同向旋转型双螺杆挤压机及传动系统设计

1、编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目：同向旋转型双螺杆挤压机同向旋转型双螺杆挤压机 及传动系统设计及传动系统设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 同向旋转型双 螺杆挤压机及传动系统设计是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标 注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任

2、何 其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 95 学 号： 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 同向旋转型双螺杆挤压机及传动系统设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 食品挤压技术具有加工范围广、生产效率高、产品质量好、加 工过程无污染等特点。双螺杆挤压机由于具备输送能力强、调控性 能强的优点，广泛用于加工各种食品。本课题的任务是设计一台双 螺杆挤压机，其两根螺杆同向旋

3、转，对食品物料具有强大的混合与 反应作用，并能产生较好的自洁作用，并对机器的传动部分进行重 点设计。 通过本课题的设计，有助于学生能掌握和运用专业知识，锻炼 工程设计能力。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 查阅和整理资料，包括一篇与课题相关或相近的外文资料并进行 翻译； 确定课题的总体设计方案，进行开题报告； 进行相关参数的选择、计算和校核； 对同向旋转型双螺杆挤压机进行总体设计，绘制总装图； 对传动系统进行详细的计算与设计，绘制部件图和典型零件图； 对整个设计过程作出总结，撰写设计说明书。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 95 班班

4、姓名姓名 曹彬彬 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所所学科组组长研究所所 长长签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 摘摘 要要 本文分析了单螺杆挤压机与双螺杆挤压机的特点以及鱼肉仿真食品生产工艺的需要， 确定了先通过单螺杆挤压机进行蒸煮、搅拌，再用双螺杆挤压成型机成型的生产流程。 在现有挤压机的基础上，并参考了国内

5、外比较成熟的挤压机设计方法，根据鱼肉仿真食 品的的特殊工艺要求，对挤压机的关键部位进行了相应的改进。本文详细的介绍了挤压 机的主要零部件分配箱、螺杆、机筒等的结构设计，并进行了相应的校核计算；对主要 传动零部件如分配箱大小齿轮，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、寿命进行了校核计算;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、模头装置的选择要求,并进行了简单的设计。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：关键词：齿轮；分配箱；双螺杆挤压机 Abstract This article analyzed the food

6、 simulation market demand and the production present situation first, through analysis to the prawn cracker and as well as with the traditional processing craft contrast from the theory to use the extruder to produce the food craft feasibility and the economical feasibility. Next, analyzes the singl

7、e screw rod extruder with the double screw rod extruder characteristic as well as the production craft need, had determined digestion and agitation through the single screw rod extruder first, then uses the double screw rod to extrude the shaper formation the production process. In the base of the e

8、xtruders in existence, we referenced the mature means of extruder design in our country and abroad and the special working craftwork requires of the snack foods, then, we improved the key structure of extruder. In this text, we introduced the structure design of extruder in detail, particular to the

9、 major parts: assignment tank, screw, barrel and systems analysis and calculating. To those important transmission parts: the big gear and the small gears in assignment tank, strip wheel, driving spindle, key, we made a design and check the intensity. And we calculate and check the carrying capacity

10、 of the bearing particularly. We also refer to the choosing requirements of the accessories: heating and cooling system, die, knife equipment, and made a simple design. In the end of the text, the installing, operation, controlling and repairing of the extruder were also introduced. Keywords: gears;

11、assignment tank;Twin-screw Extruder 目目 录录 摘 要 .III ABSTRACT .IV 目 录.V 1 绪论 .1 1.1 本课题的研究内容和意义 .1 1.2 国内外的发展概况 .3 1.3 本课题应达到的要求 .5 2 双螺杆挤压机设计 .7 2.1 双螺杆挤压机的工作原理 .7 2.2 挤压加工系统 .7 2.2.1 挤压加工系统组成 .7 2.2.2 常用挤压术语 .8 2.3 双螺杆挤压机零部件结构设计 .8 2.3.1 总体结构设计 .8 2.3.2 螺杆结构设计 .8 2.3.3 机筒结构设计 .13 2.3.4 加料系统 .13 2.3.

12、5 加热和冷却装置系统 .13 2.3.6 模板装置 .14 2.4 双螺杆挤压机零部件设计计算 .15 2.4.1 主传动系统的设计计算 .15 2.4.2 主要传动零部件设计计算和校核 .16 2.4.3 螺杆推力的传递 .21 2.4.4 螺杆的强度计算 .23 2.4.5 机筒结构的设计 .25 2.4.6 模头结构设计 .25 2.4.7 润滑油的选用 .26 3 双螺杆挤压机的操作 .27 3.1 双螺杆挤压机的安装 .27 3.2 挤压加工系统的操作与维护 .27 3.2.1 挤压机的开车 .27 3.2.2 开车操作注意事项 .27 3.2.3 挤压机维护保养 .27 4 结论

13、与展望 .29 4.1 结论 .29 4.2 不足之处及未来展望 .29 致 谢 .31 参考文献 .33 1 绪论绪论 1.1 本课题的研究内容和意义本课题的研究内容和意义 二十一世纪是海洋的世纪，海洋占地球总面积的百分之 70 以上，蕴藏着极为丰富 的天然资源， 它是全球生命支持系统的重要组成部分，是保证人类可持续发展的重要 财富。当今世界越来越多的国家己将开发海洋作为获取资源、扩大生存空间、推动经济 发展的重点战略。我国是一个海洋大国，领海辽阔，海洋资源十分丰富，开发前景诱人。 海洋经济将成为我国二十一世纪新的重要产业。 我国又是个淡水渔业大国，有着广袤的内陆水域，水产品资源非常丰富。改

14、革开放 后，我国淡水渔业的发展也非常迅速。 1979 年全国水产品总产量只有 470 万吨，1989 年增至 1150 万吨，到 1993 年为 1500 万吨，1997 年己达到 3206 万吨。 在海洋资源与淡水资源中，又数鱼类产量最大。仅淡水鱼产量而言， 1990 年产量 己达到 523 万吨，1995 年为 1078 万吨,1997 年已为 1425 万吨。 鱼类食品被公认为一种优质的保健食品，它富含蛋白质，并且其蛋白质容易被人体 消化吸收，利用率高，鱼类脂肪含量少并且多由不饱和酸组成，其营养价值要髙于其它 动植物脂肪，鱼肉中钙、锌、磷等一些无机盐含量比畜禽肉类还要高，经常食用鱼肉，

15、可改善调节人们膳食结构的合理性，促进儿童少年骨骼生长，加快青年身体发育，预防 中老年因缺钙而引起的骨质疏松症。鱼体内还蕴含着丰富的亚油酸、亚麻酸与一定量的 二十碳五烯酸、二十二碳六烯酸，它们是构成人脑非常重要的营养素，对人的智力水平 起决定作用，在国际上被誉为 “能使人聪明的食品” ，日本有“食鱼能使头脑变得聪明” 的古语，它还具有降低血脂、抗血栓和健脑益智等功效。因而对我们人类来说，鱼肉不 仅提供维持身体机能不可缺少的营养物质，而且起到强身健体、延寿增智的效用，因而， 鱼肉成为人们日常生活膳食结构中及其重要的一个环节 1。 鱼类中不缺乏有一些价值较高的经济鱼类，还有数量相当可观的低值鱼类，伴

16、随着 海洋渔业的生产发展，经济鱼类产量逐年减少，小杂鱼、低值鱼产量逐年增多。淡水养 殖鱼类中鲢鱼等一些低值鱼产量很大，比如浙江千岛湖等水库、河流中以鲢鱼产量为最 大。这些低值鱼因为食用不便、口感不佳等原因，没有得到充分的利用，产区有大量的 低值鱼要么被低价抛售，要么被无人问津而腐烂掉，这就使得优质鱼肉蛋白及其它营养 素的浪费，导致渔民收入的降低，还造成了对环境的污染。怎样加工低值小杂鱼，如何 充分开发利用其丰富的蛋白质资源，已引起世界各国的重视。 在开发利用这些低值鱼 方面，将它们加工成为鱼糜制品是目前最有效的利用方法之一。 目前鱼糜生产工艺己相当成熟，我省就有好几家较大的鱼糜生产企业，如中外

17、合资 舟山兴业有限公司、中日合资龙生水产制品有限公司玉环分公司等，鱼糜生产能力较大， 但仅仅作为鱼丸等初级鱼糜制品的原料，造成幵工不足、设备大量闲置。大力开发鱼肉 仿真食品，是积极消化并增加鱼糜产量的最佳途径。 日式鱼糜制品的主要品种是模拟蟹腿等仿真食品，通过以下四种加工方法获得，即 压模型、 纤维型、复合压模型以及乳化型。压模型是通过单挤压或者共挤压将鱼糜糊压 制成需要的形状，并使其凝固，形成弹性凝胶体。纤维型是将鱼糜糊通过有窄的长方形 的喷嘴挤压成薄片，然后将薄片加热使其凝固，再切成所需宽度的条状物，将条状物经 过成形机拧成绳状物。复合压模型是将鱼糜糊与肉条混合后挤压成所需形状，制成咀嚼

18、感很好、组织结构均匀、弹性较高的制品。乳化型是在加入油脂乳化后的鱼糜糊灌入包 衣中再加热使其凝固。 仿真食品的质量可分解成三部分质量，它们是：口感、外形和口味，而影响他们的 加工工艺也可以分解为成形部分工艺、调味部分工艺和配合部分工艺。 调味部分工艺 该部分工艺是保证被仿真对象与制品的口味相似。例如，模拟虾仁制品应该有天然 虾仁的独特风味，模拟蟹肉制品应该要有蟹肉的风味，而鱼肉风味则存在着一些不足， 并且作为经过多次漂洗的鱼糜，漂洗过程中呈味液流失，导致鲜味不足，通常要在成形 前在鱼糜中添加鲜味剂，如味 精、酱油等，高质量鱼糜制品要加特殊风味调味料，目前 在日式鱼糜制品板式鱼糕、鱼肉汉 堡、烤

19、章鱼风味鱼糕、鱼卷中添加各种风味调味料， 而在模拟虾仁、模拟蟹肉等仿真食品要添加文献介绍的虾蟹风味的海鲜调味料。 配合部分工艺 该部分工艺保证制品的组织质地与被仿真对象相似。例如，模拟虾仁制品应有天然 虾仁独特的纤维组织、强劲的弹性和咀嚼性。由于鱼肉弹性主要来自鱼肉肌原纤维的凝 胶强度，釆取措施，尽量提高鱼肉蛋白凝胶强度，可以得到较好的弹性。然而，鱼肉纤 维较短，难以 形成类似虾仁的纤维结构和咀嚼性。在鱼糜糊中加入适量的食用纤维是 模拟虾仁生产的关键，同时加入少量真虾肉糜及虾汁提取液或虾味素可使模拟虾仁产品 更趋完善。美国专利介绍，用鱼肉模拟虾、对虾、尨虾肉时，一份鱼糜中要加入 0.13 份具

20、有三维网状结构的可食性纤维，混合成形后得到一定形状和尺寸、与真虾具 有相似咀嚼感的产品。 最理想的途径是将鱼肉蛋白纤维 -组织化鱼肉蛋白作为可食性纤维添加到低值鱼类 加工的仿真食品中，因为组织化鱼肉蛋白可以大量添加到鱼糜糊中，从而保证成型品的 质量。 釆用物理化学方法使鱼肉蛋白质变成纤维状。目前鱼肉蛋白纤维制作方法主要有单 纺丝粘结法（喷丝法） 、压延切丝法、高压组织化法、向冷冻法、挤压膨化法、挤压喷 丝凝胶法（注射挤出法 ）等本文主要研究为挤压膨化法。 a. 挤压膨化法工艺流程 原料-预处理-进料-挤压-在加工-成型-包装 b. 挤压膨化法工艺特点 挤压膨化法是利用原料蛋白质（没变性的或变性

21、）在高压、高温以及剪切力的作用 下，使蛋白质发生定向排列形成组织结构，最后由于压、温突降而产生膨化，获得组织 化蛋白。挤压膨化是仿真食品生产的关键工序，挤出机或喷爆机称是生产的关键设备。 鱼肉仿真工程食品简称仿真食品 ，是符合国际趋势的一类鱼糜制品，具代表性 的制品有模拟蟹腿、模拟虾仁等。仿真食品是以鱼糜为主要原料，添加一些营养配料， 通过特殊手段和加工工艺制成特定的生物体的仿真工程制品，除了要求制品外形逼真外， 更为重要的是要求被仿生物体与制品品质相接近。仿真食品因为附加值高、外形美观、 营养丰富、烹食方便，易被全社会各种群体接受，特别适宜未成年和老年群体。目前我 国对仿真食昴研究相对落后但

22、有着美好前景，中国食品工业协会于一九九六年制定的 “九五”全国食品工业科技发展纲要建议 中把“应用低值鱼为原料加工鱼糜的科技 成果，并进一步普及仿真工程食品的新技术，提高产品技术含量和附加值 ”列为食品 工业水产品行业的一个重点战略。 对于仿真食品的研究开发，因为对制品外形与品质有着特殊要求，只有将加工设备 与加工工艺作为有机整体来研究，再加上该方面的基础研究相对落后没有跟上，因此难 度较大。但是如果研究取得成功，将会带来巨大的社会效益和经济效益。 目前，我国的水产品加工量 仅占总产量的 10%大部分是以鲜活水产品销售，而日本 的水产品加工量占其百分之 70 左右。鲜活的水产品，因为尚存在保活

23、储存、保鲜运输 等重要技术难点，难以对市场提供全面长期的保证，为了防止水产品的早期腐败、提高 水产品附加值，必须对加工品废弃物的综合利用以及进行水产品的加工。由于水产品生 产的原料的易腐蚀性、集中性与季节性，对水产品加工提出了相当高的要求，也为水产 品的加工提供了广阔的空间。 利用同向双螺杆挤压机压缩得到的鱼肉膨化仿真食品具有禽肉的咀嚼感，可以作为 生产原料生产出各种不同口味的模拟仿真食品，可以有效合理的开发利用各种低值动物 性蛋白源，可以生产出高附加值的产品及相关新型产品；另外由于原料处理只需去除鱼 头和内脏、无需剔除鱼骨，不仅提高了营养价值，而且高效、简单，利于工业化生产。 同向双螺杆挤压

24、机弥补了单螺杆挤压机不能对湿料进行挤压处理的缺陷，为高湿的 蛋白原料如鱼类、家畜和家禽碎肉下脚料的组织化提供了可行途径。 通过查阅资料确定设计的基本参数，如产量、物料的含水量、螺杆的转速范围、加 热的温度和出料的含水量及状态等。 对于本课题而言，我们需要根据模拟虾仁生产的工艺要求来设计一台专门用于生产 加工鱼肉的双螺杆挤压机。根据要求，我们做出了一些创新，首先选用了较小长径比的 螺杆，采用较深的螺距，来保证物料在机筒内不至停留时间过长，保持产品的口味。为 调节产品的口味，生产过程中操作参数经常需要改变，因此螺杆转速调节以及进料量调 节是必不可少的，在设计中我们都考虑到了这一点，在实际设计中单螺

25、杆送料挤压机跟 双螺杆成型挤压机都采用了调速电机控制，并严格控制了传动比范围，在满足输出转矩 的前提下，使电机的调速范围尽量落在实际生产要求转速的调节区域内，充分发挥调速 电机的调速优势。通过对挤压机关键结构参数和操作参数的分析，我们发现压力和温度 对产品的质量有较大的影响。因此我们专门对模头处的加热冷却系统进行了设计。在均 化段采用加热冷却系统来较好的控制温度，使从模头出来的条状物料的物理性能能满足 下一工序成型的需要。双螺杆中心距限制，给分配箱内轴承的选用和布置提出 了较高的要求。在本次设计中，我们设置了推力轴承组了分担载荷，同时设置碟性弹簧 以缓冲吸振。在分配箱箱体形式的选择方面，最终采

26、用了组合式箱体结构，这样在维修 时，拆装推力轴承组以及齿轮轴都很方便。 通过双螺杆挤压机来改善单螺杆挤压机不能对湿物料进行加工处理的缺陷。提供一 种简单高效、可模拟出禽肉咀嚼感的鱼肉挤压膨化食品加工方法。鱼肉加工双螺杆挤压 机膨化机的设计包括机筒、与动力装置连接的第一螺杆、第二螺杆，传动系统和加热出 料系统的设计和绘制。 1.2 国内外的发展概况国内外的发展概况 日本、美国、韩国等比较重视水产加工理论与应用的研究，尤其在仿真食品研究方 面走在前列，研究开发的模拟蟹肉、模拟虾仁等仿真食品已达到工业化规模化生产的水 平，他们 生产的仿真食品设备已远销我国。目前己开发或正在研究的品种有仿生（模 拟）

27、蟹肉、 仿生模拟虾仁、模拟贝肉、模拟干虾仁、模拟火腿、模拟南瓜、模 拟鲍鱼肉、久仿生墨鱼、仿生海胆、海味牛排阅、海洋牛肉等。不过，对这些仿真食品 多数品种的研究，仅停留在工艺研究或探讨阶段，离产业化、工业化生产还有很大距离。 我国在该方面硏究相对落后，虽然有吴光宏、张金亮等进行淡水鱼模拟蟹腿肉的工 艺研究试验，但自主开发仿真食品生产设备几乎空白。虽然仿真食品发展前景十分诱人， 然而由于仿真食品生产技术研究不足，影响了我国在仿真食品产业领域的发展。 仿真食品的生产工艺与设备，将随制品品种有所区别，但在如何使制品成形、如何 保证制品品质等方面存在一些共性问题。因此本研容思路是，通过其典型制品一模拟

28、虾 仁的生产工艺和设备研究为蓝本，进行仿真食品的研究。 鱼糜糊是形成模拟虾仁质地、口味的基础。鱼糜糊可按成熟的鱼糜糊工艺获得，其 工艺 为:原料鱼一预处理去鳞、内脏、头尾、主骨刺 一釆肉-漂洗一脱水一碎肉 （精滤）一配料一擂溃（斩拌 鱼糜糊。也可以用冻鱼糜，经解冻一碎肉一 配料一 擂溃一鱼糜糊。 鱼肉模拟虾仁制品应该有逼真的虾仁外形，需要进行外形的成形。虾仁外形的成形 方法大致有以下几种：滚切成形、冲压成形、浇注成形等方法。由于鱼糜糊只有通过加 热凝胶后才能定形，因此要求鱼糜糊能构保持在一定形腔中进行加热凝胶。浇注成形较 容易实现，可以设想有一副可开可合的模具，而模具内有大虾仁形状的内腔，将鱼

29、糜糊 注塑到模具内腔中，再对模具进行加热，等凝胶可脱模后，打开模具，成形后的虾仁落 下，美国专利139】介绍的方法就是如此。浇注成形方法也适用于模拟蟹肉、模拟贝肉 等鱼肉仿真食品的成形，因此有着广泛的应用。 1、仿真食品应用基础研究 研究影响仿真食品生产工艺、生产设备、制品质量的基础问题，主要是对鱼肉特 性以及鱼肉特性与仿真食品工程技术关系的研究。 在鱼肉特性研究方面，鱼肉凝胶特性研究成果较多，在制定仿真食品工艺时，可 以参考或采用前人研究的鱼肉凝胶体弹性、强度提高措施。鱼肉流变特性虽然有人作 过研究，但针对鱼糜糊特性的流变测量方法还有待探讨，具体的流变特性系数有待进 一步确定，解决这些问题是

30、本文的研究内容。 在鱼肉流变特性与仿真食品工程技术的关系研究方面，经文献检索尚未见完整报 道。由于仿真食品加工中涉及鱼糜糊的输送流动，而流动过程的压力、流量，以及生 产能力、设备功率等都和鱼糜的流变特性有着一定联系系。找出它们之间的关系，把 它们用于指导食品食品工程技术的研究，是本文的研究 内容。 2、仿真食品生产工艺研究 仿真食品质量主要表现在口味、口感和外形上，通过鱼糜糊工艺、鱼丝工艺、仿 真食品成形工艺反映出来。目前鱼糜糊工艺已比较成熟，包括配方和工艺流程。而适 合机械化生产、工艺简单的鱼丝工艺、仿真食品成形工艺，还有待研究。 3、仿真食品生产设备研究 仿真食品生产设备是仿真食品产业化的

31、关键，虽然国外有仿真食品成形设备的报道， 但国产化且符合国情的中小型仿真食品成形设备尚未见。研究中小型仿真食品生产设备， 在国内推广使用，也是本文的研究内容。 我国在双螺杆挤压机的设计制造及应用方面与发达国家相比存在很大的差距。由于 国内双螺杆挤压机开发与研究工作起步较晚，因此产品档次较低，系列化程度低，多数 产品的螺杆、技术水平、机筒的精度、整机性能和质量与目前发达国家的现有水平有一 定差距。目前，我国生产的异向旋转双螺轩挤出机多为锥形异向双螺杆挤出机，而平行 异向双螺杆挤出机还很少，并且多为中、小型机，国内所需的大型异向双螺杆挤出机几 乎全部依赖进口。在双螺杆挤出机的设计、计算以及制造技术

32、方面尚有很多难点需要克 服，这些都限制了我国在双螺杆挤出技术与装备领域的发展。 随着我国国民经济的发展，大型塑料管材、板材在石化、建筑、型材、国防等领域 的应用日渐广泛。大型平行异向双螺杆挤出机的开发研制也必将受到越来越多的重视。 1.3 本课题本课题应达到的要求应达到的要求 本课题主要研究同向双螺杆挤压机及其传动系统设计，因此双螺杆中心距限制，给 分配箱内轴承的选用和布置提出了较高的要求。在本次设计中，我们设置了推力轴承组 了分担载荷，同时设置碟性弹簧以缓冲吸振。在分配箱箱体形式的选择方面，最终采用 了组合式箱体结构，这样在维修时，拆装推力轴承组以及齿轮轴都很方便。 仿真食品生产设备是仿真食

33、品产业化的关键，虽然国外有仿真食品成形设备的报道， 但 国产化且符合国情的中小型仿真食品成形设备尚未见。研究中小型仿真食品生产设备， 在国 内推广使用，也是本文的研究内容。 双螺杆挤压机作为一种多输入多输出的新型生化反应器，研究其设计的方法、模型、 手段及实验的理论根据等都是十分有意义的。研究双螺杆挤压机需要比较全面的机械、 食品、化学、传热学、六边学、流体力学、电子、自动控制等丰富的知识结构。国外的 研究趋势表明，需要研制生产能力大，系统稳定性好，产品质量稳定，自动化程度高的 挤压设备。 本设计中采用单螺杆输料，然后直接送入双螺杆挤压成型机中。这样，单螺杆挤压 机就充当了喂料装置，它不仅能均

34、匀的喂料，且能控制喂料量，满足各种不同物料加工 需要，避免进料不均匀的现象，提高产品的质量和产量。 利用双螺杆挤压机压缩得到的鱼肉膨化食品具有禽肉的咀嚼感，可以作为基料生产 出各种不同口味的模拟肉食品，可以有效合理的开发利用各种低值动物性蛋白源，可以 生产出高附加值的产品及相关新型产品；另外由于原料处理只需去除鱼头和内脏、无需 剔除鱼骨，不仅提高了营养价值，而且高效、简单，利于工业化生产，改变了单螺杆挤 压机不能对湿料进行挤压处理的缺陷，为高湿的蛋白原料如鱼类、家畜和家禽碎肉下脚 料的组织化提供了可行途径。 通过查阅资料确定设计的基本参数，如产量、物料的含水量、螺杆的转速范围、加 热的温度和出

35、料的含水量及状态等。 通过双螺杆挤压机来改善单螺杆挤压机不能对湿物料进行加工处理的缺陷。提供一种 简单高效、可模拟出禽肉咀嚼感的鱼肉挤压膨化食品加工方法。鱼肉加工双螺杆挤压机 膨化机的设计包括机筒、与动力装置连接的第一螺杆、第二螺杆，传动系统和加热出料 系统的设计和绘制。 2 双螺杆挤压机设计双螺杆挤压机设计 2.1 双螺杆挤压机的工作原理双螺杆挤压机的工作原理 强制输送 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。全啮合同向旋转的双螺杆，由于两根螺杆在啮合处的

36、螺纹相反， 螺槽中的物料可以通过啮合螺纹间的通道进入另一根螺杆的螺槽，啮合螺纹对螺槽中物 料的阻力同样有推进物料的作用。 混合作用 图 2.1 同向旋转，物流在双螺杆螺槽中的流动情况 由于同向旋转双螺杆在啮合处的速度方向相反，一根螺杆要把物料拉入啮合间隙， 而另一根螺杆把物料从间隙中推出，结果使物料从一根螺杆转到另一根螺杆（如图 2.1 所 示） ，呈“”型前进，料流的方向改变，有助于物料的混合和均化7。 自洁性能 同向旋转的双螺杆，在啮合处螺纹和螺槽的速度方向相反，相对速度很大，因此有 相当高的剪切速度，它能刮去各处积料，其自洁作用比反向旋转的更有效4。 压延效应 同向旋转的双螺杆挤压机，由

37、于啮合处两根螺杆的速度方向相反，因此没有明显的压 延效应，它对磨损和超载的敏感性比反向旋转双螺杆小的多，而且也易发现。 2.2 挤压加工系统挤压加工系统 2.2.1 挤压加工系统组成挤压加工系统组成 加热与冷却成型 机筒预处理喂料装置挤压混合料仓 原料 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、切割、控制等部分组成。 2.2.2 常用挤压术语常用挤压术语 挤压机个部分中都有其专业术语，其中以下最为突出：螺纹、齿根、螺纹、螺纹前 沿、螺纹后沿、齿型、螺纹头数、单头螺杆、多头螺杆、螺旋槽、螺杆通

38、道的轴向面积、 螺杆通道的展开面积、高径比，长径比，压缩比。 2.3 双螺杆挤压机零部件结构设计双螺杆挤压机零部件结构设计 双螺杆挤压机零部件包括：喂料装置、机筒、螺杆、加热与冷却装置、模板与切割 装置、机座等组成。 2.3.1 总体结构设计总体结构设计 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 总体类型不同类型优点缺点 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 外观形式 立式螺

39、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 整体式螺杆挤压机结构紧凑不便于加工和装拆、维 修 联接形式 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 电机置于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 电机置于减速箱后 部，与机器成一体 与机器构成整体，有利于选 用标准减速器，有利于互换 性和满足加工要求 轴向长度较长，占地面 积相应增大 电机置于减速器上 部 占地面积小由于振动问题，要求支 架有足够刚度 结论：通过以上分析，结合本

40、课题的实际情况，拟采用卧式整体式结构形式，动力 源和传动装置位置采用电机置于减速箱前部，挤压系统下部形式。 2.3.2 螺杆结构设计螺杆结构设计 螺杆是挤压机最重要的关键部件之一,其结构及其几何参数的设计合理与否之间关系 到挤压过程。 2.3.2.1 螺杆结构设计要点螺杆结构设计要点 生产能力 生产能力是设计螺杆的主要指标之一，不同规格的螺杆生产能力是不同的，同一规 格的螺杆，由于结构和几何尺寸的差异或由于螺杆转速的差异也不同。通常我们取生产 能力 Q 与螺杆转速 n 的比值，称之为“比流量” 。同规格的螺杆在加工同一种物料时的比 流量，在一定程度上说明了螺杆的结构及几何参数的合理与否。对于

41、65 挤出机来说， 一般认为 Q/n1（kg/h/r/min）是同规格机台中比较好的比流量值。本设计中，生产能力 定为 Q120kg/h，螺杆转速根据生产虾片的工艺要求取为 n60r/min，则比流量 Q/n120/60=2，较合理。 功率消耗 从挤压机的能量平衡来看，挤压系统中对物料所消耗的能量应对于物料的加热能量 和对螺杆输入功率的总和。习惯上为衡量螺杆加工不同物料所消耗的机械功率大小，假 设机筒外加热功率相同时，常以螺杆每单位生产能力所消耗的机械功率作为衡量的标准， 称为螺杆的单耗 N/Q。在保证物料胶体化的前提下，螺杆的单耗应以低值为好。 挤压物的质量 挤出物的质量包括外观质量、混合质

42、量、挤出温度、轴向与径向温差、温度随时间 波动的轴向温差、挤出压力的波动等方面的内容。由于压力 p 的波动，直接影响生产 能力的稳定性。温度的波动可以通过粘度 的波动而影响 Q 的稳定性。根据虾片生产的 工艺要求，机筒温度和压力的大小对挤压生产虾片的产品品质有着极大的影响，温度升 高有利于提高美拉德反应的速度和程度，但也会降低模头处的压力。因此，应视温度和 压力对物料反应的影响程度，合理选取控制，避免两者的较大波动。 螺杆的加工制造 螺杆的加工是否容易，使用寿命是否长。螺杆加工制造困难，影响螺杆的寿命。 2.3.2.2 螺杆传动系统螺杆传动系统 同向旋转式双螺杆的传动系统相对来说比较复杂，一般

43、采用外啮合传动。 （如图 3 所 示） 图 2.3（a）与 2.3（b）的主要区别是驱动轴的 图 2.3 螺杆传动系统 位置问题，考虑到挤压机的小型化及其他工作、性能、装配等要求，选择图 2.3（b）所示装置比较合适。 2.3.2.3 双螺杆的结构参数设计双螺杆的结构参数设计 螺杆主要结构参数有：螺杆直径，长径比，螺杆各段主要参数，螺纹形状，螺杆的 螺纹头数12。 图 2.4 等深变距螺杆 1螺杆结构和啮合方式的确定 本设计中螺杆的设计仍按普通螺杆的方法进行设计改进。普通螺杆按其螺纹升角和 螺槽深度可分为三种形式：1.等距变深螺杆；2.等深变距螺杆；3.变深变距螺杆。考虑到 螺杆的强度要求和物

44、料性质，我们拟采用等深变距螺杆。等深变距螺杆是指螺槽深度不 变，螺距从加料段的第一个螺槽开始至均化段末端是从宽变窄，结构形式如图 2.4 所示。 为使进料均匀，协调螺槽输送物料和熔融的能力，螺杆采用单头螺纹，并部分啮合， 以使物料受到较大的剪切和混合，有利与糊化的进行。 2螺杆直径 Ds 的确定 螺杆直径是螺杆主要参数之一，在设计螺杆时，一般是根据所需的生产能力，理论 公式来计算螺杆直径是困难的，因此可选用以下方式，初步确定螺杆的生产能力和转速 后，根据经验的生产能力公式初步确定螺杆直径： QDs3 n 式中Q 生产能力，kg/h Ds 螺杆直径，cm n 螺杆转速，r/min 经验出料系数，

45、一般取 0.0030.007 本设计中，Q120kg/h，n60r/min（工作转速） ，0.007，则 DsQ/(*n)1/3 120/(0.00760) 1/3 6.586cm 取标准螺杆直径 Ds65mm。 3长径比 L/Ds 的确定 由挤出理论得知，在其他条件一定时，增大长径比，可增加物料在螺杆中的停留时 间，即保证了物料有充分的熔融时间，但过大的长径比易于造成停留时间过长而使热敏 性物料分解。因此，应根据被加工物料的物理性能、成型工艺要求和产品质量的要求来 考虑。 参考成型挤压机有关资料，初步选取长径比 L/Ds12，则 螺纹段总长 L12Ds1265=780mm 取标准长 L800

46、mm，修正 L/Ds800/6512.308。 4螺杆各段主要几何参数的确定 物料在螺杆中的挤压经历固体输送、熔融和均化的过程。因此，整个螺杆的设计通常 分为三部分。以下具体计算确定各段的几何参数。 5a 螺槽深 H 由于螺杆设计成等深变距形式，取统一螺槽深 H0.18D0.25D(参考7Pg149) 11.716.25mm，取 H12mm，则螺杆根径 DbDs2H652441mm。 b 螺距 S 沿输送段到均化段方向，将螺杆成阶梯形分成三段，螺距依次为 63mm、53mm、44mm。 c 各段长 L 根据经验数据（9Pg7577） ，确定各段长如下： 加料段 L110%25%L80200mm

47、，取螺距 S160mm 的整倍数，L1189mm 熔融段 L255%65%L440520mm，取螺距 S253mm 的整数倍，L2424mm。 均化段 L322%25%L176200mm，取螺距 S344mm 的整数倍，L3176mm。 实际螺纹段总长 LL1L2L3189+424+176789mm d 螺旋升角 参考7 Pg151 公式 t=Dtg 算出各段螺旋升角第一段 1=1709，第二段 2=1433，第三段 3=1210 6其他参数的确定 a 双螺杆中心距 A 和螺杆啮合间隙 1 双螺杆的中心距主要取决于螺杆的直径和对间隙的要求，一般地单螺纹双螺杆 A(0.711)Ds46.1565

48、mm（见9Pg189） ，考虑到螺杆部分啮合，存在间隙，应满 足 A(DbDs)20，即 A(DbDs)2(4165)253mm，取啮合间隙 12mm，则 A55mm。 b 螺杆与机筒的配合间隙 2 图 2.5 梯形螺纹断面 间隙 2的选择主要根据所加工物料的性能和机械加工条件来决定。参考 9Pg119 表 1- 3-10，由于物料为高粘度物料，取 65mm 挤压机的配合间隙 20.0020.005Ds=1.33.25mm。取 22mm。 7螺纹断面形状的确定 图 2.6 开槽螺纹 对于小直径螺杆，一般选用梯形螺纹，由于其前后缘有较大的倾角，有利于物料的流 动，同时具有较好的混合和均化物料的作

49、用。其断面形状如图 2.6 所示。 本设计中，各段螺纹统一取 倾角 10 圆角半径 R(0.040.12)Ds2.67.8mm，取 R5mm 螺棱顶宽 e(0.080.12)Ds 5 .27.8mm，取 e6mm (见 9 Pg7778) 图 2.7 喂料口断面 8 压缩比 i 全螺纹双螺杆的压缩比，等于加料段一个螺距的螺槽容积与挤出段一个螺距的螺 槽容积之比，不计过渡圆弧的影响，其计算式如下： (9 式 1-8-5) SFdDems SFdDems i 22 2 2 2 2222 11 2 1 2 1111 4 4 平均 平均 式中 S1、S2分别为加料段、挤出段的螺距 m1、m2分别为加料

50、段、挤出段的螺纹头数 e1、e2分别为加料段、挤出段平均直径处的螺纹轴向厚度 D、d 分别为螺杆外径、根径 F1、F2分别为加料段、挤出段的啮合面积的一半 由于螺杆等深，单头螺纹，截面形状一致，D1D2，d1d2，e1e2b，m1m21，忽 略啮合面积 F1、F2，初步估算压缩比 i(S1e1)(S3e2)(636)(446)1.5 据有关资料，玉米淀粉在挤压过程中发生复杂的化学反应后，本身由固体粉料转化 为熔体有 2 倍左右的物理压缩比。本挤压机为成型挤压机且物料的压缩性小；另外，考 虑到化学反应对压缩比的影响，我们认为估算值还是有一定参考意义的2。 2.3.3 机筒结构设计机筒结构设计 机

51、筒和螺杆共同组成了挤压机的挤压系统，其结构形式关系到热量传递的稳定性和均 匀性，在设计机筒时，要考虑到机筒结构形式的选择，机筒上的加料口形式，机筒与机 头的联接方式以及机筒机械加工制造的难易等问题。 1 机筒结构形式 成型挤压机长径比较小，且本挤压机机筒长度较小，所以采用整体式机筒。 这种形式的机筒在挤压机中较多的被采用。它的特点是：加工精度喝装配精度容易保证， 机筒外部的加热器易于布置，且受热均匀，但机筒内表面的磨损难于修复。 料口结构设计 加料口的结构必须与物料形状相适应，使被加工的物料能从料斗或加料器中自由流 入螺杆而不中断，对各种粉料粒和带状都能很好的适应，且用的较多。 2.3.4 加

52、料系统加料系统 本设计中采用单螺杆输料，然后直接送入双螺杆挤压成型机中。这样，单螺杆挤压 机就充当了喂料装置，它不仅能均匀的喂料，且能控制喂料量，满足各种不同物料加工 需要，避免进料不均匀的现象，提高产品的质量和产量6。 2.3.5 加热和冷却装置系统加热和冷却装置系统 由挤压理论可知，温度控制是挤压过程得以进行的必要条件之一。挤压机加热与冷 却系统就是为了保证这一必要条件而设置的。加热冷却装置及其控制系统设计是否得当， 将直接关系到挤压机的生产能力、产品的质量和能量的消耗。因此，挤压机的加热冷却 系统又是挤压机的一个重要组成部分14。 1机筒温度分布对鱼肉的影响 机筒温度的分布控制是挤压加工

53、过程中一个关键的操作参数。根据对物料流动特性 的分析，可知温度对于挤压物料的粘度影响很大。随着温度的升高，物料的粘度将会减 小。在相同产量 Q 的情况下，当物料的粘度 减小时，将同时减小挤压机模头处的压力。 根据虾片生产工艺要求，温度和压力对挤压法生产虾片的产品品质有着极大的影响。机 筒温度的升高将提高物料的美拉德反应的速度和程度，但也会降低挤压机的模头压力， 特别地当机筒温度过高超过 250时，将会导致淀粉的碳化，从而对挤压生产鱼肉起到相 反的作用。因此，我们应视温度和压力对生化反应的影响程度，对机筒温度进行严格控 制和调节，以利于反应正常进行，确保产品的质量。 2挤压机加热方法的选择 目前

54、，挤压机的加热方法主要有载热体加热、电阻加热和电感应加热等三种常见形 式。本设计中，机筒的加热方式拟采用铸铝加热器加热。 冷却装置设计 由于螺杆直径较小，在螺杆中心部开槽通入水管进行冷却，势必会严重削弱螺杆强 度，故本设计将只对机筒进行水冷却。 本设计中采用冷却水管缠绕铸入铝块中，安装在机筒表面进行冷却的方法，其结构 如图 2.8 所示。这种结构的特点是冷却水管也制成剖分式，拆卸方便，冷冲击也较小。由 于设计中加热与冷却管可以一起铸入铸铝加热器中，因此制造简单。为防止水管堵塞， 可在进水管加装滤网。 图 2.8 机筒冷却装置 2.3.6 模板装置模板装置 1.模板设计原则为：熔融料的流道呈十分

55、光滑的流线型，不得有突变，更不能有死角 和滞留区；保证模板有足够的压缩比，使料能在模板内形成必要的压力；在强足够的条 件下，结构紧凑，易于加工制造和装拆维修。同时结构尽量对称，以使传热均匀；材料 选用合理。 2.对模板材料的要求：耐蚀和耐磨损；在模板的内压作用下有足够的强度和刚度；在 高温下不变形，模板各组成零件视所处位置和工作要求可选不同的材料。 3.对模板的加工装配要求：模板的装配要求高，各零件的加工视作用不同而异8。 所以，选用材料为：38CrMoAl 氮化处理。 2.4 双螺杆挤压机零部件设计计算双螺杆挤压机零部件设计计算 2.4.1 主传动系统的设计计算主传动系统的设计计算 传动系统

56、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。 2.4.1.1 传动系统设计传动系统设计 图 2.9 传动系统简图 初步确定挤压机传动路线如图 2.9 所示。 2.4.1.2 电动机的选用电动机的选用 螺杆转速的调节是生产虾仁的一个关键性操作参数，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 2.10 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 (cos0.60.96，50

57、60%)，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。 图 2.10 调速电机的工作特性曲线 2.4.1.3 传动比分配传动比分配 (1)电机选择 初定螺杆转速为 60r/min，为满足一定的调速要求，取螺杆最高转速为 100r/min， （参 考9 Pg134） 挤压机驱动功率 N=KDs2n=0.003546

58、.52100Kw=14.9565kW 额定输出功率 Pd= N/=14.9565/(0.970.950.96)=16.907kW 选用 YCT250-4A 电磁调速异步电动机，额定输出功率 18.5kW，额定转矩 116Nm，调速范围 1321320r/min (2)总传动比 总传动比 i总n电机n132010013.2 (3) 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。 (4) 减速机选用 参考151157115

59、8，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 PT电n电 max9550V116132095500.9616.702kW 则计算计算功率 Pc116.70216.702kW 查表 18-32 选用 ZLY112 型减速机，其许用输入功率 PP120kW，传动比 i减7.1。 (5) 分配箱传动比 根据上面的分配情况，i分配箱i总iVi减13.227.10.9301，即分配箱设计 为增速器。这与我们最初的箱内由一大齿轮带动两小齿轮传动的设想吻合(见图 3)。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

60、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20。 2.4.2 主要传动零部件设计计算和校核主要传动零部件设计计算和校核 2.4.2.1 V 带传动设计计算带传动设计计算 以下设计计算参考16Pg195196。 已知：当螺杆转速为 60r/min 时，电机转速 n电机=i总n螺杆=13.260=792r/min,电机输出 功率 P11679295509.620kW，小带轮转速 n1n电792r/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 1000mm11。 解： 计算项目 计算内容 计算结果 定 V 带 轮