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膨化机模板设计对挤压性能影响分析
摘 要：本文介绍了膨化机常用的模板结构及设计经验,并分析模板的参数对于挤压性能的影响.
关键词：膨化机；模板；挤压；影响
由于膨化饲料具有高熟化度、低污染、高转化率、产品容重范围广、外形多样等优势,在水产料行业,膨化料已有逐步取代硬颗粒料的趋势.作为膨化机的重要组成部分,模板的设计一直在不断改进和创新,并且由于膨化过程的复杂性,模板的参数的确定充满着经验性和不确定性,但大体已摸索出一套经验数据.
一、模板的主要特点
模板位于膨化机的出料端,是膨化流程的终端,用于封住整个膨化腔,限制物料流动以建立所需压力和产生剪切,并通过预开的不同形状和尺寸的孔使得物料从孔中喷出,在较大压力差的作用下,物料被膨化、失水、降温,形成所需形状、大小、容重的产品.
由于各饲料厂原料品质不一,进入膨化腔的物料会存在长纤维、线头等杂质,容易造成堵模现象,为此通常在模板之前增加一块过滤板,可以有效过滤杂质,同时可使机镗到模板的物料流动性更加均匀一致,但是需要经常清理过滤板.
模板的装配形式有多孔压模、嵌入式压模、双重压模和文丘里附加模.多孔压模板主要使用于水产饲料,嵌入式模板通用性强,适用于多种生产要求,文丘里附加模可使压模的约束力和成形功能分离,保持机镗充满度,增加机械能输入,以改善产品整齐度,适用于高脂肪、高水分的产品.
二、模板的设计
(一)模板的孔数
模孔数的计算公式：
式中,N——需要的模孔数目；Q——产量（吨/小时）；A——1个模孔的面积（πR2/mm2）；F——产品期望的面积指数[毫米2 /（吨/小时）]；R——模孔半径（mm）.
对于期望面积指数F,生产不同水产饲料面积指数是不同的,浮性饲料为200～250毫米2 /（吨/小时）,慢沉料为350毫米2/（吨/小时）,沉性料为550～600毫米2 /（吨/小时）.Wenger公司推荐,浮料180毫米2 /（吨/小时）,沉料500～600毫米2 /（吨/小时）,******为200～250毫米2/（吨/小时）,实际模板开孔系数由配方和操作过程决定.另外,对于1.2mm以下的小颗粒,我们的经验是在模板的开孔区域尽量多的开孔,达到最大的开孔面积.
(二)模孔长径比
长径比为L/D,即模孔的有效压缩长度与模孔直径的比值.
浮性料：长径比相对小,一般模孔直径大于3.0mm,长径比选0.6；直径为1.8～3.0mm,长径比选0.8,直径1.8mm以下的选1.2～1.5.
沉性料：长径比相对大一点,一般为1.2、1.6、2.0,如果是小颗粒长径比还可以适当大一点.
单螺杆膨化机的长径比不一太小,因为单螺杆的料相对双螺杆不均匀,如果模孔太短,料来不及在模孔中稳定就出来了,容易导致料型不好.
(三)模孔的排布
模孔排布常见为等距分布、等数分布和正六边形分布三种,此三种排布都需要注意,相邻两个模孔间距不得小于模孔直径的两倍,是考虑到成品颗粒出模膨胀后互相不能有粘连,膨胀度一般不超过1.9倍（一般沉性料1.1,浮性料1.5～1.8）.一般浮性料以圆环与六条加强筋的方式组合排布效果更好,沉性料以无加强筋的圆环组合排布更合理（提升开孔面积）.
(四)模板的其他参数
目前常用模板材料为4Cr13,真空淬火硬度48±2HRc,主要是兼顾模板的耐磨性和韧性,过高的硬度将增加爆模的风险.模孔的导入孔要尽可能的大,一般不小于孔径的2倍.布孔区域尽可能做成锥面,有利于物料的流动和均匀性.模孔的表面粗糙度为Ra1.6,利于形成较好的颗粒外观.模板的孔形设计,浮性料推荐阶梯孔,入料角90度；沉性料推荐喇叭孔,入料角60度左右为理想.
三、模板参数对挤压性能的影响
(一)模孔的长径比对挤压效果影响
模孔的长径比对挤出产品的密度、挤压机的负载和挤出物料的糊化度均有影响.长径比小的挤出产品为多孔表面,且具有球形外形,产品密度小,容重低,主机负载下降,电耗降低,产品糊化度低,水中稳定性差,一般常用于浮性料.长径比大的挤出产品为表面光滑、完整并具有圆柱体外形,产品密度大,容重高,主机负载上升,电耗增加,产品糊化度高,水中稳定性好,一般常用于沉性料.
Wenger公司的试验结果显示[1],大长径比时,膨化机负载96.7%,产品容重304kg/m?,糊化度92%,产品外观表面光滑,圆柱体外形；小长径比时,膨化机负载70%,产品容重336kg/m?,糊化度80%,,产品外观表面多孔,球形外形.
(二)模板开孔面积对挤压效果影响
在相同长径比的情况下,开孔面积的大小直接影响到压模的阻力,从而影响挤压机机镗内物料的充满程度和压力.模板开孔面积大,产品膨胀度低,容重大,模板提供的阻力小,回流压力小,产量大,出模压力低,糊化度低,水中稳定性差,所需模孔数多,一般常见于沉性料.模板开孔面积小,产品膨胀度高,容重小,模板提供的阻力大,回流压力大,产量小,出模压力高,糊化度搞,水中稳定性好,所需模孔数少,一般常见于浮性料.
四、总结
模板的设计方法多样,合理选择最合适的才能取得理想的效果.模板的参数受到实际配方和现场因素的影响会和以上的经验数据有所出入,设计者和操作者应根据实际情况合理调整参数,并做好记录和分析,以取得最佳组合的模板参数.
参考文献：
[1]孟祥凯. 基于虚拟技术的挤压膨化机的优化设计[D].武汉轻工大学,
2014.
[2]张魁学,武康凯,周佩成,李树青,李宏. 影响单螺杆挤压膨化机性能因素的试验研究[J].农業机械学报,1995,（03）：96-101.
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