同向双螺杆挤压膨化机三维设计与性能分析(2)
以我国饲料膨化挤压为例，我国农作物秸秆年产量约为7亿吨左右，列世界之首。在非常规饲料中，农作物秸秆起着相当重要的作用。然而，由于其质地粗硬，粗纤文含量高，直接作为反刍动物的粗饲料时，其粗蛋白含量低，适口性差，限制了它的应用。目前，我国农作物秸秆用于饲料部分远不足10％。大量的秸秆被用作燃料直接焚烧或还田，造成环境污染。因此研究适合我国国情的饲料化处理方法，开发高效优质的饲料化处理设备，不仅关系到我国资源的合理利用，畜牧业的发展和人民生活水平的改善，而且已成为近年来农业废弃物综合开发利用方面的一个重要研究课题。
挤压膨化技术是将物料放于挤压机之中，借助螺杆的强制输送，通过压延效应和加热产生的高温、高压，使物料在机筒中被挤压、混合、剪切、熔融、杀菌和熟化等一系列复杂的连续化处理。当物料从机筒中被挤压出时，压力骤降到常压，水分急剧汽化而产生巨大的膨胀力，物料也瞬间膨化。经挤压膨化后的物料，可以大大提高糊化度，更易被酶水解，制品复水性好，改善了原料的加工性能。挤压膨化技术是一项经济实用的新型加工方法，它具有工艺简单、原料利用率高、占地面积小、生产能力高等特点，不仅广泛应用于食品工业中，而且在饲料工业、油脂工业等领域也有所应用。
1.2 国内外研究及发展
2 总体结构设计
2.1 挤压膨化机原理
连续挤压蒸煮工艺的核心设备是挤压机。挤压机具有压缩、混合、混炼、熔融、膨化、成型等功能。挤压机的腔体可以分成3-5个区，各区可以通过蒸汽或电加热，也可通过挤压摩擦加热，从而达到蒸煮物料的目的，物料在腔体中高温、高压的作用下，淀粉糊化、蛋白质变性。当物料通过挤压机腔体各区的时候，可溶性的风物资和色素可以通过腔体在高压的作用下注入到物料之中。在挤压腔体的末端，熔融的物料通过在高压的作用下通过模板的模孔而挤出，由于压力的突然下降，水蒸汽迅速膨胀和散失，使产品形成多孔结构，然后膨化的物料被旋转刀切成一定大小的产品。在早餐谷物食品生产中最常使用的是单螺杆挤压机和双螺杆挤压机，而双螺杆挤压机同单螺杆挤压机相比更具有优势，因为单螺杆挤压机对物料粒度、水分要求、组分要求严格，且容易产生物料倒流、螺杆易磨损等问题【2】。
在机筒内，物料将沿着两个方向由高压区向低压区流动：一是随螺杆旋转方螺杆的磨损也就减小，物料就是这样经过输送、剪切、混合和机筒外壳的加热，在高温、高压的作用下达到熟化，最后被挤出筒外。如图1为一个典型双螺杆挤压膨化机。螺杆分为3段：输料段、压缩熔融段、均匀段。物料从料斗进入机筒中，随着螺杆的转动，沿着螺槽方向向前输送。进入压缩熔融段后，由于螺旋结构上的变化，物料逐渐被压实，压力升高，又由于受到机筒的外部加热以及物料在两根螺杆之间和机筒的强烈搅拌、混合下，物料温度上升，开始熔融，甚至全部熔融。由于螺槽空间进一步减小，物料进一步升温升压，使原料出现淀粉糊化，脂肪蛋白质变性等一系列复杂的生化反应，使组织进一步均匀，经分流板从“∞”膨化腔出来的物料均匀分到模板上，此时压力通常为3-6Mpa，由于在密闭套筒中这样高的压力超出了挤压温度下的饱和蒸汽压，所以水分不会快速蒸发。当物料从模板孔中被挤出时，压力迅速释放，水分急速蒸发，物料随之膨胀，水分从物料中迅速散失，是产品在12s内冷却至80℃左右，从而固化定型，并保持其膨胀后的形状【3】。