高性能塑料单螺杆挤出机结构

塑料挤出机是塑料挤出机械的重要组成部分，由于高速挤出机具有高产、低耗的优点, 目前, 世界上已有越来越多的国家开始关注对高速挤出机的研发，尤其是近几年高速挤出技术有了很大的发展, 单螺杆挤出机高速挤出技术研究进展得到了越来越广泛的应用。随着对产量和能耗要求的不断提高, 高速挤出机已成为挤出机的发展方向之一。

单螺杆挤出机主要由螺杆结构、加热冷却系统、驱动系统几大部分组成。

1.螺杆机构

 螺杆结构的优化会直接影响到挤出机的效率, 因此对于螺杆结构的研究改进一直在不断进行。由于普通挤出机中螺杆的机械结构是一端固定的悬臂梁结构, 这就限制了螺杆转速的提高和长径比的增加。高速挤出机的转速均在300 r/ min 以上, 目前最高可达1 500 r / min。当转速高于800 r/ min 时, 螺杆的对中就是关键。德国K􀀁hne 公司[ 1, 2] 针对此问题对螺杆进行了成功改进。K􀀁hne 公司采用的是传统的光滑机筒与螺杆, 通过对螺杆加料段进行改进, 增大了间隙, 使得螺杆高速旋转时不会发生变形。同时将熔融段加长, 但要通过机筒加热和空气冷却来控制加料段的熔体温度。研究表明, 在相同的螺杆转速下, 高速挤出机要实现高产量就要求螺杆熔融段加长, 长径比要大( 一般为30 ! 1~ 40 ! 1) , 这就比普通挤出机的长径比( 24 ! 1~ 30 ! 1) 高出1/ 3。因此高速挤出机的加料段、压缩段和计量段均比普通挤出机的长, 计量段长度甚至达到普通挤出机的2 倍。除了长径比大以外, 高速挤出机螺杆的加料螺棱比较深, 这样, 通过加长加料段并加深加料段槽深增强了吃料能力; 通过增大计量段长度提高了对物料的塑化能力, 从而提高了产量及塑化品质。BEX 公司设计了一种适用于高速挤出的∀ 改进型5 段屏障型螺杆#, 但是这里的5 段并不是加料段、熔融段、混合段、排气段和计量段, 而是加料段、熔融段、平台/ 限流段、排气段和计量段。很长的加料段和熔融段( 没有屏障螺棱) 占螺杆总长的2/ 3 左右。PP 用高速螺杆的加料段螺棱较深, 逐渐过渡到较浅的平台, 平台很光滑, 几乎没有螺棱, 这样物料通过时速度很高, 但扭矩很小; 随后是限流段, 这是加工PP 的屏障段( 不适用于PS) ; 再后面就是传统的排气段和计量段。德国Paderborm 大学[ 3] 开发出一种新的挤出机结构设计理念, 目前已被德国Ext rudex 塑料机械有限公司用于工业化生产单螺杆挤出机Helibar, 应用于挤出管材和中空吹塑成型中。Helibar 的长径比为36 ! 1, 特点为整个机筒长度均有螺纹沟槽, 加料段的沟槽深, 其他部分的沟槽浅, 螺杆为专用屏障型结构, 转速高于一般单螺杆挤出机, 产量得到了大幅提高。德国Bersto rff 公司[ 4] 推出了 Vac GE 90 SC ∃ 16D 型高速挤出机, 该机通过4 台三相异步交流电机来直接驱动螺杆, 具有专用的排气机筒、扼流圈及可调节销钉, 具有很强的适应性, 能够在保持高产的条件下加工不同种物料。同时由于采用了模块化设计及在机筒连接处使用快速锁闭, 因此该机还能满足多种不同的技术要求。至于螺杆直径, 大多数高速挤出机的螺杆直径均在60~ 70 mm 之间, 几乎没有大于90 mm 的。一些世界知名的挤出机制造商, 如K􀀁hne 公司的高速挤出机直径为60~ 72 mm, 长径比为33 ! 1; BEX 公司研究发现螺杆直径在75 mm、长径比在34 !1~ 40 ! 1 之间是得到最大产量的最佳参数。Cincinant i 公司[ 5, 6] 生产的 Rapidex 挤出机的螺杆直径为60 mm, 长径比为37 !1, 加工聚乙烯( PE100) 时的产量可达1 000 kg/ h, 加工 PP 时的产量可达800 kg / h。由于熔体温度恒定且熔体的停留时间短, 所以熔体内部的热应力非常小, 在高速挤出时, 背压可达50 MPa。使用螺旋芯轴口模时, 可以挤出直径160 mm、壁厚14. 6 mm的光滑匀质管材。当在螺杆直径小于75 mm 的情况下高速运转时, 不可能在充分利用潜在的螺棱高度时保证螺杆不发生断裂。当螺杆直径大于75 mm 时, 机器就会失去绝热效应, 就必须设置加热和冷却系统。BEX 公司于2002 年制造了首台采用了4 个马达的紧凑型马达齿轮( CMG) 驱动装置的单螺杆挤出机, 驱动装置直接与直径为 90 mm、长径比为33 ! 1 的螺杆联接。作为世界挤出技术领先者的Cincinnat i 公司[ 7] , 开发的Monos 单螺杆挤出机中的最新系列Monos90 挤出机, 长径比为 37 ! 1, 产量可达1 000 kg/ h, 这种挤出成型机适用于专门生产PE80、PE100 和PP􀀁HM 的燃气管和污水管, 且能满足在低熔体温度下有高品质熔体的所有应用要求。近来, 该公司又开发了直径为150 mm 的新一代 Mo nos+ 挤出机[ 1] , 并于2007 年德国K 展中首次亮相。该机长径比为37 !1, 产量提高了40 %。这得益于螺杆喂料段和沟槽喂料套的革新设计。新的螺杆参数进一步优化了经试验证明了的强力喂料技术, 且新一代的Monos+ 挤出机喂料区安装的温控装置保证了无论加工何种原料均能保持最佳温度。驱动性能的充分应用和螺杆转速的适当提高也保证了挤出机产量的进一步提高。新一代Monos+ 挤出机系列同样安装了带变频器的免维护交流电机, 除操作时的低噪音外, 此类异步电机还具有非满负荷下低能耗的优势。Monos+ 系列挤出机的变频器、控制柜和驱动系统均装有各自的冷却集成装置, 从而保证了理想的操作状态。除此之外, 还配有后卸螺杆装置作为选项。为保证螺杆芯部的温度控制, 所有螺杆均配置了免维护的内部冷却系统Intr acool。同时其设备本身控制系统的连续不断改进也是Cincinnat i 公司的一个突出特点, 并已成功开发了带触摸屏操作的基于Window s XP 系统的内部电脑控制系统。

2.加热冷却系统

 2. 1 加热方式

由于高速挤出机的设计理念是在高速下运转, 高速运转时螺杆强烈的剪切物料和摩擦提供了物料塑化所需的热量, 因此, 可在没有外热源的情况下实现自然挤出。因此高速挤出机的机筒加热圈很少, 甚至不用。大多数高速挤出均是与热成型一起使用, 转速一般在 400~ 800 r/ min 时, 均是使加热圈开关交替工作。离线生产片材的挤出机的转速一般在900~ 1 500 r / min, 而且只是在启动时使用加热圈, 因此物料的熔融完全靠摩擦热完成。在这两种情况下, 机筒都是冷的, 因此不需要冷却, 除有时加热区需要外。

2. 2 冷却方式

在螺杆转速高于300 r/ min 的新型高速挤出机中, 为保证挤出制品的品质, 除改进挤出机的机械结构外, 计量段的冷却也同样重要。对于普通挤出机( 螺杆转速通常在100 r/ min 以下) , 常用风冷( 小型) 或水冷( 大型) 两种方式对计量段进行冷却。而高速挤出机( 转速在300 r/ min 以上) 虽然在尺寸上与小型挤出机相当, 但由于高速挤出机的螺杆转速高、计量段长, 其剪切应力大、摩擦耗散热大及物料停留时间长, 为避免熔融物料降解或焦化, 计量段应采用水冷却方式进行机筒换热, 以控制机筒的表面温度。文献[ 9] 对高速挤出机计量段的冷却方式进行了研究分析, 并设计了水介质管道冷却方式( 图1) 。冷却管道预埋在加热瓦中, 管内走冷却介质, 管外是需要排除的多余热量。研究除发现水冷却的优点之外, 还发现冷却介质入口温度越低, 机筒冷却效果越好, 进而能更好地控制机筒内的熔体塑化, 在高产量的前提下保证物料的挤出品质。

3 驱动系统

高速挤出发展的背后支撑必然是迅速发展的电机和马达驱动装置。
普通挤出机均是通过电机或马达直至减速箱来对螺杆进行驱动, 这样在通过齿轮箱减速传动的过程中就有了不必要的能耗, 且减速比越大能耗越大。而高速挤出机采用的是直接驱动理念, 这有助于降低能耗, 使得在传输系统中( 除搅拌消耗的热能损失) 的所有能量损失被完全避免, 其所用的电机或马达要么是直接与螺杆联接, 要么是通过减速比为1 ! 1 的齿轮箱联接, 螺杆转速等于电机或马达转速, 因此在提高螺杆转速的同时降低了能耗。