传动系统的设计中，另一个重要的问题是输出轴上止推轴承的位置问题，选择不同的位置会影响到齿轮的位置，拆装的方便等[8]。

机筒的设计采用剖分式还是整体式是整个设计中的一个关键，整体式中的输出轴必须设计成空心轴，以便于螺杆的拆卸。并且要想了解挤出过程中物料沿螺杆的输送、混合、反应情况，只有停转将机筒通水冷却，然后把螺杆抽出才能看清。这样很不方便，有时还会破坏过程的原貌。为了克服上述缺点及操作方便，机筒做成剖分式。剖分式包括上下开合和左右开合，由于加料口在机筒的上部，因此采用的是左右开合式。设计成剖分式必须考虑合页的设计，考虑合页的开合角度是否能够使螺杆充分露出，保证拆卸的方便。由于机筒体积较大，因此在剖分式机筒的两边各设计一个支撑轴用以分担合页所承受的压力，支撑轴下带有滚轮，以便于机筒的开合[9]。

冷却系统中采用的是水冷方式，因为水冷的速度较快，时间较短，并且采用水冷与风冷相比，所占的空间较小。水冷采用的是水套，水套属于铸铝加热器的一部分，在加热丝的外圈，这样可以使冷却的速度加快。水冷采用的是软管接头。加热系统采用的是铸铝加热器，因为此种加热器具有外形尺寸小、质量轻、拆装方便等优点。机筒径向温度均匀，预热时间短；调节温度时反应灵敏，温度稳定性好；热损失少，节

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