塑料擠出生產(chǎn)線中冷卻水槽的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

方萬(wàn)漂

（中廣核俊爾新材料有限公司，浙江 溫州 325011）

塑料擠出生產(chǎn)線中冷卻水槽的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

方萬(wàn)漂

（中廣核俊爾新材料有限公司，浙江 溫州 325011）

分析了冷卻水槽在塑料擠出生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，提出了其設(shè)計(jì)的基本原則，通過(guò)對(duì)冷卻效率的計(jì)算分析，指出設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的因素和相應(yīng)的解決方法，給出了針對(duì)水槽現(xiàn)有問(wèn)題的改進(jìn)思路和方法。

冷卻水槽；冷卻效率；設(shè)計(jì)；改進(jìn)

作為改性塑料生產(chǎn)線中必不可缺少的裝置，冷卻水槽對(duì)塑料料條冷卻時(shí)間和溫度的控制尤為重要[1～2]。根據(jù)擠出生產(chǎn)線的產(chǎn)能，冷卻水槽一般將長(zhǎng)度控制在4～6m左右，擠出的料條進(jìn)入靠近機(jī)頭一端的水槽開(kāi)始冷卻，料條出水后在余下水槽上方沿著尼龍材質(zhì)的導(dǎo)輪牽引，先后經(jīng)過(guò)除水機(jī)和切粒機(jī)生產(chǎn)出塑料粒子。粒子常見(jiàn)的缺陷與水槽冷卻效果有著密切的關(guān)系，如粒子長(zhǎng)條，粉末超標(biāo)和粒子水分超標(biāo)，由于過(guò)水時(shí)間長(zhǎng)，粒條冷卻時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致料條脆性和含水量增加，這類情況時(shí)就需要通過(guò)減少過(guò)水量來(lái)控制，此外切粒機(jī)切料黏粒、連粒則是由于粒子韌性大，不宜切斷，需要加長(zhǎng)過(guò)水使料條充分冷卻[3～5]。因而，對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量而言，需要在實(shí)際生產(chǎn)中準(zhǔn)確控制冷卻時(shí)間和溫度，其前提就是要用合適的水槽設(shè)備進(jìn)行定量的分析，得出統(tǒng)計(jì)規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)結(jié)論，從而服務(wù)實(shí)際生產(chǎn)。

1　冷卻水槽的設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)原則

盡可能使料條冷卻均勻，便于后續(xù)切粒工序的進(jìn)行；車間設(shè)備維修調(diào)整時(shí)，水槽移動(dòng)和水平度調(diào)節(jié)需要簡(jiǎn)單省力；考慮水槽使用中水面出現(xiàn)泡沫的清理和水槽底部污垢的定期清洗；考慮水槽的使用成本和安裝檢修。

1.2冷卻效率的計(jì)算

對(duì)冷卻水槽進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須先對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行了解，明確設(shè)計(jì)的目標(biāo)。對(duì)水槽換熱效率進(jìn)行計(jì)算時(shí)，提出如下基本假設(shè)[6]：初始狀態(tài)下，水槽裝滿常溫的水；水槽水溫保持恒溫狀態(tài)，即冷卻過(guò)程中，料條降溫釋放的熱量等于出水管所排水吸收的總熱量；計(jì)算過(guò)程中料條處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，位于水槽中的料條長(zhǎng)度始終不變；不考慮外界空氣與水和料條之間的對(duì)流換熱情況。

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備的使用情況進(jìn)行分析，需要的測(cè)量以下的基本數(shù)據(jù)：塑料料條浸入水中時(shí)的溫度為T料條1，離開(kāi)水面時(shí)的溫度為T料條2，料條的比熱容c料條，料條浸入水中的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，料條浸入水中的質(zhì)量為M料條，切粒機(jī)的牽引速度為V，生產(chǎn)產(chǎn)量為S，進(jìn)水管中水溫為T進(jìn)水，進(jìn)水流量為V進(jìn)水，出水管中水溫為T出水，出水量為V出水，水的密度為ρ。水槽冷卻過(guò)程中，總的熱量保持平衡，即料條降溫釋放的熱量Q料條等于出水管所排水吸收的總熱量Q出水，列出熱平衡方程如下：

Q料條=Q出水（1）

即c料條M料條（T料條1T料條2）=c水ρV出水（T出水T進(jìn)水） （2）

其中，M料條=LS/V （3）

從上式中可以看出，料條浸入水中冷卻效果與出水管出水量密切相關(guān)，在水槽設(shè)計(jì)的參數(shù)計(jì)算中，要充分考慮生產(chǎn)的產(chǎn)能，切粒機(jī)的相應(yīng)參數(shù)和水槽擺放的總長(zhǎng)度。通常，為達(dá)到理想的冷卻效果，理論上需要將進(jìn)水量和出水量開(kāi)到最大，同時(shí)料條的過(guò)水距離盡可能增加。實(shí)際上，為了控制切粒的效果和減小粉末，我們需要對(duì)過(guò)水時(shí)間和距離進(jìn)行必要的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.3設(shè)計(jì)方法

首先，根據(jù)廠房的布置情況和水槽的擺放位置，初步確定水槽的長(zhǎng)度、寬度和高度；其次進(jìn)行進(jìn)出水管道相關(guān)技術(shù)參數(shù)的選取和計(jì)算，根據(jù)擠出機(jī)生產(chǎn)產(chǎn)量的最大值S，單位是kg/h，切粒機(jī)的最大牽引速度V，單位是m/s，料條浸入水中的最短長(zhǎng)度L，單位是m，運(yùn)用上述公式（2）和（3）計(jì)算出水量的最大值V出水，單位是m3/h。然后根據(jù)冷卻循環(huán)系統(tǒng)中水的流速，單位是m/s，從而可以計(jì)算出出水管的最大管徑，進(jìn)水管管徑的大小與出水管相等。需要注意的是，為了提升冷卻效果和方便后續(xù)設(shè)備升級(jí)，需要在水槽設(shè)計(jì)過(guò)程中將計(jì)算值取大一些。

其次，料條過(guò)水和脫水的過(guò)程中，需要料條支架輔助，其位置和數(shù)量往往取決于冷卻效果，通常視其過(guò)水長(zhǎng)度而定，若過(guò)水距離長(zhǎng)，則需要在水中走S形曲線，保證料條充分冷卻。料條支架分為固定支架和可移動(dòng)支架，固定支架由于拆卸安裝困難，需要保證足夠長(zhǎng)的壽命，其支架上的滾輪為金屬材質(zhì)且在料條的作用下可以繞軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。最后，為方便料條入水，入水一端的水槽設(shè)計(jì)為傾斜45°。料條經(jīng)過(guò)支架進(jìn)入脫水器時(shí)，料條擺動(dòng)抖落下的水經(jīng)常會(huì)灑落在水槽外面，設(shè)計(jì)時(shí)需要增加支架和水槽末端的距離。

2　冷卻水槽的改進(jìn)

2.1原有冷卻水槽裝置存在的問(wèn)題

老舊生產(chǎn)線在冷卻水槽的設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程中，沒(méi)有過(guò)多的考慮實(shí)際生產(chǎn)可能會(huì)出現(xiàn)的一些問(wèn)題，因而使用過(guò)程中往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）水槽整體移動(dòng)困難，水平度不高。水槽底座支撐部分為兩根焊接結(jié)構(gòu)的矩形鋼管，水槽中裝滿水時(shí)移動(dòng)很費(fèi)力，此外，裝拆卸螺桿時(shí)挪動(dòng)水槽困難，也給工人增加了勞動(dòng)力，不利于實(shí)際生產(chǎn)高效操作，并且由于廠房地面不平整等原因，導(dǎo)致水槽部分傾斜，可能會(huì)出現(xiàn)溢水的現(xiàn)象。

（2）水槽進(jìn)出水設(shè)計(jì)不合理。由于水槽只設(shè)計(jì)了一個(gè)進(jìn)水管和一個(gè)出水管，注水時(shí)先關(guān)閉出水管，同時(shí)打開(kāi)進(jìn)水管，當(dāng)水位到達(dá)一定程度時(shí)再打開(kāi)出水管放水，從而使水槽中的水位保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。實(shí)際上，由于出水管打開(kāi)的時(shí)間無(wú)法精確控制，可能導(dǎo)致進(jìn)水速度始終大于出水速度，最終水槽中的水會(huì)溢出。此外，由于料條出水后在水槽上方的膠輥導(dǎo)輪上牽引運(yùn)動(dòng)，料條沾水滴落入水槽中會(huì)產(chǎn)生白色泡沫，不符合生產(chǎn)過(guò)程中的6S標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)清污不方便。

（3）水槽靠近擠出機(jī)機(jī)頭部分的溫度不可控。靠近機(jī)頭部分的水槽溫度過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)產(chǎn)生大量不合格品。擠出機(jī)剛開(kāi)機(jī)時(shí)由于工藝參數(shù)不穩(wěn)定，會(huì)產(chǎn)生一定的隔離料，其中水槽初始溫度過(guò)低也是一個(gè)重要原因。生產(chǎn)過(guò)程中由于出水速度慢等原因造成水槽溫度過(guò)高，影響冷卻效果，同樣會(huì)造成次品。

2.2冷卻水槽裝置的改進(jìn)

針對(duì)老舊水槽中存在的問(wèn)題和不足之處，對(duì)其提出了一些改進(jìn)想法和設(shè)計(jì)，具體包括以下幾個(gè)方面：

（1）水槽移動(dòng)分為兩個(gè)部分，一是水槽整體位置保持不變，槽體移動(dòng)，移動(dòng)方式可以是在槽體與底部支架之間安裝滾輪，或者是齒輪齒條裝置，外加一個(gè)搖柄把手輔助，如圖1所示；二是水槽整體可以移動(dòng)，可以通過(guò)在底部支撐架下方安裝四個(gè)小輪子實(shí)現(xiàn)，由一對(duì)萬(wàn)向小輪和一對(duì)同向小輪組成。對(duì)于水槽水平度，一方面可以設(shè)法提高地面平整度，另一方面在支撐架中部裝上梯形螺紋升降桿件，起到輔助支撐和調(diào)節(jié)水平的作用，如圖2所示。

圖1　滾輪示意圖

圖2　梯形螺紋桿件示意圖

（2）水槽進(jìn)出水設(shè)計(jì)分為進(jìn)水設(shè)計(jì)和出水設(shè)計(jì)，進(jìn)水口可以安裝在遠(yuǎn)離擠出機(jī)機(jī)頭一端的槽體上部，為避免大口徑流入水量過(guò)大，造成水滴濺落，可以將大口徑進(jìn)水口換成一排小口徑進(jìn)水口，使進(jìn)水量平穩(wěn)。同時(shí)進(jìn)水口位于槽體上部，可以有效地與水槽中的水進(jìn)行對(duì)流換熱，將水面上的泡沫沖走進(jìn)入槽體兩側(cè)的溢水口，減小泡沫現(xiàn)象。出水口安裝在擠出機(jī)機(jī)頭一端的槽體底部，輔助過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾，為了保證水槽中水位平穩(wěn)和泡沫量少，需要使進(jìn)水量大于出水量，同時(shí)在槽體兩側(cè)安裝溢水裝置，使多余的水連同泡沫一起被帶走，達(dá)到清潔的作用，如圖3所示。

圖3　溢水裝置示意圖

圖4　滑動(dòng)膠輥支架

（3）水槽冷卻溫度和時(shí)間可控，在進(jìn)出水口兩端各安裝一個(gè)溫度計(jì)，可以通過(guò)實(shí)時(shí)觀測(cè)其溫度來(lái)調(diào)節(jié)料條的冷卻溫度。冷卻時(shí)間即過(guò)水量，傳統(tǒng)的膠輥支架焊接固定在槽體上無(wú)法自由移動(dòng)，過(guò)水距離一定，無(wú)法調(diào)節(jié)其冷卻時(shí)間，現(xiàn)在改用可滑動(dòng)式卡扣膠輥支架，既可以使膠輥放置在水槽上方，也可以將其倒置放在水槽中，膠輥隨著料條的牽引繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，較小自身的磨損，如圖4所示，便于過(guò)水時(shí)間的調(diào)節(jié)操作，提高工藝相符率。對(duì)水槽溫度變化與料條切粒的容易程度以及成品粉末現(xiàn)象之間的規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)總結(jié)，可以針對(duì)料條過(guò)水時(shí)間的長(zhǎng)短和水槽溫度的高低來(lái)制定準(zhǔn)確的工藝標(biāo)準(zhǔn)，從而減少不可控環(huán)節(jié)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3　結(jié)論

冷卻水槽作為塑料擠出行業(yè)和相關(guān)行業(yè)中的常用設(shè)備，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對(duì)生產(chǎn)中的使用和成本有重要影響。本文通過(guò)將以上的設(shè)計(jì)和改進(jìn)思路融入水槽設(shè)計(jì)中，加工后安裝的新水槽在實(shí)際生產(chǎn)中使用更加方便省力，提高了工藝相符率和產(chǎn)品合格率，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，可以在改性塑料行業(yè)大力推廣。

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(R-03)

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燕豐 供稿

Design and improvement of the cooling water tank in the plastic extrusion line

TQ320.663

1009-797X(2016)14-0082-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.14.027

方萬(wàn)漂（1979-），男，高級(jí)工程師，主要從事高分子材料的改性研究。

2016-02-18