李衛(wèi)民，盧廣亮，黃健

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開槽式塑料擠出機的設計與研究

李衛(wèi)民，盧廣亮，黃健

（遼寧工業(yè)大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121001）

本文通過研究開槽式塑料擠出機磨損的成因及磨損機理，對擠出系統(tǒng)存在的磨損問題進行了研究并提出了解決措施；通過對塑料擠出工作過程的分析將擠出機理、產量計算、溫度控制、壓力分布四個指標應用在新型擠出機的設計過程中，對擠出系統(tǒng)進行了設計和優(yōu)化，為高性能擠出機的設計提供一些借鑒.

磨損；擠塑；開槽料筒；混煉螺桿；電磁加熱

1 塑料擠出機的磨損成因

混煉螺桿磨損會使原有的料筒和螺桿結構隨加工時間的增加而發(fā)生嚴重的損壞，進而影響加工性能，甚至不能滿足擠出質量的要求. 開槽式塑料擠出機因為采用了新的結構形式，增大了物料與料筒之間的摩擦，使得磨損問題更加嚴重. 磨損問題已經成為制約開槽式塑料擠出機應用與發(fā)展的關鍵性因素，引起磨損的因素主要有機械因素、物料因素、操作因素三個方面.

磨損的成因及磨損機理的研究表明，降低磨損主要應從加工物料的選用、機械結構的優(yōu)化、操作方式等入手[2]. 在加工物料的選擇上，因為屑狀料和粉狀料比粒狀料對機筒和螺桿造成的磨損要小得多，所以可以通過選擇不同的物料配比來降低磨損. 在結構優(yōu)化方面，開槽料筒內最大壓力施加在混煉螺桿的加料段末端，因此適當增加混煉螺桿熔融段的螺棱升角能降低壓力、減小磨損. 操作方式上，螺桿轉速的增加會增加擠出產量，故以此降低單位產量的磨損；另外，準確控制開槽料筒開槽段的冷卻溫度，可以在不產生熔膜的前提下使料筒保持較高的溫度，并減小磨損量.

2 擠出產量的計算

評價擠出設備性能的一個重要指標是擠出產量，塑料擠出機的機械結構和輸送機理是決定擠出產量的關鍵因素[3]. 普通三段式螺桿結構擠出機擠出產量的計算依據是熔體輸送理論，加料段料筒開槽式擠出機擠出產量的計算依據是固體輸送理論，二者的區(qū)別主要表現在擠出過程中建壓的方式不同.

2.1 熔體輸送理論

普通三段式螺桿結構塑料擠出機的螺桿與料筒之間塑料的輸送能力非常有限，擠出過程中壓力的最大值出現在螺桿靠近機頭的一端，擠出產量的計算由熔體輸送段確定. 在擠出機計算熔體輸送能力時，一般把塑料當作冪流體，而此時塑料壓力集中在螺桿計量段，故塑料的熔體黏度在擠出產量的計算中起主導作用，具體的計算公式如下：

2.2 固體輸送理論

具有開槽料筒和混煉螺桿結構形式的新型塑料擠出機在輸送機理上完全不同于普通三段式螺桿結構的塑料擠出機. 由于開槽料筒對塑料固體的輸送能力遠大于熔體，會使物料在熔融段和混煉段的輸送遇到阻力，并導致固體輸送段壓力上升；但隨著熔體不斷被輸送，該處壓力會逐漸降低. 開槽料筒大大增加了進料量，增大了物料與料筒之間的摩擦，因此計算塑料擠出產量而在塑料的固體輸送過程中，摩擦系數是主要的影響因素. 開槽料筒主要是增加了物料與料筒之間的摩擦. 依據固體輸送理論[4,5]，開有軸向斜槽料筒的固體輸送能力計算公式如下：

3 擠壓系統(tǒng)的設計

3.1 開槽料筒的設計

已有研究[6]表明，采用充分冷卻的開槽料筒加工HDPE粉料時可以提高180%的產量和20%以上的能效. 開槽料筒的開槽形式主要分為直槽和螺旋槽. 螺旋槽相對于直槽具有更好的自潔能力，但是螺旋槽的加工比較困難. 實驗表明加工HDPE粉料時矩形直斜槽具有最好的輸送能力，更適合于大型塑料擠出設備的生產應用[7].

圖1 摩擦系數與凹槽數量及h1/D間的關系

表1 軸向直斜槽的幾何參數

開槽料筒具有強制輸送的功能，但物料間由于摩擦產生的大量熱量會使物料提前融化產生熔膜，不利于物料的加工，因此需要在開槽段進行強制冷卻以延遲熔膜的產生. 為避免冷卻段與相鄰熔融段相互產生熱傳遞而降低擠出效率，需要在二者接觸的部分設置絕熱層. 開槽料筒的機械結構如圖2所示.

圖2 開槽料筒

3.2 混煉螺桿的設計

表2 螺槽深度推薦值

圖3 螺紋升角與壓力關系圖

圖4 混煉螺桿

4 加熱系統(tǒng)的設計

目前塑料擠出機在加熱方式上還是以電阻式加熱為主，隨著資源的日益緊張和塑料擠出機節(jié)能要求的提高，未來在擠出機的加熱方式上，電磁加熱會逐步取代電阻式加熱[8,9]. 電磁加熱對塑料擠出機料筒的加熱設計原理如圖4所示. 按照中國塑料加工工業(yè)協(xié)會改性塑料專業(yè)委員會的展望，改電阻絲傳導加熱為電磁感應加熱，塑機節(jié)能可達30％. 長遠來看，采用電磁加熱可減少能耗，降低加工成本. 采用電磁加熱符合塑料擠出機節(jié)能的發(fā)展方向，尤其在大型中空擠出吹塑設備上取得的綜合效益明顯提高.

圖4 電磁加熱原理圖

5 結語

本文主要從開槽式塑料擠出機中存在的磨損問題入手，分析了磨損問題的成因并提出了減小磨損的措施. 針對塑料擠出機的大產出、高效率、低能耗的發(fā)展要求，對塑料輸送機理進行了研究對比，并進一步提出了擠出機開槽料筒和混煉螺桿的設計方法. 在節(jié)能降耗方面主要論述了電磁加熱技術的優(yōu)勢并對其在塑料擠出機上的應用進行了設計. 希望本文能為中空吹塑設備擠出系統(tǒng)的設計和研究提供一些有益借鑒.

[1] 邱建成. 塑料擠出中空吹塑成型技術[M]. 北京:化學工業(yè)出版社，2012.

[2] 朱復華. 擠出理論及應用[M]. 北京:中國輕工業(yè)出版社，2001.

[3] 黃漢雄．聚烯烴加工螺桿的選擇[J]. 國外塑料，1990, 8(3): 19-22.

[4] 賀鵬. 單螺桿擠出機固體輸送段摩擦系數的研究[J]. 塑料科技，2003, 154(2): 31-33.

[5] 杜巧連. 中空吹塑成形系統(tǒng)的設計與研究[J]. 機床與液壓，2011, 34(2): 160-162.

[6] 黃漢雄. 塑料吹塑技術[M]. 北京：化學工業(yè)出版，1995.

[7] SCHNEIDER K. Der Fordenorgang in der einzugszone eines exthuders[J]. Chemie Ingenieur Technik, 1969, 41(5-6): 364-369.

[8] WANG Z, HUANG, W, JIA W. 3D multifields FEM computation of transverse flux induction heating for moving-strips [J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1999, 35(3): 1642-1645.

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[責任編輯：韋 韜]

Design of and Research on Slotted Plastic Extruders

LIWei-min, LUGuang-liang, HUANGJian

（School of Mechanical Engineering and Automation, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

The causes and mechanism of wear of slotted plastic extruders are studied and some solutions are proposed. Through an analysis of the working process of plastic extrusion, the four indicators of extrusion mechanism analysis, yield calculations, temperature control, and pressure distribution are applied in a new extruder design process and the extrusion system is re-designed and optimized to provide some reference for the design of high performance extruders.

wear; extrusion; slotted barrels; mixing screws; electromagnetic heating

1006-7302（2014）04-0062-05

TH16；TQ320.66+4

A

2014-09-24

遼寧省工業(yè)攻關計劃項目（2013220022）

李衛(wèi)民（1965—），男，遼寧朝陽人，教授，博士，主要研究方向為機械CAD/CAE/CAPP/CAM/ERP，數字化設計與制造技術.