低剪切力挤压机与高剪切力挤压机的特点及工作原理

食品挤压加工技术属于高温高压食品加工技术，它利用螺杆挤压产生的压力、剪切力、摩擦力及适当辅助加热作用，实现对固体食品原料破碎、捏合、混炼、熟化、杀菌、预干燥、成型等加工处理。利用挤压机可以生产膨化、组织化或其他成型产品。

一、挤压机的类型

目前应用于食品工业的螺杆挤压机，主要构件类似于螺杆泵，由变螺距长螺杆及出口处带节流孔的螺杆套筒构成。螺杆挤压机种类较多，可根据挤压过程热量来源、剪切力大小及挤压机螺杆数量等因素分类。

（一）内热式和外热式挤压机

按物料发热类型，挤压机可分为内（自）热式和外热式两种型式。

内热式挤压机是高剪切挤压机。挤压过程所需的热量来全部来源于物料与螺杆、机筒之间产生的摩擦热，这种热量受生产能力、水分含量、物料黏度、环境温度、螺杆转速等多方面因素的影响，不易进行人为控制。此类设备一般转速较高，产生的剪切力较大，但产品质量稳定性差，操作控制不灵活，一般用于生产膨化小吃食品。

外热式挤压机所需的热量主要依靠设在机筒内的加热器外部加热提供。加热器可采用蒸汽、电磁能、电热丝、导热油形式加热。根据挤压过程各阶段对温度参数的不同要求，挤压机可设计成等温式和变温式两种。等温式挤压机的筒体温度一致，变温式挤压机沿机筒分成前后几段，分别进行温度控制。外热式挤压机的剪切力大小通常可调。外热式挤压机生产适应性强、设备灵活性大，操作控制简单方便，产品质量稳定。

表7-2给出了内热式挤压机和外热式挤压机的主要性能特点。

表7-2 内热式与外热式挤压机的主要性能特点

（二）高剪切力挤压机和低剪切力挤压机

根据挤压过程中的剪切力大小，挤压机可分为高剪切力挤压机和低剪切力挤压机。

高剪切力挤压机能够产生较高的剪切力和工作压力。这类挤压机的压缩比较大、螺杆转速较高且长径比较小，具有较高挤压温度。这类挤压机多为自热式，比较适合于生产简单形状的膨化产品。

低剪切力挤压机产生的剪切力较小，主要用于混合、蒸煮和成型。低剪切力挤压机的压缩比较小、螺杆长径比较大，一般多为外热式。低剪切力挤压机加工的物料水分含量一般较高，挤压过程物料黏度较低，所以操作中引起的机械能黏滞耗散较少。此类设备的产品成型率较高，可方便地生产复杂形状产品，较适合于高水分食品和湿软饲料生产。

低剪切力挤压机与高剪切力挤压机的主要性能特点见表7-3。

表7-3 低剪切与高剪切挤压机的主要性能特点

（三）单螺杆挤压机和双螺杆挤压机

根据挤压机的螺杆数目不同，挤压机可分为单螺杆挤压机和双螺杆挤压机。

单螺杆挤压机的套筒内只有一根螺杆，它依靠螺杆和机筒对物料的摩擦来输送物料和形成一定压力。一般情况下，机筒与物料之间的摩擦因数会大于螺杆与物料之间的摩擦因数，这样可以避免螺杆被物料包裹一起转动而不能向前推进的现象。单螺杆挤压机结构简单、制造方便，但输送效率差，混合剪切不均匀。

双螺杆挤压机的套筒中并排安放两根螺杆，套筒横截面呈∞形。双螺杆挤压机按两根螺杆的相对位置，可以分为啮合型与非啮合型。非啮合型双螺杆挤压机的工作原理基本与单螺杆挤压机相似，实际使用少。啮合型双螺杆挤压机的工作原理与单螺杆挤压机有所不同，其两根螺杆有不同程度的啮合，在螺杆啮合处，连续的螺杆螺槽被分成相互间隔的C形小室。螺杆旋转时，随着啮合部位轴向移动，C形小室同时作轴向移动。螺杆每转一圈，C形小室向前移动一个导程的距离。C形小室中的物料，由于啮合螺纹的推力作用而向前移动。双螺杆挤压机输送效率高、混合均匀、剪切力大、具有自清洁能力，但结构较复杂，价格较昂贵，配合精度要求高。

表7-4列出了双螺杆机与单螺杆机的主要性能特点。

表7-4 双螺杆与单螺杆挤压机的主要性能特点

二、螺杆挤压机结构

各种螺杆挤压机虽然在功能和性能上有差异，但基本结构类似。典型螺杆挤压机外形如图7-25所示，主要由驱动装置、进料器、螺杆、机筒、成型装置和控制装置等构成。

图7-25 典型螺杆挤压机外形

（一）驱动装置(www.xing528.com)

驱动装置为螺杆在机筒内转动，对物料产生各种作用提供驱动力。它主要由主传动电机、变速机构、推力轴承和联轴器等组成。为迅速、准确地调节螺杆旋转速度，常用可控硅整流器控制的直流电动机来调速，并用齿轮减速器、链条和带传动三者之一实现减速。

（二）进料系统

进料系统为挤压机定量提供所需的干料和液体，主要由带输送装置的干料斗和供液系统等构成。

输送干物料的方法有：①电磁振动送料器，可通过改变振动频率和振幅控制供料速度；②螺旋输送器，可通过调节螺旋转速来控制进料量；③称量皮带式送料器，是较精确的定量进料装置。

干料斗常带振动装置，以防物料结块架桥而中断输送。因为进料不畅或中断，将会降低产品品质或造成焦化阻塞，甚至需要停机清洗。因此，进料系统必须十分安全可靠。

供液系统通常带有若干贮液器，以便提供不同的液态配料。为混合均匀和降低黏度，一般贮液器带有搅拌器和加热器，液体原料由（定量精确的）正位移泵送到挤压机内。

（三）螺杆

典型挤压机螺杆和机筒剖面如图7-26所示。由图可见，挤压机的螺杆结构形状和功能沿机筒轴向而变化，大致可分为三个区段：进料段、压挤段和定量段。这三个区段的作用特点见表7-5。

图7-26 典型挤压机螺杆和机筒剖面图

表7-5 螺杆挤压机不同区段的结构特点与作用

挤压机的螺杆有整体式和组合式两种。整体式螺杆为一个整体。组合式螺杆由花键轴与若干节套在轴上的螺旋构成。挤压机的螺杆多为组合式，将起强化、剪切、混炼效果的不同揉搓元件依照一定组合方式套在同一轴上。组合式螺杆的优点是可以针对不同产品随意调节螺纹结构，并可对易磨损螺旋元件进行及时更换。

有些螺杆轴呈中空状，可以通入冷却水或循环热水，从而可以更迅速地控制挤压温度。螺杆螺纹通常设计成矩形、梯形或三角形的阿基米德螺线，可以是单头或双头。有时为了提高食品的混炼效果，可将螺纹中断或做出若干个缺口，成为缺断式螺纹。

（四）机筒

挤压机的机筒呈圆筒状，内壁与螺杆仅有少量间隙。多数机筒内壁为光滑面。有的机筒内壁带有若干较浅的轴向棱槽或螺旋状槽，主要是为了强化对食物的剪切效果，防止食物在机筒内打滑。机筒具有加热、保温、冷却和摩擦功能。

机筒可有整体式、分段组合式和分半组合式（图7-27）等形式。整体式机筒的结构简单，机械强度高。分段和分半组合式机筒用螺钉连接，其优点是便于清理，对容易磨损的定量段零件可随时更换，还可按照所要加工的产品和所需之能量来确定机筒的最佳长度。有的机筒中部设有气孔，以排除物料中的空气、蒸汽和挥发气体。机筒常被制成夹套形式，可以通入蒸汽、导热油、热水或冷却水。为增加机筒的传热效果，夹套内带有翅片。有的挤压机用电热元件加热，常用的电热元件有电热环、电热棒和电磁线圈。机筒上还有感温元件和压力传感器，以控制或显示机内温度和压力（图7-26）。

（五）成型装置

成型装置又称挤压成型模头，它由成型模孔元件及固定部件构成，物料从挤压机挤出时通过成型模孔元件的模孔成型。图7-28所示为各种模孔元件，模孔横断面有圆孔、圆环、十字、窄槽等各种形状，决定着产品的横断面形状。为了改进所挤压产品的均匀性，模孔进料端通常加工成流线型开口。

图7-27 分半组合式机筒结构

图7-28 各种模孔元件

（六）切割装置

挤压机通过成型模孔挤出的是连续的条状物料，为了得到各种形状的个体产品，常在模头后配置盘刀式切割器，刀具刃口旋转平面与模板端面平行。挤压产品的长度可根据产品挤出速度通过调整切割刀具旋转速度加以控制。

（七）控制装置

挤压机控制装置主要由微电脑、电器、传感器、显示器、仪表和执行机构等组成，其主要作用是控制各电机转速并保证各部分运行协调，控制操作温度与压力以保证产品质量。