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實現同向雙螺桿擠出機高性能化探討
近年來，同向旋轉雙螺桿擠出機迅猛發展，其產量、扭矩和轉速大幅度提高，應用日益廣泛。提高同向雙螺桿擠出機生產效率、改善產品質量和實現設備的多功能化是實現其高性能化的基本要求，也是研發的難點所在。 提高生產效率 提高生產效率是新型同向旋轉雙螺桿擠出機開發研制的重要目標之一，它可以通過提高螺桿轉速、增強塑化和混合能力等途徑來實現。 在相同螺桿轉速下，增大螺槽的深度可使輸送量大幅度增加。與此相應地要求螺桿的塑化和混合能力也隨之增大，這就要求螺桿能夠承受更大的扭矩。在高的螺桿轉速下，物料在擠出機內的停留時間減少，有可能使物料塑化熔融、混煉不夠充分。為此，需要適當增加螺桿長度，這些又必然導致雙螺桿擠出機實際承載扭矩和功率的增加。 增大螺槽自由容積也是一個重要的因素。在加料段和脫揮段，螺紋元件具有大的自由容積是非常必要的，對于松密度物料，增大加料段自由容積和物料在螺槽中的充滿程度，可大幅度提高擠出機的生產能力。 提高扭矩和轉速，需對減速分配箱進行精心設計。要大幅度地提高設備的扭矩指標，必將對傳動箱的設計和制造水平提出更高的要求。扭矩越高，傳動箱中齒輪、輸出軸、軸承等零件的設計、制造精度、材質強度和熱處理要求就越高，同時對螺桿的芯軸、螺紋元件和捏合盤等零件的設計制造精度要求也更高。因為要增大螺紋元件的自由容積，在螺桿外徑不變的情況下，兩螺桿中心距將減小，這必將使配比齒輪和止推軸承安裝空間不夠的問題變得更為突出。 提高產品質量 要得到高的產品質量，擠出機核心部件——塑化系統的設計關系重大。 塑化系統主要包括螺桿和機筒，為適應多種加工要求，通常都將螺桿和機筒設計成積木式組合結構。按照各段的功能可將螺桿分成加料段、塑化段、混煉段、排氣段和擠出段。這些區段在擠出過程中具有不同的功能，其結構各不相同，與之相應的螺桿元件幾何參數也各不相同，因此如何確定螺紋元件幾何參數成為塑化系統設計的關鍵。 圖1 筆者利用同向旋轉雙螺桿三維實體造型程序設計的螺紋元件 對同向旋轉雙螺桿來說，中徑比（即兩螺桿中心距與螺桿半徑之比）、螺紋頭數以及螺紋頂角之間存在一定的關系，不可隨意設計，否則兩螺桿之間會發生干涉。為解決這一問題，筆者根據兩螺桿的運動軌跡得到螺桿的理論端面曲線，利用大型計算機輔助設計（CAD）軟件的三維實體造型功能，編制了雙螺桿幾何造型程序，實現了雙螺桿三維實體圖形顯示，得到了各類規格自清式螺紋元件的幾何參數，并檢驗兩螺桿的嚙合情況。此外，還結合工程實踐，借助于計算機，完成了有間隙的雙螺桿三維實體造型，可以用來檢驗兩螺桿的間隙是否均勻，使物料在螺桿運動中無死角，即保證螺桿具有較強的自清能力，能有效地防止物料在機內停留時間過長而降解，這無疑為制造高檔、優質的塑料產品提供了良好的加工手段。 由于螺桿轉速的提高，物料在擠出機內的停留時間縮短，為了使物料能得到更充分的塑化和混合，并能使物料溫度上升過程變得緩和，得到高質量的產品，除了需要進行螺桿元件的優化組合外，還需要增加螺桿的長徑比。但L/D增大，對機器的制造精度和驅動功率以及螺桿芯軸的承載扭矩的要求提高，在制造技術和結構設計上要求有更高的水平。 此外，對排氣段螺紋元件進行優化組合，在排氣口前設立建壓元件，并采用大導程螺紋元件，可以提高脫揮效率；另外，在機頭與擠出機間采用熔體齒輪泵建壓，使得擠出機計量段末端壓力降低，螺桿有效充滿長度縮短，有效排氣長度加長，又能在一定程度上提高排氣效果。 實現多功能化 隨著雙螺桿擠出機的工藝用途越來越廣泛，在擠出機內除了要完成一般的加料、輸送、壓縮、塑化、混煉、排氣、均化等工序外，往往還要求完成脫水、干燥、降解、反應擠出等多種工藝，并要求雙螺桿擠出機具有多路喂料和多級排氣等功能。為了滿足用戶的不同工藝以及快速更新產品的要求，在塑化系統的設計過程中要著重于不同螺紋元件、機筒以及加料系統的開發工作。除開發四類螺桿元件用于不同組合外，還需設計不同類型的機筒，除了用在塑化、熔融和均化段的一般的封閉機筒外，還有帶有上開口的加料機筒、帶有側開口的側向加料機筒以及玻纖、抽真空機筒，如圖2所示。 圖2 各種機筒筒圖 加料機筒設計成加料口為楔形間隙形式，在加料口的側壁與螺桿表面形成一個直到加料口底部中心的楔形間隙，使物料能夠順利地被旋轉帶入擠出機內。側向加料機筒是為加入炭黑等難加入的物料或不宜在螺桿內停留時間過長的易分解助劑而設計的，而輔加料機筒是為加入玻璃纖維等添加劑而設計的。在排氣機筒上，排氣口垂直向上，排氣口的中心線沿螺桿旋轉方向偏移機筒中心線一定距離，從而減小物料因離心力的作用而被轉動的螺桿從排氣口甩出的可能性。 設計自清的、高容積同向旋轉雙螺桿定量加料器，它與側向加料器液體注入器配合，可以得到比常規用的經攪拌器預混合，然后與基料一起通過主加料口加入到雙螺桿擠出機的工藝更好的混合質量，并能在一定程度上提高產量。 還可設計多路排氣裝置，如自然排氣和抽真空排氣系統，將混合過程中的揮發分排出。用多級排氣口可以排出大量的揮發分，可以將聚合和混合的中間步驟省掉，提高生產效率。 對于具有多路喂料和多級排氣的擠出機來說，配置的長徑比要大，為36～48，并能根據用戶加工工藝要求進行自由調節。 要求機筒和螺桿具有高耐磨功能。螺紋元件和捏煉元件需采用高耐磨硬質合金制造。當用于玻璃纖維增強加工時，比常用的氮化鋼壽命長6～8倍。機筒采用雙金屬襯套來提高耐磨性，可延長機筒的使用壽命。雙金屬襯套是在普通鋼材或低合金鋼的筒體內壁復合一層厚1.5～2.0mm的SL100高耐磨型合金，再經特殊機械加工而成，合金層硬度達HRC58～64。 信息來源：卓創資訊
