用于塑料擠出機的節能高效螺桿設計與研究

摘 要：螺桿傳動過程中能否達到節能及高效的效果對提高塑料擠出機的生產效率至關重要，筆者在對塑料擠塑機螺桿進行詳細分析工作原理、坯料加工質量要求和本身結構特點的基礎上，進一步對工具的結構參數進行了優化研究，運用Fluent流體數值模擬軟件，全真模擬了塑料擠出機螺桿在擠出過程中的運動，對于農用塑料特別是塑料農膜的高效節能、低成本高質量、批量生產和現場應用起到了極大的指導作用。

關鍵詞：塑料擠出機；螺桿；Fluent；流體模擬；塑料農膜；應用

塑料擠出機在農膜生產過程中有著較為廣泛地應用，我國的擠塑機相對發展較晚，在技術及設備上與國外先進水平都存在較大差距，尤其是在生產效率和生產產品質量方面缺乏創新。因此，有必要針對塑料擠塑機的關鍵零部件螺桿進行優化設計與研究，以提高塑料擠出機的性能。

1 擠出機現狀與技術分析

在整個生產系統中，擠出機僅為擠出成型生產線的一個部分，其具體組成較為復雜，擁有獨立的冷熱控制系統、中心控制系統、機械傳動系統和機械擠壓系統，以上系統協調工作，在設備運行參數可靠的前提下[1-3]，使產品的溫度和熔料分布更加均勻。擠出機傳動系統中最為關鍵的部件是螺桿，螺桿的設計分析和本體材料的質量對一臺擠出機的整體綜合性能起著決定性作用。以往常見的螺桿一般由三部分組成，分別是加料部分、壓縮部分和均化部分，但是筆者在分析研究中發現，目前舊的三部分螺桿設計功能較為單調[4-7]，對于多種塑料擠出成型還不適用。

新型組合螺桿的組成更加全面，包含混煉部分、剪切部分、減壓部分、壓縮部分和輸送部分，這樣塑料本體的輸送狀態會得到有效的優化和改進，同時本體塑料的熔融速率也會大大提高，物料的分散混煉能力也大幅改善。這樣可以使塑料相比舊的螺桿技術更加均勻地實現塑化。

單螺桿塑料擠出機一般采用排氣機型，相比之下，其能耗不高、成本低廉，在提高塑料產品的生產效率和生產質量方面效果較好。對于有特殊要求的塑料產品加工，一般采用螺桿機筒，該設備在設計參數優化的情況下能夠實現雙螺桿的功能效果。目前有很大一部分塑料擠出機采用單螺桿結構設計，產品和設備技術水平高、生產效率和生產質量高，可與雙螺桿擠出機的效果相媲美。

2 新型螺桿研究設計

2.1 新型螺桿結構特點

新型螺桿結構較為精密，工作原理復雜，涉及到的結構設計參數較多，主要有存在與機筒和新型螺桿之間的間隙尺寸、螺桿端部的樣式、新型螺桿的頭數、螺桿槽的深度尺寸、不同螺紋之間的螺距、螺紋加的升角度數、新型螺桿的整體外徑、螺桿的長度與直徑比值、加料過程中第一個螺槽容積除以均化過程中最后一個螺槽容積。

2.2 新型螺桿Fluent數值模擬

將以上參數定值后，輸入到計算流體數值模擬軟件Fluent中，對擠塑機的新型螺桿擠出過程進行全真模擬，采用數值模擬方法可以大量減少室內和現場試壓次數，同時大大降低生產成本、進一步提高生產效率。特別是在試驗中涉及到高溫高壓的情況，采用Fluent數值模擬可更加安全高效。新型螺桿的設計主要有以下幾分段：計量段、混煉段、融化段、變化段和下料段。

2.3 新型高效分離螺桿設計

在螺桿的融化段設計中，筆者采用了細徑螺紋，細徑螺紋的直徑比原螺紋小，但螺距遠大于原螺紋，這樣塑料原料可以更加容易地通過螺紋進入固相槽和液體相槽。在螺紋橫截面積減小的過程中，對應的固相槽尺寸相應減小，液體相槽的相應尺寸增加，最終產生了橫截面積增大的效果。在細徑螺紋的端面處，隨著液體相槽的相應尺寸逐漸變大，最終使計量段的相應尺寸變大。固相槽的尺寸變小，保證了設備中的氣體有效排出。伴隨著固相槽的體積變化，熔融物能有效通過螺紋的的縫隙，最終進入液相槽，固體顆粒則被擋在固相槽中，新設計的新型螺紋能有效將固體與熔融物分離開來，因此也被稱為新型高效分離型螺桿。

在生產的過程中，為使更多的熱量傳遞給固相槽，充分確保塑料的熔化，筆者對機筒與固相槽進行了接觸設計，這樣熔融物在通過設備時將會產生更加強大的剪切效應。新型設計保證了塑化后的液相材料在進入固相槽前先進行充分混合，創造出了紊流的流動效果，液相的混合更加均勻，進一步降低了熔融液相材料的差異性。當伴隨著液相槽的尺寸逐漸變大，對應的剪切力降低，這樣確保塑料液相的溫度在到達固相槽前一直保持穩定。在該設計下，能將塑料中的固相和液相有效分離，使塑料的擠出過程更加高效，整套設備的尺寸也更加緊湊，塑料在熔化的過程中的各項參數更加穩定。新型螺桿設計能保證液相熔體保持較低的溫度，對于多種其它類型塑料的加工具有普適性。

3 螺桿混煉部分優化設計

混煉部分的設計在整個塑料擠出機的設計中至關重要，因此在螺桿的設計過程中有必要對對混煉部分進行單獨設計，與螺桿端部的距離為4倍半徑。沿著原螺桿的方向設計了多個縮徑槽，在縮徑槽內安置細徑螺紋，固體顆粒的塑料不能通過細徑螺紋，液體塑料流動到螺桿末端時形成渦流效應，能夠順利通過細徑螺紋。這樣充分保證了塑料的混合與分離效果，同時在混煉段消耗了部分能量，塑料擠出產量減少，但按螺桿方向仍能實現有效輸送，整體而言影響較小。混煉部分的入口槽尺寸變小，出口槽尺寸變大，使塑料能有效通過入口槽進入出口槽。

4 新型螺桿現場應用

新型螺桿進行了現場應用，現場應用中，新設計的螺桿長度和直徑比值為1：25，塑料擠出過程穩定，產量相比舊螺桿提高了25%，同時由于固相槽和液相槽的設計使塑料固相與液相的分離更加高效。生產出的塑料薄膜在力學性能、透光性能、抗高溫性能、抗老化性能等方面均有了較大幅度的提高和改善。

5 結論

通過對塑料擠塑機的新型螺桿進行詳細分析其工作原理、坯料加工質量要求和本身結構特點的基礎上，進一步對工具的結構參數進行了優化分析，運用Fluent流體數值模擬軟件全真模擬了塑料擠出機螺桿在擠出過程中的運動，對于農用塑料特別是塑料農膜的高效節能、低成本高質量批量生產和現場應用起到了極大的指導作用。

隨著農業機械的不斷發展創新，新型的塑料擠出機也在不斷被研發，其性能也不斷提高。在進行塑料擠出機的設計中，充分利用數值模擬軟件也大大提高了科研的效率和質量，也是未來塑料擠出機的發展方向。

參考文獻：

[1]黃健.塑料擠出機加熱方法的發展與探析[J].遼寧工業大學學報（自然科學版），2016，36（01）：20-22.

[2]饒俊，曾廣勝.基于FLUENT軟件對三螺桿擠出機混合特性的模擬與分析[J].包裝學報，2016，8（01）：36-40.

[3]李揚，王玉.塑料擠出機生產工藝參數調度優化專家系統[J].廣東工業大學學報，2015，32（03）：73-78.

作者簡介：

伍兆權（1991.12.03）男，漢族，廣東佛山，本科學歷，從事機械設計工作。