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1、1双螺杆挤出机设计概述1.1 双螺杆挤出机概述塑料挤出成型是在挤出机中通过加热、加压而使塑料以及熔融流动状态连续通过口模成型的方法，或简称为挤塑。挤出成型是聚合物加工中出现较早的一门技术,在19世纪初已有使用。挤出成型可加工的聚合物种类很多,制品更是多种多样,成型过程也有许多差异比较常见的是以固体块状加料挤出制品的过程。其挤出成型过程为:将颗粒状或粉状的固体物料加入到挤出机的料斗中,挤出机的料筒外面有加热器,通过热传导将加热器产生的热量传给料筒内的物料,温度上升,达到熔融温度。机器运转,料筒内的螺杆转动,将物料向前输送,物料在运动过程中与料筒、螺杆以及物料与物料之间相互摩擦、剪切,产生大量的热
2、,与热传导共同作用使加入的物料不断熔融,熔融的物料被连续、稳定地输送到具有一定形状的机头(或称口模)中。通过口模后,处于流动状态的物料取近似口型的形状,再进入冷却定型装置,使物料一面固化,一面保持既定的形状,在牵引装置的作用下,使制品连续地前进,并获得最终的制品尺寸。最后永切割的方法截断制品,以便储存和运输。挤出成型加工的主要设备是挤出机，此外，还有机头口模及冷却定型、牵引、切割、卷取等附属设备。其挤出制品都是连续的形体，在生产及应用上都具有多方面的优点。据统计，在塑料制品成形加工中，挤出成型制品的产量约占整个塑料制品的50以上。所以，挤出成型在塑料制品成型加工工业中占有重要地位。塑料在挤出机
3、内熔融塑化，通过口模成为所需要的形状，经冷却定型而得到与口模断面形状相吻合的制品。挤出成型是塑料加工工业中最早的成型方法之一。早在19世纪初期，挤出机就用于生产铅管、面条。早期的挤出机是柱塞式的，直到1936年才研制成功电加热的单螺杆挤出机，这就是现代塑料挤出机的起源。同其他成型方式相比，挤出成型具有以下突出优点。1.设备成本低，制造容易，因此投资少，见效快，占地面积小，生产环境清洁。2.生产效率高。挤出机的单机产量较高。特别适合于较长的尺寸的制品。如制造较长的管材，板材、型材、薄膜等，而且产品质量均匀、密实。其生产效率的提高比其它成型方法快。3.挤出成型可以实现连续化、自动化生产。生产操作简
4、单，工艺控制容易，产品质量稳定。4.可以根据产品的不同要求，改变产品的断面形状。其产品为管材、棒材、片材、板材、薄膜、电缆、单丝、中空制品及异型材等。5.应用范围广。只要改变螺杆及辅机，就能适用于多种塑料及多种工艺过程。例如，可以加工大多数热塑性塑料及部分热固性塑料，也能用挤出法进行共混改性、塑化、造粒、脱水和着色等。6.可以进行综合性生产。挤出机与压延机配合，可以喂料生产压延薄膜，与油压机配合生产各种模压制品。随着聚合物加工业的发展，作为聚合物的主要加工设备之一的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。一套完整的挤出设备由主机和相应的辅机以及其它控制系统组成。 通常
5、这些组成部分统称为挤出机组。它主要包括挤出系统、传动系统和加热冷却系统及控制系统。1.挤出系统 它由料斗、螺杆和机筒组成，是挤出机工作的核心部分。其作用是使塑料塑化成均匀的熔体，并在此过程中建立压力，再被螺杆连续、定压、定温、定量地挤出机头。2.传动系统 它由电机、调速装置及传动装置组成。其作用是驱动螺杆，并保证供给螺杆在工作过程中所需的扭矩和转速。3.加热冷却系统 它由温度控制设备组成。其作用是通过对机筒进行加热和冷却，保证挤出系统的成型在工艺要求的温度范围内进行。4.控制系统 它主要由电器、仪表和执行机构组成。其作用是调节控制螺杆的转速、机筒温度、机头压力等。在挤出成型中，应用得最广的是单
6、螺杆挤出机和双螺杆挤出机。双螺杆挤出机是在挤出机机筒中并排地安装两根螺杆的一种挤出机，它是在单螺杆挤出机的基础上发展起来的。最初的双螺杆挤出机是20世纪30年代后期在意大利开发的。Roterto Colombo开发了同向旋转式双螺杆挤出机，Carlo Pasqutti开发了异向旋转式双螺杆挤出机。单螺杆挤出机易于加工粒料，对粉料则不易加工。对那些形状不规则的或是含湿度很大的悬浮料、乳剂料或分子量很高因而粘度很高的料等，实际上无法加工。单螺杆挤出机对于加入无机填料的适应能力也是差的，且混炼效果较差。与单螺杆挤出机相比，双螺杆挤出机具有一系列的优点，如双螺杆挤出机可以用在混炼、排气、脱水、造粒粉料
7、直接挤出以及玻璃纤维或其他填料的填充增强改性等方面。据资料介绍，近年来西欧工业国家的双螺杆挤出机的数量已达到挤出机台数的40%左右。特别是在成型加工中，应用更多、更广。例如，在管材和造粒中几乎全部使用双螺杆挤出机，在板材和型材的成型中，双螺杆挤出机约占8090%。尤其对RPVC粉料、LDPE塑料的加工，双螺杆挤出机更是具有极大的优越性。因为其剪切速率较低（主要指异向旋转的双螺杆挤出机）、自洁性好、在机筒中物料停留时间短。此外，双螺杆挤出机还具有剪切力大、传热面积大、计量准确、回流少、供料性能好、混炼效果好、塑化效果好等优点。目前，双螺杆挤出机主要用作成型加工、预塑混炼、聚合反应以及废料处理方面
8、。近几年来，我国在双螺杆挤出机的生产和应用方面同样也都得到了迅速的发展。目前，双螺杆有许多种类型，其主要可以分为：1.从螺杆轴线是否平行可分为平行式和锥形式双螺杆；前者两根螺杆的轴线互相平行，后者两螺杆的轴线相交成一角度。平行双螺杆挤出机相比较于锥形双螺杆基础机的优点是：平行双螺杆挤出机具有压延长度较大，压延有强烈的塑化与均化能力的效果，而且螺杆平均直径小，转速较低，因此，平均剪切速率也较低，压延频率高，有效停留时间并不低于锥形螺杆。2.从两根螺杆的相对位置又可以分为啮合型和非啮合型，啮合型又可以分为部分啮合和全啮合型。非啮合型的一根螺杆的螺棱不伸到另一根螺杆的螺槽中去，而非啮合型则是两根螺杆
9、的轴线分开的距离小于两根螺杆外半径之和，即一根螺杆的螺棱插到另一根螺杆的螺槽中去。根据啮合程度（即一根螺杆的螺棱插到另一根螺杆的螺槽中的深浅程度），啮合型又可以分为部分啮合和全啮合型。3.从螺杆旋转方向的不同，可以分为同向旋转与反向旋转。顾名思义，同向旋转双螺杆挤出机的两根螺杆的旋转方向相同，异向旋转双螺杆挤出机的两根螺杆的旋转方向相反。它可以是向内旋转或向外旋转。1.2 挤出机整体方案设计近年来，双螺杆挤出机得到了迅速的发展，但由于双螺杆挤出机的复杂性和种类的多样性，以及双螺杆理论的不成熟，所以至今还没看到有关双螺杆挤出机参数设计和结构设计的比较系统的文献，因此对双螺杆挤出机的设计更多地只能
10、停留在经验设计的水平上。当然，经验设计是必须服从挤出工程的基本规律的，所以由此所进行的有关双螺杆挤出机的设计是具有一定的科学性与理论性的。双螺杆挤出机的应用，都是以机组的的形式出现。挤出机组包括主机（即通常说的挤出机）、机头和辅机。因而就双螺杆挤出机的总体设计而言，它可以包括主机（螺杆挤出机）、机头和辅机的设计，也可以单指主机的设计。因此双螺杆挤出机的设计应当包括双螺杆挤出机类型的确定、整体方案的确定、主要技术参数的确定、挤压系统的设计、传动系统的设计、机头的设计、加料系统的设计以及双螺杆挤出机辅助系统的设计等。1.2.1 开式设计和闭式设计的选择所谓开式设计，一般指双螺杆挤出机的挤压系统、冷
11、却加热系统都裸露在外面，这种设计的优点是各部分出现故障时，检查、维修及拆装比较方便，也一目了然。啮合同向双螺杆挤出机大多采用这种设计。所谓闭式设计，其挤压、冷却加热系统的外面都有罩子，其余各部分有时也封闭起来。这种设计看上去外形比较整齐，但检修不太方便。所以本设计中采用开式设计。1.2.2 一阶机和二阶机的选择所谓一阶机，是指主机只有一个挤压系统，包括一套螺杆、机筒和传动箱；而二阶机是指主机有两个挤压系统，包括两套螺杆、机筒和传动箱，柔性串起来组成主机。就目前见到、用于成型制品的双螺杆挤出机组的主机多是一阶的，如啮合平行异向双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机。用于配混料造粒的啮合同向双螺杆挤出机有
12、的情况下设计成二阶的，其第一阶用来塑化、混合物料，第二阶用来建压、挤出造粒。本设计中以采用一阶式为宜。1.2.3 整体式和积木式的选择一般啮合异向旋转的双螺杆挤出机（也有例外）和锥形双螺杆挤出机都是整体式，即其各大组成部分（螺杆、机筒、减速箱）在使用中不再拆开并进行重新组合安装。国外流行的啮合同向双螺杆挤出机绝大多数都设计成积木式的，即其机筒、螺杆有若干组件组成，可根据使用需要进行重新组合安装。也有的厂家生产的双螺杆挤出机，除了其机筒、螺杆是组合式外，其扭距分配器和齿轮箱做成积木式，通过更换扭距分配器可以将双螺杆挤出机改变成异向旋转或同向旋转；去掉扭距分配器，其齿轮箱还可以与单螺杆挤压系统相接
13、，组成单螺杆挤出机。本设计中采用整体式设计。1.2.4 封闭式机筒与剖分式机筒的选择双螺杆挤出机的机筒有的是整体式的，有的是由若干段组成，但机筒均不能打开分成两段，它们是封闭的。因此，要想了解挤出过程中物料沿螺杆的输送、混合、反应情况，只有停转将机筒通过水骤冷，然后把螺杆抽出来才能看清楚。这样很不方便，有时为了会破坏过程反应的原貌。为了克服上述缺点，人们把双螺杆挤出机的机筒做成剖分式，停车冷却后靠液压系统或手动机械打开，观察取样，进行研究。挤出机再工作前，再靠液压系统或手动机械合起来。本设计采用封闭式设计。1.2.5 挤压系统的选择对某些大型同向双螺杆挤出机造粒机组（有时是挤出片材挤出机组），
14、为了高效、节能、精确地控制挤出机熔体的压力以保证制品的尺寸精度，在挤压系统末串接熔体齿轮泵，由双螺杆完成塑化、混炼，由齿轮泵建立、控制挤出压力。串联齿轮泵后会给整个双螺杆主机得整体设计带来了重大影响。所以本设计中没有使用串接齿轮泵的设计。另一个影响双螺杆挤出机整体方案确定的是在某些机组上将要采用的加料系统。一般双螺杆挤出机大多采用计量加料，对大多数情况下得双螺杆挤出机（如啮合异向双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机），其计量加料系统对挤出机组整体设计不会有多大影响，但对某些没有多组分加料系统的配混料啮合同向双螺杆挤出机，将会有多个加料口和加料装置，它们得联合使用和布置将对双螺杆挤出机的整体布置带来影
15、响。2挤出系统设计双螺杆挤出机的挤压系统是双螺杆挤出机的核心部分。其作用是把加入的固体物料熔融塑化、混合，为口模提供定温、定压、定量的容体，并将在这一过程中产生的气体排除，最后通过口模，得到合乎质量要求的制品。双螺杆挤出机的挤压系统主要由螺杆、机筒组成。因此，双螺杆挤出机挤压系统的设计实际上就是螺杆、机筒的设计。2.1螺杆设计螺杆设计包括螺杆参数的确定，螺杆结构设计和螺杆材质选择等。螺杆设计的核心问题就是设计出的螺杆应具有优异的混合能力和其它的特定能力（如脱挥发分）。螺杆参数包括螺杆直径、螺杆长径比、螺杆导程（升角）、螺纹和螺槽的断面形状、螺棱厚度、四个间隙等。备 注：具体的设计过程由本组成员
16、张伟俊同学负责设计，有关设计数据请参照张伟俊同学的设计过程。2.2机筒设计机筒和螺杆共同组成了挤出机的挤压系统，完成对塑料的固体输送、熔融和定压定量输送作用。机筒的结构形式关系到热量传送的稳定性和均匀性。并且对于一些新型的挤压系统来说，机筒在加料段上的结构形式也影响到固体输送效率。机筒的机械加工和使用寿命也影响到整个挤压系统的工作性能。因此，机筒在挤压系统中是仅次于螺杆的重要零件。普通机筒的结构类型有整体式，分段式和双金属式。一般的异向旋转双螺杆挤出机采用的是整体式机筒。而本次设计中的螺杆采用的是整体式，因此机筒也相应的采用整体式机筒。备 注：具体的设计过程由本组成员董武林同学负责设计，有关设计数据请参照董武林同学的设计过程。3传动系统设计 双螺杆挤出机的传动系统是双螺杆挤出机的重要组成部分。
