胶冷喂料挤出机螺杆三功能段构型之分析

1橡胶冷喂料挤出机螺杆三功能段构型分析巩家伟吕贤滨范之海吕柏源（青岛科技大学高分子材料加工机械研究所，山东，青岛，266042）摘要：螺杆是冷喂料挤出机的一个核心部件，它在挤出机的性能参数中起着决定性的作用。本文将螺杆从宏观功能上分成三个功能段，依据挤出理论结合生产实践分别对螺杆的喂料功能段、塑化功能段和挤出功能段的各种螺杆构型进行了较详尽较系统的分析，以便更容易理解和掌握各种螺杆构型的工作原理，希望对螺杆设计和选型有所帮助。关键词：橡胶，挤出机，螺杆，构型，分析中图文类号：文献标识码：文章编号：ColdFeedRubberExtruderScrewThreeFunctionSectionConfigurationAnalysisABSTRACT:Screwisacorecomponentofcoldfeedextruder.Itplaysadecisiveroleinextruderperformanceparameters.Inthispaper,screwisdividedintothreefunctionalsegmentfromthemacrofunction.Andwecarryoutamoresystematicanalysisofallkindsofscrewconfigurationofscrew’sfunctionalfeedingsection,plasticizingfunctionofsegmentandextrusionfeaturesegment,accordingtoextrusiontheoryandproductionpractice.Tomakeiteasiertounderstandandmasteravarietyofscrewconfigurationworks.wehopeitcangivehelpforscrewdesignandselection.Keywords:rubber，extruder,screw,configuration，analysis1.前言在橡胶工业中，螺杆挤出机是橡胶加工的重要设备，它广泛应用在轮胎制造、胶管制造、密封胶胶条制造、电线电缆和防水材料制造等等。在挤出机中，螺杆是一个核心部件，它在挤出机的性能参数中起着决定性的作用。从挤出机的发展史中就充分证明了这一点：最早使用的是短长径比的等距不等深或收敛螺杆，因没有塑化功能，只能用在橡胶制品的压型功能上，即出现了最早的热喂料挤出机；由于热喂料挤出机需要庞大的供胶设备，既浪费能源，浪费占地面积，劳动强度大，挤出制品质量低等问题，因此，加大了螺杆的长径比，提高了胶料在挤出过程中的剪切历程，以便提高螺杆的塑化能力，出现了大长径比的普通螺纹螺杆，即从热喂料挤出机发展到普通冷喂料挤出机；由于普通冷喂料挤出机的螺杆没有塑化元件结构，塑化能力达不到挤出工艺要求，在此背景下，螺杆的塑化段增加了主副螺纹结构，出现了主副螺杆（即强力剪切）冷喂料挤出机；主副螺纹挤出机虽然解决了塑化能力问题，但它2只是简单的剪切作用，对塑化和混合作用还满足不了高质量橡胶制品的要求，因此，又将螺杆的塑化段发展成机筒销钉螺杆，则出现了销钉冷喂料挤出机。并为此，先后出现了繁多的挤出机品种，如：挡板挤出机、传递型挤出机，销钉/主副螺纹型挤出机等等。在挤出机中，机筒/螺杆系统有三大作用：一是输入胶料的作用，即为挤出机的喂料段。它是决定挤出机生产能力的前提，只有吃料多，才能输出得多；但是吃料多必须给予消化，则机筒/螺杆系统第二个作用就是塑化作用，此段即为挤出机的塑化段；在挤出过程中胶料通过喂料段、塑化段，至此胶料已完成了塑化作用，为了获得制品稳定的质量，机筒/螺杆系统第三个作用就是稳定挤出作用，即计量作用，此段称挤出段。我们根据螺杆在机筒的辅助组合下，把螺杆分成三个功能段，一是喂料段，二是塑化段，三是挤出段。为了便于分析和应用，我们将螺杆构型分解成上述三个功能段的构型并进行分析，以便更容易理解和掌握螺杆构型的设计原理，希望对螺杆设计有所帮助。2.喂料段螺杆构型分析喂料段螺杆主要有两个作用：一是能最大限度和最快速度吃进胶料；二是保证吃进的胶料能有效地迅速输送到塑化段。对于前者主要采用旁压辊喂料装置以及新近出现的螺旋啮合喂料装置，主要考虑螺杆的构型和与之相配合的机筒结构。喂料段的胶料主要还是呈现粘弹态，比较符合挤出理论中的固体输送理论，有如下公式[1]：22211sinKKMMK（1）（式中符号意义参见文献[1]P266-269）移动角的大小是挤出机生产能力高低的一个决定因素。当=0，生产能力为0；当=90时，生产能力达到最大值。最终必须使胶料的摩擦系数s减小，而与机筒的摩擦系数b增加。根据上述原理出现了许多类型喂料段螺杆构型，分类如下：2.1喂料段机筒构型2.1.1轴向沟槽机筒构型如图1所示为轴向沟槽的机筒构型。它主要是通过各种形状的轴向沟槽提高胶料与机机筒螺杆普通螺纹螺杆多头螺纹螺杆等距等深螺杆等距不等深螺杆收敛螺杆简单多头螺纹螺杆复合多头螺纹螺杆轴向沟槽机筒螺旋沟槽机筒喂料段螺杆构型3筒的摩擦系数，以便提高生产能力。在机筒衬套设置沟槽的尺寸见表1，本表尺寸适用于塑料挤出，对橡胶挤出而言，其槽深可作较大增加。图1轴向沟槽机筒构型表1机筒衬套设置沟槽尺寸螺杆直径D，mm456090120150沟槽数Z4681216横宽B，mm88101010槽深H，mm334442.1.2螺旋形沟槽机筒构型根据研究，在喂料段机筒衬套内壁开设螺旋形沟槽以代替轴向沟槽，其吃料和输送效果更好，注意螺旋形沟槽的方向要与螺杆螺纹旋向相反，其结构如图2所示。在Φ150销钉挤出机喂料段衬套上有四条来复线沟槽，槽宽60mm,槽深5mm,导程480mm。来复线状的沟槽图2螺旋沟槽机筒设计从喂料口的底部开始，向机头方向推进，在螺槽收尾处，采用较平缓的斜坡过渡线圆弧过渡。2.2喂料段螺杆构型2.2.1喂料段普通螺杆构型喂料段普通螺杆构型有三种结构。如图3a所示为等距等深螺杆，这种结构简单、加工容易，但没有压缩比，在普通冷喂料挤出机不宜使用，因为不容易建立挤出压力和剪切功能较弱，但在销钉挤出机中，也常常采用这种螺杆构型，因为销钉挤出机塑化功能很强，对挤出机喂料段螺杆的剪切功能没有特殊要求。如图3b所示为等距不等深螺杆，他克服了等距等深螺4杆上述的缺陷，但在小规格挤出机中，螺杆的根部的强度与刚度不好保证，容易产生垫杆现a等距等深螺杆(t1=t2,h1=h2)b等距不等深螺杆(t1=t2,h1h2)c等深不等距螺杆(t1t2,h1h2)图3喂料段普通螺杆构型象。如图3c所示为等深不等距螺杆（收敛螺杆），它既克服了上述两种螺杆的缺点，同时它更符合挤出过程胶料变化状态，有利于喂料段沟槽体积的扩展，进而提高吃料能力，这种螺杆按传统方法加工比较困难，一般需用专用数控螺杆加工机床。2.2.2喂料段多头螺纹螺杆构型喂料段多头螺纹螺杆构型包括普通多头螺纹螺杆和复合多头螺纹螺杆。如图4所示为普通多头螺纹螺杆构型。这里多头一般指四条螺纹，它主要是为了提高喂料时的吃料频率，使吃料比较均匀，进而保证挤出过程的稳定性。但是如果螺纹头数的增加会影响螺槽的有效容积，削弱吃料能力，因此往往设计成螺纹升角较大的构型。图4喂料段普通多头螺纹螺杆构型如图5所示为喂料段复合多头螺纹螺杆构型。它由二种不同导程的螺纹复合而成：其中二条螺纹为主螺纹有相同的导程，另两条螺纹均布设置在主螺纹中，其导程不同于主螺纹的导程，因此在加工中，主辅螺纹产生干涉，产生不规则螺纹形状，同时由于副螺纹高度比主螺纹低，而且高度都是递减的，从而形成了螺棱宽度、螺槽深度和螺棱形状不规则的螺杆构型。这种构型的设计目的是为提高吃料效率、吃料性能和稳定喂料段的输送性能。在传统的销钉挤出机中，一般都采用这种喂料段螺杆构型，加工比较困难。在螺旋啮合冷喂料挤出机中，上述功能都可以得到满足，因此可以采用普通螺纹螺杆代替这种复合多头螺纹螺杆。5图5喂料段复合多头螺纹螺杆构型3.塑化段螺杆构型分析塑化段螺杆构型要达到如下三个主要功能：一是能将从喂料段输送来的胶料，最大限度地实现均化作用，所谓均化是指胶料温度的均化，门尼粘度的均化以及各配合剂的补充混合均匀，并使胶料达到按工艺要求的门尼粘度和可塑度，即塑化程度；二是最大限度地提高输送能力，即生产能力；三是塑化段螺杆构型必须具有自洁性。塑化段的胶料在接近喂料段的胶料以呈现粘弹态为主，在接近挤出段以呈现粘流态为主。从宏观来看塑化段的胶料总的趋势还是呈现粘流态。因此，塑化段应用挤出理论的粘流输送理论比较接近实际，在设计塑化段螺杆的几何参数时可应用粘流输送理论作为指导。下面就塑化段的螺杆构型作一分类：3.1塑化段普通螺纹螺杆塑化段普通螺纹螺杆主要有三种：一是等距等深螺杆，其结构如图6a所示，这种螺杆结构简单，加工容易，但没有压缩比，对胶料剪切效果差，影响塑化质量，在冷喂料挤出机很少采用。二是等距不等深螺杆，这种螺杆克服了等距等深螺杆剪切效果差的缺陷，同时加工比较容易，因此长期以来在传统的冷喂料挤出机中得到较为广泛的应用，但是由于这种螺杆其螺槽没有任何塑化元件，只靠螺杆/机筒系统的简单剪切作用对胶料塑化，其塑化效果满足不了挤出工艺的要求，同时在螺槽的胶料始终处于层流状态，无论是轴向方向还是径向塑化段螺杆构型普通螺纹螺杆构型主副螺纹螺杆构型销钉螺杆构型挡板螺杆构型传递螺杆构型复合型螺杆构型等距不等深螺杆等深不等距（收敛）螺杆一段主副螺纹螺杆二段主副螺纹螺杆机筒销钉螺杆杆体销钉螺杆高剪切挡板螺杆低剪切挡板螺杆普通传递螺杆空穴传递螺杆销钉/主副螺纹螺杆销钉/挡板螺杆等距等深螺杆6方向运动的胶料均存在“死区”，因此，这种螺杆构型满足不了塑化要求，将为新的构型螺杆所代替。三是等深不等距螺纹螺杆，即收敛型螺杆，这种螺杆螺纹是收敛型结构，它具a等距等深螺纹螺杆(t1=t2,h1=h2)b等距不等深螺纹螺杆(t1=t2,h1h2)c等深不等距螺纹螺杆(t1t2,h1h2)图6塑化段普通螺螺纹螺杆构型有较好的塑化能力和较强的输送能力，在传统的冷喂料挤出机中也得到了较为广泛的应用，但是由于这种螺杆构型在螺槽中同样没有塑化元件，也存在塑化的“死区”问题，因此，这种螺杆也将为新的构型螺杆所代替，不过这种螺杆构型作为新螺杆的基本构型将得到应用，如销钉螺杆和主副螺纹螺杆的基本结构将会仍然采用这种结构。3.2塑化段主副螺纹螺杆3.2.1一段主副螺纹螺杆塑化段一段主副螺纹螺杆，其结构如图7所示。这种螺杆结构是在双头螺纹螺杆结构上进行演变，其中一条作为主螺纹，它的升角（导程）一直从喂料段螺纹加以延续，并一直延伸到挤出段，而另一条作为副螺纹，它的升角（导程）比主螺纹大，并且把此条螺纹在塑化段的始端和终端与原螺纹断开，由于它的升角较大，形成此副螺纹的始端与终端均与主螺纹相交，相当于在主螺纹中间设置了一道封闭主螺纹螺槽的“坝”，如果从喂料段输送来的胶料进入此塑化段主螺纹螺槽时，胶料就会被堵死，为了让胶料越过副螺纹，则将其螺棱切去一定高度，使螺纹与其形成了一个高低差，通常用于塑料挤出机的高低差取0.4~0.8mm，用于橡胶挤出机取1~2.5mm，从而形成与机筒的间隙，这样在主螺纹槽的胶料就可以通过副螺纹的顶部进入下一段螺槽，这时胶料就实现了强力剪切，因为所有在主螺纹槽的胶料要进入下一螺槽，其必须通过副螺纹顶部间隙，因此胶料不但能受到强力剪切，而且没有任何死区，这样就获得了塑化质量好的胶料，提高了挤出制品的质量。7图7塑化段一段主副螺纹螺杆3.2.2二段主副螺纹螺杆主副螺纹螺杆的塑化功能类似开炼机的塑化功能，胶料不可能通过一次辊距的剪切达到塑化要求，因此一段主副螺纹产生的剪切量仍然不足，则出现了二段或三段主副螺纹结构。如图8所示为二段主副螺纹螺杆。二段主副螺纹螺杆的结构与一段主副螺纹螺杆结构相似，不同之处只是在塑化段设置了两条主副螺纹，这两条主副螺纹的布列可以是串联排列也可以图8塑化段二段主辅螺纹螺杆是串并排列，主要由塑化段的长度和胶料通过副螺