唐武生 唐爾海

TANG Wu－sheng 1 TANG Er－h(huán)ai 2

（1.長(zhǎng)春大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春大學(xué)科研處，吉林 長(zhǎng)春 130022）

（1.College of Mechanical and Vehicle Engineering，Chang Chun University，Changchun，Jilin 130022，China；2.Scientific Research Administrative Dept，Chang Chun University，Changchun，Jilin 130022，China）

1 擠壓式膨化機(jī)主要部件磨損過(guò)快原因分析

如圖1所示，擠壓式膨化機(jī)主要由易損件螺桿與機(jī)筒組成，其主體結(jié)構(gòu)為一端支撐的懸臂旋轉(zhuǎn)軸。當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，無(wú)支撐螺桿的一端就會(huì)產(chǎn)生徑向跳動(dòng)，跳動(dòng)量是隨著螺桿的長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)速的變化而變化的，長(zhǎng)度越長(zhǎng)、轉(zhuǎn)速越快，則徑向跳動(dòng)量越大，產(chǎn)生的離心力也越大。實(shí)踐證明，機(jī)床加工長(zhǎng)軸時(shí)，須在兩端都要支撐才能正常加工，否則嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成機(jī)毀人亡的事故。膨化機(jī)的螺桿是一端支撐的懸臂旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，其徑向跳動(dòng)量很大，只因?yàn)橛袡C(jī)筒罩著，螺桿才不會(huì)飛出，其徑向跳動(dòng)是連續(xù)不斷的撞擊與摩擦機(jī)筒，這是擠壓式膨化機(jī)不能空車運(yùn)轉(zhuǎn)及能耗比大的根本原因。工作時(shí)加入物料后，撞擊力被物料減弱，螺桿與機(jī)筒的摩擦是不可避免的，所以一端支撐的螺桿徑向跳動(dòng)是造成機(jī)筒龜裂紋及磨損過(guò)快的主要原因［1］。螺桿與機(jī)筒在擠壓工作時(shí)，不僅受到高溫、高壓的作用，同時(shí)還伴有機(jī)械的刮磨，螺桿螺棱頂面和機(jī)筒內(nèi)表面受到磨損不斷加大了螺桿與機(jī)筒之間的間隙，影響了擠壓機(jī)的工作性能［2］。主要易損件磨損太快，致使食品中含金屬量過(guò)高，導(dǎo)致其口味改變，且能耗比大而難以得到廣泛的應(yīng)用［3］。

圖1 擠壓式膨化機(jī)的部分機(jī)構(gòu)工作簡(jiǎn)圖Figure 1 Part of working diagram extrusion machine

物料在進(jìn)入膨化機(jī)前已加入一定的水分，這些水分在物料前進(jìn)時(shí)又重新被擠壓出來(lái)。在物料與機(jī)筒、物料與螺桿之間形成水膜，水膜成為物料對(duì)螺桿與機(jī)筒摩擦的潤(rùn)滑劑，待物料進(jìn)入高溫區(qū)時(shí)即產(chǎn)生高壓卻無(wú)處汽化，仍以水膜的形式停留在物料與機(jī)筒之間，直到隨物料排出機(jī)筒，水膜方能汽化。因此，物料在高溫高壓下對(duì)螺桿和機(jī)筒的摩擦相對(duì)較小。前郭二蛋白質(zhì)廠使用美國(guó)溫格爾公司生產(chǎn)的500 kg／h的擠壓式膨化機(jī)，在使用不到60 d的時(shí)間里，龜裂紋在料筒上已有很深的裂紋，這顯然是螺桿撞擊的結(jié)果［4，5］。機(jī)筒與螺桿的磨損間隙達(dá)到5 mm以上，這臺(tái)進(jìn)口擠壓式膨化機(jī)的電機(jī)功率為100 k W，而自主設(shè)計(jì)的同等產(chǎn)量的膨化機(jī)JP150電機(jī)功率僅為18 k W。

經(jīng)上述分析，消除摩擦即消除螺桿的徑向跳動(dòng)使其與機(jī)筒不產(chǎn)生直接金屬摩擦才是解決擠壓式膨化機(jī)使用壽命、降低能耗比最直接的方法。

2 解決主要部件金屬磨損過(guò)快的方法

圖2為無(wú)金屬磨損擠壓式膨化機(jī)的設(shè)計(jì)原理圖（螺桿直徑150 mm）。軸承座上裝有主動(dòng)軸與機(jī)筒，在軸承座的端面上制有凸臺(tái)，以保證機(jī)筒與主動(dòng)軸同軸。原實(shí)心錐端的螺桿改為空心螺旋套軸，一端由鍵連接在主動(dòng)軸上，空心螺旋套軸內(nèi)安裝有螺旋軸內(nèi)封閉區(qū)環(huán)式電熱自動(dòng)控溫裝置，其中裝有內(nèi)加熱圈（未畫出）。設(shè)計(jì)這一裝置的目的是為了有效的增加出料厚度，提高單機(jī)產(chǎn)量。空心螺旋套軸的另一端內(nèi)裝有連接盤與被動(dòng)軸使用螺釘連接，被動(dòng)軸上裝有兩個(gè)向心球軸承與滑動(dòng)套一起安裝在尾座內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪可使與被動(dòng)軸連接為一體的空心螺旋套軸拉出與復(fù)位，用來(lái)清理空心螺旋套軸上殘留的物料。在這一設(shè)計(jì)中，軸承座與尾座是采用軸心線重合加工法制造，保證軸承座與尾座的軸心線重合。

圖2 無(wú)金屬磨損擠壓式膨化機(jī)的設(shè)計(jì)原理圖Figure 2 Design principle diagram of no metal wear extrusion machine

圖3為空心平端螺旋套軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。物料在空心螺旋套軸的尾端與安裝在機(jī)筒上的噴口蓋的槽中排出（此槽數(shù)條，與空心螺旋套軸尾扣底徑與機(jī)筒內(nèi)徑相同的圓周上），與錐端膨化機(jī)相比，加快了排料速度，增大了出口面積倍數(shù)，提高了產(chǎn)量。此種膨化機(jī)的產(chǎn)量高于同等條件下的單螺桿膨化機(jī)產(chǎn)量。螺桿的螺距與螺紋的深度都是沿軸線變化的，使擠壓腔容積逐漸變小，以增大壓力［6］。

此種應(yīng)用無(wú)磨損旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副的機(jī)械原理與制造工藝改進(jìn)后的無(wú)金屬磨損擠壓式膨化機(jī)，與以往常規(guī)的擠壓式膨化機(jī)相比，具有以下特點(diǎn)：

（1）常規(guī)的擠壓式膨化機(jī)采用的是一端支撐的懸臂旋轉(zhuǎn)螺桿，此改進(jìn)后的無(wú)金屬磨損擠壓式膨化機(jī)具有兩端支撐的非懸臂旋轉(zhuǎn)螺桿，這樣就消除了螺桿與機(jī)筒的撞擊和摩擦。

（2）常規(guī)的擠壓式膨化機(jī)采用的是錐端螺桿，而此改進(jìn)后的無(wú)金屬磨損擠壓式膨化機(jī)采用了空心平端螺旋套軸，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)如下：① 改變了錐端螺桿一端輕一端重的失衡現(xiàn)象；② 為空心螺旋套軸內(nèi)安裝旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)封閉區(qū)環(huán)式電熱自動(dòng)控溫裝置的加熱環(huán)及熱傳感器提供了空間；③ 為端支撐座提供了安裝條件。

圖3 空心平端螺旋套軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Figure 3 The sketch of hollow flat end screw set

用本方法在通用機(jī)床上加工的擠壓式膨化機(jī)零部件，在裝配時(shí)無(wú)需調(diào)整，即可達(dá)到軸心線重合的設(shè)計(jì)。

3 無(wú)金屬磨損擠壓式膨化機(jī)的機(jī)械原理與制造工藝

筆者曾在發(fā)明專利“無(wú)磨損轉(zhuǎn)子的機(jī)械制造工藝”中（專利號(hào)：201310349364.6）提出無(wú)磨損旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副的定義：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸和軸套的軸心線重合時(shí)，軸與套不產(chǎn)生摩擦，即無(wú)磨損。無(wú)磨損旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副機(jī)械原理的實(shí)現(xiàn)必須具備兩個(gè)條件：① 具有兩端支撐的非懸臂旋轉(zhuǎn)軸；② 兩個(gè)端支撐座軸心線須保證重合［7］。

從設(shè)計(jì)要求上，螺桿與機(jī)筒的中心線必須重合，由于制造和裝配誤差等原因，實(shí)際上要達(dá)到此要求具有一定的難度。為了確保設(shè)計(jì)中五位一體的軸心線重合，使無(wú)磨損旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副的機(jī)械原理達(dá)到應(yīng)用的可行性，提出“軸心線重合加工法”，即兩端支撐座軸心線重合整體加工工藝如圖2所示，兩個(gè)端支撐座K1，K2的兩個(gè)軸承孔的軸心線是同一條重合的點(diǎn)劃線，且與底座的F平面平行。根據(jù)平行線法則K1的中心高與K2的中心高相等。由此可以推論：若兩個(gè)端支撐座K1，K2的中心高等高，即Y1＝Y(jié)2，兩個(gè)端支撐座K1與K2的軸心線就會(huì)重合［1］。

具體實(shí)施方式：將兩個(gè)端支撐座按技術(shù)要求固定在底板上；將底板在機(jī)床床面上找正后固定在床面上；依次鏜兩個(gè)軸承孔，此時(shí)機(jī)床床頭中心與床面的高度應(yīng)等于底板厚度＋軸承孔中心高度。

上述軸心線重合加工法是一種最簡(jiǎn)單最直觀的整體加工方法。

圖4 兩端支撐座軸心線重合整體加工示意圖Figure 4 The integral processing schematic of the axis center line on both ends

4 驗(yàn)證結(jié)果

經(jīng)實(shí)際檢測(cè)，在無(wú)磨損擠壓式膨化機(jī)的空心螺旋套軸與被動(dòng)軸連接處檢測(cè)的端徑向跳動(dòng)精度小于0.02 mm，經(jīng)8 h空車運(yùn)轉(zhuǎn)及200 h的載荷運(yùn)轉(zhuǎn)未檢測(cè)有磨損痕跡。這一檢測(cè)結(jié)果，證明了無(wú)磨損旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副的機(jī)械原理在實(shí)踐應(yīng)用中的可行性。另外，本方法具有普遍的通用性，在電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)制造業(yè)中，若采用無(wú)磨損旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副的機(jī)械原理與制造工藝指導(dǎo)電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)、發(fā)電機(jī)、其轉(zhuǎn)子與定子的軸心線重合，使切割磁力線的面積增大，既可以提高輸出功率，同時(shí)又能消除電壓波動(dòng)的效果，并最大限度的延長(zhǎng)了使用壽命。在發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)中，若采用無(wú)磨損旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副的機(jī)械原理與制造工藝指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)活塞中心的運(yùn)動(dòng)軌跡與缸體的中心線重合，使所有活塞運(yùn)動(dòng)同步，消除側(cè)切，增加輸出功率延長(zhǎng)使用壽命。總之，凡非懸臂旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械設(shè)備均可用此方法加工，達(dá)到軸心線重合實(shí)現(xiàn)無(wú)磨損。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，無(wú)磨損擠壓式膨化機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可有效利用生物質(zhì)能源，為農(nóng)業(yè)秸稈生產(chǎn)燃料酒精提供連續(xù)化預(yù)處理的先進(jìn)機(jī)械設(shè)備，為食品、飼料、發(fā)酵工業(yè)、改性淀粉及涂料加工等提供換代設(shè)備，該技術(shù)的成功應(yīng)用將為一系列產(chǎn)業(yè)帶來(lái)技術(shù)革新。伴隨著無(wú)磨損擠壓式膨化機(jī)的成功制造，其無(wú)磨損設(shè)計(jì)原理及制造工藝的“軸心線重合加工法”也能為更多的機(jī)械設(shè)計(jì)與制造提供一定的參考價(jià)值。無(wú)磨損擠壓式膨化機(jī)的更多推廣和應(yīng)用，尚需與各行業(yè)專家們攜手共同努力。

1 孫春一，石彬.單螺桿膨化機(jī)磨損計(jì)算模型建立及分析［J］.食品與機(jī)械，2011，27（1）：78～80.

2 張?jiān)Ｖ?，王?食品擠壓加工技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，1998.

3 唐振茂，王守禮.膨化技術(shù)及其應(yīng)用［J］.食品工業(yè)科技，1988（6）：19～21.

4 黃燦軍.單螺桿膨化機(jī)的物料輸送機(jī)理研究［J］.現(xiàn)代食品科技，2012，28（11）：1 437～1 440.

5 王敦軍，付敏良，李洪德，等.淺談?dòng)绊懪蚧瘷C(jī)工效的幾個(gè)因素［J］.農(nóng)村牧區(qū)機(jī)械化，2007（4）：25.

6 王宏立，張祖立.擠壓膨化技術(shù)在秸稈飼料加工中的應(yīng)用［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2007（9）：173～174.

7 唐爾海，唐武生.無(wú)磨損轉(zhuǎn)子的機(jī)械制造工藝：中國(guó)，201310349364.6［P］.2013－08－05.