锥形双螺杆挤出机挤出系统的设计

1、锥形双螺杆挤出机挤出系统的设计 前言 近年来随着高新技术在挤出成型工艺中的应用,挤出成型制品的种类不断出新,挤出成型的新工艺层出不穷,使这一技术得到了高速发展,呈现出光明的发展前景。挤出成型在塑料制品的成型加工工业中占有很重要的地位。据统计,在塑料制品成型加工中,挤出成型制品的产量居于首位。 塑料挤出成型是塑料制品成型加工运用最多、最广泛的工艺技术之一。采用挤出成型工艺可制备塑料管材、板片材、带材、型材、棒材、单向拉伸制品和塑料的共混改性等。其技术成熟、用途广泛,涉及的塑料品种多样,在国民经济建设、国防建设和人们日常生活中发挥了越来越大的作用。 随着塑料挤出成型方法的广泛应用和发展,塑料挤出机

2、的类型日益增多。 根据螺杆的数量分为无螺杆挤出机(其中又分为柱塞式挤出机和弹熔体挤出机)、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机和多螺杆挤出机。 根据螺杆的转速分为普通挤出机、高速挤出机、和超高速挤出机。 根据装配结构分为整体式挤出机和分开式挤出机。 在挤出生产的实践中反映出,单螺杆挤出机易于加工粒料,而对那些粉料则不易加工,对那些形状不规则的或是含湿度很大的悬浮料、乳剂料,或是分子量很高因而粘度很高的料等,实际上无法加工。此外单螺杆挤出机对加入无机填料的适应能力也是差的,且混炼效果较差。 因此为了适应广泛的加工要求,在上世纪30年代开始发展了双螺杆挤出机,但在双螺杆挤出机的大量应用只是在50年代以后的6

3、0年左右的时间。 随着聚合物加工业的发展,作为聚合物主要加工设备之一的双螺杆挤出机得到了飞速发展,并以其优异的加工性能得到了越来越广泛的应用。 锥形双螺杆挤出机在加工对温度和剪切敏感的物料方面显示出其独特的优势,已经成为RPVC干粉造粒挤出成型加工的主要机型之一,越来越广泛地应用于管材、板材、异型材等制品的挤出成型以及RPVC分离造粒。 我国对双螺杆挤出机挤出理论的研究始自二十世纪八十年代中期,在某些方面取得的研究结果基本与国际同步。但研究单位、研究人员太少,投入太少,因而发展较慢,与国外有一定差距,这从另一个方面也影响到我国双螺杆挤出机整体水平的提高。另一方面,我国双螺杆挤出机的应用水平也不

4、够高,很多使用着的双螺杆挤出机生产线还未达到最佳水平。但在国家工业整体水平不断提高的大环境下,若在得到国家更多的对双螺杆挤出机制造业以及理论的支持,一定会较快地缩短我国与先进国家在双螺杆挤出机水平上的差距。 本文介绍了锥形双螺杆挤出机在国内外发展情况及技术现状,同时分析了塑料挤出机的发展趋势。本文重点设计了锥形双螺杆挤出机的挤压系统,对螺杆、机筒、机头进行了设计,对螺杆、机筒进行了强度校核,以及有关的技术说明。1. 概述 挤出成型是塑料成型加工的重要成型方法之一。大部分热塑性塑料和橡胶都能用此方法进行加工。1.1 塑料挤出机概述 在70年代以前,随着塑料工业的迅速发展,塑料挤出机曾朝向大型、大

5、的螺杆长径比方向发展。自70年代以后,由于挤出理论的发展和高聚物流变学理论研究工作的深入,带来了螺杆、机筒和机头设计工作上的突破,使挤出机朝向高速、高效方向前进了一大步,挤出机效率得到很大提高,其功能也不断扩大。进入80年代后,世界各主要工业国对挤出机的理论研究工作继续得到高度重视和发展,但挤出设备的基本结构一无大的创新,其进展主要表现在各种新的加工工艺和采用先进的微电子控制技术。总的说,目前挤出机的发展主要向高速、高效、节能、多功能、精确和高度自动化方向发展。 在塑料成型加工中,挤出成型是一种重要的成型方法,与其它成型方法相比较,挤出成型具有如下的主要特点: 连续化生产。可根据需要生产任意长

6、度的管材、棒材异型材、板材、薄膜等。 有很高的生产率。在塑料加工成型工业中,注射机的产量远比挤出机的产量要大,但用挤出法加工的塑料却占总量的40%60%,因此挤出机在生产率高方面占有绝对的优势。 应用范围广,能加工大多数热塑性塑料和一些热固性塑料。挤出法除了可以生产管材、板材、棒材、薄膜、单丝、电缆、中空制品、异型材等,还可以进行混合、塑化、造粒、脱水、喂料和着色等准备工序的工作。 机台结构较简单,操作比较容易,因此投资较少,收效快,制品的价格较低廉。 因此,挤出成型法已成为目前最普遍的一种塑料成型加工方法,而塑料挤出机也就成为塑料成型加工机械的最重要的机种之一。它对人民生活、工农业建设、国防

7、建设和星际航行等都具有十分重要的意义。 塑料挤出机的种类很多,根据螺杆的数量,分为无螺杆挤出机(其中又分为柱塞式挤出机和弹熔体挤出机)、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机和多螺杆挤出机。 在实际应用中,以单螺杆挤出机和双螺杆挤出机居多。 单螺杆和双螺杆挤出机在用途上差不多,一般可用来成型制品或配混料造粒。用他们可以成型的制品,多数为具有连续截面的制品,如板、管、异型材、丝、薄膜、棒材等;也有间歇型的制品,如中空制品。单、双螺杆挤出机还可以用来进行聚合物的改性,如填充、增强、共混、反应挤出;亦可以用作其它用途,如后处理的脱水、脱挥发分、换热等。 单螺杆挤出机发展较早,结构简单,操作容易,成本低,易于制造

8、、理论研究也成熟。1.2 双螺杆挤出机的发展 随着聚合物加工业的发展,对高分子材料成型和混合工艺提出了越来越多和越来越高的要求,单螺杆挤出机在某些方面就不能满足这些要求。例如:用单螺杆挤出机进行填充改性和加玻璃纤维增强改性等,混合分散效果就不理想。另外,单螺杆挤出机尤其不适合粉状物料的加工。 双螺杆挤出机与单螺杆挤出机相比有许多优点,如喂料特性好,可以加工粘度很高或很低的物料以及带状料、糊状料、粉料等;而且双螺杆比单螺杆挤出机有更好的混炼、排气、反应和自洁功能,在加工热稳定性差的塑料和共混料时有很高的优越性;在节能降耗方面也有明显的优势。因此双螺杆挤出机是在一定程度上代表了挤出机的先进方向 为

9、了适应聚合物加工中混合工艺的要求,特别是硬质聚氯乙烯粉料的加工,双螺杆挤出机自20世纪30年代后期在意大利开发出来以后,经过半个多世纪的不断改进和完善,得到了很大的发展。在国外,目前双螺杆挤出机已广泛应用于聚合物加工领域,已占全部挤出机总数的40%。硬质聚氯乙烯粒料、管材、异型材、板材几乎都是采用双螺杆挤出机加工成型的。作为连续混合机,双螺杆挤出机已广泛用来进行聚合物共混、填充和增强改性,也有用来进行反应挤出。 在双螺杆挤出机的发展过程中,就设计制造方面而言,遇到的困难就比单螺杆挤出机多。除了螺杆元件机螺杆构型的研制外,最重要的问题就是止推轴承和传动箱设计制造问题。因为双螺杆挤出机的两螺杆中心

10、距确定后,其承受巨大轴向推力的止推轴承的安装空间有限,要设计制造出性能优良的能承受轴向和径向载荷的推力轴承和径向轴承,及能均载的轴承组合结构是比较困难的。另外要在有限的中心距内传递很大的扭矩,并把这很大的扭矩相等的分配到两根螺杆上去,在传动箱的设计、制造及材料选择热处理上都遇到很多问题。 双螺杆挤出机的发展过程中遇到的另一个问题是对其输送机理和物料在螺杆中的输送、熔融、混合等过程的研究中遇到问题的复杂性及困难。 与西方国家相比,双螺杆挤出机在我国开始应用较晚,知识到20世纪80年代初才开始较多地由国外引进。随着对双螺杆挤出机性能认识的加深,在20世纪80年代中期,双螺杆挤出机在我国的应用范围和

11、使用量扩大。经过近二十年的发展,我国不但能生产啮合同向双螺杆挤出机,也能生产啮合异向平行和锥形双螺杆挤出机,所生产的双螺杆挤出机的规格也由中小型向大型发展,并基本形成系列,制定了相应标准,国产双螺杆挤出机以基本能满足国内一般生产需求。但就双螺杆挤出机的设计、制造水平和机器的整体质量而言,与国外先进国家生产的双螺杆挤出机还有不少差距,这表现在独立设计能力较弱,机械制造水平、材质、热处理水平也有差距,轴承、电器、仪表配套还不健全,电器仪表质量也较差,不够可靠。1.3 双螺杆挤出机的组成 不论何种双螺杆挤出机组,其整体结构组成与单螺杆挤出机组差不多,由主机和辅机组成。其中主机,就是通常所说的双螺杆挤

12、出机。在实际应用中,双螺杆挤出机必须配以机头和辅机才能完成预订的任务,这就是所谓的双螺杆挤出机组。 图 1-1 双螺杆挤出机示意图Fig. 1-1 The structure sketch of twin-screw extrude1-电动机 2-连接器 3-减速器 4-料斗 5-加料器 6-加热器 7-机筒 8-螺杆 挤压系统。它主要由螺杆和机筒组成,是挤出机的关键部分; 传动系统。起作用是驱动螺杆,保证螺杆在工作过程中所需要的扭矩和转速; 加热冷却系统。它保证塑料和挤压系统在成型加工中的温度控制要求。 控制主、辅机的拖动电动机,使其满足工艺所要求的转速和功率、保证主、辅机的协调的运行; 控

13、制主、辅机的温度、压力、流量和制品的质量; 实现整个挤出机组的自动控制。 一般来说,主机在挤出设备中往往是最主要的部分。而在主机的组成部分中,挤出系统又是最关键的部分,传动系统和加热冷却系统则是为保证挤出系统正常工作服务的;在辅机的各组成部分中,机头设计和制造的质量也往往是比较重要的。然而,随着情况的改变这些矛盾又是可互相转化的。例如,当挤出机的生产力大大提高后,相应的辅机的生产能力是否能与之相匹配又将成为关键问题了。因此,衡量一套挤出机设备的合理性与先进性必须是全面的和综合性的。1.4 双螺杆挤出机的分类、工作原理 双螺杆挤出机有许多种不同的形式,主要差别在于螺杆结构的不同。双螺杆挤出机的螺

14、杆结构要比单螺杆挤出机复杂得多,这是因为双螺杆挤出机的螺杆还有诸如旋转方向、啮合程度等等问题。 非啮合与啮合型双螺杆挤出机 非啮合型双螺杆挤出机的两根螺杆轴线分开的距离至少等于两根螺杆外半径之和,这种双螺杆挤出机的一根螺杆的螺棱不伸到另一根螺杆的螺槽中。两根螺杆可以同向旋转,也可以异向旋转;两根螺杆的形状可以相同,也可以对称(即两根螺杆的螺旋角相反)。 啮合型双螺杆挤出机的两根螺杆轴线分开的距离小于两根螺杆外半径之和,根据啮合程度不同,又分为全啮合型和部分啮合型。全啮合型的一根螺杆的的螺棱与另一根螺杆的螺槽之间不留间隙(指设计上,而不是制造、装配上的),而部分啮合型的一根螺杆的的螺棱与另一根螺

15、杆的螺槽之间留有设计上的间隙。 啮合区螺槽开放型与封闭型双螺杆挤出机 啮合区螺槽开放型与闭合型是指在啮合区两螺杆的螺槽中,物料是否有沿着螺槽或横过螺槽的可能通道(该通道不包括螺棱顶部和机筒璧之间的间隙和在两螺杆螺棱之间由于加工误差带来的间隙)。据此可分为纵向开放或封闭、横向开放或封闭等几种类型。 同向旋转和异向旋转双螺杆挤出机 同向旋转双螺杆挤出机的两根螺杆完全相同,但实际中的多为右旋螺纹。 异向旋转双螺杆挤出机中,啮合型的两根螺杆向外旋的较多,但非啮合型的则是向内旋转。 平行双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机 平行双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机是根据两根螺杆的轴线是否平行划分的。平行双螺杆挤出机

16、螺杆的螺纹分布在圆柱面上;锥形双螺杆挤出机的螺纹分布在圆锥面上,两螺杆装配后,其轴线成一交角。从旋转方向上分,一般情况下,它属于异向旋转双螺杆,向外旋转,故两根螺杆对称。 双螺杆挤出机的结构尽管与单螺杆挤出机很相似,但工作原理差异却很大。在双螺杆挤出机中,物料由加料装置(一般为定量加料)加入,经螺杆作用到达机头口模。在这一过程中,物料的运动情况因螺杆的啮合方式、旋转方向不同而不同。 非啮合型双螺杆挤出系统 物料在非啮合双螺杆挤出系统中,除了向机头方向的运动形式外,还有多种流动方式,如图所示。 图 1-2 物料在非啮合双螺杆挤出机中的流动示意图Fig. 1-2 The sketch of mat

17、erials in non-engagement twin-screw extruder 由于两螺杆不啮合,它们之间的径向间隙很大,存在较大的漏流。主要流动方式: 由于两螺杆的螺棱的相对位置是错开的,即一根螺杆的推力面的物料压力大于另一螺杆拖带面的物料压力,从而产生了流动。 物料从压力较高的螺杆推力面向另一螺杆拖带面的流动,同时随着螺杆的旋转,在两螺杆的间隙处物料不断受到搅动并被不断带走、更新(不论两螺杆的转向如何),特别是在异向旋转过程中,物料在A处受到阻碍,产生了流动。 多种物料的流动形式(包括由于在两根螺杆的相互作用下产生的各种流动)都增加了对物料的混炼和剪切。但这种双螺杆没有自清洁作用

18、,一般仅用于混料,不适合PVC型材的生产。 啮合型同向旋转双螺杆挤出系统 物料在同向旋转的双螺杆挤出系统的全螺纹段的流动情况如图所示。 图 1-3 物料在啮合同向双螺杆挤出机中的流动示意图Fig. 1-3 The sketch of materials in engagement the twin-screw extruder 由于同向旋转双螺杆在啮合位置的速度方向相反,一根螺杆要把物料拉入啮合间隙,而另一根螺杆要把物料从间隙中推出,结果使物料从一根螺杆转到另一个螺杆,呈“”形前进,这种速度的改变以及啮合区较大的相对速度,非常有利于物料混合和均化,由于啮合区间隙很小,啮合处螺纹和螺槽的速度相反

19、,剪切速度高,有很好自洁作用,即能刮去粘附在螺杆上的任何积料,从而使物料的停留时间很短。这种挤出机主要用于混炼物料和造粒。但由于物料在啮合区间所受剪切力很大,所以也不适应PVC型材的生产。 啮合型异向旋转双螺杆挤出系统 啮合型异向旋转双螺杆挤出系统中物料的运动情况如图所示。 图1-4 啮合型异向旋转双螺杆挤出系统中物料的运动情况 Fig. 1-4 The movement of materials in counter-rotating twin-screw extruder 在啮合型异向旋转的双螺杆挤出中,两根螺杆是对称的,由于回转方向不同,一根螺杆上物料螺旋前进的道路被另一根螺杆的螺棱堵死

20、,不能形成“”字型运动。在固体输送部分,物料是以近似的密闭“C”形小室的形态向前输送。但为了使物料混合设计中将一根螺杆的外径与另一根螺杆的根径之间留有一定的间隙量,以便使物料能够通过。物料通过两螺杆之间的径向间隙时,受到强烈的剪切、搅拌和压延作用,因此,物料的塑化比较好,多用于加工制品。由于两螺杆的径向间隙比较小,因此,有一定的自洁性能,但自洁性比同向旋转的双螺杆要差。1.5 锥形双螺杆挤出机 1967年前后,奥地利ANGER兄弟公司制造出世界上第一台锥形双螺杆挤出机,其目的是为了解决平行双螺杆挤出机传动系统中分配齿轮轴以及止推轴承布置和寿命问题,另一方面是为了满足用户对挤出产量的要求。此后,

21、奥地利、德国、日本等许多国家的塑料机械制造商也相继推出了锥形双螺杆挤出机。 锥形双螺杆挤出机是在完全啮合式平行异向旋转双螺杆挤出机的基础上发展起来的一种机型,具有与平行异向双螺杆挤出机共同的优点:封闭的螺槽,达到物料的强制输送;物料停留时间分布窄;自洁性好;适用于粉料加工。由于螺杆结构的特殊性,它除了具有平行双螺杆的优点之外,还具有以下独特的优点:加料段直径大,螺槽容积大,加料量大;加料段螺槽表面积大(平均直径与平行双螺杆直径相同是,表面积大出一倍多),传热面积大,有利于物料的传热;螺槽容积随螺杆逐渐减小,物料被逐渐压缩,保证了物料连续平缓的塑化;螺杆尾部直径大,螺杆强度高;分配齿轮中心距大,

22、齿轮直径大(如锥形45机的分配齿直径相当于平行110的分配齿轮直径),承载能力高,螺杆轴向力小,约为同功率平行双螺杆的一半,这就意味着止推轴承的使用寿命高;挤出段螺杆直径小,塑料熔体承受的剪切速率低,热损伤的危险性小,适于热稳定性差的物料的加工;挤出产量相同时,机器总长比平行双螺杆挤出机短的多;拆卸螺杆时,无需移动辅机。因此,锥形双螺杆挤出机在UPVC干混粉料直接挤出成型制品和造粒中得到广泛应用。 锥形双螺杆挤出机在加工对温度和剪切敏感的物料方面显示出其独特的优点,已经成为RPVC干混粉料挤出成型加工的主要机型之一,越来越广泛的应用于管材、板材、异型材等制品的挤出成型以及RPVC粉料造粒。 近

23、年来,国内锥形双螺杆挤出机发展迅速。由于螺杆锥形结构的特点,锥形双螺杆挤出机适用于粉状PVC的加工,尤其在RPVC干混粉料直接挤出成型制品和造粒中得到广泛应用。螺杆是挤出机的心脏,螺杆参数的正确与否直接影响到挤出机的性能。 工作原理:锥形双螺杆挤出机属于异向旋转啮合型。由于螺槽体积逐渐变小,当加工RPVC粉料(密度小,体积大)时,当物料加入加料口后,在旋转螺杆的作用下,物料被压实并向前输送,这样有利于热量的传递。在压缩段和熔融段,一般希望剪切速率高一些,以加快塑化过程,当物料进入均化段后,由于已经基本熔融,则以低剪切率为宜,防止物料过热分解,锥形双螺杆挤出机能较好的适应这一物料过程的变化。因为

24、由于相互啮合的两螺杆与机筒形成一系列的C型小室的体积由加料段端到出料段端是逐渐减少的,使得能够在加料端大的C型小室内加入较大体积的粉料,加料段较大的机筒、螺杆与物料的接触面积有利于把更多的热量传递给物料,使其提高温度。随着物料的向前输送,螺杆直径变小,物料得以压缩而逐渐熔融。 性能用途:锥形双螺杆挤出机的生产能力高,沿着螺杆轴线,螺杆的圆周速率逐渐变小,物料受到的摩擦剪切也逐渐变小,因而物料和螺杆之间的摩擦热也较小,故特别适于RPVC这种对剪切和热都敏感的塑料的加工。挤出品均匀密实,尺寸准确,更换品种容易,能实现工艺过程的连续化、联动化和自动化,同一台机器可以适用于多种工艺用途。它还具有结构简

25、单,制造容易、操作方便、价格便宜等优点。另外,由于螺杆排料端直径小,所承受的物料的轴向力也小,可以承受较大的机头压力,适合较复杂制品的挤出,如波纹管、异型材等。 不论何种双螺杆挤出机组,其整体结构组成与单螺杆挤出机组差不多,都由主机、机头和辅机组成。所谓的锥形双螺杆挤出机组由挤出主机、真空定型台、牵引机、切割机、翻料架辅助设备等组成。进口交流变频调速装置,牵引机有二爪、五爪 、六爪等牵引方式,根据产品特点需要选用。选用锯片切割式或行星切割式,另带增厚装置,机组性能稳定、可靠、生产率高。其中主机就是通常所说的锥形双螺杆挤出机。在实际应用中,锥形双螺杆挤出机必须配以机头和辅机才能完成预定的任务。

26、图1-5 异型材挤出生产线示意图Fig.1-5 The sketch of Profile Extrusion Line1.翻卸溜槽(储料) 2.切断机 3.引出装置 4.冷却段 5.定型台 6.模头 7.挤出机 性能特点:强制挤出、剪切速率小、物料不易分解、混炼及塑化性能良好,粉料直接加入,直接成型温度自控。设有真空排气装置,专用模具、品牌厂家生产,保证制品出料均匀、流畅、废次品率低、产量高。 锥形双螺杆挤出机生产线调整模具、辅助设备可进行双管生产 ,同时更换模具和辅助设备和部分零部件、配置专用的板材、片材模具、辅助设备可行板材、版材的生产。 锥形双螺杆挤出机也可进行热切造粒。1.6 塑料挤

27、出机的发展趋势 高速、高产化 长期以来作为挤出成型装备主要性能指标的“高速、高产”一直是成型机发展的主要方向。高的产出与价格比不仅是企业家最为关心的,也是科技工作者梦寐以求的目标。 挤出机的高速、高产固然可使投资者以教低的投入获得较大的产出和高额的回报,但从技术角度看,挤出机螺杆转速的高速化也带来了一系列需要克服的问题:如物料在螺杆内停留时间的减少会导致物料混炼塑化不均;物料经受过度的剪切会造成急剧升温和热分解;挤出稳定性控制困难会造成挤出物几何尺寸波动;相关的辅助装置和控制系统的精度亦必须提高;螺杆和机筒的磨损加剧,需要采用高耐磨及超高耐磨材质;减速器与轴承在高速运转的情况下如何提高其寿命等

28、一系列的问题。 高效、多功能化 挤出机的高效性能主要体现在高产出、低能耗、低的制造成本。 在功能方面,螺杆挤出机不仅仅用于高分子材料的挤出成型和混炼加工,它的用途已拓宽到食品、饲料、建材、包装、纸浆、陶瓷等领域。此外,将混炼造粒与挤出成型工序合二为一的“一步法挤出工艺”也值得引起重视。一步法挤出成型工艺在缩短工业流程节省能耗,减少设备投资和占地面积,减少操作人员等方面比传统的二步法工艺具有明显的优势。 大型化和精密化 在挤出成型装备中,一般中,小型的通用机器,我国均能生产。实现挤出成型的设备的大型化可以降低生产成本这在大型双螺杆造粒机组,吹膜机组,管材挤出机方面优势更为明显。重点发展为国家重点

29、建设服务的重大基础装备,大型乙烯工程配套的三大关键设备之一,大型挤压造粒机组长期一直依靠进口,因此必须加快国产化进程,满足石化工业发展需要。而精密化可以提高产品的含金量,如多层共挤复合薄膜等均需要精密挤出,而作为实现精密挤出的重要手段?熔体齿轮泵必须加大力度进行研究开发。 模块化和专业化 实行挤出成型设备生产的模块化,专业化已是大势所趋,模块化生产可以适应不同用户的特殊要求,缩短新产品的研究周期,争取更大的市场份额,而专业化生产可以将挤出成型设备的各个系统模块不见安排定点生产甚至进行全球采购,这对保证整机的质量,降低成本,加速资金的周转是有利。在我国,挤出机螺杆,机筒,减速器,加热冷却系统,润

30、滑系统,加料系统,控制系统均有定点工厂专业生产,这无疑是正确的。 智能化和网络化 发达国家的挤出机已普遍采用现代电子和计算机控制技术,操作台设有荧光屏监测,对整个挤出过程的工艺参数如熔体压力及温度,各段机身温度,主螺杆和喂料螺杆的转速,喂料量,各种原料的配比,电机的电流电压等参数进行在线检测,并采用微机闭环控制。2. 锥形双螺杆挤出机的结构 不论何种双螺杆挤出机机组,其整体结构组成与单螺杆挤出机差不多,由主机、机头和辅机组成。其中主机,就是通常所说的双螺杆挤出机。图 2-1 锥形双螺杆挤出机Fig. 2-1 Conical twin-screw extruder 锥形双螺杆挤出机(主机)是锥形

31、双螺杆挤出机组的核心组成部分。从总体组成上看,和单螺杆挤出机差不多,由传动系统、挤压系统、加热冷却系统、控制系统等组成。2.1 挤压系统 挤压系统是锥形双螺杆挤出机的核心部分。其作用是把加入的固(液)体熔融塑化、混合(或进行化学反应),为口模提供定温、定压、定量的熔体(混合物),并将这一过程中产生的气体(或液体)排除,最后通过口模(及后续的辅机),得到合乎质量要求的制品。 锥形双螺杆挤出机的挤压系统主要由螺杆、机筒组成。因此,锥形双螺杆挤出机挤压系统的设计实质上就是螺杆、机筒的设计。 图 2-2 锥形螺杆Fig. 2-2 Conical screw 两根螺杆呈锥形,螺纹分布在锥面上,两根螺杆轴

32、向不平行,在机筒内啮合异向旋转。螺杆由高强度耐腐蚀的合金钢制成,多选用38CrMoAlA,加工成螺杆后经氮化处理。 图 2-3 锥形双螺杆挤出机机筒Fig.2-3 The barrel of conical twin-screw extruder 机筒与螺杆共同组成挤压系统。采用整体或法兰组合结构,呈阶梯状,外径由大到小。上端开有加料口和两个排气孔。机筒材质大多选用38CrMoAlA氮化钢,经氮化处理,氮化厚度约为0.41.0mm。机筒外表面大部分长度上开有螺旋沟槽,以便绕入铜线,通油冷却。其排气口为两个小孔,各自通向两根螺杆的排气段的螺槽。2.2 加料装置 锥形双螺杆挤出机多用于RPVC粉料

33、的挤出成型和造粒,由于物料的松密度较低,为了加大物料和机筒的接触面积,以利于传热,提高挤出量,多采用强制加料装置。2.3 机头 图 2-4 机头结构示意图Fig.2-4 The structure sketch of the nose 机头、过滤装置和切粒机,以及干燥装置、包装机都属于挤出机的下游装置。机头包括成型制品(型材)机头和造粒机头。 挤出机头将塑化均匀的塑料熔体在一定的温度和压力下,通过挤塑成型模具面而成为具有一定断面形状的处于粘流态的连续体,再经国定型模进一步调整断面而成为具有一定断面形状和尺寸,定型为连续的型材。 管材挤塑成型机头按管材挤出方向与挤出机轴线之间的关系分为直管机头、

34、直角机头、斜角机头和旁侧式机头机种形式。而定径套又分为压缩空气定径和真空定径两大类。 直管机头由合金钢内套和碳素钢外套构成,机头内装有成型模具。机头的作用是将旋转运动的塑料熔体转变为平行直线运动,均匀平稳的导入模套中,并赋予塑料以必要的成型压力。塑料在机筒内塑化压实,经多孔滤板沿一定的流道通过机头脖颈流入机头成型模具,模芯模套适当配合,形成截面不断减小的环形空隙,使塑料熔体在芯线的周围形成连续密实的管状包覆层。为保证机头内塑料流道合理,消除积存塑料的死角,往往安置有分流套筒,为消除塑料挤出时压力波动,也有设置均压环的。机头上还装有模具校正和调整的装置,便于调整和校正模芯和模套的同心度。2.4

35、加热冷却系统 双螺杆挤出过程是一个放热过程,在这一过程中要向聚合物提供由固态转变为粘流态的热量。而双螺杆挤出过程的这种热量来源有两个:一个是外加热器提供的传导热,还有一个是由于螺杆对物料的剪切,把电机的机械能转变成热能。 理想的挤出过程是由加热器提供的热能加上机械能转化的热能恰好能使聚合物完成由固态到粘流态的转变。由于螺杆的转速的不同,会使物料温度过热或过冷,因此,需要加热冷却系统和控制系统。 加热装置有电加热和载体加热等方式。 冷却装置有风冷、油冷、水冷等方式。 螺杆的温控方式有两种方式,一种是外循环式,一种是热管式。2.5 传动系统 锥形双螺杆挤出机的传动系统主要由驱动电机、齿轮箱(扭矩分

36、配部分和减速部分)等组成。 螺杆转速要根据工艺进行变化,电机选择直流电机或交流变频调速电机。多数锥形双螺杆挤出机的扭矩分配部分和减速部分是分开布置的。2.6 安全保护装置 与单螺杆挤出机相比,双螺杆挤出机设置有更多的安全保护装置。 螺杆扭矩过载保护 双螺杆挤出机的两根螺杆的工作条件比单螺杆挤出机螺杆恶劣得多。两根螺杆是在中心距限定(或直径限定)的情况下,传递大扭矩的。另外两根螺杆的设计和制造要比单螺杆困难、昂贵得多。因此在挤出过程中,要更加注意螺杆的过载保护。具体讲,就是要保证螺杆在不超过而定载荷(扭矩)下运转。一旦超过额定载荷,就要是螺杆与传动系统的传动箱与驱动电机切断联系,通常有以下几种过

37、载保护方法。 机械过载保护 在电机与传动箱之间设过载保护联轴器,或在传动系统与挤压系统间的联轴器设机械过载安全销。一旦过载,过载离合器打滑,或安全销被剪断,从而保护螺杆和传动系统。 电器过载保护 一般采用额定扭矩显示器或电流继电器。当扭矩或电流超过额定值时,除了仪表显示外,会立即切断电源,从而保护螺杆和传动系统。 止推轴承过载保护 设计双螺杆挤出机时,止推轴承的规格和数量是根据其所承受的轴向载荷及额定负载选择的。工作时,止推轴承要承受很大的轴向载荷,一旦过载,就会造成整个止推轴承组损坏,进而造成传动齿轮甚至螺杆损坏。止推轴承是用来承受螺杆轴向力的,鹅螺杆的轴向力是由工作时螺杆端部的熔体静压和沿

38、螺杆轴线方向的附加动载(沿螺杆轴线的压力梯度)产生的,而前者是主要的。因而控制螺杆端部熔体静压(或机头压力),使其产生的轴向力不超过轴承允许负荷,即可保护止推轴承。 具体方法是,在机头或螺杆头部处设置熔体压力传感器,并设定额定的熔体压力,一旦达到额定值,即发出信号是机器停止运转,从而保护轴承。 润滑系统保护 润滑部位油温过高或润滑油压不足是报警 此外,还有机筒加热载体温度指示、控制及超温报警,排气系统设有废气过滤装置,排气系统有故障时报警。3. 锥形双螺杆挤出机挤出系统的设计 锥形双螺杆挤出机的双螺杆啮合异向旋转,其螺杆成锥形,螺纹分布在锥面上,两螺杆的轴线不平行,中心距沿螺杆是变化的。 SJ

39、SZ?55锥形双螺杆挤出机原始设计参数: 螺杆直径: 55/110mm; 螺杆有效长度: 1195mm; 螺杆最大转速: 34r/min; 主机功率: 25kW; 机筒加热功率15kW; 中心高: 1000mm; 机筒加热冷却: 陶瓷加热器 、空气强冷却; 螺杆加热冷却: 硅油; 输送系数: f1; 产量 : Q150kg/h。3.1 设计挤出系统需要考虑的问题 高聚物的特性 在设计挤压系统之前,应掌握被加工高聚物的性能。不同的高聚物,对螺杆的结构和几何参数有不同的要求。被加工高聚物的颗粒的形状、大小、密度、熔融温度或软化点,在熔融状态下的粘度、流动性、热稳定性、熔融温度的范围以及高聚物中是否

40、含有填料,其含量的大小和填料的性能对螺杆设计有不同的要求 挤压系统的用途 在设计之前应考虑用途,作为专用机台还是通用机台用。作为专用机台,挤压系统只考虑挤压某一塑料的长期生产用。作用通用机台用,挤压系统就要考虑适应若干种塑化相互交替之用。 口模几何形状和阻力特征 挤出不同的制品,要求用不同的口模。不同形状的口模,对物料挤出时的阻力特征性不同。从挤出理论知道螺杆与口模的特征关系曲线:机头阻力大,螺杆的生产能力降低;反之生产能力高。不同口模的几何形状和阻力特征对螺杆的几何参数有不同的要求。3.2 锥形双螺杆的类型 从挤出理论的分析可知高聚物固体颗粒或粉料在经历固体输送,熔融和熔体定压定量定温等挤出

41、过程。螺杆的结构及其几何参数的设计合理与否直接影响这个挤压过程,螺杆是挤压系统的关键部分。 图 3-1 锥形螺杆Fig. 3-1 Conical screw 螺杆时挤出机的核心零件。锥形双螺杆挤出机发展至今已经近四十多年了,其螺杆基本结构先后经历了三种形式:普通型、双锥型、高效双锥型. 图3-2 锥形螺杆基本结构Fig. 3-2 The basic structure of conical screw 普通型 普通型是锥形双螺杆的初级结构形式,其特点是:螺杆大端与小端直径之比小于2,螺槽深度沿全长不变。如奥地利CINClNNATIMILACRON公司以下简称CM公司九十年代以前的CM系列机的螺

42、杆。 双锥型 双锥型是在普通型结构的基础上发展起来的,其特点是:螺杆大端与小端直径比大于2,大端螺槽深,小端螺槽浅,螺槽深度沿螺杆全长渐变,直径与螺槽之比不变,构成了外径的外锥角和螺槽底径的内锥角。由于加料段螺槽深度较普通型深,故加料量大有利于传热和物料的融化、塑化;螺杆表面积大,冷料停留时间延长,增加了外加热向物料的传热,有利于物料升温。其挤出量比普通型提高20%30%。 高效双锥型 高效双锥型是上世纪80 年代末在双锥型设计原理的基础上发展起来的。其特点是:螺杆大端与螺杆小端直径之比大于2,螺槽深度沿螺杆全长渐变,螺杆长度比双锥型适当加长。这样使物料在加料段置于外加热作用下的时间延长,能充

43、分地吸收热量,加快升温,促进塑化。加料段螺槽容积和表面积的增加不仅意味着高的挤出产量,而且也意味着高的应用灵活性,高效双锥型的问世被称为锥形双螺杆挤出机发展上引人注目的技术进步,其挤出产量较同规格普通型高出1倍或1倍以上。 由于我国的锥形双螺杆起步较晚,因此在结构上多为较初级的普通型,存在能耗大塑化质量不佳产量低等诸多不足。 衡量螺杆设计质量的标准: 生产能力 生产能力是设计螺杆的主要指标之一。不同规格的螺杆生产能力是不同的,同一规格的螺杆,由于结构和几何尺寸的差异或由于螺杆转速的差异,加工同一物料的生产也各有不同。因此,必须有一个衡量螺杆生产能力的标准。其中的一个标准是生产能力Q与螺杆转速n

44、的比值,称为比流量Q/n。同规格的螺杆在加工同一物料的比流量,在一定程度上说明了螺杆的结构和几何参数设计的合理与否。 功率消耗 从挤出机的能力平衡来看,在挤压系统中对物料所消耗的能量应等于对物料的加热能量和对螺杆输入功率的总和。但习惯上为了衡量螺杆加工不同物料所消耗的机械功率大小,假设机筒外加热功率相同时,以螺杆每单位生产能力所消耗的机械功率对物料进行剪切和摩擦作用而转换为热量愈多,机械功率转换热能过多,可能会引起局部过热,甚至造成物料的热分解,影响制品质量:另一方面增加螺杆传动装置的负载或对螺杆的机筒机型局部冷却而造成能量浪费。因此,在保证物料塑化的前提下,螺杆的单耗应以低值为好。 挤出物的

45、质量 挤出物的质量包括外观质量,挤出物的混合质量,挤出物的挤出温度,在径向上的温度差,温度随时间而波动的轴向温差,挤出的压力波动等方面的内容。挤出物的外观质量是指挤出物在挤出时是否出现不光滑,波浪形、鲨鱼皮形、竹节形、气泡、针晶点、斑点和水纹等弊病。好的外观质量不会出现或很少出现这些弊病。 挤出物混合质量是指挤出物各组分的分散程度。混合质量好,表明制品各点的性能均匀性好 挤出物的挤出温度是指在保证塑化的前提下,挤出物挤出时温度值的高低。挤出物的挤出温度低,制品容易定型、可缩短对制品的冷却时间,能减轻辅机的冷却负担。 轴向温差指在螺杆头部前面某一轴向位置上物料的温度随时间而波动的温度差值。径向温

46、差是指螺杆头部前面某一垂直于物料流动方向的界面上径向各点的温度差值。这两种温差值太大,容易使制品尺寸不均,变形,甚至造成局部过热,降低制品的性能。 挤出时的压力波动引起生产能力的波动。从挤出理论可以知道,由于压力的波动,直接影响生产能力Q的稳定性。生产能力的波动直接影响到制品的尺寸波动。因此,温差和压力波动值应越小越好。 螺杆的加工制造工艺性,使用寿命 螺杆是否加工制造困难,影响螺杆的造价;螺杆使用寿命长,机台的经济性好。3.3 螺杆参数的确定 啮合异向双螺杆的螺棱、螺槽断面形状有矩形的、梯形的、锯齿形的。矩形断面的螺槽容积大,但易存料;锯齿形断面的螺棱后缘有较大的倾角(30°)和较

47、大的过度圆弧,对物料的混合和均化效果好,本身强度也高,但螺槽容积减少较多;梯形断面的螺槽兼有上述两种断面的优点,故实际中多采用,其法向断面内倾角10°15°,圆弧半径R0.10.15H,H为槽深。锥形双螺杆挤出机螺杆的螺纹牙型一般采用梯形,螺纹升角约5°。导程越大螺纹升角就越大,槽深与直径之比越大,以避免螺杆之间的干涉。排气段与匀化段的螺纹升角比较大。有的厂家生产的锥形双螺杆,为使两螺杆啮合区线更加合理螺纹牙侧面在轴向剖面内不是直线,而是一条曲线。 普通锥形双螺杆挤出机的螺槽深度在螺杆全长上不变,当中心距和螺杆外径确定后,螺槽深度就确定了 螺槽深度是一个重要的参量

48、。槽深,可获得较大的理论挤出量,使物料在螺槽中的停留时间加长,这对于未建立起压力的螺槽区段特别有利,因为物料尚处于松散状态,有利于排气;在螺槽外径和根径之间有较大的剪切速率梯度;适于加料。槽浅,适于导热性差的物料,因料层薄,利于热传导,且料内外层温差T小,这对计量段尤为重要,因为温差与槽深成正比。槽越浅,T越小。另外,槽浅,使螺杆及机筒表面面积与传送物料体积之比较适合,因为当输送的物料体积一定、表面积较大时,可使物料受的剪切力更均匀,可改善对物料的均化。 槽深跟螺杆小端外径的关系为:H0.20.25D,D为小端外径。 在螺杆外径、螺槽深度、螺杆导程相同的情况下,多头螺纹与单头螺纹相比,多头对物

49、料的推力大,在加料段,攫取物料的能力强,在熔体输送段,可使熔体倒流现象降低。一般说来,头数多,导程大。对于单螺杆来说,由固体输送理论知,其最大输送角对应着一个合适的导程直径比(T/D);而对于双螺杆来说,当T/D在较大的范围变化时,输送角变化不大,即对生产率没什么影响。单头螺棱与机筒内壁接触面积虽大,几乎占整个机筒内壁的一半,但偏于一边,因而对物料加热不均匀。头数增加后,螺棱与机筒接触面积分散开来,对物料加热均匀,增加了熔融速度。头数增加后,螺杆与物料的接触面积增大,有利于传热和熔融。另外,头数增加后,熔体的流动更为复杂,在啮合区,物料沿着导程走;对四种漏流而言,压延间隙漏流和侧间隙漏流是在同

50、一根螺杆上漏向下一导程,而螺棱与机筒间隙漏流是在同一根螺杆上漏向下一螺距,四面体间隙漏流是从一根螺杆流向下一根螺杆。这对于混合非常有利。同时,螺纹头数增加,可以减少出料的脉动。但头数过多,会导致同样导程下的螺槽容积减少。出于生产目的,及考虑螺纹强度、传热等原因,规定最窄螺槽宽度不能小于4mm,故异向螺纹头数一般取23。 由于锥形螺杆比平行双螺杆难加工,从易于加工和保证精度上考虑,实际中常选择单头螺纹。 这是一个重要的参量,直接影响双螺杆的工作特性,对于紧密啮合、共轭、矩形螺槽的双螺杆,考虑到制造误差和因温升发生膨胀会引起两根螺杆之间可能发生卡死现象,设计时,在横截面内螺棱厚度的取值应比计算值减少0.52mm。 挤出机在用过一定时期后, 由于物料对螺杆和机筒的摩擦,使螺杆与机筒, 螺杆与螺杆产之间生了过量的间隙, 当间隙大到一定程度后,在挤出过程中物料在机头压力的作用下就出现漏流现象,这样就会发生挤出产量降低而能耗升高的情况,也使物料在过大的间隙中停留时问加长而容易发生局部分解。由此可见螺杆间隙过量是直接决定挤出机能否正常工作的重要因素。 适当提高螺杆转速对物料的混合和塑化是有利的,也有利于提高制品的机械强度,但螺杆转速过高,会对RPVC这种对剪切敏感的物料施以更强的剪切,易造成剪切分解。PVC的临界剪切速率为26/s,且剪切速率与螺杆转速有关