双螺杆挤压膨化实验室工作站时螺杆元件的选择

双螺杆挤压膨化实验室工作站时螺杆元件的选择

螺杆元件对植物蛋白质组织化过程的影响螺母是挤压机的核心部件。物料通过螺杆完成输送、混合、剪切、熔融、成型和挤出过程。螺杆元件是具有特定几何形状或参数的螺杆基本组成单元。最常用的螺杆元件有输送元件、捏合块、齿形盘3类。每一类螺杆元件有特定的几何参数,如元件长度、螺旋角、螺距、螺槽宽度、错列角等。不同的螺杆元件按照一定的数量和位置形成了螺杆构型。螺杆构型与物料受到的热机械强度和时间(滞留时间分布)直接相关,因此螺杆可以组合的双螺杆挤压机具有灵活的操作性和广泛的应用领域。扭矩和压力是挤压过程中重要的系统参数,对产品参数有直接的影响。研究螺杆元件对扭矩和压力的影响,分析不同螺杆元件的主要功能以及相对的作用强度,对于配置合适的螺杆构型、优化生产工艺、改进产品质量、提高能量利用效率具有重要指导意义。国外关于螺杆元件的研究主要集中在螺杆元件数量和位置对产品特性的影响方面,国内的相关研究少见。关于不同几何参数的某一类螺杆元件对植物蛋白质组织化过程扭矩和压力的影响研究还未见报道。本文以低温脱脂大豆豆粕为材料,以螺杆同一位置的不同螺杆元件为因素,以系统参数扭矩和压力为变量,分析不同几何参数输送元件、捏合块和齿型盘6种螺杆元件对扭矩和压力的影响。1材料和方法1.1化合物结构因子低温脱脂豆粕(山东禹王实业公司,大禹牌),其化学成分为:含水率8.33%、灰分6.05%(干基)、脂肪质量分数0.52%(干基)、粗纤维质量分数2.51%(干基)、粗蛋白质量分数53.99%(干基)、氮溶解指数81.6%。1.2挤压机模口加工德国布拉本德公司DSE-25型双螺杆挤压实验室工作站:螺杆外径D为25mm、螺杆长径比为20,挤压机加工各区域长度为喂料区100mm、Ⅰ区150mm、Ⅱ区150mm、Ⅲ区100mm、Ⅳ区50mm、Ⅴ区162.5mm。方形模头,模口几何参数为2mm×20mm;压力传感器位置如图1所示。1.3压力、温度物料含水率45%、喂料量30.9g/min、螺杆转速为120r/min,挤压温度为Ⅰ区60℃、Ⅱ区110℃、Ⅲ区145℃,Ⅳ区和Ⅴ区采用鼓风冷却。1.4螺钉配件1.4.1螺槽长度t输送元件为螺纹形,如图2所示。其几何参数包括元件长度Lt、螺旋角φt、螺距St、螺槽宽度Wt、外径D1、根径D2、螺纹头数Mt等。输送元件几何参数如表1所示。1.4.2河流生物固定盘捏合块是由一定数量的捏合盘按照一定的错列角组合而成,如图3所示。捏合盘具有一定的厚度,根据其形状可分为类偏心盘、类菱形盘和曲边三角形盘,比较常见的是类菱形盘。捏合块的几何参数包括元件长度Lk、错列角φk、捏合盘宽度Wk、捏合盘数量Mk等,如表2所示。1.4.3图1:不同类型的对比齿型盘又称涡轮混合元件,其形状类似于若干个齿轮组合在一起,如图4所示。同一个齿型盘上2个齿轮之间存在间隙,并且齿型盘之间不啮合。齿型盘的齿可分为直齿或斜齿。它的几何参数包括元件长度Lm、齿宽Sm、间隙宽度Wm等,如表3所示。1.5元件替换位置整根螺杆以喂料端为原点,朝挤出方向为正方向。试验在412.5mm处设立元件替换位置,如图5所示。元件代号前的数字表示元件数量,如1TE1表示1个TE1元件,3TE2表示3个TE2元件串联。1.6系统参数的测定1.6.1称重和压力挤压过程的扭矩由双螺杆挤压实验室工作站在线测定,压力通过压力传感器测定,两者均由计算机每10s自动记录一次。1.6.2水分含量测定在系统稳定后,挤出样品立即密闭保存,用于测定产品含水率。采用布拉本德水分测定仪(brabendermoisturetester,简称MTE),重复3次,干燥温度为130℃,干燥时间为60min。1.7数据分析应用DPS3.01和Excel进行显著性分析。2影响螺母主体类型的分析2.1轴类零件的流变学特性螺杆元件对扭矩的影响如表4所示。由表4可知,螺杆元件对扭矩有显著影响。影响扭矩大小的螺杆元件顺序为3TE2、1TB1、1KB3、1KB2、1KB1、1TE1。结合螺杆元件的几何参数分析认为,扭矩与元件螺旋角或错列角有关。反向元件产生的扭矩高于正向元件,如TE2的扭矩大于TE1;KB3的扭矩大于KB1。扭矩大小与元件对物料的剪切强度有关,如齿型盘(TB1)的扭矩大于捏合块(KB1、KB2,KB3);捏合块大于正向输送元件(TE1)。不同螺旋角(或错列角)和剪切强度的元件产生的扭矩也不同。3TE2比1TE1大26.87N·m;1KB3比1KB1大2.90N·m;1TB1比1TE1大8.89N·m。因此,可根据加工产品质量的需求选择元件。扭矩是反映螺杆和物料之间综合作用力的一项指标。螺杆和物料之间的作用力主要为黏滞力和摩擦力,与螺杆填充度有关。螺杆填充度受到喂料量和螺杆元件螺旋角或错列角的影响。在喂料量恒定时,螺杆填充度主要受元件的几何参数的影响。理论上,当螺旋角或错列角在0°和90°之间时,对物料起着正向输送的作用;在-90°和0°之间时,对物料起反向输送或不起输送作用。正向输送作用减少螺杆填充度,反向输送作用则增加螺杆填充度。螺杆填充度高表明挤压腔内物料数量多,与螺杆相互作用力大,扭矩大;反之,扭矩则小。螺杆和物料之间的作用力与两者的作用方式有关。输送元件主要利用元件表面和机筒表面的摩擦因数的差异,对物料起柱塞式或拖曳式输送作用,作用力与物料运动方向近似平行,剪切力较小;捏合块对物料有滚揉、压延的作用,作用力和物料运动方向不平行,因此剪切力较大;而齿型盘涡轮式的结构增加了物料的自由取向,是作用力与物料运动方向夹角最大的一种元件,剪切力最大,因此扭矩也较其它2种元件大。2.2传感器的局部作用螺杆元件对压力有显著影响。从4个压力传感器测定结果综合比较的结果看出,3TE2和1TB1产生的压力最高,1TE1产生的压力较高,1KB1和1KB2所产生的压力次之,1KB3产生的压力最低(表4)。螺杆元件对不同部位压力(P1、P2、P3、P4)的影响趋势相似;P1和P2检测点测定的压力较高,且两者之间互有高低,P3检测点测定的压力较低,P4检测点测定的压力最低。P1传感器位于500mm处,是距离螺杆元件最近的传感器,反映了元件局部产生的压力。P2、P3和P4传感器位于550mm、600mm和700mm处,即处于“∞”形挤压腔过渡到“O”形挤压腔的第Ⅳ区和方形通道的第Ⅴ区,反映了整个螺杆对物料的综合推动力。物料在轴向上受到螺杆对其正向的作用力以及机筒和模头对其反向的作用力。在挤压过程稳定后,正向和反向作用力通过建立不同的螺杆填充度达到平衡。此时,压力反映了压力传感器所在位置处两者的差值。在机筒和模头一定时,物料受到的反向作用力是一定的,因此压力仅取决于正向作用力。正向作用力越大压力越高;反之则越低。正向作用力和螺杆元件的螺旋角或错列角以及元件上的间隙大小有关。螺旋角或错列角为0°～90°之间的元件的正向作用力大于螺旋角或错列角为-90°～0°之间的元件;间隙越大正向作用力越小。如捏合块中捏合盘之间存在错列角间隙,并且在厚度相同时,间隙随捏合盘之间错列角增加而增加。因此,元件产生压力的能力从小到大顺序应为反向输送元件、齿型盘、错列角为90°捏合块、错列角为45°的捏合块和输送螺纹元件。从试验结果看,TE2产生的压力高于TE1和TB1产生的压力以及TB1产生的压力高于所有捏合块(KB1,KB2和KB3)产生的压力等结果不符合上述分析。然而TE1和KB1产生的压力高于KB2和KB3又符合上述分析。其原因可能在于压力的变化不能简单地从元件的几何参数来分析。其他因素,如反向元件造成的高填充度,物料受到不同强度作用后流变学特性的变化都会造成压力的变化。2.3数值上的波动螺杆元件对产品含水率没有显著影响,仅在数值上存在一定的波动(表4)。理论上认为不同的螺杆元件具有不同的混合能力,即对物料与水分的结合数量和程度有影响。2.4压力标准差和稳定性挤压机系统的稳定性是指挤压过程中各系统参数的波动情况,可以通过系统参数的标准差来表示。标准差越大表示波动越大,体系越不稳定。从表4各指标的标准差大小可以看出,扭矩标准差从小到大的元件顺序为:KB1、KB2、TE2、TE1、TB1、KB3;以P1处为例,压力标准差从小到大的元件顺序为:TE2、KB1、KB2、KB3、TB1、TE1。系统稳定性是一个相对复杂的问题,它与稳定的固体输送和熔融过程有关。压缩段不连续的固相,如断层或熔融不充分都将导致体系的波动。从标准差的顺序看,KB1和KB2具有较好的分布混合能力和稳定输送能力,即混炼效果较好;而KB3和TB1则相反,混炼效果较差。3螺杆元件对压力的影响(1)螺杆元件对扭矩有显著影响。产生扭矩从大到小的元件分别为反向输送元件(TE2)、齿型盘(TB1)、捏合块(KB3,KB2,KB1)、正向输送元件(TE1)。有反向螺旋角或错裂角,或对物料剪切强度大的元件能够