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1、1双螺杆挤出机设计概述1.1 双螺杆挤出机概述随着聚合物加工业的发展，对高分子材料成型和混合工艺提出了越来越多和越来越高的要求，单螺杆挤出机在某些方面就不能满足这些要求。例如：用单螺杆挤出机进行填充改性和加玻璃纤维增强改性等，混合分散效果就不理想。另外，单螺杆挤出机尤其不适合粉状物料的加工。为了适应聚合物加工中混合工艺的要求，特别是硬聚氯乙烯粉料的加工，双螺杆挤出机自20世纪30年代后期在意大利开发出来以后，经过半个多世纪的不断改进和完善，得到了很大的发展。在国外，目前双螺杆挤出机已广泛应用于聚合物加工领域，已占全部挤出机总数的40。硬聚氯乙烯粒料、管材、异型材、板材几乎都是采用双螺杆挤出机加
2、工成型的。作为连续混合机，双螺杆挤出机已广泛用来进行聚合物共混、填充和增强改性，也有用来进行反应挤出。近20年来，高分子材料共混和反应挤出技术的发展进一步促进了双螺杆挤出机数量和类型的增加。1. 1. 1 双螺杆挤出机的结构与分类双螺杆挤出机由传动装置、加料装置、料筒和螺杆等几个部分组成，各部件的作用与单螺杆挤出机相似。与单螺杆挤出机区别之处在于双螺杆挤出机中有两根平行的螺杆置于同一的料筒中。双螺杆挤出机有许多种不同的形式，主要差别在于螺杆结构的不同。双螺杆挤出机的螺杆结构要比单螺杆挤出机复杂得多，这是因为双螺杆挤出机的螺杆还有诸如旋转方向，啮合程度等问题。目前，双螺杆有许多种类型，其主要可以
3、分为：.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挤出机的优点是：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。.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型和全啮合型。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
4、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。.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. 1. 2 双螺杆挤出机的工作原理双螺杆挤出机的结构尽管与单螺杆挤出机很相似，但工作原理差异却很大。在双螺杆挤出机中，物料由加料装置（一般为定量加料）加入，经螺杆作用到达机头口模。在这一过程中，物料的运动情况因螺杆的啮合方式、旋转方向不同而不同。、非啮合型双螺杆挤出系统物料在非啮合双螺杆挤出系统中，除了向机头方向的运动形式外，还有多种流动
5、方式。由于两螺杆不啮合，它们之间的径向间隙很大，存在较大的漏流。主要流动方式：由于两螺杆的螺棱的相对位置是错开的，即一根螺杆的推力面的物料压力大于另一螺杆拖带面的物料压力，从而产生了流动。物料从压力较高的螺杆推力面向另一螺杆拖带面的流动，同时随着螺杆的旋转，在两螺杆的间隙处物料不断受到搅动并被不断带走、更新（不论两螺杆的转向如何），特别是在异向旋转过程中，物料在处受到阻碍，产生了流动。多种物料的流动形式（包括由于在两根螺杆的相互作用下产生的各种流动）都增加了对物料的混炼和剪切。但这种双螺杆没有自清洁作用，一般仅用于混料，不适合PVC型材的生产。、啮合型同向旋转双螺杆挤出系统物料在同向旋转的双螺
6、杆挤出系统的全螺纹段的流动情况。由于同向旋转双螺杆在啮合位置的速度方向相反，一根螺杆要把物料拉入啮合间隙，而另一根螺杆要把物料从间隙中推出，结果使物料从一根螺杆转到另一个螺杆，呈形前进，这种速度的改变以及啮合区较大的相对速度，非常有利于物料混合和均化，由于啮合区间隙很小，啮合处螺纹和螺槽的速度相反，剪切速度高，有很好自洁作用，即能刮去粘附在螺杆上的任何积料，从而使物料的停留时间很短。这种挤出机主要用于混炼物料和造粒。但由于物料在啮合区间所受剪切力很大，所以也不适应PVC型材的生产。、啮合型异向旋转双螺杆挤出系统啮合型异向旋转双螺杆挤出系统中物料的运动情况。在啮合型异向旋转的双螺杆挤出中，两根螺
7、杆是对称的，由于回转方向不同，一根螺杆上物料螺旋前进的道路被另一根螺杆的螺棱堵，不能形成“”字型运动。在固体输送部分，物料是以近似的密闭“”形小室的形态向前输送。但为了使物料混合设计中将一根螺杆的外径与另一根螺杆的根径之间留有一定的间隙量，以便使物料能够通过。物料通过两螺杆之间的径向间隙时，受到强烈的剪切、搅拌和压延作用，因此，物料的塑化比较好，多用于加工制品。由于两螺杆的径向间隙比较小，因此，有一定的自洁性能，但自洁性比同向旋转的双螺杆要差。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
8、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，加料系统的设计，加热冷却系统的设计，控制系统的设计等。1.2.
9、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，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
10、粒的啮合同向双螺杆挤出机有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
11、还可以与单螺杆挤压系统相接，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（
12、有时是挤出片材挤出机组），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。本设计中没有使用串接齿轮泵的设计。2加料装置2.1 加料系统的组成加料系统主要由加料斗和上料斗部分组成。加料斗装于挤出机的加料座上，将物料填入挤出机，而上料部分可以在外力作用下，将物料不断输入加料斗，补充料斗内的物料。加料斗：其结构形式多样，有圆锥形、圆柱圆锥形、矩形及正方形。图2.1.1给出了加料斗的最基本形式。 图2.1.1料斗结构图1.料斗盖 2.视窗 3.开合门 在加料斗上安有料斗盖，以防止灰尘等杂物进入。一般要在料斗
13、的中部及下部开设视镜孔，用以观测存料及上料情况；在料斗底部设有开合门，或在底部设有一转轴以使料斗旋转，用以调节或截断进料量及换料。料斗的材料要轻便、耐腐，铝板及不锈钢是料斗的优选材料。料斗的容积一般设计为挤出机11.5h的挤出量。上料部分：上料方式有人工上料或自动上料。人工上料劳动强度大，主要用于小型机台。中型及大型机都采用自动上料。自动上料主要有弹簧上料、鼓风上料、真空吸料及运输带传送上料等形式。目前比较先进的上料方式有群控上料系统。2.2 加料装置形式现在着重研究一下双螺杆挤出机的加料装置。双螺杆挤出机一般情况下采用计量加料，但有的情况下，也采用溢流加料、强制加料。2.2.1 计量加料装置
14、所谓计量加料，即加料装置给挤压系统加入多少物料，挤压系统就挤出多少物料，挤压系统的挤出量与螺杆转速无关。加料量是挤出过程的一个独立操作变量。既然是计量加料，因而加料装置的加料速度应能无级调节，且有一定的计量精度。加料速度的无极调节靠加料装置传动系统的电机转速的无级调节来实现。加料装置传动系统的调速电机转速可以采用直流电机，也可以采用变频调速电机。它们的调速范围应与加料速率范围相适应。计量加料的计量方式有体积计量、失重计量、称重计量。在双螺杆挤出机中用的最多的是前两种。（1）. 体积计量加料装置它是靠加料螺杆的旋转把物料加到挤压系统中的。由于螺杆容积一定，对于某种松密度不变的物料，加料螺杆每转一
15、转，输送的物料量是一定的。加料量和螺杆转速基本成线性关系。图2.2.1.1.1所示为体积计量加料装置。该装置为立式，位于双螺杆挤出机挤压系统的上方，用的最普遍。这种加料装置有的在料斗下方还设有搅拌浆叶，增加混合，并防止物料架桥。图2.2.1.1.2所示为体积计量加料装置所用加料螺杆的各种形式。不同形式螺杆的加料性能不同，可适应于不同物料。 图2.2.1.1.1 体积计量加料装置 (a).外形 (b).(c).投影图双螺杆在加料过程中仍能对物料进行混合，除加入单螺杆可加入的物料（粉状料、颗粒料、纤维状料、片状料、部分流动性高的具有粘着性的物料），还可加入流动性、粘着性高的物料，也能加入吸湿性高的材料。其中图2.2.1.1.2(b)所示的双螺杆，是由螺旋状弹簧和中间轴组合而成，其弹簧和中间轴之间的间隙不固定，在物料阻挡下可适度变化，这样就不易塞住物料，因“漏流”较大，混合效果也好。而图2.2.1.1.2(c)(d)所示的加料螺杆无异于双螺杆挤出机的螺杆，只是在螺杆全长上螺槽的导程和体积不变，它们的输送计量性能较好。图2.2.1.1.2 计量加料装置所用加料螺杆的形式图2.2.1.1.3 侧加料装置还有一种计量加料装置叫侧加料装置，它水平安装于双螺杆挤出机的一侧，由水平方向将物料加到机筒侧面的加料口中。使用
