膨化機總體設計
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1 秸稈飼料的擠壓膨化技術
1.1 秸稈飼料的加工及處理方法
秸稈飼料是指在飼料干物質(zhì)中秸稈含量大于或等于18%，并以風干物形式飼喂的飼料。該類飼料的營養(yǎng)價值通常較其他類別的飼料為低，其消化能含量一般不超過2.5兆卡/千克，有機物質(zhì)消化率通常在65%以下，其主要的化學成分是木質(zhì)化和非木質(zhì)化的纖維素、半纖維素。因此它是反芻動物的主要基礎飼料，通常在反芻動物日糧中可占有較大的比重。而且，這類飼料來源廣、資源豐富，營養(yǎng)品質(zhì)因來源和種類的不同差異較大，是一類有待開發(fā)和科學合理利用的重要飼料資源，特別是在全國各地大力提倡發(fā)展草食家畜的今天更顯出其重要性。這類飼料主要包括栽培牧草干草、野干草和農(nóng)作物秸稈，此外，也包括秕殼、莢殼、藤蔓和一些非常規(guī)飼料資源如樹葉類、竹筍殼、糟渣等。
1.1.1 物理處理
物理處理主要是通過加工方法改變粗飼料的形狀，但不改變粗飼料的化學性質(zhì)。物理處理主要包括以下方法：
1.1.1.1 機械加工
如鍘切、揉碎和粉碎。這是粗飼料加工最簡便而常用的方法，通過該加工處理后，便于動物咀嚼，提高采食量，并減少秸桿浪費；但該加工處理對粗飼料消化率沒有明顯的提高作用，若粉碎過細，還會降低消化率。生產(chǎn)實踐中一般將秸桿鍘切至3-5厘米長即可，不提倡粉碎處理。
1.1.1.2 熱加工
如蒸煮、膨化等。蒸煮可軟化粗飼料，提高其適口性和采食量。膨化是利用高壓水蒸氣處理后突然降壓以破壞纖維結(jié)果的方法，對秸稈甚至木材都有效果。研究發(fā)現(xiàn)，膨化處理除了物理效果外，也有化學效果，因此在適宜條件下膨化處理后，對秸稈消化率的改進幅度較大。
1.1.1.3 其他處理
如成型加工、輻射處理等。通過特定的加工機械，將粗飼料壓制成顆粒狀或小塊狀，可提高粗飼料密度，有利于粗飼料特別是秸稈類飼料的貯存和運輸，并改善適口性和可消化性，減少飼料過程中的浪費。通過輻射處理可增加粗飼料中的水溶性成分，提高粗飼料消化率，但輻射處理難以進入實用化。
1.1.2 化學處理
化學處理的效果常優(yōu)于單純的物理性處理，而且所需的設備投資和處理成本一般比物理性處理低?；瘜W處理中最常用且有效的方法是堿化處理、氨化處理和氨/堿復合處理，他們都能有效地提高秸稈飼料的采食量和消化率。
1.1.2.1氨化處理
用液化氨、尿素和碳酸氫氨等物質(zhì)處理各種素飼料，其釋放出的氨具有堿化、氨化等作用，可破壞粗飼料的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)，改善粗飼料的營養(yǎng)價值。
1.1.2.2堿化處理
主要是利用堿性物質(zhì)破壞粗飼料內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu)，起到提高低質(zhì)粗飼料消化率的作用，目前主要有氫氧化鈉處理和石灰處理兩種。氫氧化鈉處理效果較好，但處理成本相對較高，切環(huán)境污染的風險較大；石灰處理的成本較低，且環(huán)境的風險較小，但處理效果比氫氧化鈉處理要差。
1.1.2.3氨/堿復合處理
通過氨/堿復合處理，可以彌補氨化處理中粗飼料消化率提高幅度不大的缺點。當然這種處理的成本要大于單一處理。
1.1.3 生物學處理
生物學方法是通過微生物和酶的作用，使粗飼料纖維部分降解，以改善適口性、消化率和營養(yǎng)價值，生產(chǎn)時間中主要采用青貯、酶解和發(fā)酵三種方式。
1.1.3.1 青貯
是利用乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)生酸性條件，抑制或殺死各種有害微生物，從而起到保存青綠飼料和青綠秸稈的方法。含糖分較高的青綠飼料和玉米秸容易青貯成功，但低質(zhì)的稻草、麥秸等秸稈類飼料則難以青貯。
1.1.3.2 酶解處理
是將纖維素、半纖維素分解酶溶于水中，再噴灑于秸稈上，以提高其消化率的方法，但因處理成本較高，目前難以付諸實用。
1.1.3.3 微生物處理
是通過有益微生物的發(fā)酵作用，降解低質(zhì)粗飼料中的木質(zhì)纖維，軟化秸稈，改善適口性，從而提高其消化率的方法。秸稈微貯就是微生物處理技術之一。
1.2 膨化飼料的特點
1.可提高飼料的消化率和適口性。飼料原料經(jīng)過高溫、高壓處理后，其淀粉糊化，蛋白質(zhì)變性，因而提高了飼料的消化率和適應性。
2.膨化飼料呈膨松多孔狀、比重小，能浮在水面上一定時間不沉不散，因而能減少水質(zhì)污染和飼料損失。
3.飼料經(jīng)過膨化后，有殺菌作用，可減少動物疾病。而且其含水量低，在貯運中不易變質(zhì)。
4.膨化飼料對不耐熱的營養(yǎng)成分有破壞作用，而且能耗較大，加工成本較高。
1.3 膨化方法和原理
膨化是對物料進行高溫高壓處理、減壓，利用水分瞬時蒸發(fā)或物料本身的膨脹特性使物料的默寫理化性能改變的一種加工技術。產(chǎn)生膨化的條件是溫度、壓力和水分，三者缺一不可。廣義上的膨化可分為兩種，即擠壓膨化和氣體熱壓膨化。前者是當物料受到高溫高壓的作用，使其中水分變成過熱的水蒸汽，并在瞬間得到釋放。由高壓變常壓物料失水膨脹，這就是擠壓膨化的基本原理，后者是在密封容器里對物料施以高溫高壓蒸汽處理，然后減壓。從目前膨化技術的推廣應用來看，絕大部分是擠壓膨化。
根據(jù)處理原料水分的高低，擠壓膨化可分為干法擠壓膨化和濕法擠壓膨化。干法積壓膨化的原理是在擠壓處理過程中，利用磨檫產(chǎn)生的熱量使物料升溫，在擠壓螺旋的作用下，強迫物料通過?？?，同時獲得一定壓力，物料擠出?？缀螅瑝毫眲∠陆?，水分蒸發(fā)，物料內(nèi)部形成多孔結(jié)構(gòu)，體積增大，從而達到膨化的目的。整個處理過程的水分一般為15%-20%。濕法擠壓膨化的原理與干法擠壓膨化相同，但在擠壓過程中要加水，加蒸汽，其水分達20%。甚至30%以上，物料的升溫是靠蒸汽加入來達到的。
6 結(jié)論
本文分析了秸稈膨化機的工作原理，確定了總體設計原則。秸稈膨化機結(jié)構(gòu)參數(shù)為：變根徑螺桿外徑 ，長度 ，螺距 ；套筒外徑 ,內(nèi)徑 ；噴嘴噴出間隙 。螺桿轉(zhuǎn)速為 ，膨化溫度約為 ，膨化壓強約為 。
本文設計的膨化機結(jié)構(gòu)簡單、操作方便和便于維修，特別適于在中小型鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)和農(nóng)村個體戶使用。
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附錄
Experimental Study on Extruding Crop Straw by Screw Extruder
Abstract： A kind of small-size single-screw extruder with self-heating was used in this study. Screw pitch, spray nozzle clearance, chopped straw moisture content and straw size were different factors. Tnfluence law of processing property(extruding pressure, production efficiency, output per kw/h) was obtained by a series of single factor and general rotatory combination design of four factors for experiment.The optimal combination of main parameters was gained by optimization method.With the help of electron microscope, it was found that the microstructure of corn stalk and bean stalk was changed after extruding as compared with that without extrusion. Therefore, the theory on extruding processing of the crop straw was studied. It was proved that the tissue structure of the straw can be changed by extruding process through the analy-sis of the nutrition composition. The feasibility rate and digestive rate for crop straw were improved.
Key words: crop straw;screw extrusion; extruding experiment; extruding theory
螺桿擠壓膨化機加工農(nóng)作物秸稈的試驗研究
摘 要: 利用小型自熱式單螺桿擠壓膨化機對農(nóng)作物秸稈進行膨化加工試驗。將螺桿螺距、噴嘴出口間隙、秸稈物料含水率、秸稈物料粒度作為試驗因素,經(jīng)單因素試驗和二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗找出其對秸稈膨化加工性能(膨化壓力、生產(chǎn)率、度電產(chǎn)量等)的影響規(guī)律,并經(jīng)優(yōu)化設計得出最佳參數(shù)組合。利用電子顯微掃描觀察和分析膨化及未膨化玉米秸、豆秸的微觀結(jié)構(gòu)的變化,對農(nóng)作物秸稈膨化機理進行了初步探討,并通過膨化和未膨化玉米秸、豆秸的營養(yǎng)成分對照測試分析,證實了秸稈膨化能夠改善秸稈的理化性狀和營養(yǎng)成分,為提高秸稈的利用率和可消化率創(chuàng)造了條件。
關鍵詞: 農(nóng)作物秸稈;螺桿擠壓;膨化試驗;膨化機理
The Experimental Research on Stem Squeezing Expansion Machine
Abstract：The technology of forage expansion is a forage processing technology that develops fast in near 20 years. The expanded forage has not only advantages of currently grain diet, but also can improve digestion rate of animal, so prevent animal disease, develop forage resources. The experiment on stem squeezing expansion machine improved the physical and chemical indexes, and it provided the condition for intensive feeding chicken, pig and so on.
Key words：agricultural engineering; single screw squeezing expansion machine; experiment; screw pitch; stem ；shatter granularity
秸稈擠壓膨化機的試驗研究
摘 要：飼料膨化技術是近 20 年來發(fā)展最為迅速的一項飼料加工技術。膨化飼料除具有一般全價顆粒料的優(yōu)點外，還具有提高飼喂動物的消化吸收率、有效預防動物疾病、拓展飼料資源等優(yōu)點。為此，通過對秸稈擠壓膨化機的試驗，改善了秸稈的理化指標，從而為集約化利用秸稈飼喂雞、豬等單胃動物提供了條件。
關鍵詞：農(nóng)業(yè)工程；單螺桿擠壓膨化機；試驗；螺桿螺距；秸稈粉碎粒度
- 1 - 1 秸稈 飼料的擠壓膨化技術 稈 飼料的加工 及 處理 方法 秸稈 飼料是指在飼料干物質(zhì)中 秸稈 含量大于或等于 18%，并以風干物形式飼喂的飼料。該類飼料的營養(yǎng)價值通常較其他類別的飼料為低，其消化能含量一般不超過 卡 /千克，有機物質(zhì)消化率通常在 65%以下，其主要的化學成分是木質(zhì)化和非木質(zhì)化的纖維素、半纖維素。因此它是反芻動物的主要基礎飼料，通常在反芻動物日糧中可占有較大的比重。而且，這類飼料來源廣、資源豐富，營養(yǎng)品質(zhì)因來源和種類的不同差異較大，是一類有待開發(fā)和科學合理利用的重要飼料資源，特別是在全國各地大力 提倡發(fā)展草食家畜的今天更顯出其重要性。這類飼料主要包括栽培牧草干草、野干草和農(nóng)作物秸稈，此外，也包括秕殼、莢殼、藤蔓和一些非常規(guī)飼料資源如樹葉類、竹筍殼、糟渣等。 理處理 物理處理主要是通過加工方法改變粗飼料的形狀，但不改變粗飼料的化學性質(zhì)。物理處理主要包括以下方法： 械加工 如鍘切、揉碎和粉碎。這是粗飼料加工最簡便而常用的方法，通過該加工處理后，便于動物咀嚼，提高采食量，并減少秸桿浪費；但該加工處理對粗飼料消化率沒有明顯的提高作用，若粉碎過細，還會降低消化率。生產(chǎn) 實踐中一般將秸桿鍘切至 3米長即可，不提倡粉碎處理。 加工 如蒸煮、膨化等。蒸煮可軟化粗飼料，提高其適口性和采食量 。膨化是利用高壓水蒸氣處理后突然降壓以破壞纖維結(jié)果的方法，對秸稈甚至木材都有效果。研究發(fā)現(xiàn)，膨化處理除了物理效果外，也有化學效果，因此在適宜條件下膨化處理后，對秸稈消化率的改進幅度較大。 他處理 如成型加工、輻射處理等。通過特定的加工機械 ，將粗飼料壓制成顆粒狀或小塊狀，可提高粗飼料密度，有利于粗飼料特別是秸稈類飼料的貯存和運輸，并改善適口 性和可消化性，減少飼料過程中的浪費。通過輻射處理可增加粗飼料中的水溶性成分，提高粗飼料消化率，但輻射處理難以進入實用化。 學處理 化學處理的效果常優(yōu)于單純的物理性處理，而且所需的設備投資和處理成本一般比物理性處理低。化學處理中最常用且有效的方法是堿化處理 、氨化處理和氨 /堿復合處理，他們都能有效地提高秸稈飼料的采食量和消化率。 用液化氨、尿素和碳酸氫氨等物質(zhì)處理各種素飼料，其釋放出的氨具有堿化、氨化 - 2 - 等作用，可破壞粗飼料的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)，改善粗飼料的營養(yǎng)價值。 主要是利用堿性物質(zhì)破壞粗飼料內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu)，起到提高低質(zhì)粗飼料消化率的作用，目前主要有氫氧化鈉處理和石灰處理兩種。氫氧化鈉處理效果較好，但處理成本相對較高，切環(huán)境污染的風險較大；石灰處理的成本較低，且環(huán)境的風險較小，但處理效果比氫氧化鈉處理要差。 堿復合處理 通過氨 /堿復合處理，可以彌補氨化處理中粗飼料消化率提高幅度不大的缺點。當然這種處理的成本要大于單一處理。 物學處理 生物學方法是通過微生物和酶的作用，使粗飼料纖維部分降解，以改善適口性、消化率和營 養(yǎng)價值，生產(chǎn)時間中主要采用青貯、酶解和發(fā)酵三種方式。 貯 是利用乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)生酸性條件，抑制或殺死各種有害微生物，從而起到保存青綠飼料和青綠秸稈的方法。含糖分較高的青綠飼料和玉米秸容易青貯成功，但低質(zhì)的稻草、麥秸等秸稈類飼料則難以青貯。 解處理 是將纖維素、半纖維素分解酶溶于水中，再噴灑于秸稈上，以提高其消化率的方法，但因處理成本較高，目前難以付諸實用。 生物處理 是通過有益微生物的發(fā)酵作用，降解低質(zhì)粗飼料中的木質(zhì)纖維，軟化秸稈，改善適口 性，從而提高其消化率的方法。秸稈微貯就是微生物處理技術之一。 化飼料的特點 料原料經(jīng)過高溫、高壓處理后，其淀粉糊化，蛋白質(zhì)變性，因而提高了飼料的消化率和適應性。 重小，能浮在水面上一定時間不沉不散，因而能減少水質(zhì)污染和飼料損失。 殺菌作用，可減少動物疾病。而且其含水量低，在貯運中不易變質(zhì)。 且能耗較大，加工成本較高。 化方法和原理 膨化是對物料進行高溫高壓處理、 減壓，利用水分瞬時蒸發(fā)或物料本身的膨脹特性使物料的默寫理化性能改變的一種加工技術。產(chǎn)生膨化的條件是溫度、壓力和水分，三者缺一不可。廣義上的膨化可分為兩種，即擠壓膨化和氣體熱壓膨化。前者是當物料 - 3 - 受到高溫高壓的作用，使其中水分變成過熱的水蒸汽，并在瞬間得到釋放。由高壓 變常壓物料失水膨脹，這就是擠壓膨化的基本原理，后者是在密封容器里對物料施以高溫高壓蒸汽處理，然后減壓。從目前膨化技術的推廣應用來看，絕大部分是擠壓膨化。 根據(jù)處理原料水分的高低，擠壓膨化可分為干法擠壓膨化和濕法擠壓膨化。干法積壓膨化的原理是在擠壓處 理過程中，利用磨檫產(chǎn)生的熱量使物料升溫，在擠壓螺旋的作用下，強迫物料通過?？?，同時獲得一定壓力，物料擠出?？缀?，壓力急劇下降，水分蒸發(fā)，物料內(nèi)部形成多孔結(jié)構(gòu)，體積增大，從而達到膨化的目的。整個處理過程的水分一般為 15%濕法擠壓膨化的原理與干法擠壓膨化相同，但在擠壓過程中要加水，加蒸汽，其水分達 20%。甚至 30%以上，物料的升溫是靠蒸汽加入來達到的。 化對飼料中營養(yǎng)成分的影響 白質(zhì) 由于瞬間高溫加工，將蛋白質(zhì)的次級鍵分解，使氨基酸的利用價值提高，并增加蛋白質(zhì)消化率，在處理高品 質(zhì)蛋白時，更顯其重要性。同時膨化腔內(nèi)高溫、高壓也可鈍化象抗胰蛋白酶因子的抗營養(yǎng)因子和其它有害酵素，卻不會破壞氨基酸。 再者，對反芻動物而言。由于膨化加工過的產(chǎn)品，非降解蛋白增加，使動物的小腸能有效地吸收消化蛋白質(zhì)，改善其生產(chǎn)能力。 粉 淀粉通過膨化腔加工時，產(chǎn)生膠化，當物料被噴出機腔時，由于外界的溫度、壓力驟然下降，此時蛋粉迅速產(chǎn)生膨化作用，提高了淀粉的消化率。 肪 膨化機內(nèi)特殊的摩擦、剪切作用使油細胞破壞，增加油脂 消化率及提高熱能值。 維 纖維受機腔內(nèi)的摩擦、剪切 ，纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，使可消化纖維含量增加。 口性 膨化加工過的產(chǎn)品，適口性極佳，因為：淀粉被分解成具甜味、較小的成分；原料中有些特殊的氣味，會隨高溫加工蒸發(fā)；原料質(zhì)地改善。 ] 壓膨化的作用 及目的 用 粉的變化 膨化可使淀粉顆粒膨脹，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而形成一種膠態(tài)的凝膠體，即糊化。糊 - 4 - 化后可以大量吸水膨脹，增加淀粉與消化酶接觸的機會，提高消化率。 白質(zhì)的變化 在擠壓膨化中，在高溫高壓和內(nèi)剪切力的作用下，蛋白質(zhì)的三級、四級結(jié)構(gòu)被改變而變 性，蛋白質(zhì)分子的伸展，可以更有效地提高蛋白質(zhì)的消化率。 害物質(zhì)和有害微生物的消除 許多研究表明，膨化可有效地大豆胰蛋白酶抑制因子，能顯著降低棉粕中的芥子、蓖麻籽粕中的毒蛋白、變應原等，亦具有較好的脫毒效果。膨化還可以大量殺滅飼料中的微生物。 稈 的變化 秸稈 的含量與營養(yǎng)物質(zhì)消化率之間負相關，而膨化可在一定程度上改變 秸稈 的物理結(jié)構(gòu)。 脂肪的影響 擠壓膨化可使飼料中的脂肪酶失活，從而降低脂肪酸敗的程度，提高了飼料的貯藏性能，此外在擠壓膨化過程中， 游離脂肪酸含量有所提高，提高了脂肪的消化。 維生素的影響 由于擠壓過程的高溫、高壓及水分作用，會使飼料中的熱敏性維生素發(fā)生不同程度的損壞。 的： 化 飼料在 10需的溫度視原料的不同而定，一般在 120℃到 175℃不等。膨化機的熟化功能，基本上與破壞谷物中抑制生長因子有關。此機器可在極短的時間內(nèi)，于無氧的狀態(tài)下完成加工，有助于保存蛋白質(zhì)、能量和維生素，也能降低產(chǎn)品因氧化而褐化的反應，熟化還能提高產(chǎn)品的消化率和適口性。 菌 、去毒 膨化機工作時所產(chǎn)生的高溫高壓可有效抑制沙門氏菌、酵母和其他有害物質(zhì)。 化 原料在連續(xù)的高壓、熟化后，突然降低壓力可造成淀粉細胞膠質(zhì)化、油細胞的破裂。 合、研磨 物料大部分在擠出前已先行做過粗粉碎和預混，而膨化腔內(nèi)螺桿的摩擦、剪切作用將物料再做進一步的混合、粉碎，有助于最終產(chǎn)品的均勻化。 水 對于某些高含水率物料（含水 50%以上），其含水量會隨腔內(nèi)高溫蒸發(fā)，對于存儲非常有益。 定性 膨化腔內(nèi)的高溫、高壓可鈍化物料 中引起腐敗的酵素，免于在短期內(nèi)造成米糠或其他物質(zhì)中營養(yǎng)成分的迅速破壞，增加產(chǎn)品穩(wěn)定性。 - 5 - 內(nèi)外擠壓膨化技術的發(fā)展 外情況 膨化機國外稱 ，最早關于擠壓加工記載是在 1797 年，當時 項發(fā)明后來被食品工業(yè)應用與制作通心面。 1856年美國沃德就發(fā)表了有關食品的第一分專利， 1959 年出現(xiàn)了第一臺擠壓式膨化機。 20世紀 30 年代中期，有人用成型擠壓機將粗面粉與水回合制作面條。 1936 年第一臺應用與谷物加工的單螺桿擠壓蒸煮機問世，并取得成 功。 20世 紀 30年代后期 究了嚙合同向轉(zhuǎn)動雙螺桿擠壓機，用這種擠壓機不加溶劑即可混合纖維素。 20 世紀 40 年代中后期，用單螺桿擠壓機規(guī)模性地生產(chǎn)了最早的擠壓食品 —— 玉米片。 50年代，美國首先把擠壓膨化技術應用與飼料工業(yè)，主要用于加工寵物食品及動物飼料預處理，到現(xiàn)在美國已有幾百個食品膨化技術和設備專利。 1968年日本明治制果公司才開始發(fā)展膨化食品。 目前，德國、法國、英國、瑞士等國家都很重視這方面的研究。美國的 司、溫格爾公司、日本的上 田鐵工所、大山鐵工所都是膨化機的專業(yè)生產(chǎn)廠，可生產(chǎn) 40種以上的膨化產(chǎn)品。西德的蘭明公司的擠壓膨化機可加工水分較高的飼料配方，飼料通入 4汽，溫度可達 85℃，水分 25入機推進，擠壓溫度上升到110力達 3010 20世紀 70年代前期 天在食品工業(yè)中應用膨化技術已能生產(chǎn)各種各樣的食品。諸如：各種餅干， 糖果等。而且膨化技術在飼料工業(yè)中的應用也越來越廣泛。 日本在膨化技術方面也取得了重大的進步，早在第二次世界大戰(zhàn)期間，就用膨化技術加工米，麥，再經(jīng)過壓制成一定形狀，可放置 5為備用的軍糧。日本 1968 年開始生產(chǎn)膨化食品， 1975 年膨化食品銷售額為 1050 億日元。 1978年超過 2200億日元，巧克力銷售額為 2000 億日元，比巧克力的銷售額還大，說明膨化食品的發(fā)展是相當迅速的。根據(jù) 1977年的統(tǒng)計，日本生產(chǎn)膨化食品量為 合人民幣 10 億元。 1970 年以后日本開始生產(chǎn)膨化飼料用于 飼養(yǎng)家畜和魚蝦。膨化飼料成品比一般的顆粒飼料成本高二倍。因此只用于魚類迅速生長的階段。 內(nèi)情況 在國內(nèi)，膨脹加工自 20世紀 50年代開始應用于食品行業(yè)， 60年代初在 飼料行業(yè)中有少量應用。隨著膨化加工設備的不斷改進和加工工藝的日益完善，膨化產(chǎn)品的質(zhì)量得以提高，成本得以降低，因而膨化技術也有突飛猛進的發(fā)展。 1975年擠壓式膨化技術傳入我國，食品與水產(chǎn)兩個行業(yè)開始研制。上海中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所先后與有關單位協(xié)作研制了多種外加溫長螺桿型膨化機。寧夏自治區(qū)水產(chǎn)實驗廠又與寧夏柴油機廠協(xié)作研制 了多種自熱式長螺桿型膨化機。在 70年代還有幾個單位研制了膨化顆粒飼料機，絕大部分是外加溫長螺桿型。如上海新涇公社農(nóng)業(yè)機械廠、蕪湖市漁業(yè)機械廠，吳縣漁業(yè)機械廠，松江余山漁業(yè)機械廠等。因為機械性能不穩(wěn)定或欠安全，未 - 6 - 能在生產(chǎn)上推廣使用。關于畜牧飼料膨化， 我國于 80 年代開始逐漸研究。 1986 年內(nèi)蒙農(nóng)牧業(yè)研究所對飼料麥桿采用罐式膨化機進行膨化， 并進行了部級鑒定，沈陽 農(nóng)牧業(yè)機械研究所和沈陽農(nóng)業(yè)大學對稻殼膨化機都分別做了研究和試制，前者為大型后者為小型，都初步進行了推廣和應用。為了開發(fā)新飼料來源， 80年代初，我國各地開始 研制綜合加工禽類混合飼料的膨化機，除能正常膨化精料外，還能加工比較粗的混合飼料。殺菌、造粒和部分脫水一步化，開創(chuàng)擠壓膨化機的新天地。 在最近十年里，膨化飼料已廣泛的應用于畜禽，魚類以及觀賞動物的飼料行業(yè)中。一些大型的中外合資飼料加工廠，由于在生產(chǎn)中使用了膨脹器，他們的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，有的企業(yè)膨脹飼料以占整個產(chǎn)品的 60%以上。 化機的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 化機的現(xiàn)狀 膨化機由傳動裝置、喂料裝置、擠壓部件及切割等附屬裝置組成的機器。其中擠壓部件主要包括擠壓套筒、螺桿 及噴嘴 三部分。傳動裝 置一般采用皮帶輪來傳遞扭矩及功率。喂料裝置包括料斗、電磁震動給料器。也有采用螺旋輸送機的、干法單螺桿擠壓膨化機和濕法雙螺桿擠壓膨化機。干法雙螺桿擠壓膨化機很少生產(chǎn)。但螺桿擠壓膨化機操作簡單、投資少，應用比較廣泛。目前已有許多膨化機可供選擇。國內(nèi)比較成功的有北京建中機器廠生產(chǎn)的 蘇牧羊集團的 武漢商業(yè)機械廠的 中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院 蘇正昌集團公司生產(chǎn)的正昌 膨化機。其中武漢商業(yè)機械 廠的昌 加工與營養(yǎng)的關系越來越引起人們的注意，以膨化為代表的新一代飼料加工工藝將在本世紀扮演著重要的角色，膨化加工在未來的水產(chǎn)生產(chǎn)應用中將發(fā)揮更大的作用 ，它將保證我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的持續(xù)發(fā)展。 展趨勢 擠壓膨化技術正在日益廣泛應用于飼料工業(yè)。綜合國外發(fā)展趨勢及國內(nèi)發(fā)展狀況，擠壓技術有以下發(fā)展趨勢： 制并開發(fā)多功能，大功率的擠壓設備 目前國內(nèi)擠壓設備的特點是功率簡單，應用范圍窄，功率一般不超過 110生產(chǎn)能力不大，而在國外最大功率可達 360干法和濕法擠壓機的操作和控制十分不穩(wěn)定，其應用受到限制，目前很多單位都在致力于這方面的研究。 視擠壓膨化技術研究 國外擠壓膨化技術已廣泛應用于食品，寵物飼料 、浮性和沉性魚飼料、雞豬飼料等方面，響應的技術也比較成熟。在美國， 1990年的擠壓膨化加工產(chǎn)量是 1983年的 5倍，而應用于飼料的范圍窄。一般僅用于大豆的擠壓膨化。對其他原料的處理還未推廣，因此發(fā)展?jié)摿艽蟆ｋS著飼料工業(yè)的發(fā)展及人民生活水平的提高，對飼料擠壓膨化的需求會越來越大，擠壓膨化技 術的研究將變的越來越好。 - 7 - 本膨化機用于 秸稈 飼料的生產(chǎn)，屬于小型膨化機，適用于個體戶和小型企業(yè)進行飼料生產(chǎn)。該膨化機的主要特點：造價低，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。該機主要由電 動 機、傳動裝置、擠壓膨化裝置和機架四個部分組成。 如圖 2 圖 2化機結(jié)構(gòu)簡圖 1. 傳動裝置 電動機選用普通三相異步電動機，動力傳動部分選用 工方便，成本較低，運行時平穩(wěn)，無噪音，并且過載時皮帶打滑，有利于保護電機不致燒壞。 螺桿是膨化裝置中重要的部件之一，它不僅 決定膨化機熟化和糊化功能的強度，而且還決定最終成品的質(zhì)量，因此，螺桿是我主要設計的部件。不同的螺桿有不同的擠壓膨化功能。而螺桿的功能決定于螺桿的設計參數(shù)，螺桿的主要設計參數(shù)主要有長度、直徑 、螺棱的厚和高等。在膨化加工中，要使膨化腔中產(chǎn)生高壓、高溫，物料向前推進受到擠壓和剪切，要使物料更好的膨化，常采用變螺桿根徑、變螺距螺桿。本次設計采用變根徑等螺距螺桿。 套筒包在螺桿外面，為易磨損件。本次設計的為小型膨化機，整體尺寸較小，采用整體式結(jié)構(gòu)即可。為了增加物料的剪切、摩擦作用，套筒內(nèi)壁開有直線型溝槽。螺桿與套筒的 間距保持最小程度，以達到擠壓剪切的目的，并減少漏流。 噴嘴 的設計尤為重要， 螺桿與噴頭之間的間隙是影響膨化壓力的主要因素之一。 噴嘴 有兩個功能：一是產(chǎn)生阻力，形成壓力和壓力流；二是使膨化物最后成型。 按照總體設計原則要求 ，綜合考慮影響粗飼料膨化效果的因素，設計膨化機。下圖所示為此次設計 小型 秸稈 飼料擠壓膨化機 工作原理簡圖 ， 該機 主要由螺桿、套筒、噴嘴等部件組成。工作時，螺桿在固定套筒內(nèi)轉(zhuǎn)動，噴嘴不動，阻止物料前進，增加擠壓腔內(nèi)的壓力，螺桿頭部為錐體，它與噴嘴間有間隙，物料在其表面上流過，進一步增大壓力。物料由料斗喂 入后，經(jīng)旋轉(zhuǎn)的螺桿連續(xù)輸送，在運行的過程中，受到螺桿與套筒之間、物料與物料之間的摩擦和剪切作用而產(chǎn)生熱量，使物料中的水分在很短時間內(nèi)變成過熱水蒸汽，在擠壓腔內(nèi)形成高壓，物料在高溫高壓作用下產(chǎn)生糊化，然后由噴嘴口噴 - 8 - 出，形成膨化物。 圖 2化機工作原理圖 物料在擠壓腔內(nèi)需經(jīng)三個階段的變化。第一階段為輸送段，物料在輸送過程中，處于相對自由流動的松散狀態(tài)，由于螺桿與套筒的間隙較大，物料內(nèi)的剪切力很小，甚至沒有， 螺桿對物料除了輸送之外，還兼有攪拌作用，擠壓腔內(nèi)溫度略有上升，壓力與物料的理化特性基本不變。第二階段為擠壓段，當物料進入擠壓段時，體積減小，充滿于螺旋溝槽內(nèi)，物料受到壓縮，剪切力增大。擠壓腔內(nèi)溫度和壓力上升，物料開始細膩糊化。第三階段為增壓段，物料進入錐體壓力室，溫度和壓力急劇上升，并在該段的末端達到最大值，然后由噴嘴口噴出，物料驟然變?yōu)槌?，游離水分在此壓差下急劇汽化，物料體積膨大，成為膨化物。 以上就是此膨化機的總體設計方案。指導思想：在滿足技術要求及結(jié)構(gòu)合理的條件下，減少附屬件，降低生產(chǎn)成本，使其結(jié)構(gòu) 簡單，使用方便。 - 9 - 3 傳動系統(tǒng)的設計及校核 機 的選擇 本次設計的 秸稈 飼料膨化機采用單螺桿擠壓膨化裝置，已知 秸稈 飼料膨化機的生產(chǎn)率為 50～ 80kg/h，根據(jù)設計要求，初步選定主軸轉(zhuǎn)速為 450r/忽略化學變化能量和物料動能增量的前提下，電動機功率按下式計算： N= ? ( ??? N—— 主電機功率， K—— 電機功率儲備系數(shù)，取 10%； C—— 飼料比熱， 估算時取 T? —— 飼料在機筒內(nèi)的溫升， T? =140° =120°； E—— 膨化機的生產(chǎn)率， kg/s， E= ? —— 機械傳動效率，在本膨化機中，從電機到主軸只有一級 ? = 計算得： N=本次設計的膨化機為功率不 太大機械，所以選 系列三相交流異步電動機（具有結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，維護方便等優(yōu)點）。 主要技術參數(shù)： 額定功率： 載能力： 機轉(zhuǎn)速： 1440r/心高： 132 以下 傳動系統(tǒng)設計中引用的公式、圖、表均來自高等教育出版社《機械設計》，以下不再說明。 帶 傳動 的 設計 在電機與主軸之間采用帶輪傳動，因為帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單，傳動平穩(wěn)，造價低廉等特點。 定 計算功率 p ，并考慮到載荷性質(zhì)和每天運轉(zhuǎn)時間時間長短等因素影響而確定的，即： k 計算功率， p —— 傳遞的額定功率， ?k—— 工作情況系數(shù)，根據(jù)表 8?k=- 10 - 計算得： 選擇帶型 根據(jù)計算功率n 由圖 8帶。 定帶輪的基準直徑 選小帶輪的基準直徑1據(jù) 考表 8為提高 取較大直徑10算帶的速度 v 根據(jù)公式 v=100060?計算帶的速度，并應使 v≤ 于窄 V帶 5～ 40m/s。如 v>心力過大，皮帶容易打滑。如 表示所選1使所需的有效拉力所需帶的根數(shù) 是帶輪的寬度、軸的直徑及軸承尺寸都要隨之增大。 V=100060 144090???≈ ?0??f 為滯留系數(shù)，可用 f??示， 2.1?f 以上， ? 為滯留角，將各參數(shù)帶入F，則得 ? ?? 即 ?? c 由此可推斷 ?? 0 ??? ，也就是說 ?? ???90 ，可得 ?? ??? 90 根據(jù)經(jīng)驗得知一般 ? 角取值均在 ?45 以上 所以 ? 角必小于 ?45 ，而在谷物膨化過程中 ? 角選 ?20 左右，因此在本設計中選為 ?17 。如果 ? 過大，則物料不能前進，無法使物料膨化， 另一方面，若 ? 角過大，會使機械效率降低，影響產(chǎn)量。 - 22 - 圖 4嘴受力分析 筒和加料口結(jié)構(gòu)設計 筒的基本參數(shù) 套筒和螺桿共同組成了擠壓膨化機的擠壓系統(tǒng)，完成對物料的固體輸送，熔融和定壓定量輸送作用。在設計套同時，要考慮到套筒結(jié)構(gòu)形式的選擇，套筒上的加料形式，套筒和機頭的聯(lián)接方式以及套筒機械加工制造的難易程度。 本次設計套筒選用整體式，該套筒在加工精度和裝配精度上容易得到保證（特別是螺桿和套筒的同軸度要求），結(jié)構(gòu)簡單 。 根據(jù)擠壓時物料受力和運動 分析，機筒內(nèi)壁對物料的摩擦力，是螺桿推動物料作軸向移動的一個重要條件，增加這個摩擦力，不僅可提高輸送能力，而且增加了對物料的剪切、攪拌作用，減小擠壓物料沿套筒內(nèi)壁的滑動，因此在內(nèi)壁面上開有若干的溝槽，溝槽的形式有兩種，即為直槽和螺旋槽。根據(jù)本設計的實際情況，在本機套筒內(nèi)壁開縱向矩形溝槽。溝槽的寬度一般應該大于物料顆粒的最大尺寸，否則物料易于夾在槽內(nèi)，不易清理，同時它還與套筒內(nèi)徑的大小有關，根據(jù)經(jīng)驗取槽寬 同時螺桿的螺棱頂面與錐套筒凹槽底面之間的距離一般認為不應該 大 于 被加工物料顆粒的尺寸，本機膨化 秸稈 飼料所以取 槽深 膨化質(zhì)量的好壞，關鍵是腔內(nèi)壓力和溫度，而螺桿，套筒之間的間隙決定了壓力的大小。根據(jù)經(jīng)驗套筒的長度取 52～ 倍的套筒內(nèi)徑，由于螺桿的外徑為 螺桿與套筒間隙為 所以套筒內(nèi)徑取 再結(jié)合螺桿長度，取套筒長度為 軸向凹槽的數(shù)量與套筒內(nèi)徑的大小有關，根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，凹槽數(shù)量取 6 條。 圖 4體式套筒 - 23 - 料口的設計 加工不同形態(tài)的物料應采用相應結(jié)構(gòu)的喂料口，以利于物料連續(xù)喂入旋轉(zhuǎn)。 加料口的結(jié)構(gòu)形式也有很多種，圖 4其中較為典型的形式：（ a） 類主要用于帶狀料的加料口，而不宜于粒料和粉料。（ c） 和（ e）類形狀簡單，加工方便，適用于顆粒狀物料，因此在 檢疫式擠壓機上用的較多。（ b） 、 (d)、（ f） 三種類型用得較多，其中（ b）類右口壁傾斜角一般為 ?? 157 ～ 或稍大于此值，有時其左口壁也設置一傾角。（ d）和 (f)類加料口的左壁設計成垂直面，但向中心線方向偏移約 ?45 。實踐證明（ d）和 (f)兩類加料口不論對粉料、粒料和帶狀料都能很好的適應，因此本膨化機中選用（ d） 加料口。加料口的形狀為矩形，其長邊平行于軸線為 短邊為 圖 4料口斷面形狀 - 24 - 5 零 件的校核 核軸承 根據(jù)粗飼料膨化 機的結(jié)構(gòu)，決定采用兩個深溝球軸承和一個推力球軸承。作用于深溝球軸承上的徑向力主要是皮帶輪的壓力，作用于推力球軸承上的軸向力是壓力室的膨化壓力。由前面的計算可以得到兩個深溝球軸承 6307 所受的力 1R ，2R ，推力球軸承 51307 所受的力為 z 7 4 2 91 4 0 06 0 2 921 ????? 。因為兩個深溝球軸承主要承受徑向力，而推力球軸承主要承受軸向力，所 以對三個軸承只需進行壽命計算。 軸承的壽命計算公式： ?)(6010610 t? 式中： P —— 當量動載荷， N ? —— 壽命指數(shù)。深溝球軸承， 3?? ； n —— 軸承轉(zhuǎn)速， r ， c —— 基本額定動載荷 ，深溝球軸承 6307的 3400? ，推力球軸承 51407的6800? ； 溫度系數(shù)， 秸稈 飼料膨化機工作溫度為 ?140 ，查《機械設計》表 1392.0? 靠近螺桿一側(cè)深溝球軸承 6307的使用壽命： 3610 0 53 3 4 0 0 ????? 靠近大帶輪一側(cè)深溝球軸承 6307的使用壽命： 3610 2 23 3 4 0 0 ????? 推力球軸承 51407的使用壽命： 3610 4 2 98 6 8 0 0 ????? 軸承的預期使用壽命為 500012000'10 ～?'1010 所以選用的軸承能夠達到預期的使用壽命，是完全適用的。 栓的校核 螺栓的計算主要是前蓋和后蓋螺栓連接的計算，因為膨化機前蓋和 后蓋主要承受 - 25 - 的是軸向壓力，所以螺栓主要承受軸向力。前蓋和后蓋都分別用六個公稱直徑為 栓連接。 前蓋每個螺栓承受的工作載荷為： 1 6 164 8 622 ?? ????? ?? 后蓋每個螺栓承受的工作載荷為： 123867429' ??? 從上面的計算可知：后蓋螺栓的工作拉力稍大于前蓋螺栓的工作拉力，所以只需校核后蓋螺栓的強度。 這些螺栓為緊密聯(lián)接，其殘余預緊力為： ' ～? 取 ???? 螺栓的總拉力為： 6 2 81 2 3 8"'0 ?????螺栓所受的拉應力： 6 ????????螺栓的許用拉應力： ?][ 式中：s?—— 屈服強度極限，； s —— 安全系數(shù)， ?s ，取 5.1?s ； ][ ???][??? 所選螺栓滿足強度要求。 的校核 鍵的擠壓強度條件： k [42 ?? ???式中： d —— 軸的直徑，本膨化機中有兩處鍵聯(lián)接，一個是螺桿和傳動軸聯(lián)接處，6? ，另一個是大皮帶輪和傳動軸聯(lián)接處， 0? ； h —— 鍵的高度， ? ， ? l —— 鍵的工作長度， ， 0? ， 62 ?? ； T —— 轉(zhuǎn)矩， ， ? 108940 ][p?—— 許用剪切應力，150120][ ～?p? 螺桿和傳動軸聯(lián)接處的鍵所受的擠壓應力為： - 26 - 0894044 ???????][? ?從動輪和傳動軸聯(lián)接處的 對稱 鍵所受的擠壓應力為： 0894044 ????????][? ?所以鍵滿足強度要求。 - 27 - 6 結(jié)論 本文分析了 秸稈 膨化機的工作原理，確定了總體設計原則。 秸稈 膨化機結(jié)構(gòu)參數(shù)為：變根徑螺桿外徑 長度 螺距 套筒外徑 內(nèi)徑 噴嘴噴出間隙 螺桿轉(zhuǎn)速為 50 r ，膨化溫度約為 ?? 140120 ～ ， 本 文 設計的 膨化機 結(jié)構(gòu)簡單、操作方便 和便于維修 ，特別適于在中小型鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)和農(nóng)村個體戶使用。 - 28 - 參考文獻 [1]唐金松 上?？茖W技術出版社， 2000 [2]葛志琪 冶金工業(yè)出版社， 1982. 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