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6. 膨化機模頭機構 膨化機模頭機構是在物料經過加工后，物料離開膨化機的一個關鍵的機械結構。4.3節中已經介紹，模頭機構的主要功能是對物流流動建立阻力或者說是建立一個合理的壓差，從而改變加工深度，另外一個功能是對產品成型，根據產品的質量要求生產不同形狀的產品，如圓柱狀顆粒，星形的寵物食品等等。圖25給出了膨化機停機后螺桿上物料的狀態，如圖中箭頭所示，物料在計量區中熔融且充滿螺紋間的空隙，此時物料已經被深度加工，其顏色已經發生變化。模頭機構利用專門設計的模板和模板前的物流導流結構限定物流的流動，從而對膨化機螺桿輸送來的物流形成了流動阻力，這個阻力的大小決定了計量區物料充滿螺紋的長度，也決定了物料在模板上的模孔擠出時的壓力降。  圖25顯示，在計量區前，螺桿配置是一段輸送螺紋，螺紋間中未充滿物料，物料輸送到計量區后，物料被一組剪切和壓縮功能的螺紋加工，這組螺紋與模頭機械結構一起作用后為物料增壓。若模頭阻力大一些，則計量區物料的壓力也會大一些，同時，計量區中充滿物料的螺紋長度也要長一些，對應的結果是螺桿加工物料深度或強度大一些。在圖中也可見，物料在計量區的初級加工階段的顏色與左側物料一致，物料的加工深度還不高。 經過螺桿加工后，物料進入模頭機構中，在模頭機構中沒有旋轉或其他動作的機械部件，因此沒有任何的外加機械能到物料中，物料靠在計量區形成的背壓擠出模頭機構。這個擠出過程是一個非牛頓流體的流動過程，物料的流動可以被近似看為物流流經一段管路。但是，此段管路不是通常的圓形中空管道，而是有一些內部機械結構或部件將物流均勻分配到擠出模板表面，擠出模板表面有圓形或其他形狀的模孔，模孔的數量根據特定的規則計算得到。根據模頭機構內的機械結構不同，模頭也可以分為不同的形式，如擴容模頭（圖26A），導流板模頭（圖27），文丘里模頭（圖28）等等。   圖26中黃色表示為加工的物流，物料離開最后一個螺旋螺紋后進入模頭前的擴容區，此時，物料在模頭前的體積流量比較大，在體積流量比較大的模式下，可以有較多的物料輸送到模板前，模板上可以開較多的，較大的孔。膨化機內物料的質量流量和物理產能不會因為這種模頭結構設計發生改變，物流在此種設計模式下有較大的流動空間，從而使其在模頭前的流動阻力較小，承受的剪切力也較低。 圖27中的導流板設計往往是為了將物料分流后來控制物流的流動方向，最終使物料在離開膨化機時形成一種環形或其他形狀的產品形式，此時模板上的模孔不是一個簡單的圓孔，但是可以是其他的物理形狀。 圖28中的文丘里模頭設計結構是在物料從最后一段螺桿上離開后，物料流經一個非常狹窄的阻力瓶頸，然后進入到一個較大容積的擴容裝置，最后在模孔擠出。這個文丘里結構設計是為使模頭產生的阻力獨立于最終模孔的開孔面積。它的工藝目標是降低最終模孔前的壓力，但是仍夠能夠維持一定的加工度。 模板和模孔結構 模頭機械結構中的模板和模孔是決定擠出產品顆粒幾何形狀，如外形，大小，和物料擠出膨化機時阻力的部件。模板上模孔的幾何外形也決定了擠出產品的幾何形狀，模孔的數量確定了物流在模板前的流動阻力。模板形成的阻力越大，模頭前計量區螺桿充滿物料的長度約長，物料的加工深度也較高。模頭整體的阻力與模板設計需要一套獨立的加工過程參數。常見的圓孔模板如下面圖29所示。此種模板可稱為鉆孔型模板，模板上可以開有一定數量和大小相同的模孔，如果需要生產不同形狀和大小的產品時，可更換整塊模板。這種模板適用于生產小顆粒的產品，它的優勢是可以在一塊模板上鉆許多個開孔，可以充分利用模板上的表面積來開較多的孔。 另外一種開孔方式是可以拆卸的填充式，此種模孔具有較高的靈活性，可以根據產品大小的要求更換不同大小或形狀的模孔。但是，這種可拆卸的填充式模孔的開孔數量是被這些可以拆卸的模孔部件的表面積而限定，總的開孔數量會少于鉆孔型模板。鉆孔型模板的模孔磨損后需要更換整個模板，而不能僅更換幾個模孔。  模頭阻力與產品特征的關系 模頭機構的兩個主要功能包括確定擠出顆粒的幾何形狀和建立物流的流動阻力。擠出顆粒的幾何形狀由模孔的幾何形狀就可以確定。熔融后的物流在模板處的流動阻力則與多個變化的因素有關，其中包括物流的壓力，粘度，模頭內部和模孔幾何特征等。影響這三個變化因素的外部環境條件又包括膨化機在計量區的流量，螺桿配置，即計量區螺紋的選擇，水含量，蒸汽量，螺桿轉速，螺桿填充水平，螺桿螺紋與模孔之間的物流流動特征及死體積，模頭內部設計，模板處溫度，每個模孔的物流量，切刀轉速，物料的配方等等。 在模頭機構中，熔融物料擠出模板時，物料流Q受到模板的阻力約束，若沒有模板阻力，物料Q則完全排出膨化機，當物料在模板處受到阻力約束后，則只有部分物料排出膨化機，部分物料向計量區回流，向物料流動相反方向回流的物流為QL，則排出（或稱擠出）膨化機的凈物流Qn為：
此處的凈物流Qn為  這里，Q和Qn是物料的體積流率，ΔP是物流流經模板后的壓力差值，μ是物流的粘度，K是此模板的特征參數。公式中Qn是膨化機的產能 根據這個公式可以得到，，膨化機的產能與模板的特征參數，模板建立的壓差和物流的粘度相關。模板的壓差是與模板模板上的開孔面積直接有關，物流的粘度是由模頭處的溫度和物料配方，水含量相關。 在實際應用中，一個膨化機往往用于加工各種顆粒大小不同的飼料產品。因此，在應用公式（6.2）時，需要針對具體飼料配方，膨化機模板結構特征和膨化機運行參數才可以得出公式中的模板特征參數K。此模板特征參數是與模板上模孔的開孔面積，模孔形狀，模孔長度，物流在模孔內粘度，物流在模孔內的摩擦系數等相關。 理論上利用公式（6.2）分析可知，模板的阻力越大，物流在模板的壓差越高，凈流量似乎也會越高，但是，阻力升高后物料向物流相反方向的泄漏也會更多。此時，物料在計量區中充滿物料的螺紋區會更長一些。物料在膨化機內的停留時間會長一些，加工深度會高一些。在工業實踐中，通過堵塞一些模板上的模孔可以達到增加模板阻力，提升加工深度，從而可能改善擠出顆粒的膨化度。但是，應該注意到，堵塞部分模孔后，物流的阻力升高，物流的流量是會降低的。試想一下，如果堵塞全部模孔后，物流的流量會消失。此時，公式（6.2）中的K值會降低。影響公式（6.2）中的K值的因素包括，模孔開孔面積，模孔長度或深度，模孔的形狀。 如果模頭阻力不夠或者是模頭開孔面積過大，這時，產品顆粒的膨化度較低，產品顆粒就像一種壓制的顆粒。同時，產品的加工度比較低，產品的容重比較高，模頭處物料的流動將會不均一。因為此時的開孔面積過大，在有些模孔中物料流動較快，另外一些模孔中物料流動會較慢。此時膨化機主機的負載也會比較低，機筒內的壓力也會較低。 通過增加或減少模板上模孔的數量可以改變模板對物流的阻力，從而調整膨化機對物料的加工深度。但是，通過堵塞和開通模孔的方式增加或減少模板阻力的方式需要在膨化機停機的狀態下完成。膨化機在運行時，在物料與模孔的摩擦作用下，模孔會發生一些磨損，此時，模板的阻力也會發生改變。 一種被稱為“容重控制器”的機械閥結構也可以物流阻力來調整變物料的加工深度，從而達到調整產品顆粒容重的目的，該裝置的基本功能就像一個安裝到膨化機內部的可以旋轉開關機械閥門，通過調整閥門的開度看改變物流通過閥門的阻力，從而調整了物料的加工深度。利用剪切力變化的概念可以對這個裝置做理論分析。這個裝置在螺桿上的安裝位置可以在膨化機模頭前或膨化機中部。  模板前的切刀 圖31給出常用的幾種切刀示例。圖 31 A 是一種較狹窄的刀片，常常應用于寵物糧的切割。圖 31 B 的刀片較大，其壽命較長。圖 31C是一類便于更換的刀片，有些類似剃須刀片，常用于非常小的孔或非常粘的產品。圖31 D 也是可以靈活更換的刀片，適于粘性高的產品切割。  在選擇刀片時可以考慮下面幾個因素：第1個是顆粒大小，切割比較小的顆粒時，選擇便于更換且靈活性比較高的刀片。第2是顆粒形狀是簡單還是復雜，第3是切刀旋轉的速度是快還是慢，如果切刀旋轉比較慢的話，就需要選擇比較窄的刀片，這是因為在切刀切割擠出的顆粒時，如果切刀太寬的話，切刀的刀背就可以撞到擠出顆粒。第四點，如果擠出的產品比較黏或是比較軟時，需要使用非常薄的刀片。在實際應用當中我們希望使用最靈活的切刀設計，從而保障切刀能夠使用最長的時間。 在決定刀片的數量時，要考慮的因素包括產品的長度，擠出物流的流速和產品的柔軟度。 引起比較差的切割的場景常常包括：首先考慮的是刀片遲鈍了，其次觀察刀片與模板表面之間是否緊挨。在使用嵌入性的模孔時，也可能是模孔與模板表面沒有緊密的貼合，也可能是模孔磨損，切割時產品發生滾動。再一個原因是模板表面與切刀不平行。 刀片的鋒利程度也會影響切割效果。在刀片制造中的磨制環節，如果對刀片的磨制不當，磨刀機在刀具上磨掉太多的金屬，也會導致刀片邊緣鋒利度下降。恰當調整切刀和模板表面之間的間距也非常重要，間距過大會導致切割不完全，間距太小會致使切刀和模板表面很快被磨損。 在模孔形狀是非圓形時，比如寵物糧的魚形狀，切刀開始切割的方向會對產品的形狀產生影響。如果切刀切割的時候是從魚嘴向魚尾方向切割，這時產品的顆粒會變短，變胖。如果切刀切割的時候是從魚肚子向魚背方向時候，這時候就得到另外一種形狀的產品。 |
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