單螺桿擠出機螺桿的設(shè)計與改進

蔣欣

（南京市鼓樓區(qū)塑順擠塑螺桿設(shè)計咨詢中心，江蘇　南京　210029）

單螺桿擠出機螺桿的設(shè)計與改進

蔣欣

（南京市鼓樓區(qū)塑順擠塑螺桿設(shè)計咨詢中心，江蘇南京210029）

塑料已超過了金屬等傳統(tǒng)材料而成為發(fā)展最快的材料，其制品已經(jīng)廣泛深入到各行各業(yè)之中。單螺桿擠出機作為一種重要的塑料擠出設(shè)備，由于其螺桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計、選用不當(dāng)，一些擠出機沒有發(fā)揮出應(yīng)有的效益，存在著各種浪費。本文敘述了幾種基本的螺桿類型，以及設(shè)計時要考慮的因素。

單螺桿擠出機；螺桿；設(shè)計；改進

單螺桿擠出機是目前生產(chǎn)實際中使用最廣泛的擠出設(shè)備，也是最基本的擠出機，它可以對幾乎所有的熱塑性塑料進行擠出。盡管出現(xiàn)了一些新型的擠出機，但作為一款經(jīng)典的擠出設(shè)備，單螺桿擠出機在實際應(yīng)用中仍占有相當(dāng)重要的地位。

單螺桿擠出機具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、價格較低、操作方便、工藝易控、生產(chǎn)效率高、應(yīng)用范圍廣、可連續(xù)化、自動化生產(chǎn)等特點。

單螺桿擠出機最重要的部件是螺桿，有擠出機“心臟”的稱謂。通過螺桿的轉(zhuǎn)動，對機筒內(nèi)的塑料產(chǎn)生擠壓作用，使塑料產(chǎn)生移動，得到增壓，獲得由摩擦生成的熱量，從而完成固體輸送、熔融塑料、混合均化熔體的作用。

1　螺桿的種類

1.1普通螺桿

普通螺桿是指常規(guī)全螺紋螺桿，根據(jù)螺距（導(dǎo)程）和螺槽深度的變化，螺桿可分為等距變深螺桿、等深變距螺桿和變距變深螺桿，其中以等距變深螺桿在塑料擠出中應(yīng)用最廣。等距變深螺桿又可以分為全漸變螺桿（圖1）、兩段式螺桿（圖2）和三段式螺桿。三段式螺桿根據(jù)擠出材料的不同再分為漸變型螺桿（圖3用于非結(jié)晶型塑料）、突變型螺桿（圖4，用于結(jié)晶型塑料，熔融段較短，一般為3~5D）。

圖1　全漸變螺桿

圖2　兩段式螺桿

圖3　漸變型螺桿

圖4　突變型螺桿

普通螺桿是發(fā)展最早的螺桿，但在使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)這種螺桿固體輸送能力不高，存在轉(zhuǎn)速提高后帶來的塑化不良、熔料過熱及波動加劇等缺點。如果不改變螺桿結(jié)構(gòu)，僅通過調(diào)整螺桿參數(shù)、生產(chǎn)工藝條件等手段，將不會對塑料的擠出產(chǎn)量、質(zhì)量有根本性的改觀。這樣人們在擠出理論的指導(dǎo)下和通過不斷地實踐摸索，對普通螺桿的結(jié)構(gòu)做出了重大改進，出現(xiàn)了各種各樣的新型螺桿（特殊螺桿）。這些螺桿在提高擠出產(chǎn)量，改善塑化質(zhì)量，減少產(chǎn)量波動、壓力波動、溫度波動，降低能量消耗，特別是提高混合均勻性和分散性方面都發(fā)揮了自己的作用，取得了滿意的效果。

1.2分離型（BM）螺桿

分離型螺桿是20世紀(jì)60年代初研制出的一種新型螺桿，其特點是在相當(dāng)于三段式螺桿熔融段的位置引入一條副螺棱，使擠壓系統(tǒng)內(nèi)的物料在輸送和塑化過程中，固相和液相分開，形成固相槽和液相槽，并且副螺棱外徑略小于主螺棱外徑。分離型螺桿有四種基本類型（圖5），可根據(jù)不同的塑料種類有選擇的使用。

圖5　分離型螺桿

分離型螺桿克服了普通螺桿的不少缺點，如轉(zhuǎn)速明顯提高、熔融效率高，是一次質(zhì)的飛躍，但也存在以下的不足：其固相槽越來越窄，使固體床與機筒壁的熱交換面積越來越小，不利于固體的熔融；而液相槽越來越寬，熔料反而得到機筒越來越大的加熱面積，不利于降低熔體的溫度。

1.3Barr螺桿

針對分離型螺桿的上述缺點，人們開發(fā)了Barr 螺桿（圖6）。Barr螺桿與分離型螺桿一樣引入副螺棱，只是開始時的副螺棱導(dǎo)程較大，當(dāng)液相槽的寬度達到一定程度時，副螺棱與主螺棱平行。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是固相槽寬度保持恒定，固體物料始終有較大面積與機筒接觸，有利于熔融。

圖6　Barr螺桿

圖7　混煉型螺桿（圓柱銷形）

圖8　混煉型螺桿（菱形）

圖9　混煉型螺桿（方形）

1.4混煉型螺桿

混煉型螺桿有圓柱銷形的（圖7）、菱形的（圖8）、方形的（圖9）等。這些混煉元件按一定的方式排列，可疏可密；根據(jù)需要，既可設(shè)置在熔融段，也可設(shè)置在均化段。如果混煉元件設(shè)置在熔融段，可將固體床打碎，破壞兩相流動，增加固、液相的接觸面積，促進熔融。如果混煉元件設(shè)置在均化段，則通過多次分流、匯合，改變流動方向，使熔體組分與溫度均化。

1.5屏障型螺桿

屏障型螺桿的屏障元件一般分為直槽屏障段（圖10）和斜槽屏障段（圖11）。其結(jié)構(gòu)特點是：在一段外徑等于螺桿直徑的圓柱上，交替開有數(shù)量相等的進料槽和出料槽，而槽的法向截面形狀根據(jù)需要可以是半圓形或者是倒梯形。按物料的流動方向，進料槽和出料槽之間的筋在徑向低于螺桿外徑，其間隙值δ稱為屏障間隙。矮筋是物料從進料槽進入出料槽的唯一通道，亦可稱之為屏障筋。當(dāng)物料到達屏障段起始端后，即被分成若干股進入進料槽，其中只有熔料和粒度小于屏障間隙δ的固體小顆粒，才能越過矮筋（屏障筋），進入出料槽，小顆粒在矮筋上受到了剪切作用，大量的機械能變成熱能，使小顆粒熔融。

圖10　屏障型螺桿（直槽）

圖11　屏障型螺桿（斜槽）

1.6波形螺桿

波形螺桿可分為單槽波形螺桿（圖12）和雙槽波形螺桿（圖13）。單槽波形螺桿，采用單螺棱，等距，螺槽深度沿螺桿軸向按一定的規(guī)律變化，由淺變深再變淺（槽底呈波浪形），并以2S的周期出現(xiàn)。物料在該段螺槽中移動，會受到重復(fù)的壓縮和膨脹，從而加速固體床的崩潰，對物料的塑化和混合非常有利。雙槽波形螺桿是在主螺槽中間引入一條副螺棱（外徑低于主螺棱），將主螺槽分成兩部分，每個螺槽深度沿螺桿軸向按一定的規(guī)律變化，由淺變深再變淺，并以S的周期出現(xiàn)，相鄰螺槽峰谷交錯。雙槽波形螺桿除了對物料有壓縮和膨脹的作用外，物料在越過副螺棱時，還要經(jīng)受短暫而強烈的剪切，其效果要好于單槽波形螺桿。

圖12　單槽波形螺桿

圖13　雙槽波形螺桿

2　螺桿的選擇及設(shè)計要考慮的因素

選擇和設(shè)計適當(dāng)?shù)穆輻U形式對擠出生產(chǎn)是非常重要的，要考慮的因素也很多，現(xiàn)僅就原材料這方面作些探討。

（1）物料的特性及外在狀況。如塑料顆粒的形狀、大小、松密度，熔融溫度及熔融狀態(tài)下粘度、流動性、熱穩(wěn)定性等。

（2）塑料的種類。顯然不同的塑料是有差別的，甚至是相差很大。有些塑料是可以共用一根螺桿的，而有些則必須是分開使用的。早期的生產(chǎn)往往是品種多、數(shù)量少，因而一根螺桿打天下（通用型螺桿）；現(xiàn)在則多為品種少、數(shù)量多的情況，這樣就需要有針對性地設(shè)計專用型螺桿了。

（3）原材料的組成。現(xiàn)在許多產(chǎn)品的原材料已不是單一樹脂了，而是根據(jù)實際需要，由兩種甚至兩種以上的樹脂按比例的共混，并加入各種添加劑。出于環(huán)保、資源再利用及降低成本的目的，塑料回收料的使用也比較普遍了，并且將其按需要的比例摻入到原材料中。這些也同樣需要有針對性地設(shè)計專用型螺桿。

適合的就是好的，這也同樣適用于螺桿。各種形式的螺桿都有自己的優(yōu)點和不足，在設(shè)計和選擇螺桿時，要揚長避短，既可用單一形式的螺桿，也可是多

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燕豐 供稿

大環(huán)多烯化合物對Z-N和茂金屬催化劑催化丙烯聚合反應(yīng)的影響

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燕豐 供稿

Design and improvement of screw of single screw extruder

TQ320.663

1009-797X(2016)20-0072-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.20.022