周玉梅

（黑龍江省石化干校，黑龍江 哈爾濱 150001）

自二十世紀(jì)30年代意大利的Roberto Colombo公司首先研制了第一臺(tái)同向雙螺桿擠出機(jī)以來[1]，嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)已經(jīng)廣泛用于聚合物的改性一增韌、增強(qiáng)、填充和反應(yīng)擠出等塑料改性工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為目前國(guó)內(nèi)外塑料改性加工的重要加工設(shè)備。

由于嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)具有良好的混煉效果、自潔能力和產(chǎn)量大能耗低的優(yōu)點(diǎn)，從二十世紀(jì)60年代末開始其生產(chǎn)制造和加工技術(shù)得到飛速發(fā)展，現(xiàn)嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)正在向高轉(zhuǎn)速、高產(chǎn)量、高扭矩、低能耗方向發(fā)展。目前，克虜伯維爾納普夫萊德雷爾公司（kruppw&p）推出的高轉(zhuǎn)矩、高速度、緊湊型ZSK MEGA系列擠出機(jī)和貝爾斯托夫（Berstorff）公司已經(jīng)推出的ZE超轉(zhuǎn)矩雙螺桿擠出機(jī)代表著當(dāng)今世界雙螺桿擠出機(jī)整機(jī)生產(chǎn)與制造的最高水平。

就設(shè)備總體結(jié)構(gòu)而言，與單螺桿擠出機(jī)一樣，嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)由電機(jī)、減速箱和主機(jī)，主機(jī)由螺桿和機(jī)筒組成。嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)的擠出過程也可劃分為固體輸送、熔融和熔體輸送3個(gè)過程。除兩根螺桿平行嚙合排列之外，嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)結(jié)構(gòu)上最大特點(diǎn)是主機(jī)采用積木原理設(shè)計(jì)，即機(jī)筒和螺桿采用組合式設(shè)計(jì)。根據(jù)不同的工藝要求，通過不同的機(jī)筒組合特別是螺桿的排列組合，可實(shí)現(xiàn)某種意義上的“一機(jī)多用”。也可以說螺桿組合是同向雙螺桿擠出機(jī)的技術(shù)核心，其直接影響擠出機(jī)的生產(chǎn)能力、共混質(zhì)量、能耗、設(shè)備的穩(wěn)定性，有時(shí)不同的螺桿組合會(huì)成為能否生產(chǎn)合格產(chǎn)品的技術(shù)關(guān)鍵。

由于兩根平行排列的螺桿，其中心距小于螺桿外徑，這就意識(shí)著兩根螺桿的螺紋要同向旋轉(zhuǎn)且相互嚙合，聚合物在機(jī)筒內(nèi)產(chǎn)生∞形流動(dòng)，而產(chǎn)生良好的混合效果。因此，兩根螺桿的中心距決定了螺槽深度和產(chǎn)量，同時(shí)也對(duì)由此產(chǎn)生的芯軸尺寸減小而產(chǎn)生的螺桿強(qiáng)度問題，也提高了減速箱設(shè)計(jì)與加工的難度。

1 衡量嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)整機(jī)水平的性能指標(biāo)

嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)中：兩螺桿的中心距、螺桿外徑和根徑之比及螺桿所能承受的最大扭矩之間是相互影響、相互制約的。因?yàn)檫@些參數(shù)與嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)的發(fā)展方向和要達(dá)到的設(shè)計(jì)指標(biāo)密切相關(guān)[2]。

嚙合比是指雙螺桿擠出機(jī)的螺桿外徑和根徑之比，比扭矩是指單根螺桿能夠承受的最大扭矩與中心距3次方的比值。這兩個(gè)參數(shù)是嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)的非常重要的技術(shù)指標(biāo)，且在其發(fā)展進(jìn)程中呈不斷增加趨勢(shì)。

嚙合比的大小不僅反映了螺槽的深淺，還是螺桿的自由體積大小和可能的輸送能力的強(qiáng)弱的直接反映，即螺槽越深，輸送能力就越大。比扭矩反映的是物料在嚙合區(qū)內(nèi)所承受的剪切強(qiáng)度，它是嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)中物料混合的關(guān)鍵，是表征雙螺桿設(shè)備能力的一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)嚙合原理可知，在相同中心距下，承受大的扭矩，需螺桿根徑尺寸加大以容納較大的螺桿芯軸，而螺桿根徑的增大，則螺桿直徑必須減少，以維持?jǐn)D出機(jī)螺桿的不干涉特性，而螺桿直徑的減小將使螺槽深度減小，從而導(dǎo)致自由體積減小，可見兩個(gè)指標(biāo)是相互制約的。

目前，比較通用的表征雙螺桿擠出機(jī)設(shè)計(jì)制造水平和使用水平先進(jìn)與否的指標(biāo)，包括螺紋頭數(shù)、嚙合比、比扭矩以及長(zhǎng)徑比。以德國(guó)W＆P公司為例，其嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)劃分代次見表1。

表1 雙螺桿擠出機(jī)主要指標(biāo)Tab.1 Main indexes of gear twin-screw extruder

近幾年來，中國(guó)中小型雙螺桿擠出機(jī)技術(shù)水平也在快速進(jìn)步。雙螺桿擠出機(jī)的重要指標(biāo)，如比扭矩、轉(zhuǎn)速、產(chǎn)量等均直逼國(guó)際主流水平。例如，南京越升在2010年推出的SAT52雙螺桿擠出機(jī)用自主開發(fā)的高轉(zhuǎn)速、高扭矩齒輪箱，比扭矩達(dá)到11 N·m·cm-3，南京科亞公司其全新推出的雙螺桿擠出機(jī)系列，配套德國(guó)進(jìn)口減速箱，比扭矩可達(dá)到比扭矩達(dá)到12 N·m·cm-3。

當(dāng)然，在中國(guó)雙螺桿技術(shù)提升的同時(shí)，國(guó)際領(lǐng)先廠家的技術(shù)水平同樣也在迅速提升，德國(guó)科倍隆集團(tuán)新近推出了新一代ZSK雙螺桿擠出機(jī)ZSK Mc18，螺桿外徑和根徑之比的大小為1.55，其比扭矩達(dá)到，這樣的技術(shù)水平使其繼續(xù)保持在雙螺桿領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。

此外，螺桿長(zhǎng)徑比在一定程度上可以反映擠出機(jī)規(guī)格及性能，長(zhǎng)徑比加大，建立起所需的沿程壓力分布較易，轉(zhuǎn)速相同下，停留時(shí)間加長(zhǎng)，塑化混合質(zhì)量提高。

2 同向雙螺桿技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)分析

2.1 減速箱設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

雙螺桿擠出機(jī)制減速箱屬于小中心距、雙輸出軸、高速、重載、超高扭矩減速器。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)雙螺桿擠出機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)的布局結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)方式、止推軸承的組合設(shè)計(jì)及布置、傳動(dòng)系統(tǒng)的外部聯(lián)接等開展了許多研究。

在生產(chǎn)制造方面，如何保證減速箱兩個(gè)輸出軸的相位匹配、齒輪的修形、高精度箱體、高強(qiáng)度細(xì)長(zhǎng)齒輪軸加工，以及軸承的溫度、振動(dòng)和潤(rùn)滑油流量的監(jiān)控等方面是減速箱生產(chǎn)制造的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)。

2.2 螺桿元件與芯軸的強(qiáng)度與表面耐磨耐腐蝕性能

雙螺桿擠出機(jī)的螺桿在擠出作業(yè)過程中的工作條件是惡劣的，它在高磨損、高腐蝕條件下，工作中一直處于高扭矩、高溫、高速、高壓狀態(tài)。當(dāng)帶料冷車啟動(dòng)、螺桿被金屬異物或物料塞死、過載保護(hù)裝置失靈等非正常工作狀態(tài)下會(huì)引起螺桿扭斷。在正常工作狀態(tài)下，經(jīng)過一段時(shí)間，螺桿元件表面的氮化層被磨去，造成過大的間隙等，也會(huì)造成螺桿失效。

對(duì)于組合型同向雙螺桿，由于螺桿采用螺桿芯軸結(jié)構(gòu)，因而螺桿的強(qiáng)度問題轉(zhuǎn)化為螺桿芯軸的強(qiáng)度問題。因?yàn)槁輻U芯軸受結(jié)構(gòu)限制，截面很小、長(zhǎng)徑比大，故螺桿芯軸在材料選用和加工后必須保證其高強(qiáng)度。因此，如何提高機(jī)筒和螺紋元件表面耐磨損和耐腐蝕性能和螺桿芯軸的抗彎、抗扭強(qiáng)度是擠出機(jī)生產(chǎn)制造的關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 新型螺桿元件設(shè)計(jì)

螺桿元件是螺桿的基本組成部分，不同的元件承擔(dān)著不同的功能，為了提高雙螺桿擠出機(jī)的混煉能力和加工適應(yīng)性，螺桿元件從原來的螺紋元件和捏合塊元件發(fā)展到現(xiàn)在的多種新型功能螺桿元件，近年來，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者在常規(guī)螺紋元件和捏合盤元件的基礎(chǔ)上，致力于開發(fā)研制非常規(guī)螺桿元件，并取得了一定進(jìn)展，如德國(guó)CW&P公司研制的具有特殊幾何形狀的RGS元件、LGS元件和Schaufel元件、美國(guó)Farrel公司開發(fā)出FAMME元件和FCM元件[1]、日本神戶鋼鐵所開發(fā)研制的VCMT元件[6]，日本制鋼所開發(fā)研制的TKD元件[7，8].國(guó)內(nèi)研制的六棱柱元件[9]、S型元件[10]、VCR元件[11]、齒形盤元件、剪切環(huán)元件[12]和波狀螺紋元件[13]等。以上各種新型螺桿元件的不斷涌現(xiàn)，有效地提高了雙螺桿擠出機(jī)的混煉質(zhì)量，極大地改善了擠出性能，進(jìn)一步擴(kuò)展了雙螺桿擠出機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.4 螺桿組合技術(shù)

嚙合同向雙螺桿由多種類型和不同數(shù)量的螺桿元件有序的組成，整個(gè)擠出過程又分為不同的功能段；不同的物料在擠出過程中對(duì)各個(gè)功能段的要求不同，需要與之相應(yīng)的局部螺桿構(gòu)型來實(shí)現(xiàn)[1]。螺桿組合是雙螺桿擠出工藝制定的關(guān)鍵，通過改變螺桿構(gòu)型可以提高物料的混合效率。整根螺桿的組合設(shè)計(jì)，不僅要對(duì)各種螺桿元件的性能和構(gòu)造了解得很清楚,還要對(duì)各功能段及其相應(yīng)的局部構(gòu)型以及整根螺桿的組合規(guī)律有深入的認(rèn)識(shí)與把握，根據(jù)不同的物料特性和工藝要求，設(shè)計(jì)出最佳的螺桿組合。

在研究螺桿組合方法上大多采用重復(fù)實(shí)驗(yàn)的方法來優(yōu)化螺桿組合，研究者對(duì)螺桿組合的研究大多依賴于經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)選，對(duì)于螺桿組合系統(tǒng)的研究方面比較欠缺，螺桿組合系統(tǒng)研究的主要難點(diǎn)是螺桿組合的混合或者輸送性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究。

2.5 整機(jī)智能化控制技術(shù)

在擠出機(jī)的配料、預(yù)混、熔融、二次加料、排氣、擠出、造粒等多個(gè)工序中，要保證電機(jī)、減速箱、主機(jī)、擠出、造粒設(shè)備的安全運(yùn)行，以及對(duì)溫度、壓力、產(chǎn)量的精確控制，對(duì)擠出機(jī)的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)提出的較高的要求。同時(shí)一臺(tái)擠出機(jī)要完成多種材料的配混，其操作條件、工藝條件需要智能化和遠(yuǎn)程控制。

3 促進(jìn)嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)技術(shù)進(jìn)步的幾點(diǎn)建議

為了適應(yīng)現(xiàn)代塑料工業(yè)的高速發(fā)展和人們對(duì)塑料制品的不斷增長(zhǎng)的新需求，嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)的發(fā)展在性能上將進(jìn)一步向高速、高效、高產(chǎn)、低能耗方向發(fā)展，在機(jī)型方面向大型化和微型化發(fā)展。生產(chǎn)、設(shè)計(jì)和研究單位要重點(diǎn)開展以下方面工作：

（1）采用新型節(jié)能電機(jī)、電磁感應(yīng)加熱和導(dǎo)熱油加熱技術(shù)，降低電器設(shè)備能耗。

（2）優(yōu)化減速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高減速箱各零部件的加工精度，提高減速箱和軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的壽命。

（3）通過表面強(qiáng)化、耐磨涂層處理、HIP（Hot Isostati Pressing）熱等壓加工技術(shù)，提高機(jī)筒、螺紋組件的強(qiáng)度、耐磨性和耐腐性。芯軸花鍵采用冷滾壓加工技術(shù)，提高細(xì)長(zhǎng)軸的抗彎、抗扭強(qiáng)度。

（4）從螺桿幾何學(xué)與聚合物加工混合原理入手，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)和開發(fā)新型螺桿元件，解決材料加工過程中的新問題、新需求。

（5）按照聚合物加工原理、混合理論，用數(shù)值模擬、數(shù)學(xué)建模、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、優(yōu)化理論等現(xiàn)代數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)仿真理論與方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)開展嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)的螺桿組合的理論與實(shí)踐研究，優(yōu)化螺桿組合，不斷提高同向雙螺桿擠出機(jī)的使用效果和功能。

（6）開展嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)機(jī)電一體化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)的研究，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)筒溫度、主螺桿、側(cè)喂料螺桿和加料螺桿轉(zhuǎn)速、加料量，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、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理等。

一個(gè)國(guó)家的雙螺桿擠出機(jī)的設(shè)計(jì)、加工、制造和使用水平，從某種程度上也反應(yīng)出這個(gè)國(guó)家塑料加工工料的水平。其整體水平的提高，不僅取決于聚合物加工裝備制造行業(yè)的發(fā)展，更依賴于鋼鐵等基礎(chǔ)原材料的生產(chǎn)、加工制造水平和自動(dòng)化控制程序。要想推動(dòng)我國(guó)聚合物加工裝備制造業(yè)的整體水平，必須走產(chǎn)學(xué)研用一體化道路，發(fā)揮高校、研究院、制造廠和生產(chǎn)企業(yè)的各方優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)攻克技術(shù)瓶頸，使我國(guó)聚合物加工裝備制造得到可持續(xù)發(fā)展。

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