1、反向旋转型双螺杆挤压机及传动系统的设计论文摘 要本文先分析了挤压机的市场需求和生产现状，并初步探讨了挤压机生产食品的工艺可行性；提出了用双螺杆挤压机生产食品的工艺流程。在现有挤压机的基础上，并参考了国内外比较成熟的挤压机设计方法，根据各种食品的特性和生产食品的特殊工艺要求，对挤压机的关键部位进行了相应的设计。本文详细的介绍了挤压机的主要零部件传动箱、传动系统、机筒等的结构设计，并进行了相应的校核计算；对主要传动零部件如传动箱大小齿轮，带轮，从动轴，键等进行了设计和强度校核，并对轴承承载能力进行了校核计算;本文还涉及了挤压机一些辅助元件如加料系统，加热冷却装置，模头的选择要求,并进行了简单的设计
2、。最后，本文介绍了一些关于挤压机的安装，操作，控制和维护等方面的内容。关键词：传动系统；挤压混炼；反向旋转双螺杆挤压机AbstractIn this page, the market need of the extrusion press and the condition of the production is analyzed first. And from theoretically, we studied the technique possibility to produce the foods. We expounded the specialty and working ele
3、ments of the twin-screw extruder and pointed working flow to produce the foods with twin-screw extruder. In the base of the extruders in existence, we referenced the mature means of extruder design in our country and abroad and based the characteristic of foods and the special working craftwork requ
4、ires, then, we designed the key structure of extruder. In this text, we introduced the structure design of extruder in detail, particular to the major parts: assignment tank, screw, barrel and systems analysis and calculating. To those important transmission parts: the big gear and the small gears i
5、n assignment tank, strip wheel, driving spindle, key, we made a design and check the intensity. And we calculate and check the carrying capacity of the bearing particularly. We also refer to the choosing requirements of the accessories: heating and cooling system, die, knife equipment, and made a si
6、mple design. In the end of the text, the installing, operation, controlling and repairing of the extruder were also introduced.Key words： The transmission system；extrusion mixing and shaping；Counter-rotation twin -screw extruder1 绪论1.1 挤压机技术应用及分析 挤压加工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
7、般需经粉碎、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。采用挤压技术来加工谷物食品，在原料经初步粉碎和混合后，即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，这些产品再经油炸（也可不经油炸）、烘干、调味后即可上市销售，只要简单地更换挤压模具，便可以很方便地改变产品的造型。与传统生产工艺相比，挤压加工极大地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，大大降低了劳动强度，同时也改善了产品的组织状态和
8、口感，提高了产品质量。 1.2 国内外生产现状1.2.1 国内发展从主机及其塑料制品区分，中国可以制造的挤出机包括单螺杆挤出机，适合于加工各种材料及各种结构的板、片、膜、丝、棒等产品；平行异向旋转双螺杆挤出机和锥形异向旋转双螺杆挤出机，适于加工温度敏感性材料，如PVC板、管、异型材等；平行同向旋转双螺杆挤出机，适于原料共混、填充、脱挥、改性、造料，增加一定装置如熔体泵，可用于直接成型；适于高填充料生产的磨盘挤出机、往复螺杆挤出机等。 在我国的塑料加工中，几乎一半的塑料都是由挤出成型来完成的。在常规但螺旋挤出机组的性能方面，我国已能生产螺杆直径为12-250的多种规格，门类齐全的挤出机组长径比大
9、多为2530。在特种挤出机的研究领域，经我国广大科技工作者的努力已经研制出排气挤出机，电磁动态塑化挤出机，串联式磨盘动态挤出机，等多种型号，目前已进入系列的研发阶段。1.2.2 国际上主要有以下方面 新型挤出混炼技术与设备的开发； 大口径管材挤出的导向平行双螺杆机出组，钢塑复合管挤出机组和大型双壁波纹管挤出成型机组的开发研究； 符合挤出成型和设备的开发研究； CAD/CAM/CAE技术在塑料工业中的研究； 在线检测机自动控制技术应用。可以预测，未来挤出成型技术的发展方向是：高速、高产化；大型化和精密化；实现挤出成型设备的大型化可以降低生产成本。模块化和专业化；模块化生产可以缩短新产品的研发周期
10、，争取更大的市场份额；而专业化生产对保证整期质量、降低成本、加速资金周转都非常有利。智能化和网络化；发达国家的挤出机已普遍采用现代电子和计算机控制技术，这对保证工艺条件的稳定、提高产品的精度都极为有利。高效、多功能化；塑料挤出机的高效主要体现在高产出、低能耗、低制造成本方面。1.3 挤压机生产食品的可行性分析 本世纪30年代，挤压技术开始应用于食品加工，它具有集输送，混炼，剪切，加热，加压等多种化工单元操作于一体的高温短时加工的特点，因此在食品加工领域的应用范围越来越广泛。除了谷物及植物组织蛋白挤压食品以外，从糖果制造到酪蛋白生产，从固体脂肪到风味成分的开发，及至饲料宠物食品加工制造都用到食品
11、挤压机。 挤压加工概括的说是将食品物料置于挤压机的高压和适当的温度的状态下，然后突然释放到常压，使胶基和各种调味料、香料达到充分渗透、混合和输出的过程。所以用蒸煮挤压法生产可以取得更好的混合效果，原料利用率高，营养损失小，生产出的食品的口感，香味的持久力都比传统的加工方法好。 总的来说，用挤压法生产是现今的发展趋势，并且，传统的加工方法很快也会被挤压法所取代。1.4 挤压技术在口香糖加工中的应用1.4.1 口香糖的市场需求口香糖是一种胶基糖（Chewing gum）,以白沙糖为主料，配以可食用的天蓝树胶和热塑性树脂等胶基制成的可咀嚼的休闲糖果。口香糖是一种目前国际上流行的低热值食品， 被人们誉
12、为“美容糖果”。通过不断的咀嚼，可消除口臭，加快口腔内血液流动，预防口腔感染，使面部肌肉增加弹性，不易产生皱纹等效用，因此很受人们的青睐。研究显示，中国糖果市场正向品味多样化方向发展，糖果的功能的多样化也是影响商家经营运作的关键所在，糖果正在改变着只提供热量的单一功能，朝着具有营养保健作用的方向发展，口香糖也是如此，而且当前国内市场空白点还有很多，尤其是无糖领域，需求量日益扩大，利润空间广阔，由于我国人口众多，同时随着人民生活水平和生产质量日益提高，人们的消费水平也得到了极大的提高，所以口香糖的发展正朝着多功能的方向发展，目前市场出现的无糖木糖醇口香糖需求量正在不断的加大。近年来，中国的口香糖
13、市场以每年百分之十的速度增长，目前的市场规模已超过二十亿元。在乐天进入中国之前，市场上只有口味型口香糖，但我们把功能型口香糖引入中国。事实证明随着生活水平的提高，人们对于口香糖的要求也在逐渐变化。消费者把注意力从追求口味的多样化转移到了健齿防蛀等附加功能上来，促成了口香糖由“口味型”向“功能型”的转变,这主要归功于木糖醇的功能应用。在上世纪80年代，国外的木糖醇主要用于生产无糖口香糖。上世纪90年代后，国际市场上的木糖醇需求逐年增加，人们越来越注重保健。我国的无锡利夫糖果有限公司最早将木糖醇用于口香糖中，生产“魄力”无糖口香糖。到目前为止，国内已有广东的“益达”、深圳的“华艾康”等品牌。另外，
14、在国内近几年许多含有木糖醇的保健品，如口服液、保龄参咀嚼片、糕点、饼干也大量投放市场。由于木糖醇的防龋齿作用，在牙膏行业也有一定的市场。总之，口香糖已成为人们生活中必不可少的一种休闲食品，且我国人口多，发展空间极大，口香糖的市场需求量会不断的提高。1.4.2 口香糖的加工工艺口香糖主要是由口香糖胶姆基、精幼砂糖或其他添加剂、乳化剂和香料等原料加工而成，将各种原料在约120温度下加以混合，混合时依一定的次序，先投入已加热溶解的基质，再投入砂糖、葡萄糖、饴糖、香料等，切必须均匀的加以搅拌。混合后的原料，其水分应保持在3%以下，成型后在温度为2124、相对湿度为45%50%的调温室中保持68h，以后
15、才可包装。现在主要是用挤压加工法代替传统的加工方法，事实证明，用挤压加工的口香糖，其清新的薄荷香味在咀嚼中可比原来多保留50%的时间，而由于加工的连续化并且通过强大的功率将调料柔和进糖和胶基内，加工时间大大缩短，获得较短的生产周期和减少停工时间。挤压后的口香糖更有弹性并在挤出是其变性和粘性很小。在口香糖的挤压加工中，调料必须在开始段加入，这与生产其他食品不同，这样可保证其均匀地被吸收并完全与胶基相结合，以获得最长的持续效果，另外，一些其他的活性成分，如高强度甜味剂、药物成分、尼古丁、尿素、增香剂、可可、咖啡、果酸等，也应该在开始段加入，但柠檬酸会在挤压加工中发生变性并酸性挥发，可用酒石酸代替使
16、用。由于胶基在蒸煮挤压加工中会变脆或变粘，就应该选择合适的增塑调料溶剂加入，为捕集口香糖内的活性成分，可加入一些特别的结合剂，如将钙盐和麦芽糊精与水想调和进行真空加热，然后在-10的温度下进行挤压成形成异丙醇，使用这种方法可使挤压物固化并能被进一步加工。如图1.1为口香糖加工工艺流程图。 口香糖的基本组分比为：胶基 1820糖 60%左右葡萄糖浆 20%左右甘油 0.30.5% 图1.1 口香糖加工工艺流程图工艺及操作说明： 香口胶生产中多选用商品胶基，在使用时应注意酸性胶基和非酸性胶基应用范围的异。 胶基启用时先置于7580下软化，约需2h。再生胶质料为生产过程中的边角余料，加入量为5%左右
17、。 将混和机加热至4555，并在铲刀上加一些糖粉。加糖粉是为了避免粘连，故仅在第一道混合作业时采用。 混和1工序和混和2工序各需5min，混和l工序约需3min，混和5工序约需2min,过分温和会影响产品质量与贮存寿命，混和工序保持在4550之间操作，若混和机连续使用则毋须每次加热，因为连续操作的摩擦热会使混和机温度升高。 混和时加入的糖应为微细的糖粉，以消除口糙感，糖粉粒度要求在0.01mm0.05mm之间。 切割混和好的胶团，每块4kg，并在30min60min内使其冷却。 若成品要求为粒状，则进入造粒工序；若成品要求为片状，则进入压延切片工序。 涂层 有关软涂料的一些基本方法： 在盘内滚
18、动的胶基中，芯上加上足够的粘性糖浆，确保所有部位均被糖浆所覆盖，并滚动直到均匀为止。加进足够的糖粉以吸干表层的水分。要避免糖粉放得过量，因为多余糖粉会与下批加入的粘性糖浆混和结块。糖粉粘度大小要求在0.2-0.4mm，当达到要求厚度后，制品必须在盘内放置12h。 粘性糖浆配方： a葡萄糖基粘性糖浆：将10kg糖溶于4kg水中煮沸到107.5，然后加10kg80%的葡萄糖浆(右旋)，不需加热，只需混和。 b.阿拉伯树胶基粘性糖浆：将7kg的阿拉伯树胶溶于20kg水中，浸泡24h后再进行进滤：将20kg的葡萄糖浆溶于7kg的水中煮沸到107.5：将10kg的阿拉伯树胶溶液倒入15kg的糖浆之中。
19、一般广泛应用葡萄糖基粘性糖浆。 为了使工作方便且缩短时间，气源必须进行严格的控制，使用的空气越冷越干焊，则涂层越方便。要在抛光之前获得更加光滑的表面，在最后一阶段可使用稀释的糖浆。 抛光 在准备抛光盘时要在其内表面粘贴一层帆布并且在其上覆上一层蜡基混和物，配方如下：蜂蜡73%，滑石9%，巴西蜡或鲸脑油脂18%。1.4.3 挤压机生产口香糖的可行性 80年代，研究人员开始把挤压机与生物，化学反应联系起来作为生化反应器研究，现已成为挤压技术进行工业应用的发展最新方向之一。挤压机作为生化反应器具有如下优点: 在生化反应中，可以使用少量的水分进行干法反应，反应后不必进行物料与水分的分离，同时反应过程中
20、使用了少量的水分，因此可以节省大量的能源，减少了对环境的污染; 挤压机可以作为一台输送高粘度介质的稳压泵，保证反应过程的连续性，获得恒定的产量; 与其他反映器相比，挤压机的热交换面积相对较大，其作用相当于一台刮板式热交换器; 反应物在挤压机的停留时间分布窄，有利于获得反应均匀的产品; 可以根据反映的要求，通过改变挤压机结构参数和操作参数调整反映的程度； 挤压机作生化反应器具有如下不足： 挤压机的容量有限，因此要求生化反应的时间要短，反应速度要快，才能获得经济，可行的反应过程; 挤压机作生化反应器受反应物的粘度限制，反应产物的粘度要求也要足够高，以保证物料的有效输送以经济的利用挤压机。通过对前人
21、研究成果的分析，本课题用双螺杆挤压机作为生化反应器进行口香糖的研究。其间可能会产生及需解决的问题有： 挤压机内变化过程中以停留时间，温度，剪切率为主要系统参数进行研究分析，可不可行？ 挤压机生产出来的口香糖用常温还是风机或其他办法冷却？ 生产过程中的废气用何种方法解决，是否有污染问题？ 口香糖在一定温度下将有粘壁现象，用何种方法解决？ 物料在机筒中输送时会对机筒产生磨擦，能否避免或者减少其摩擦？总之，本课题采用反向旋转型双螺杆挤压机生产口香糖的工艺是切实可行的。2 食品挤压机挤压设备简介食品混炼成形的挤压机一般采用双螺杆挤压机，双螺杆挤压机的特征是两根平行的螺杆装置在具有8字形孔的机筒内，螺杆
22、旋转，机筒加热，完成对物料的加工挤出。2.1 双螺杆挤压机的工作原理 2.1.1 挤压原理 强制输送 双螺杆挤压机按螺杆旋转的方向不同，可分为同向旋转和反向旋转两大类，反向旋转的双螺杆挤压机又可分为向内和向外的两种。根据双螺杆的旋转方向，啮合程度和螺纹参数的不同，双螺杆的啮合部分可构成在横向和长度方向是全开的全闭的，或半开半闭，因而形成的C形小室可以是相互连通的，也可以是完全封闭的。理想的全啮合反向旋转的双螺杆的C形小室是完全封闭的，小室中的物料跟着小室一起前移，输送过程中不会产生倒流或滞流，因此具有最大的强力输送。为了减少物料和螺杆、机筒的摩擦力，使物料更容易螺旋输送，本设计采用向外反向旋转
23、式双螺杆。 混合作用图2.1反向旋转，物料在双螺杆螺槽中的流动情况由于反向旋转双螺杆在啮合处螺棱和螺槽的速度方向相同，但存在速度差，因此被螺纹带入啮合间隙的无聊将受到螺棱和螺槽间的挤压和研磨，使物料得到混合和混炼。 自洁性能反向旋转的双螺杆，在啮合处螺纹和螺槽间，存在速度差，在相互擦离的过程中，相互剥离粘附在螺杆上的无聊，使螺杆得到自洁。 压延效应 向外反向旋转的螺杆挤压机，由于有使物料向上运动的趋势，因此没有明显的压延效应。2.1.2 挤压加工系统料仓喂料装置图2.2 典型食品挤压加工系统链图如图2.2所示,典型的挤压加工系统支链图,其中包括喂料装置、预调质装置、传动、挤压、加热与冷却、成型
24、、切割、控制等部分组成。2.2 总体结构设计螺杆挤压机总体结构对整机的性能有很大的影响，总体结构包括挤压系统，传动系统和驱动源的相互位置关系。由于这些关系的不同，构成了种种不同差别：（见表2-1）表2-1 总体结构设计分析表总体类型不同类型优点缺点外观形式卧式螺杆挤压机螺杆在空间呈水平放置，尺寸大小影响占地面积，对空间高度影响不大计量部分的螺杆和机筒易于磨损立式螺杆挤压机螺杆在空间呈竖直减速箱选型和结构设计受限制，空间高度要求高联接形式整体式螺杆挤压机结构紧凑不便于加工和装拆、维修分段式螺杆挤压机能够采用标准减速器，易于装拆、维修需专门设置螺杆轴承座及相应的润滑系统动力源和传动装置位置电机置于
25、机器旁侧便于电机及机器维修占地面积大电机置于减速箱前部，挤压系统下部机器结构紧凑，外观整齐要求设计带等传动系统，传动效率低结论：通过以上分析，结合本课题的实际情况，拟采用卧式分段式结构形式，动力源和传动装置位置选用电机置于减速箱前部，挤压系统下部。3 双螺杆挤压机挤压设备设计3.1 传动系统的设计及计算 传动系统是挤压机的主要组成部分之一，它的作用是驱动螺杆，并使螺杆能在选定的工艺条件下(如温度、压力和转速下)获得所必须的扭矩且能均匀地旋转，以完成对物料的塑化和输送。3.1.1 传动系统设计 如图3.1所示初步确定挤压机传动路线3.1.2 电动机的选用螺杆转速的调节是生产食品的一个关键性操作参
26、数，因此在本设计中，我们将采用无级调速电机与有级减速机的组合。采用无级调速电机，主要是因为其工作特性曲线与挤压机的工作特性曲线很接近，如图3.2所示。采用它来作原动机，能够保证有较高的功率因素与效率(cos0.60.96，5060%)，且启动性能好，运行稳定，可得到较合理的使用。为使螺杆获得足够的转矩，电机调速不应太低，控制在1000r/min左右。采用有级减速机，承担大部分的传动比，可满足这一要求。为减小整机外形尺寸，使结构紧凑，电机置于下方，通过带轮传动带动减速机。带轮不仅可以分担一定的传动比，而且还可使整个系统传动稳定，并起到过载保护的作用。由前面电机选用YCT3154A电磁调速电机3.
27、1.3 传动比分配(1) 总传动比 实验研究表明，挤压机在螺杆转速40r/min左右时，为满足一定的螺杆输入转矩，初取电机工作转速n电机900r/min，挤压机工作转速n40r/min，则 总传动比 i总n电机n9004022.5(2) 带轮传动比由于设计中选用减速机，而分配箱内齿轮又受螺杆中心距限制，传动比不大，因而减速机将承担大部分的传动比，因此带轮传动比可取较小值。同时，这样也可减小机器尺寸和重量，便于安装。在设计中，我们初取带轮传动比iV2。(3) 减速机选用 参考13，按强度选用减速机。 计算功率 PcKAPPP1 kW 工况系数KA按轻微冲击查表18-40得 KA1 减速机传递功率
28、PT电n电max9550V232132095500.9633.403kW 则计算计算功率Pc118.17933.403kW选用ZLY140型电机7，其许用输入功率PP135kW，传动比i减10。(4) 传动箱传动比 根据上面的分配情况，i分配箱i总iVi减22.52101.125，即传动箱设计为减速器。设计成这一形式，一方面主要是受双螺杆中心距限制和出于水平平行布置时应避免齿轮与轴发生干涉的考虑，另一方面也是为了在有限的径向距离内增加齿轮的模数以提高其强度。3.1.4 主要传动零部件设计计算和校核 3.1.4.1 V带传动设计计算以下设计计算参考14。已知：电机输出功率P23290095502
29、1.864kW，小带轮转速n1n电900r/min，初定传动比iV2，载荷变动小，每天工作8h，要求中心距不超过800mm。表3-1 v带传动设计计算计算项目 计算内容 计算结果定 V 带 轮 型 号 和 带 轮 直 径工作情况系数 由表11.5 KA1.1计算功率 PcKAP1.121.864 Pc24.0504kW选带型号 由图11.15 选C型小带轮直径 由表11.6 D1250mm大带轮直径 D2(1)D1 iV(10.02)2502490mm (设2%) (式11.15) 取D2490mm大带轮转速 n2(1) D1 n1D2(10.02)250900490 n2=490r/min计
30、 算 带 长求Dm Dm(D1D2)2(250490)2 Dm370求 (D2D1)2(490250)2 120初取中心距 750mm 带长 L0Dm2a2a。 (式11.2) 37027501202750 L0 2681.6mm 基准长度 由图11.4 Ld 2800mm求 中 心 距 和 包 角中心距 a a0+ (LdL0 )/2 (式11.3 ) 750(28002681.6)/2续表3-1 809.20mm 取a800mm小轮包角 1180(D2D1) 60a (式11.4 ) 180(490250) 57.3800 1162.81120求 带 根 数带速 vD1n1(601000) 2501320(601000) v17.278m/s传动比 iV(1) D2D1(10.02)4902501.9208带根数 由表133 P06.635kW；由表135 ka0.96 由表132 kL0.95；由表134 P00.96kW zPc(P0P0)kkL (式11.22 ) 24.0504(6.6350.69)0.960.95 3.6 取z4根求 轴 上 载 荷张紧力 F0500Pc(2.5Ka)(vz Ka)qv2 50024.0504(2.50.96)(17.27840.96)0.1717.2782 F0329.87N轴上载荷 FQ2zF0sin(2) 2
