双螺杆挤压设备的特征及应用

Ｖ０１．ｔ４，２００７，Ｎｏ．５

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粮油装备与自动控制

双螺杆挤压设备的特征及应用

马亮１，王新文１，秦永林１，张森和２１．江苏牧羊集团

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２．安徽滁州正大有限会司（滁州

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摘要：针对如何选择一台适合于食品企业自身的双螺杆挤压机，从双螺杆挤压设备的特征与应用等方面进行了探讨。

关键词：双螺杆；挤压设备；性能中图分类号：ＴＱ０５１．９３

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２—５０２６（２００７）０５—００３５—０４

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２．ＡｎｈｕｉＣｈｕｚｈｏｕＺｈｅｎｇｄａＣｏ．Ｌｔｄ．（Ｃｈｕｚｈｏｕ

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双螺杆挤压机与单螺杆挤压机相比，有着不可比拟的优势，它具有加工范围广、熟化度高、白清洁能力强、操作控制稳定等优点。现在在早餐谷物、组织蛋白、膨化米粉、休闲食品等膨化产品的加工中，众多企业更倾向于使用双螺杆挤压机。

目前，市场上双螺杆挤压机的类型很多，其性能差异较大。如何选择一台适合于食品企业自身的双螺杆挤压机呢？我们从双螺杆挤压设备的结构组成与应用进行了探讨，以期为食品生产厂家提供参考。

了很大幅度的提升，挤压机的一个重要的性能指标——吨料电耗量与最初的挤压机相比已有大幅下降。分析原因，其中一个重要的因素就是调质技术的应用。

膨化产品在先调质后挤压最后烘干的工艺流程中，研究各种能量对膨化产品的作用比例。首先，粉碎至一定细度（９８％过８０目）的淀粉含量在２０％以上的物料在调质器中进行预调质３～３．５ｍｉｎ，调质温度９５℃，经调质后物料水分达到２６％，保证物料达到完全的水合程度；调质后使用双螺杆挤压机进行挤压膨化，物料在挤压机中停留时间２５Ｓ，模板前的物料压力为３

９００

１调质设备的作用和种类

１．１调质设备的作用

１．１．１提高挤压机的生产能力

ｋＰａ，间时保持１３５℃的温度；

物料进入烘干设备烘干至水分为９％ｌ“。在这一个过程中产品在各个工段得到的能量作用大致如图１。

从图１中可以看出，物料在调质器中得到的能量达到占总能量的５０％。没有调质器的发展，今天就难以造出大产量的挤压机。调质器通过蒸汽提高

调质设备是高性能双螺杆挤压机系统中必不可

少的配置。从２０世纪３０年代第一台挤压机用于膨化玉米以来，随着挤压技术的发展，挤压机的产量有

收稿日期：２００７０６—１６修回日期：２００７—０７—０５作者简介：马亮，男，１９７６年出生，工程师，从事食品加工设备的研究设计工作。

物料温度，软化物料。降低物料摩擦阻力，由此降低挤压能耗，提高产量．提升挤压机运行的平稳性，延

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万方数据

粮油装备与自动控制

图１膨化产品能量的输入

长挤压机各部件的使用寿命。１．１．２提升挤压机加工产品的品质

物料的熟化主要在调质设备和挤压机中完成，调质设备中物料的熟化主要与水分、温度和时间有关，而对于挤压机，物料的熟化程度主要依赖于在挤压腔内部的剪切程度。在调质与挤压中，逮４种因素相互影响，共同促进物料的熟化。

可以简单地把物料熟化过程分为两种：一为弱调质、高剪切；二为强调质、低剪切。Ｇａｌｅｎ

Ｒｏｋｅｙ

曾对这两种不同加工工艺的膨化产品作出比较，其使用的原料为玉米片。结果发现前者使物料过度的剪切，产品焦昧与苦味特征偏高，而后者的加工方式较温和，其产品基质较佳，从感官评估和物理结构分

析都优于前者［２］。因此，配置性能优越的调质设备

能提升产品的品质。１．２调质设备的特征

对挤压机来说物料在调质器中进行调质就是对物料进行预熟化，而熟化的程度是衡量一台调质器性能的重要指标，在熟化的过程中同时要考虑到物料熟化程度的均一性。

在调质器中物料的调质过程可以简单看作是一个蒸煮过程，蒸煮程度的主要指标是淀粉的糊化程度及淀粉的糊化度，淀粉的糊化度主要通过时间、温度及水分来保证。在调质过程中温度和水分可以根据实际情况进行调节，而调质时间是一个固有困素，调质时闻的长短也是衡量一台调质设备性能的重要指标。

调质设备在物料调质过程中与水和蒸汽的水台能力是衡量一台调质器性能的另一项重要指标。即物料在调质过程中能和水及蒸汽进行充分的吸收及渗透，在一些有着特别要求的场合，如需要在调质器中添加其它液体或粉体，则需要调质设备具有使物料与被添加物混合均匀的能力。

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万方数据

马亮等：双螺杆挤压设备的特征及应用

一台性能优庭的凋质器还应该具备先进先出的特点，通过先进先出可以保证物料在调质过程中的均一性。另外，优良的凋质器还应该具备便于操作、便于清理、残留量小和电耗低等特征。１．３调质设备的种类１，３．１双轴差速调质器

双轴差速调质器的设计首先须符合物料在达到一定的湿度后再进行蒸汽调质的基本要求，即先加水后加蒸汽。同时要求蒸汽使用尽量远离出料口，

延长物料被蒸汽作用的时间，如图２所示。

围２物料在调质器筒内的位置

一般水被雾化后从壳体上方添加，蒸汽从下方添加。物料在调质机体内部堆积，在堆积位置处需要足够的混合搅拌强度来保证物料与水及蒸汽的渗透程度，同时需要合适的浆叶配置保证物料的先进先出。如图２中机体内部的深色区域表示调质器在正常运转过程中，突然停止运转后物料在机体内部堆积的程度，即为物料的充满度。

在实际应用中物料的充满度可以在４０％～６０％之问进行调整。使用该调质器进行调质时，当调质后水分达到１６％以上、调质时间为１８０ｓ时，物料中淀粉的糊化度可以达到４５％～５０％。图３表示双轴差速调质器调质时间与淀粉糊化度的关系。

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图３调质时间与物料糊化度的关系

物料预熟化能力达到４５％以上的调质设备配套

粮寅与食品工业

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双螺杆挤压机，对于早餐谷物、组织蛋白、米粉、休闲食品等绝大多数产品的加工来说已经能满足其要求。１．３．２高效调质器

高效调质器是另外一种符合食品行业配套双螺杆挤压机要求的调质设备，如江苏牧羊集团生产的ＳＩ，ＴＺ型高效调质器。该调质器经过大量试验，物料经调质后糊化度能达到５０％以上。

高效调质器将高速调质与保温均质分开，二者功能分工明确，效果明显。上筒是高速调质，使添加蒸汽、水能够充分与物料混合、渗透，提高调质效果；下筒是保温均质，使物料调质更均匀，利用其大容积、低速输送的特征保证足够的调质时间。

２双螺杆挤压机主机的结构

衡量一台双螺杆挤压机性能的主要指标是能否稳定地加工出品质均一、合格的膨化产品，以及单位产量、电耗量等指标是否优越。对于食品行业，品质均一的主要指标是要求膨化产品的容重控制在

±５

ｇ／Ｌ以内，膨化颗粒大小色泽一致，以及膨化颗

粒内部的气孔大小一致并分布均匀［３］。双螺杆挤压

机主机的特缸和膨化产品的品质有直接关系。

如图４所示，典型双螺杆主机主要由主电机、传动箱、控制系统、底座、挤压腔、出料模板和切割等组成。

１．主电机

２．传动箱

３．控制系统４．底座５．膨化腔及螺杆

６．出料装置

７．切割

固４典型双螺杆膨化主机

２．１主电机

为了提高挤压机的可控性以及增加产品的加工范围，一般双螺杆挤压机的主电机都配置可调速的变频电机。物料在挤压腔内所进行的剪切与摩擦是由挤压机的机械能提供的，机械能的大小由主电机的功率决定。

对＿『双螺杆挤压机，配置的主电机功率越大，受到的限制越多，如传动箱的限制、主轴强度的限制等。主要的原因是当双螺杆挤压机螺杆直径确定后，断根主轴之间的中心距会受到限制。对于传动

万方数据

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箱来说，当两个输出轴的的中心距受限制后，轴承的选择、输出轴直径的大小也会受到比较苛刻的约束；对于膨化腔内的主轴来说也同样如此，中一ｔＬ，距限制了主轴的最大直径，即限制了主轴最大转矩的提高。

对于大直径螺杆配置小功率的挤压机，会产生“大马拉小车”的现象，物料的膨化效果得不到保证，同时产量的提升也会受到限制。因此，国内外的双螺杆挤压机都在从挤压机的设计、材料的选择和加工工艺等方面寻求突破，尽可能配置大功率的电机。目前，国内外先进双螺杆挤压机不同螺杆直径配置主机功率情况如表１。

表１

目前国内外先进双螺杆挤压机不同螺杆直

径配置主机功率情况

螺杆直径功率序号

／ｋＷ

２．２挤压腔

膨化产品的品质主要由挤压腔决定，挤压腔主要由挤压筒体和挤压转子组成。２．２．１挤压筒体

挤压筒体有整体式和分段式两种。目前双螺杆挤压机一般都是采用分段式挤压简体，即把整个筒体纵向分为多段，每段筒体使用螺栓或抱箍紧固。

分段式筒体的优势是可以通过蒸汽加热的方式

对特定区域被挤压的物料传递足够的能量，或通过水冷却的方式带走特定区域被挤压物料的多余能量。这正符合挤压机加工工艺的要求，可以分别控制不同位置筒体的温度，而控制不同挤压区域物料温度是挤压过程控制中的一个关键控制点，它直接影响产品的膨化效果。另外，分段式简体也便于维修，当某段筒体内部磨损后，只需要更换该段筒体或更换该段筒体内部的耐磨件即可恢复使用。２．２．２挤压转子

挤压转子的旋转方式目前有两种：一是同向旋转，二是异向旋转。由于同向旋转挤压可以达到更高的转速ｊ得到较高的产最，同时更符合食品行业物料的特性．目前国内外食品行业应用的双螺杆挤压

机一般都采用同向旋转。

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１主轴２剪切快３螺旋件４紧定螺钉

图５组台式挤压转子

挤压转子的结构有组合式和整体式两种，目前先进的双螺杆挤压机都采用组台式挤压转子。挤压转子上螺旋件、剪切块的使用数量以及它们之间的排列决定了组合式挤压转子的剪切能力，这也更符合客户的使用及调整的要求。提供了一机多产品的要求，另一方面当膨化产品的品质及熟化程度有更高的要求时，可以通过调整螺旋件及剪切块得以保证。

不管是加工早餐谷物还是组织蛋白、膨化米粉、休闳食品等产品，要得到品质均一的膨化产品，使用长径比为２０：１左右的双螺杆挤压机是一个较好的选择，这样一个台适的挤压长度才能保证物料在膨化腔中有一个持续一定时间的熟化过程。同时，两轴上螺旋的啮合方式要求完全啮合，即两轴上相同位置螺杆的益面完全吻合，只有螺旋之间的间隙接近于０，使物料无法回流，确保物料在挤压腔中挤压、熟化的时间一致，才能得到颞粒均匀和品质均一的产品。３

喂料系统

物料连续喂送的稳定性是挤压机连续工作并生

产出稳定的商品质产品的前提条件。另外，对于配置了全自动控制系统的挤压机，其控制系统中的一个基

本参照数据就是物料的流量，系统中水、蒸汽及其它

液体添加量都以物料的流量为基准，因此，物料流量的稳定性直接影响到整个挤压机生产的稳定性。

目前常见的喂料方式主要有两种：一是容积式喂料，即通过喂送固定体积的物料来达到一定的喂料量；二是差重式喂料，即把整个喂料仓及喂料器放在称重传感器上，在称重传感器、变频喂料器及计算机之间形成一个闭环控制来实现喂料，这样喂送的物料前后流量误差可以控制在０

１

ｋｇ以内。

这两种喂料方式都广泛应用于双螺杆挤压膨化机的物料喂送中。其喂料的流量范围、残留量的控制以及清理操作的方便性都可以通过台理的设计及制造来达到要求。但相对而言后者对物料的喂送更准确些，特别是应用于物料受压时容重变化比较大的场合。

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马亮等：双螺杆挤压设备的特征及应用

４全自动控制系统

全自动控制系统能使双螺杆挤压机的操作建立

一个量化的标准。双螺杆挤压膨化机加工膨化产品时，物料、水或蒸汽添加的波动对产品的膨化效果、色泽以及口感性都有很大影响。因此，在膨化食品

的生产中要保证前后不同批次的同一种膨化产品的一致性，那就要求双螺杆挤压膨化机生产过程中所有的参数保持前后绝对一致。

在以往非自动化控制的挤压机的生产中，所有变量的控制依赖于操作人员，故操作人员的操作水平对膨化产品的品质影响很大。但在自动化控制生产中，所有加工数据都进行了量化，同时所有数据可以存储于控制系统中，当下次进行同样产品的生产时，可以根据存储的数据指导生产，从而让人为因素的影响降到最低。对于厂家而言，也不需要用较长的周期来培养一个优秀的膨化设备操作人员。在挤压机的生产过程中膨化产品的质量可以得到很好的预测和控制，原料的浪费程度也可以控制到最低。

５挤压机的软技术

食品行业膨化产品的多样性决定了不同的膨化产品对挤压机的要求不同，加工不同的配方，膨化产品要求的熟化程度、产品容重、颗粒形状、色泽、风味

等都不一样，就要求挤压机的加工工艺参数不一样，

同时挤压机的硬件配置也不一样。

这种多样性对于一般用户是没有能力来解决的，因此，双螺杆挤压机的制造厂家除了，提供优秀的挤压机之外，还需要提供给用户挤压机的软技术。挤压机的软技术不仅包含让用户满意的服务，而且包含提供给客户一整套完善的生产工艺参数，用户利用该工艺参数能加工出达到乃至超出其期望品质的膨化产品。同时，帮助客户建立一个操作规范。在培训操作人员时，不仅要指导他熟悉这个操作规

范，而且要让他从原理上对进行的操作有所认识，从

而指导他生产出更高品质的膨化产品。

参考文献

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中国轻工业出版社，１９９８．

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Ｅｘｔｒｕｄｅｄ

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