錐形雙螺桿擠出機(jī)擠出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、錐形雙螺桿擠出機(jī)擠出系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 前言 近年來隨著高新技術(shù)在擠出成型工藝中的應(yīng)用,擠出成型制品的種類不斷出新,擠出成型的新工藝層出不窮,使這一技術(shù)得到了高速發(fā)展,呈現(xiàn)出光明的發(fā)展前景。擠出成型在塑料制品的成型加工工業(yè)中占有很重要的地位。據(jù)統(tǒng)計(jì),在塑料制品成型加工中,擠出成型制品的產(chǎn)量居于首位。 塑料擠出成型是塑料制品成型加工運(yùn)用最多、最廣泛的工藝技術(shù)之一。采用擠出成型工藝可制備塑料管材、板片材、帶材、型材、棒材、單向拉伸制品和塑料的共混改性等。其技術(shù)成熟、用途廣泛,涉及的塑料品種多樣,在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和人們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮了越來越大的作用。 隨著塑料擠出成型方法的廣泛應(yīng)用和發(fā)展,塑料擠出機(jī)

2、的類型日益增多。 根據(jù)螺桿的數(shù)量分為無螺桿擠出機(jī)(其中又分為柱塞式擠出機(jī)和彈熔體擠出機(jī))、單螺桿擠出機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)和多螺桿擠出機(jī)。 根據(jù)螺桿的轉(zhuǎn)速分為普通擠出機(jī)、高速擠出機(jī)、和超高速擠出機(jī)。 根據(jù)裝配結(jié)構(gòu)分為整體式擠出機(jī)和分開式擠出機(jī)。 在擠出生產(chǎn)的實(shí)踐中反映出,單螺桿擠出機(jī)易于加工粒料,而對(duì)那些粉料則不易加工,對(duì)那些形狀不規(guī)則的或是含濕度很大的懸浮料、乳劑料,或是分子量很高因而粘度很高的料等,實(shí)際上無法加工。此外單螺桿擠出機(jī)對(duì)加入無機(jī)填料的適應(yīng)能力也是差的,且混煉效果較差。 因此為了適應(yīng)廣泛的加工要求,在上世紀(jì)30年代開始發(fā)展了雙螺桿擠出機(jī),但在雙螺桿擠出機(jī)的大量應(yīng)用只是在50年代以后的6

3、0年左右的時(shí)間。 隨著聚合物加工業(yè)的發(fā)展,作為聚合物主要加工設(shè)備之一的雙螺桿擠出機(jī)得到了飛速發(fā)展,并以其優(yōu)異的加工性能得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 錐形雙螺桿擠出機(jī)在加工對(duì)溫度和剪切敏感的物料方面顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),已經(jīng)成為RPVC干粉造粒擠出成型加工的主要機(jī)型之一,越來越廣泛地應(yīng)用于管材、板材、異型材等制品的擠出成型以及RPVC分離造粒。 我國對(duì)雙螺桿擠出機(jī)擠出理論的研究始自二十世紀(jì)八十年代中期,在某些方面取得的研究結(jié)果基本與國際同步。但研究單位、研究人員太少,投入太少,因而發(fā)展較慢,與國外有一定差距,這從另一個(gè)方面也影響到我國雙螺桿擠出機(jī)整體水平的提高。另一方面,我國雙螺桿擠出機(jī)的應(yīng)用水平也不

4、夠高,很多使用著的雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)線還未達(dá)到最佳水平。但在國家工業(yè)整體水平不斷提高的大環(huán)境下,若在得到國家更多的對(duì)雙螺桿擠出機(jī)制造業(yè)以及理論的支持,一定會(huì)較快地縮短我國與先進(jìn)國家在雙螺桿擠出機(jī)水平上的差距。 本文介紹了錐形雙螺桿擠出機(jī)在國內(nèi)外發(fā)展情況及技術(shù)現(xiàn)狀,同時(shí)分析了塑料擠出機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。本文重點(diǎn)設(shè)計(jì)了錐形雙螺桿擠出機(jī)的擠壓系統(tǒng),對(duì)螺桿、機(jī)筒、機(jī)頭進(jìn)行了設(shè)計(jì),對(duì)螺桿、機(jī)筒進(jìn)行了強(qiáng)度校核,以及有關(guān)的技術(shù)說明。1. 概述 擠出成型是塑料成型加工的重要成型方法之一。大部分熱塑性塑料和橡膠都能用此方法進(jìn)行加工。1.1 塑料擠出機(jī)概述 在70年代以前,隨著塑料工業(yè)的迅速發(fā)展,塑料擠出機(jī)曾朝向大型、大

5、的螺桿長徑比方向發(fā)展。自70年代以后,由于擠出理論的發(fā)展和高聚物流變學(xué)理論研究工作的深入,帶來了螺桿、機(jī)筒和機(jī)頭設(shè)計(jì)工作上的突破,使擠出機(jī)朝向高速、高效方向前進(jìn)了一大步,擠出機(jī)效率得到很大提高,其功能也不斷擴(kuò)大。進(jìn)入80年代后,世界各主要工業(yè)國對(duì)擠出機(jī)的理論研究工作繼續(xù)得到高度重視和發(fā)展,但擠出設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)一無大的創(chuàng)新,其進(jìn)展主要表現(xiàn)在各種新的加工工藝和采用先進(jìn)的微電子控制技術(shù)?？偟恼f,目前擠出機(jī)的發(fā)展主要向高速、高效、節(jié)能、多功能、精確和高度自動(dòng)化方向發(fā)展。 在塑料成型加工中,擠出成型是一種重要的成型方法,與其它成型方法相比較,擠出成型具有如下的主要特點(diǎn): 連續(xù)化生產(chǎn)?？筛鶕?jù)需要生產(chǎn)任意長

6、度的管材、棒材異型材、板材、薄膜等。 有很高的生產(chǎn)率。在塑料加工成型工業(yè)中,注射機(jī)的產(chǎn)量遠(yuǎn)比擠出機(jī)的產(chǎn)量要大,但用擠出法加工的塑料卻占總量的40%60%,因此擠出機(jī)在生產(chǎn)率高方面占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。 應(yīng)用范圍廣,能加工大多數(shù)熱塑性塑料和一些熱固性塑料。擠出法除了可以生產(chǎn)管材、板材、棒材、薄膜、單絲、電纜、中空制品、異型材等,還可以進(jìn)行混合、塑化、造粒、脫水、喂料和著色等準(zhǔn)備工序的工作。 機(jī)臺(tái)結(jié)構(gòu)較簡單,操作比較容易,因此投資較少,收效快,制品的價(jià)格較低廉。 因此,擠出成型法已成為目前最普遍的一種塑料成型加工方法,而塑料擠出機(jī)也就成為塑料成型加工機(jī)械的最重要的機(jī)種之一。它對(duì)人民生活、工農(nóng)業(yè)建設(shè)、國防

7、建設(shè)和星際航行等都具有十分重要的意義。 塑料擠出機(jī)的種類很多,根據(jù)螺桿的數(shù)量,分為無螺桿擠出機(jī)(其中又分為柱塞式擠出機(jī)和彈熔體擠出機(jī))、單螺桿擠出機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)和多螺桿擠出機(jī)。 在實(shí)際應(yīng)用中,以單螺桿擠出機(jī)和雙螺桿擠出機(jī)居多。 單螺桿和雙螺桿擠出機(jī)在用途上差不多,一般可用來成型制品或配混料造粒。用他們可以成型的制品,多數(shù)為具有連續(xù)截面的制品,如板、管、異型材、絲、薄膜、棒材等;也有間歇型的制品,如中空制品。單、雙螺桿擠出機(jī)還可以用來進(jìn)行聚合物的改性,如填充、增強(qiáng)、共混、反應(yīng)擠出;亦可以用作其它用途,如后處理的脫水、脫揮發(fā)分、換熱等。 單螺桿擠出機(jī)發(fā)展較早,結(jié)構(gòu)簡單,操作容易,成本低,易于制造

8、、理論研究也成熟。1.2 雙螺桿擠出機(jī)的發(fā)展 隨著聚合物加工業(yè)的發(fā)展,對(duì)高分子材料成型和混合工藝提出了越來越多和越來越高的要求,單螺桿擠出機(jī)在某些方面就不能滿足這些要求。例如:用單螺桿擠出機(jī)進(jìn)行填充改性和加玻璃纖維增強(qiáng)改性等,混合分散效果就不理想。另外,單螺桿擠出機(jī)尤其不適合粉狀物料的加工。 雙螺桿擠出機(jī)與單螺桿擠出機(jī)相比有許多優(yōu)點(diǎn),如喂料特性好,可以加工粘度很高或很低的物料以及帶狀料、糊狀料、粉料等;而且雙螺桿比單螺桿擠出機(jī)有更好的混煉、排氣、反應(yīng)和自潔功能,在加工熱穩(wěn)定性差的塑料和共混料時(shí)有很高的優(yōu)越性;在節(jié)能降耗方面也有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此雙螺桿擠出機(jī)是在一定程度上代表了擠出機(jī)的先進(jìn)方向 為

9、了適應(yīng)聚合物加工中混合工藝的要求,特別是硬質(zhì)聚氯乙烯粉料的加工,雙螺桿擠出機(jī)自20世紀(jì)30年代后期在意大利開發(fā)出來以后,經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的不斷改進(jìn)和完善,得到了很大的發(fā)展。在國外,目前雙螺桿擠出機(jī)已廣泛應(yīng)用于聚合物加工領(lǐng)域,已占全部擠出機(jī)總數(shù)的40%。硬質(zhì)聚氯乙烯粒料、管材、異型材、板材幾乎都是采用雙螺桿擠出機(jī)加工成型的。作為連續(xù)混合機(jī),雙螺桿擠出機(jī)已廣泛用來進(jìn)行聚合物共混、填充和增強(qiáng)改性,也有用來進(jìn)行反應(yīng)擠出。 在雙螺桿擠出機(jī)的發(fā)展過程中,就設(shè)計(jì)制造方面而言,遇到的困難就比單螺桿擠出機(jī)多。除了螺桿元件機(jī)螺桿構(gòu)型的研制外,最重要的問題就是止推軸承和傳動(dòng)箱設(shè)計(jì)制造問題。因?yàn)殡p螺桿擠出機(jī)的兩螺桿中心

10、距確定后,其承受巨大軸向推力的止推軸承的安裝空間有限,要設(shè)計(jì)制造出性能優(yōu)良的能承受軸向和徑向載荷的推力軸承和徑向軸承,及能均載的軸承組合結(jié)構(gòu)是比較困難的。另外要在有限的中心距內(nèi)傳遞很大的扭矩,并把這很大的扭矩相等的分配到兩根螺桿上去,在傳動(dòng)箱的設(shè)計(jì)、制造及材料選擇熱處理上都遇到很多問題。 雙螺桿擠出機(jī)的發(fā)展過程中遇到的另一個(gè)問題是對(duì)其輸送機(jī)理和物料在螺桿中的輸送、熔融、混合等過程的研究中遇到問題的復(fù)雜性及困難。 與西方國家相比,雙螺桿擠出機(jī)在我國開始應(yīng)用較晚,知識(shí)到20世紀(jì)80年代初才開始較多地由國外引進(jìn)。隨著對(duì)雙螺桿擠出機(jī)性能認(rèn)識(shí)的加深,在20世紀(jì)80年代中期,雙螺桿擠出機(jī)在我國的應(yīng)用范圍和

11、使用量擴(kuò)大。經(jīng)過近二十年的發(fā)展,我國不但能生產(chǎn)嚙合同向雙螺桿擠出機(jī),也能生產(chǎn)嚙合異向平行和錐形雙螺桿擠出機(jī),所生產(chǎn)的雙螺桿擠出機(jī)的規(guī)格也由中小型向大型發(fā)展,并基本形成系列,制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),國產(chǎn)雙螺桿擠出機(jī)以基本能滿足國內(nèi)一般生產(chǎn)需求。但就雙螺桿擠出機(jī)的設(shè)計(jì)、制造水平和機(jī)器的整體質(zhì)量而言,與國外先進(jìn)國家生產(chǎn)的雙螺桿擠出機(jī)還有不少差距,這表現(xiàn)在獨(dú)立設(shè)計(jì)能力較弱,機(jī)械制造水平、材質(zhì)、熱處理水平也有差距,軸承、電器、儀表配套還不健全,電器儀表質(zhì)量也較差,不夠可靠。1.3 雙螺桿擠出機(jī)的組成 不論何種雙螺桿擠出機(jī)組,其整體結(jié)構(gòu)組成與單螺桿擠出機(jī)組差不多,由主機(jī)和輔機(jī)組成。其中主機(jī),就是通常所說的雙螺桿擠

12、出機(jī)。在實(shí)際應(yīng)用中,雙螺桿擠出機(jī)必須配以機(jī)頭和輔機(jī)才能完成預(yù)訂的任務(wù),這就是所謂的雙螺桿擠出機(jī)組。 圖 1-1 雙螺桿擠出機(jī)示意圖Fig. 1-1 The structure sketch of twin-screw extrude1-電動(dòng)機(jī) 2-連接器 3-減速器 4-料斗 5-加料器 6-加熱器 7-機(jī)筒 8-螺桿 擠壓系統(tǒng)。它主要由螺桿和機(jī)筒組成,是擠出機(jī)的關(guān)鍵部分; 傳動(dòng)系統(tǒng)。起作用是驅(qū)動(dòng)螺桿,保證螺桿在工作過程中所需要的扭矩和轉(zhuǎn)速; 加熱冷卻系統(tǒng)。它保證塑料和擠壓系統(tǒng)在成型加工中的溫度控制要求。 控制主、輔機(jī)的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī),使其滿足工藝所要求的轉(zhuǎn)速和功率、保證主、輔機(jī)的協(xié)調(diào)的運(yùn)行; 控

13、制主、輔機(jī)的溫度、壓力、流量和制品的質(zhì)量; 實(shí)現(xiàn)整個(gè)擠出機(jī)組的自動(dòng)控制。 一般來說,主機(jī)在擠出設(shè)備中往往是最主要的部分。而在主機(jī)的組成部分中,擠出系統(tǒng)又是最關(guān)鍵的部分,傳動(dòng)系統(tǒng)和加熱冷卻系統(tǒng)則是為保證擠出系統(tǒng)正常工作服務(wù)的;在輔機(jī)的各組成部分中,機(jī)頭設(shè)計(jì)和制造的質(zhì)量也往往是比較重要的。然而,隨著情況的改變這些矛盾又是可互相轉(zhuǎn)化的。例如,當(dāng)擠出機(jī)的生產(chǎn)力大大提高后,相應(yīng)的輔機(jī)的生產(chǎn)能力是否能與之相匹配又將成為關(guān)鍵問題了。因此,衡量一套擠出機(jī)設(shè)備的合理性與先進(jìn)性必須是全面的和綜合性的。1.4 雙螺桿擠出機(jī)的分類、工作原理 雙螺桿擠出機(jī)有許多種不同的形式,主要差別在于螺桿結(jié)構(gòu)的不同。雙螺桿擠出機(jī)的螺

14、桿結(jié)構(gòu)要比單螺桿擠出機(jī)復(fù)雜得多,這是因?yàn)殡p螺桿擠出機(jī)的螺桿還有諸如旋轉(zhuǎn)方向、嚙合程度等等問題。 非嚙合與嚙合型雙螺桿擠出機(jī) 非嚙合型雙螺桿擠出機(jī)的兩根螺桿軸線分開的距離至少等于兩根螺桿外半徑之和,這種雙螺桿擠出機(jī)的一根螺桿的螺棱不伸到另一根螺桿的螺槽中。兩根螺桿可以同向旋轉(zhuǎn),也可以異向旋轉(zhuǎn);兩根螺桿的形狀可以相同,也可以對(duì)稱(即兩根螺桿的螺旋角相反)。 嚙合型雙螺桿擠出機(jī)的兩根螺桿軸線分開的距離小于兩根螺桿外半徑之和,根據(jù)嚙合程度不同,又分為全嚙合型和部分嚙合型。全嚙合型的一根螺桿的的螺棱與另一根螺桿的螺槽之間不留間隙(指設(shè)計(jì)上,而不是制造、裝配上的),而部分嚙合型的一根螺桿的的螺棱與另一根螺

15、桿的螺槽之間留有設(shè)計(jì)上的間隙。 嚙合區(qū)螺槽開放型與封閉型雙螺桿擠出機(jī) 嚙合區(qū)螺槽開放型與閉合型是指在嚙合區(qū)兩螺桿的螺槽中,物料是否有沿著螺槽或橫過螺槽的可能通道(該通道不包括螺棱頂部和機(jī)筒璧之間的間隙和在兩螺桿螺棱之間由于加工誤差帶來的間隙)。據(jù)此可分為縱向開放或封閉、橫向開放或封閉等幾種類型。 同向旋轉(zhuǎn)和異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī) 同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的兩根螺桿完全相同,但實(shí)際中的多為右旋螺紋。 異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)中,嚙合型的兩根螺桿向外旋的較多,但非嚙合型的則是向內(nèi)旋轉(zhuǎn)。 平行雙螺桿擠出機(jī)和錐形雙螺桿擠出機(jī) 平行雙螺桿擠出機(jī)和錐形雙螺桿擠出機(jī)是根據(jù)兩根螺桿的軸線是否平行劃分的。平行雙螺桿擠出機(jī)

16、螺桿的螺紋分布在圓柱面上;錐形雙螺桿擠出機(jī)的螺紋分布在圓錐面上,兩螺桿裝配后,其軸線成一交角。從旋轉(zhuǎn)方向上分,一般情況下,它屬于異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿,向外旋轉(zhuǎn),故兩根螺桿對(duì)稱。 雙螺桿擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)盡管與單螺桿擠出機(jī)很相似,但工作原理差異卻很大。在雙螺桿擠出機(jī)中,物料由加料裝置(一般為定量加料)加入,經(jīng)螺桿作用到達(dá)機(jī)頭口模。在這一過程中,物料的運(yùn)動(dòng)情況因螺桿的嚙合方式、旋轉(zhuǎn)方向不同而不同。 非嚙合型雙螺桿擠出系統(tǒng) 物料在非嚙合雙螺桿擠出系統(tǒng)中,除了向機(jī)頭方向的運(yùn)動(dòng)形式外,還有多種流動(dòng)方式,如圖所示。 圖 1-2 物料在非嚙合雙螺桿擠出機(jī)中的流動(dòng)示意圖Fig. 1-2 The sketch of mat

17、erials in non-engagement twin-screw extruder 由于兩螺桿不嚙合,它們之間的徑向間隙很大,存在較大的漏流。主要流動(dòng)方式: 由于兩螺桿的螺棱的相對(duì)位置是錯(cuò)開的,即一根螺桿的推力面的物料壓力大于另一螺桿拖帶面的物料壓力,從而產(chǎn)生了流動(dòng)。 物料從壓力較高的螺桿推力面向另一螺桿拖帶面的流動(dòng),同時(shí)隨著螺桿的旋轉(zhuǎn),在兩螺桿的間隙處物料不斷受到攪動(dòng)并被不斷帶走、更新(不論兩螺桿的轉(zhuǎn)向如何),特別是在異向旋轉(zhuǎn)過程中,物料在A處受到阻礙,產(chǎn)生了流動(dòng)。 多種物料的流動(dòng)形式(包括由于在兩根螺桿的相互作用下產(chǎn)生的各種流動(dòng))都增加了對(duì)物料的混煉和剪切。但這種雙螺桿沒有自清潔作用

18、,一般僅用于混料,不適合PVC型材的生產(chǎn)。 嚙合型同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出系統(tǒng) 物料在同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出系統(tǒng)的全螺紋段的流動(dòng)情況如圖所示。 圖 1-3 物料在嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)中的流動(dòng)示意圖Fig. 1-3 The sketch of materials in engagement the twin-screw extruder 由于同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿在嚙合位置的速度方向相反,一根螺桿要把物料拉入嚙合間隙,而另一根螺桿要把物料從間隙中推出,結(jié)果使物料從一根螺桿轉(zhuǎn)到另一個(gè)螺桿,呈“”形前進(jìn),這種速度的改變以及嚙合區(qū)較大的相對(duì)速度,非常有利于物料混合和均化,由于嚙合區(qū)間隙很小,嚙合處螺紋和螺槽的速度相反

19、,剪切速度高,有很好自潔作用,即能刮去粘附在螺桿上的任何積料,從而使物料的停留時(shí)間很短。這種擠出機(jī)主要用于混煉物料和造粒。但由于物料在嚙合區(qū)間所受剪切力很大,所以也不適應(yīng)PVC型材的生產(chǎn)。 嚙合型異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出系統(tǒng) 嚙合型異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出系統(tǒng)中物料的運(yùn)動(dòng)情況如圖所示。 圖1-4 嚙合型異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出系統(tǒng)中物料的運(yùn)動(dòng)情況 Fig. 1-4 The movement of materials in counter-rotating twin-screw extruder 在嚙合型異向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出中,兩根螺桿是對(duì)稱的,由于回轉(zhuǎn)方向不同,一根螺桿上物料螺旋前進(jìn)的道路被另一根螺桿的螺棱堵死

20、,不能形成“”字型運(yùn)動(dòng)。在固體輸送部分,物料是以近似的密閉“C”形小室的形態(tài)向前輸送。但為了使物料混合設(shè)計(jì)中將一根螺桿的外徑與另一根螺桿的根徑之間留有一定的間隙量,以便使物料能夠通過。物料通過兩螺桿之間的徑向間隙時(shí),受到強(qiáng)烈的剪切、攪拌和壓延作用,因此,物料的塑化比較好,多用于加工制品。由于兩螺桿的徑向間隙比較小,因此,有一定的自潔性能,但自潔性比同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿要差。1.5 錐形雙螺桿擠出機(jī) 1967年前后,奧地利ANGER兄弟公司制造出世界上第一臺(tái)錐形雙螺桿擠出機(jī),其目的是為了解決平行雙螺桿擠出機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中分配齒輪軸以及止推軸承布置和壽命問題,另一方面是為了滿足用戶對(duì)擠出產(chǎn)量的要求。此后,

21、奧地利、德國、日本等許多國家的塑料機(jī)械制造商也相繼推出了錐形雙螺桿擠出機(jī)。 錐形雙螺桿擠出機(jī)是在完全嚙合式平行異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種機(jī)型,具有與平行異向雙螺桿擠出機(jī)共同的優(yōu)點(diǎn):封閉的螺槽,達(dá)到物料的強(qiáng)制輸送;物料停留時(shí)間分布窄;自潔性好;適用于粉料加工。由于螺桿結(jié)構(gòu)的特殊性,它除了具有平行雙螺桿的優(yōu)點(diǎn)之外,還具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):加料段直徑大,螺槽容積大,加料量大;加料段螺槽表面積大(平均直徑與平行雙螺桿直徑相同是,表面積大出一倍多),傳熱面積大,有利于物料的傳熱;螺槽容積隨螺桿逐漸減小,物料被逐漸壓縮,保證了物料連續(xù)平緩的塑化;螺桿尾部直徑大,螺桿強(qiáng)度高;分配齒輪中心距大,

22、齒輪直徑大(如錐形45機(jī)的分配齒直徑相當(dāng)于平行110的分配齒輪直徑),承載能力高,螺桿軸向力小,約為同功率平行雙螺桿的一半,這就意味著止推軸承的使用壽命高;擠出段螺桿直徑小,塑料熔體承受的剪切速率低,熱損傷的危險(xiǎn)性小,適于熱穩(wěn)定性差的物料的加工;擠出產(chǎn)量相同時(shí),機(jī)器總長比平行雙螺桿擠出機(jī)短的多;拆卸螺桿時(shí),無需移動(dòng)輔機(jī)。因此,錐形雙螺桿擠出機(jī)在UPVC干混粉料直接擠出成型制品和造粒中得到廣泛應(yīng)用。 錐形雙螺桿擠出機(jī)在加工對(duì)溫度和剪切敏感的物料方面顯示出其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為RPVC干混粉料擠出成型加工的主要機(jī)型之一,越來越廣泛的應(yīng)用于管材、板材、異型材等制品的擠出成型以及RPVC粉料造粒。 近

23、年來,國內(nèi)錐形雙螺桿擠出機(jī)發(fā)展迅速。由于螺桿錐形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),錐形雙螺桿擠出機(jī)適用于粉狀PVC的加工,尤其在RPVC干混粉料直接擠出成型制品和造粒中得到廣泛應(yīng)用。螺桿是擠出機(jī)的心臟,螺桿參數(shù)的正確與否直接影響到擠出機(jī)的性能。 工作原理:錐形雙螺桿擠出機(jī)屬于異向旋轉(zhuǎn)嚙合型。由于螺槽體積逐漸變小,當(dāng)加工RPVC粉料(密度小,體積大)時(shí),當(dāng)物料加入加料口后,在旋轉(zhuǎn)螺桿的作用下,物料被壓實(shí)并向前輸送,這樣有利于熱量的傳遞。在壓縮段和熔融段,一般希望剪切速率高一些,以加快塑化過程,當(dāng)物料進(jìn)入均化段后,由于已經(jīng)基本熔融,則以低剪切率為宜,防止物料過熱分解,錐形雙螺桿擠出機(jī)能較好的適應(yīng)這一物料過程的變化。因?yàn)?/p>

24、由于相互嚙合的兩螺桿與機(jī)筒形成一系列的C型小室的體積由加料段端到出料段端是逐漸減少的,使得能夠在加料端大的C型小室內(nèi)加入較大體積的粉料,加料段較大的機(jī)筒、螺桿與物料的接觸面積有利于把更多的熱量傳遞給物料,使其提高溫度。隨著物料的向前輸送,螺桿直徑變小,物料得以壓縮而逐漸熔融。 性能用途:錐形雙螺桿擠出機(jī)的生產(chǎn)能力高,沿著螺桿軸線,螺桿的圓周速率逐漸變小,物料受到的摩擦剪切也逐漸變小,因而物料和螺桿之間的摩擦熱也較小,故特別適于RPVC這種對(duì)剪切和熱都敏感的塑料的加工。擠出品均勻密實(shí),尺寸準(zhǔn)確,更換品種容易,能實(shí)現(xiàn)工藝過程的連續(xù)化、聯(lián)動(dòng)化和自動(dòng)化,同一臺(tái)機(jī)器可以適用于多種工藝用途。它還具有結(jié)構(gòu)簡

25、單,制造容易、操作方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。另外,由于螺桿排料端直徑小,所承受的物料的軸向力也小,可以承受較大的機(jī)頭壓力,適合較復(fù)雜制品的擠出,如波紋管、異型材等。 不論何種雙螺桿擠出機(jī)組,其整體結(jié)構(gòu)組成與單螺桿擠出機(jī)組差不多,都由主機(jī)、機(jī)頭和輔機(jī)組成。所謂的錐形雙螺桿擠出機(jī)組由擠出主機(jī)、真空定型臺(tái)、牽引機(jī)、切割機(jī)、翻料架輔助設(shè)備等組成。進(jìn)口交流變頻調(diào)速裝置,牽引機(jī)有二爪、五爪 、六爪等牽引方式,根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)需要選用。選用鋸片切割式或行星切割式,另帶增厚裝置,機(jī)組性能穩(wěn)定、可靠、生產(chǎn)率高。其中主機(jī)就是通常所說的錐形雙螺桿擠出機(jī)。在實(shí)際應(yīng)用中,錐形雙螺桿擠出機(jī)必須配以機(jī)頭和輔機(jī)才能完成預(yù)定的任務(wù)。

26、圖1-5 異型材擠出生產(chǎn)線示意圖Fig.1-5 The sketch of Profile Extrusion Line1.翻卸溜槽(儲(chǔ)料) 2.切斷機(jī) 3.引出裝置 4.冷卻段 5.定型臺(tái) 6.模頭 7.擠出機(jī) 性能特點(diǎn):強(qiáng)制擠出、剪切速率小、物料不易分解、混煉及塑化性能良好,粉料直接加入,直接成型溫度自控。設(shè)有真空排氣裝置,專用模具、品牌廠家生產(chǎn),保證制品出料均勻、流暢、廢次品率低、產(chǎn)量高。 錐形雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)線調(diào)整模具、輔助設(shè)備可進(jìn)行雙管生產(chǎn) ,同時(shí)更換模具和輔助設(shè)備和部分零部件、配置專用的板材、片材模具、輔助設(shè)備可行板材、版材的生產(chǎn)。 錐形雙螺桿擠出機(jī)也可進(jìn)行熱切造粒。1.6 塑料擠

27、出機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 高速、高產(chǎn)化 長期以來作為擠出成型裝備主要性能指標(biāo)的“高速、高產(chǎn)”一直是成型機(jī)發(fā)展的主要方向。高的產(chǎn)出與價(jià)格比不僅是企業(yè)家最為關(guān)心的,也是科技工作者夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。 擠出機(jī)的高速、高產(chǎn)固然可使投資者以教低的投入獲得較大的產(chǎn)出和高額的回報(bào),但從技術(shù)角度看,擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速的高速化也帶來了一系列需要克服的問題:如物料在螺桿內(nèi)停留時(shí)間的減少會(huì)導(dǎo)致物料混煉塑化不均;物料經(jīng)受過度的剪切會(huì)造成急劇升溫和熱分解;擠出穩(wěn)定性控制困難會(huì)造成擠出物幾何尺寸波動(dòng);相關(guān)的輔助裝置和控制系統(tǒng)的精度亦必須提高;螺桿和機(jī)筒的磨損加劇,需要采用高耐磨及超高耐磨材質(zhì);減速器與軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下如何提高其壽命等

28、一系列的問題。 高效、多功能化 擠出機(jī)的高效性能主要體現(xiàn)在高產(chǎn)出、低能耗、低的制造成本。 在功能方面,螺桿擠出機(jī)不僅僅用于高分子材料的擠出成型和混煉加工,它的用途已拓寬到食品、飼料、建材、包裝、紙漿、陶瓷等領(lǐng)域。此外,將混煉造粒與擠出成型工序合二為一的“一步法擠出工藝”也值得引起重視。一步法擠出成型工藝在縮短工業(yè)流程節(jié)省能耗,減少設(shè)備投資和占地面積,減少操作人員等方面比傳統(tǒng)的二步法工藝具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 大型化和精密化 在擠出成型裝備中,一般中,小型的通用機(jī)器,我國均能生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)擠出成型的設(shè)備的大型化可以降低生產(chǎn)成本這在大型雙螺桿造粒機(jī)組,吹膜機(jī)組,管材擠出機(jī)方面優(yōu)勢(shì)更為明顯。重點(diǎn)發(fā)展為國家重點(diǎn)

29、建設(shè)服務(wù)的重大基礎(chǔ)裝備,大型乙烯工程配套的三大關(guān)鍵設(shè)備之一,大型擠壓造粒機(jī)組長期一直依靠進(jìn)口,因此必須加快國產(chǎn)化進(jìn)程,滿足石化工業(yè)發(fā)展需要。而精密化可以提高產(chǎn)品的含金量,如多層共擠復(fù)合薄膜等均需要精密擠出,而作為實(shí)現(xiàn)精密擠出的重要手段?熔體齒輪泵必須加大力度進(jìn)行研究開發(fā)。 模塊化和專業(yè)化 實(shí)行擠出成型設(shè)備生產(chǎn)的模塊化,專業(yè)化已是大勢(shì)所趨,模塊化生產(chǎn)可以適應(yīng)不同用戶的特殊要求,縮短新產(chǎn)品的研究周期,爭取更大的市場(chǎng)份額,而專業(yè)化生產(chǎn)可以將擠出成型設(shè)備的各個(gè)系統(tǒng)模塊不見安排定點(diǎn)生產(chǎn)甚至進(jìn)行全球采購,這對(duì)保證整機(jī)的質(zhì)量,降低成本,加速資金的周轉(zhuǎn)是有利。在我國,擠出機(jī)螺桿,機(jī)筒,減速器,加熱冷卻系統(tǒng),潤

30、滑系統(tǒng),加料系統(tǒng),控制系統(tǒng)均有定點(diǎn)工廠專業(yè)生產(chǎn),這無疑是正確的。 智能化和網(wǎng)絡(luò)化 發(fā)達(dá)國家的擠出機(jī)已普遍采用現(xiàn)代電子和計(jì)算機(jī)控制技術(shù),操作臺(tái)設(shè)有熒光屏監(jiān)測(cè),對(duì)整個(gè)擠出過程的工藝參數(shù)如熔體壓力及溫度,各段機(jī)身溫度,主螺桿和喂料螺桿的轉(zhuǎn)速,喂料量,各種原料的配比,電機(jī)的電流電壓等參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè),并采用微機(jī)閉環(huán)控制。2. 錐形雙螺桿擠出機(jī)的結(jié)構(gòu) 不論何種雙螺桿擠出機(jī)機(jī)組,其整體結(jié)構(gòu)組成與單螺桿擠出機(jī)差不多,由主機(jī)、機(jī)頭和輔機(jī)組成。其中主機(jī),就是通常所說的雙螺桿擠出機(jī)。圖 2-1 錐形雙螺桿擠出機(jī)Fig. 2-1 Conical twin-screw extruder 錐形雙螺桿擠出機(jī)(主機(jī))是錐形

31、雙螺桿擠出機(jī)組的核心組成部分。從總體組成上看,和單螺桿擠出機(jī)差不多,由傳動(dòng)系統(tǒng)、擠壓系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。2.1 擠壓系統(tǒng) 擠壓系統(tǒng)是錐形雙螺桿擠出機(jī)的核心部分。其作用是把加入的固(液)體熔融塑化、混合(或進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)),為口模提供定溫、定壓、定量的熔體(混合物),并將這一過程中產(chǎn)生的氣體(或液體)排除,最后通過口模(及后續(xù)的輔機(jī)),得到合乎質(zhì)量要求的制品。 錐形雙螺桿擠出機(jī)的擠壓系統(tǒng)主要由螺桿、機(jī)筒組成。因此,錐形雙螺桿擠出機(jī)擠壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是螺桿、機(jī)筒的設(shè)計(jì)。 圖 2-2 錐形螺桿Fig. 2-2 Conical screw 兩根螺桿呈錐形,螺紋分布在錐面上,兩根螺桿軸

32、向不平行,在機(jī)筒內(nèi)嚙合異向旋轉(zhuǎn)。螺桿由高強(qiáng)度耐腐蝕的合金鋼制成,多選用38CrMoAlA,加工成螺桿后經(jīng)氮化處理。 圖 2-3 錐形雙螺桿擠出機(jī)機(jī)筒Fig.2-3 The barrel of conical twin-screw extruder 機(jī)筒與螺桿共同組成擠壓系統(tǒng)。采用整體或法蘭組合結(jié)構(gòu),呈階梯狀,外徑由大到小。上端開有加料口和兩個(gè)排氣孔。機(jī)筒材質(zhì)大多選用38CrMoAlA氮化鋼,經(jīng)氮化處理,氮化厚度約為0.41.0mm。機(jī)筒外表面大部分長度上開有螺旋溝槽,以便繞入銅線,通油冷卻。其排氣口為兩個(gè)小孔,各自通向兩根螺桿的排氣段的螺槽。2.2 加料裝置 錐形雙螺桿擠出機(jī)多用于RPVC粉料

33、的擠出成型和造粒,由于物料的松密度較低,為了加大物料和機(jī)筒的接觸面積,以利于傳熱,提高擠出量,多采用強(qiáng)制加料裝置。2.3 機(jī)頭 圖 2-4 機(jī)頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2-4 The structure sketch of the nose 機(jī)頭、過濾裝置和切粒機(jī),以及干燥裝置、包裝機(jī)都屬于擠出機(jī)的下游裝置。機(jī)頭包括成型制品(型材)機(jī)頭和造粒機(jī)頭。 擠出機(jī)頭將塑化均勻的塑料熔體在一定的溫度和壓力下,通過擠塑成型模具面而成為具有一定斷面形狀的處于粘流態(tài)的連續(xù)體,再經(jīng)國定型模進(jìn)一步調(diào)整斷面而成為具有一定斷面形狀和尺寸,定型為連續(xù)的型材。 管材擠塑成型機(jī)頭按管材擠出方向與擠出機(jī)軸線之間的關(guān)系分為直管機(jī)頭、

34、直角機(jī)頭、斜角機(jī)頭和旁側(cè)式機(jī)頭機(jī)種形式。而定徑套又分為壓縮空氣定徑和真空定徑兩大類。 直管機(jī)頭由合金鋼內(nèi)套和碳素鋼外套構(gòu)成,機(jī)頭內(nèi)裝有成型模具。機(jī)頭的作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的塑料熔體轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫兄本€運(yùn)動(dòng),均勻平穩(wěn)的導(dǎo)入模套中,并賦予塑料以必要的成型壓力。塑料在機(jī)筒內(nèi)塑化壓實(shí),經(jīng)多孔濾板沿一定的流道通過機(jī)頭脖頸流入機(jī)頭成型模具,模芯模套適當(dāng)配合,形成截面不斷減小的環(huán)形空隙,使塑料熔體在芯線的周圍形成連續(xù)密實(shí)的管狀包覆層。為保證機(jī)頭內(nèi)塑料流道合理,消除積存塑料的死角,往往安置有分流套筒,為消除塑料擠出時(shí)壓力波動(dòng),也有設(shè)置均壓環(huán)的。機(jī)頭上還裝有模具校正和調(diào)整的裝置,便于調(diào)整和校正模芯和模套的同心度。2.4

35、加熱冷卻系統(tǒng) 雙螺桿擠出過程是一個(gè)放熱過程,在這一過程中要向聚合物提供由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)的熱量。而雙螺桿擠出過程的這種熱量來源有兩個(gè):一個(gè)是外加熱器提供的傳導(dǎo)熱,還有一個(gè)是由于螺桿對(duì)物料的剪切,把電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成熱能。 理想的擠出過程是由加熱器提供的熱能加上機(jī)械能轉(zhuǎn)化的熱能恰好能使聚合物完成由固態(tài)到粘流態(tài)的轉(zhuǎn)變。由于螺桿的轉(zhuǎn)速的不同,會(huì)使物料溫度過熱或過冷,因此,需要加熱冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。 加熱裝置有電加熱和載體加熱等方式。 冷卻裝置有風(fēng)冷、油冷、水冷等方式。 螺桿的溫控方式有兩種方式,一種是外循環(huán)式,一種是熱管式。2.5 傳動(dòng)系統(tǒng) 錐形雙螺桿擠出機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪箱(扭矩分

36、配部分和減速部分)等組成。 螺桿轉(zhuǎn)速要根據(jù)工藝進(jìn)行變化,電機(jī)選擇直流電機(jī)或交流變頻調(diào)速電機(jī)。多數(shù)錐形雙螺桿擠出機(jī)的扭矩分配部分和減速部分是分開布置的。2.6 安全保護(hù)裝置 與單螺桿擠出機(jī)相比,雙螺桿擠出機(jī)設(shè)置有更多的安全保護(hù)裝置。 螺桿扭矩過載保護(hù) 雙螺桿擠出機(jī)的兩根螺桿的工作條件比單螺桿擠出機(jī)螺桿惡劣得多。兩根螺桿是在中心距限定(或直徑限定)的情況下,傳遞大扭矩的。另外兩根螺桿的設(shè)計(jì)和制造要比單螺桿困難、昂貴得多。因此在擠出過程中,要更加注意螺桿的過載保護(hù)。具體講,就是要保證螺桿在不超過而定載荷(扭矩)下運(yùn)轉(zhuǎn)。一旦超過額定載荷,就要是螺桿與傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)箱與驅(qū)動(dòng)電機(jī)切斷聯(lián)系,通常有以下幾種過

37、載保護(hù)方法。 機(jī)械過載保護(hù) 在電機(jī)與傳動(dòng)箱之間設(shè)過載保護(hù)聯(lián)軸器,或在傳動(dòng)系統(tǒng)與擠壓系統(tǒng)間的聯(lián)軸器設(shè)機(jī)械過載安全銷。一旦過載,過載離合器打滑,或安全銷被剪斷,從而保護(hù)螺桿和傳動(dòng)系統(tǒng)。 電器過載保護(hù) 一般采用額定扭矩顯示器或電流繼電器。當(dāng)扭矩或電流超過額定值時(shí),除了儀表顯示外,會(huì)立即切斷電源,從而保護(hù)螺桿和傳動(dòng)系統(tǒng)。 止推軸承過載保護(hù) 設(shè)計(jì)雙螺桿擠出機(jī)時(shí),止推軸承的規(guī)格和數(shù)量是根據(jù)其所承受的軸向載荷及額定負(fù)載選擇的。工作時(shí),止推軸承要承受很大的軸向載荷,一旦過載,就會(huì)造成整個(gè)止推軸承組損壞,進(jìn)而造成傳動(dòng)齒輪甚至螺桿損壞。止推軸承是用來承受螺桿軸向力的,鵝螺桿的軸向力是由工作時(shí)螺桿端部的熔體靜壓和沿

38、螺桿軸線方向的附加動(dòng)載(沿螺桿軸線的壓力梯度)產(chǎn)生的,而前者是主要的。因而控制螺桿端部熔體靜壓(或機(jī)頭壓力),使其產(chǎn)生的軸向力不超過軸承允許負(fù)荷,即可保護(hù)止推軸承。 具體方法是,在機(jī)頭或螺桿頭部處設(shè)置熔體壓力傳感器,并設(shè)定額定的熔體壓力,一旦達(dá)到額定值,即發(fā)出信號(hào)是機(jī)器停止運(yùn)轉(zhuǎn),從而保護(hù)軸承。 潤滑系統(tǒng)保護(hù) 潤滑部位油溫過高或潤滑油壓不足是報(bào)警 此外,還有機(jī)筒加熱載體溫度指示、控制及超溫報(bào)警,排氣系統(tǒng)設(shè)有廢氣過濾裝置,排氣系統(tǒng)有故障時(shí)報(bào)警。3. 錐形雙螺桿擠出機(jī)擠出系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 錐形雙螺桿擠出機(jī)的雙螺桿嚙合異向旋轉(zhuǎn),其螺桿成錐形,螺紋分布在錐面上,兩螺桿的軸線不平行,中心距沿螺桿是變化的。 SJ

39、SZ?55錐形雙螺桿擠出機(jī)原始設(shè)計(jì)參數(shù): 螺桿直徑: 55/110mm; 螺桿有效長度: 1195mm; 螺桿最大轉(zhuǎn)速: 34r/min; 主機(jī)功率: 25kW; 機(jī)筒加熱功率15kW; 中心高: 1000mm; 機(jī)筒加熱冷卻: 陶瓷加熱器 、空氣強(qiáng)冷卻; 螺桿加熱冷卻: 硅油; 輸送系數(shù): f1; 產(chǎn)量 : Q150kg/h。3.1 設(shè)計(jì)擠出系統(tǒng)需要考慮的問題 高聚物的特性 在設(shè)計(jì)擠壓系統(tǒng)之前,應(yīng)掌握被加工高聚物的性能。不同的高聚物,對(duì)螺桿的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)有不同的要求。被加工高聚物的顆粒的形狀、大小、密度、熔融溫度或軟化點(diǎn),在熔融狀態(tài)下的粘度、流動(dòng)性、熱穩(wěn)定性、熔融溫度的范圍以及高聚物中是否

40、含有填料,其含量的大小和填料的性能對(duì)螺桿設(shè)計(jì)有不同的要求 擠壓系統(tǒng)的用途 在設(shè)計(jì)之前應(yīng)考慮用途,作為專用機(jī)臺(tái)還是通用機(jī)臺(tái)用。作為專用機(jī)臺(tái),擠壓系統(tǒng)只考慮擠壓某一塑料的長期生產(chǎn)用。作用通用機(jī)臺(tái)用,擠壓系統(tǒng)就要考慮適應(yīng)若干種塑化相互交替之用。 口模幾何形狀和阻力特征 擠出不同的制品,要求用不同的口模。不同形狀的口模,對(duì)物料擠出時(shí)的阻力特征性不同。從擠出理論知道螺桿與口模的特征關(guān)系曲線:機(jī)頭阻力大,螺桿的生產(chǎn)能力降低;反之生產(chǎn)能力高。不同口模的幾何形狀和阻力特征對(duì)螺桿的幾何參數(shù)有不同的要求。3.2 錐形雙螺桿的類型 從擠出理論的分析可知高聚物固體顆粒或粉料在經(jīng)歷固體輸送,熔融和熔體定壓定量定溫等擠出

41、過程。螺桿的結(jié)構(gòu)及其幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)合理與否直接影響這個(gè)擠壓過程,螺桿是擠壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。 圖 3-1 錐形螺桿Fig. 3-1 Conical screw 螺桿時(shí)擠出機(jī)的核心零件。錐形雙螺桿擠出機(jī)發(fā)展至今已經(jīng)近四十多年了,其螺桿基本結(jié)構(gòu)先后經(jīng)歷了三種形式:普通型、雙錐型、高效雙錐型. 圖3-2 錐形螺桿基本結(jié)構(gòu)Fig. 3-2 The basic structure of conical screw 普通型 普通型是錐形雙螺桿的初級(jí)結(jié)構(gòu)形式,其特點(diǎn)是:螺桿大端與小端直徑之比小于2,螺槽深度沿全長不變。如奧地利CINClNNATIMILACRON公司以下簡稱CM公司九十年代以前的CM系列機(jī)的螺

42、桿。 雙錐型 雙錐型是在普通型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,其特點(diǎn)是:螺桿大端與小端直徑比大于2,大端螺槽深,小端螺槽淺,螺槽深度沿螺桿全長漸變,直徑與螺槽之比不變,構(gòu)成了外徑的外錐角和螺槽底徑的內(nèi)錐角。由于加料段螺槽深度較普通型深,故加料量大有利于傳熱和物料的融化、塑化;螺桿表面積大,冷料停留時(shí)間延長,增加了外加熱向物料的傳熱,有利于物料升溫。其擠出量比普通型提高20%30%。 高效雙錐型 高效雙錐型是上世紀(jì)80 年代末在雙錐型設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其特點(diǎn)是:螺桿大端與螺桿小端直徑之比大于2,螺槽深度沿螺桿全長漸變,螺桿長度比雙錐型適當(dāng)加長。這樣使物料在加料段置于外加熱作用下的時(shí)間延長,能充

43、分地吸收熱量,加快升溫,促進(jìn)塑化。加料段螺槽容積和表面積的增加不僅意味著高的擠出產(chǎn)量,而且也意味著高的應(yīng)用靈活性,高效雙錐型的問世被稱為錐形雙螺桿擠出機(jī)發(fā)展上引人注目的技術(shù)進(jìn)步,其擠出產(chǎn)量較同規(guī)格普通型高出1倍或1倍以上。 由于我國的錐形雙螺桿起步較晚,因此在結(jié)構(gòu)上多為較初級(jí)的普通型,存在能耗大塑化質(zhì)量不佳產(chǎn)量低等諸多不足。 衡量螺桿設(shè)計(jì)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn): 生產(chǎn)能力 生產(chǎn)能力是設(shè)計(jì)螺桿的主要指標(biāo)之一。不同規(guī)格的螺桿生產(chǎn)能力是不同的,同一規(guī)格的螺桿,由于結(jié)構(gòu)和幾何尺寸的差異或由于螺桿轉(zhuǎn)速的差異,加工同一物料的生產(chǎn)也各有不同。因此,必須有一個(gè)衡量螺桿生產(chǎn)能力的標(biāo)準(zhǔn)。其中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是生產(chǎn)能力Q與螺桿轉(zhuǎn)速n

44、的比值,稱為比流量Q/n。同規(guī)格的螺桿在加工同一物料的比流量,在一定程度上說明了螺桿的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)設(shè)計(jì)的合理與否。 功率消耗 從擠出機(jī)的能力平衡來看,在擠壓系統(tǒng)中對(duì)物料所消耗的能量應(yīng)等于對(duì)物料的加熱能量和對(duì)螺桿輸入功率的總和。但習(xí)慣上為了衡量螺桿加工不同物料所消耗的機(jī)械功率大小,假設(shè)機(jī)筒外加熱功率相同時(shí),以螺桿每單位生產(chǎn)能力所消耗的機(jī)械功率對(duì)物料進(jìn)行剪切和摩擦作用而轉(zhuǎn)換為熱量愈多,機(jī)械功率轉(zhuǎn)換熱能過多,可能會(huì)引起局部過熱,甚至造成物料的熱分解,影響制品質(zhì)量:另一方面增加螺桿傳動(dòng)裝置的負(fù)載或?qū)β輻U的機(jī)筒機(jī)型局部冷卻而造成能量浪費(fèi)。因此,在保證物料塑化的前提下,螺桿的單耗應(yīng)以低值為好。 擠出物的

45、質(zhì)量 擠出物的質(zhì)量包括外觀質(zhì)量,擠出物的混合質(zhì)量,擠出物的擠出溫度,在徑向上的溫度差,溫度隨時(shí)間而波動(dòng)的軸向溫差,擠出的壓力波動(dòng)等方面的內(nèi)容。擠出物的外觀質(zhì)量是指擠出物在擠出時(shí)是否出現(xiàn)不光滑,波浪形、鯊魚皮形、竹節(jié)形、氣泡、針晶點(diǎn)、斑點(diǎn)和水紋等弊病。好的外觀質(zhì)量不會(huì)出現(xiàn)或很少出現(xiàn)這些弊病。 擠出物混合質(zhì)量是指擠出物各組分的分散程度?；旌腺|(zhì)量好,表明制品各點(diǎn)的性能均勻性好 擠出物的擠出溫度是指在保證塑化的前提下,擠出物擠出時(shí)溫度值的高低。擠出物的擠出溫度低,制品容易定型、可縮短對(duì)制品的冷卻時(shí)間,能減輕輔機(jī)的冷卻負(fù)擔(dān)。 軸向溫差指在螺桿頭部前面某一軸向位置上物料的溫度隨時(shí)間而波動(dòng)的溫度差值。徑向溫

46、差是指螺桿頭部前面某一垂直于物料流動(dòng)方向的界面上徑向各點(diǎn)的溫度差值。這兩種溫差值太大,容易使制品尺寸不均,變形,甚至造成局部過熱,降低制品的性能。 擠出時(shí)的壓力波動(dòng)引起生產(chǎn)能力的波動(dòng)。從擠出理論可以知道,由于壓力的波動(dòng),直接影響生產(chǎn)能力Q的穩(wěn)定性。生產(chǎn)能力的波動(dòng)直接影響到制品的尺寸波動(dòng)。因此,溫差和壓力波動(dòng)值應(yīng)越小越好。 螺桿的加工制造工藝性,使用壽命 螺桿是否加工制造困難,影響螺桿的造價(jià);螺桿使用壽命長,機(jī)臺(tái)的經(jīng)濟(jì)性好。3.3 螺桿參數(shù)的確定 嚙合異向雙螺桿的螺棱、螺槽斷面形狀有矩形的、梯形的、鋸齒形的。矩形斷面的螺槽容積大,但易存料;鋸齒形斷面的螺棱后緣有較大的傾角(30°)和較

47、大的過度圓弧,對(duì)物料的混合和均化效果好,本身強(qiáng)度也高,但螺槽容積減少較多;梯形斷面的螺槽兼有上述兩種斷面的優(yōu)點(diǎn),故實(shí)際中多采用,其法向斷面內(nèi)傾角10°15°,圓弧半徑R0.10.15H,H為槽深。錐形雙螺桿擠出機(jī)螺桿的螺紋牙型一般采用梯形,螺紋升角約5°。導(dǎo)程越大螺紋升角就越大,槽深與直徑之比越大,以避免螺桿之間的干涉。排氣段與勻化段的螺紋升角比較大。有的廠家生產(chǎn)的錐形雙螺桿,為使兩螺桿嚙合區(qū)線更加合理螺紋牙側(cè)面在軸向剖面內(nèi)不是直線,而是一條曲線。 普通錐形雙螺桿擠出機(jī)的螺槽深度在螺桿全長上不變,當(dāng)中心距和螺桿外徑確定后,螺槽深度就確定了 螺槽深度是一個(gè)重要的參量

48、。槽深,可獲得較大的理論擠出量,使物料在螺槽中的停留時(shí)間加長,這對(duì)于未建立起壓力的螺槽區(qū)段特別有利,因?yàn)槲锪仙刑幱谒缮顟B(tài),有利于排氣;在螺槽外徑和根徑之間有較大的剪切速率梯度;適于加料。槽淺,適于導(dǎo)熱性差的物料,因料層薄,利于熱傳導(dǎo),且料內(nèi)外層溫差T小,這對(duì)計(jì)量段尤為重要,因?yàn)闇夭钆c槽深成正比。槽越淺,T越小。另外,槽淺,使螺桿及機(jī)筒表面面積與傳送物料體積之比較適合,因?yàn)楫?dāng)輸送的物料體積一定、表面積較大時(shí),可使物料受的剪切力更均勻,可改善對(duì)物料的均化。 槽深跟螺桿小端外徑的關(guān)系為:H0.20.25D,D為小端外徑。 在螺桿外徑、螺槽深度、螺桿導(dǎo)程相同的情況下,多頭螺紋與單頭螺紋相比,多頭對(duì)物

49、料的推力大,在加料段,攫取物料的能力強(qiáng),在熔體輸送段,可使熔體倒流現(xiàn)象降低。一般說來,頭數(shù)多,導(dǎo)程大。對(duì)于單螺桿來說,由固體輸送理論知,其最大輸送角對(duì)應(yīng)著一個(gè)合適的導(dǎo)程直徑比(T/D);而對(duì)于雙螺桿來說,當(dāng)T/D在較大的范圍變化時(shí),輸送角變化不大,即對(duì)生產(chǎn)率沒什么影響。單頭螺棱與機(jī)筒內(nèi)壁接觸面積雖大,幾乎占整個(gè)機(jī)筒內(nèi)壁的一半,但偏于一邊,因而對(duì)物料加熱不均勻。頭數(shù)增加后,螺棱與機(jī)筒接觸面積分散開來,對(duì)物料加熱均勻,增加了熔融速度。頭數(shù)增加后,螺桿與物料的接觸面積增大,有利于傳熱和熔融。另外,頭數(shù)增加后,熔體的流動(dòng)更為復(fù)雜,在嚙合區(qū),物料沿著導(dǎo)程走;對(duì)四種漏流而言,壓延間隙漏流和側(cè)間隙漏流是在同

50、一根螺桿上漏向下一導(dǎo)程,而螺棱與機(jī)筒間隙漏流是在同一根螺桿上漏向下一螺距,四面體間隙漏流是從一根螺桿流向下一根螺桿。這對(duì)于混合非常有利。同時(shí),螺紋頭數(shù)增加,可以減少出料的脈動(dòng)。但頭數(shù)過多,會(huì)導(dǎo)致同樣導(dǎo)程下的螺槽容積減少。出于生產(chǎn)目的,及考慮螺紋強(qiáng)度、傳熱等原因,規(guī)定最窄螺槽寬度不能小于4mm,故異向螺紋頭數(shù)一般取23。 由于錐形螺桿比平行雙螺桿難加工,從易于加工和保證精度上考慮,實(shí)際中常選擇單頭螺紋。 這是一個(gè)重要的參量,直接影響雙螺桿的工作特性,對(duì)于緊密嚙合、共軛、矩形螺槽的雙螺桿,考慮到制造誤差和因溫升發(fā)生膨脹會(huì)引起兩根螺桿之間可能發(fā)生卡死現(xiàn)象,設(shè)計(jì)時(shí),在橫截面內(nèi)螺棱厚度的取值應(yīng)比計(jì)算值減少0.52mm。 擠出機(jī)在用過一定時(shí)期后, 由于物料對(duì)螺桿和機(jī)筒的摩擦,使螺桿與機(jī)筒, 螺桿與螺桿產(chǎn)之間生了過量的間隙, 當(dāng)間隙大到一定程度后,在擠出過程中物料在機(jī)頭壓力的作用下就出現(xiàn)漏流現(xiàn)象,這樣就會(huì)發(fā)生擠出產(chǎn)量降低而能耗升高的情況,也使物料在過大的間隙中停留時(shí)問加長而容易發(fā)生局部分解。由此可見螺桿間隙過量是直接決定擠出機(jī)能否正常工作的重要因素。 適當(dāng)提高螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)物料的混合和塑化是有利的,也有利于提高制品的機(jī)械強(qiáng)度,但螺桿轉(zhuǎn)速過高,會(huì)對(duì)RPVC這種對(duì)剪切敏感的物料施以更強(qiáng)的剪切,易造成剪切分解。PVC的臨界剪切速率為26/s,且剪切速率與螺桿轉(zhuǎn)速有關(guān)