唐武生 唐爾海

TANG Wu－sheng 1 TANG Er－h(huán)ai 2

（1.長春大學(xué)機械與車輛工程學(xué)院，吉林 長春 130022；2.長春大學(xué)科研處，吉林 長春 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 擠壓式膨化機主要部件磨損過快原因分析

如圖1所示，擠壓式膨化機主要由易損件螺桿與機筒組成，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，無支撐螺桿的一端就會產(chǎn)生徑向跳動，跳動量是隨著螺桿的長度與轉(zhuǎn)速的變化而變化的，長度越長、轉(zhuǎn)速越快，則徑向跳動量越大，產(chǎn)生的離心力也越大。實踐證明，機床加工長軸時，須在兩端都要支撐才能正常加工，否則嚴(yán)重時會造成機毀人亡的事故。膨化機的螺桿是一端支撐的懸臂旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，其徑向跳動量很大，只因為有機筒罩著，螺桿才不會飛出，其徑向跳動是連續(xù)不斷的撞擊與摩擦機筒，這是擠壓式膨化機不能空車運轉(zhuǎn)及能耗比大的根本原因。工作時加入物料后，撞擊力被物料減弱，螺桿與機筒的摩擦是不可避免的，所以一端支撐的螺桿徑向跳動是造成機筒龜裂紋及磨損過快的主要原因［1］。螺桿與機筒在擠壓工作時，不僅受到高溫、高壓的作用，同時還伴有機械的刮磨，螺桿螺棱頂面和機筒內(nèi)表面受到磨損不斷加大了螺桿與機筒之間的間隙，影響了擠壓機的工作性能［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 擠壓式膨化機的部分機構(gòu)工作簡圖Figure 1 Part of working diagram extrusion machine

物料在進入膨化機前已加入一定的水分，這些水分在物料前進時又重新被擠壓出來。在物料與機筒、物料與螺桿之間形成水膜，水膜成為物料對螺桿與機筒摩擦的潤滑劑，待物料進入高溫區(qū)時即產(chǎn)生高壓卻無處汽化，仍以水膜的形式停留在物料與機筒之間，直到隨物料排出機筒，水膜方能汽化。因此，物料在高溫高壓下對螺桿和機筒的摩擦相對較小。前郭二蛋白質(zhì)廠使用美國溫格爾公司生產(chǎn)的500 kg／h的擠壓式膨化機，在使用不到60 d的時間里，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］。機筒與螺桿的磨損間隙達到5 mm以上，這臺進口擠壓式膨化機的電機功率為100 k W，而自主設(shè)計的同等產(chǎn)量的膨化機JP150電機功率僅為18 k W。

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

2 解決主要部件金屬磨損過快的方法

圖2為無金屬磨損擠壓式膨化機的設(shè)計原理圖（螺桿直徑150 mm）。軸承座上裝有主動軸與機筒，在軸承座的端面上制有凸臺，以保證機筒與主動軸同軸。原實心錐端的螺桿改為空心螺旋套軸，一端由鍵連接在主動軸上，空心螺旋套軸內(nèi)安裝有螺旋軸內(nèi)封閉區(qū)環(huán)式電熱自動控溫裝置，其中裝有內(nèi)加熱圈（未畫出）。設(shè)計這一裝置的目的是為了有效的增加出料厚度，提高單機產(chǎn)量。空心螺旋套軸的另一端內(nèi)裝有連接盤與被動軸使用螺釘連接，被動軸上裝有兩個向心球軸承與滑動套一起安裝在尾座內(nèi)，轉(zhuǎn)動手輪可使與被動軸連接為一體的空心螺旋套軸拉出與復(fù)位，用來清理空心螺旋套軸上殘留的物料。在這一設(shè)計中，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 無金屬磨損擠壓式膨化機的設(shè)計原理圖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)簡圖。物料在空心螺旋套軸的尾端與安裝在機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筒內(nèi)徑相同的圓周上），與錐端膨化機相比，加快了排料速度，增大了出口面積倍數(shù)，提高了產(chǎn)量。此種膨化機的產(chǎn)量高于同等條件下的單螺桿膨化機產(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)用無磨損旋轉(zhuǎn)運動副的機械原理與制造工藝改進后的無金屬磨損擠壓式膨化機，與以往常規(guī)的擠壓式膨化機相比，具有以下特點：

（1）常規(guī)的擠壓式膨化機采用的是一端支撐的懸臂旋轉(zhuǎn)螺桿，此改進后的無金屬磨損擠壓式膨化機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筒的撞擊和摩擦。

（2）常規(guī)的擠壓式膨化機采用的是錐端螺桿，而此改進后的無金屬磨損擠壓式膨化機采用了空心平端螺旋套軸，這樣設(shè)計的優(yōu)點如下：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)簡圖Figure 3 The sketch of hollow flat end screw set

用本方法在通用機床上加工的擠壓式膨化機零部件，在裝配時無需調(diào)整，即可達到軸心線重合的設(shè)計。

3 無金屬磨損擠壓式膨化機的機械原理與制造工藝

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

從設(shè)計要求上，螺桿與機筒的中心線必須重合，由于制造和裝配誤差等原因，實際上要達到此要求具有一定的難度。為了確保設(shè)計中五位一體的軸心線重合，使無磨損旋轉(zhuǎn)運動副的機械原理達到應(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，兩個端支撐座K1，K2的兩個軸承孔的軸心線是同一條重合的點劃線，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：若兩個端支撐座K1，K2的中心高等高，即Y1＝Y(jié)2，兩個端支撐座K1與K2的軸心線就會重合［1］。

具體實施方式：將兩個端支撐座按技術(shù)要求固定在底板上；將底板在機床床面上找正后固定在床面上；依次鏜兩個軸承孔，此時機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 驗證結(jié)果

經(jīng)實際檢測，在無磨損擠壓式膨化機的空心螺旋套軸與被動軸連接處檢測的端徑向跳動精度小于0.02 mm，經(jīng)8 h空車運轉(zhuǎn)及200 h的載荷運轉(zhuǎn)未檢測有磨損痕跡。這一檢測結(jié)果，證明了無磨損旋轉(zhuǎn)運動副的機械原理在實踐應(yīng)用中的可行性。另外，本方法具有普遍的通用性，在電動機與發(fā)電機制造業(yè)中，若采用無磨損旋轉(zhuǎn)運動副的機械原理與制造工藝指導(dǎo)電動機生產(chǎn)、發(fā)電機、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，同時又能消除電壓波動的效果，并最大限度的延長了使用壽命。在發(fā)動機制造業(yè)中，若采用無磨損旋轉(zhuǎn)運動副的機械原理與制造工藝指導(dǎo)發(fā)動機生產(chǎn)，可實現(xiàn)活塞中心的運動軌跡與缸體的中心線重合，使所有活塞運動同步，消除側(cè)切，增加輸出功率延長使用壽命?？傊?，凡非懸臂旋轉(zhuǎn)軸的機械設(shè)備均可用此方法加工，達到軸心線重合實現(xiàn)無磨損。

5 結(jié)束語

綜上所述，無磨損擠壓式膨化機的設(shè)計與實現(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)處理的先進機械設(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)帶來技術(shù)革新。伴隨著無磨損擠壓式膨化機的成功制造，其無磨損設(shè)計原理及制造工藝的“軸心線重合加工法”也能為更多的機械設(shè)計與制造提供一定的參考價值。無磨損擠壓式膨化機的更多推廣和應(yīng)用，尚需與各行業(yè)專家們攜手共同努力。

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

2 張裕中，王景.食品擠壓加工技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：中國輕工業(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.單螺桿膨化機的物料輸送機理研究［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.淺談影響膨化機工效的幾個因素［J］.農(nóng)村牧區(qū)機械化，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)機化研究，2007（9）：173～174.

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