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塑料螺桿擠出機的工作原理

螺桿擠出機是塑料成型加工最主要的設備之一，朝陽旭日重工它通過外部動力傳遞和外部加熱元件的傳熱進行塑料的固體輸送、壓實、熔融、剪切混煉擠出成型。螺桿擠出機自誕生以來，經(jīng)過近百年的發(fā)展，已由普通螺桿擠出機發(fā)展為新型螺桿擠出機。盡管新型螺桿擠出機種類繁多，但就擠出機理而言，基本是相同的。

傳統(tǒng)螺桿擠出機擠出過程，是靠機筒外加熱、固體物料與機筒、螺桿摩擦力及熔體剪切力來實現(xiàn)的。“摩擦系數(shù)”和“摩擦力”，“粘度”和“剪應力”是影響傳統(tǒng)螺桿擠出機工作性能的主要因素，由于影響“摩擦”和“粘度”的因素十分復雜，因此，傳統(tǒng)螺桿擠出機擠出過程是一個非穩(wěn)定狀態(tài)，難以控制，對某些熱穩(wěn)定性差、粘度高的熱敏性塑料尤為突出。

自60年代以來，世界上各國學者對螺桿擠出機理進行了大量研究，也取得了明顯的成就，但由于他們的研究大多局限于傳統(tǒng)塑料擠出成型機理、機械結構形式和換能方式，因而一直未能取得重大突破。傳統(tǒng)螺桿擠出機所存在的如體積龐大、能耗高、噪音大、產(chǎn)品質量提高難等一系列缺點沒有得到根本解決。

1979年，瞿金平教授在多年教學、科學研究實踐中，經(jīng)過長期觀察思索和理論研究后，在總結前人研究的基礎上，大膽提出將振動場引入擠出成型全過程的設想，并對傳統(tǒng)螺桿擠出機結構進行徹底變革。

經(jīng)過兩年的艱苦努力，1990年終于研制出第一臺塑料電磁動態(tài)塑化擠出機原理樣機，原理樣機采用直接換能方式，將振動場引入塑料化擠出全過程，從原理到機械結構都完全不同于傳統(tǒng)螺桿擠出機，克服了傳統(tǒng)設備的許多缺陷，具有體積小、重量輕、制造成本低、能耗低、噪音小、塑化混煉效果好等優(yōu)點。

1990年底，國家科委火炬高技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)中心組織專家們經(jīng)過考察和答辯后，將其列入1991年國家級火炬計劃預備項目，進行研制開發(fā)。

1991年7月，系列研究之一的“塑料共擠出設備的機電磁一體化研究”獲“霍英東青年教育基金”的資助。

在該基金的資助下，對塑料電磁動態(tài)塑化擠出機理共擠復合機理進行深入研究，在國內外首次提出了聚合物電磁動態(tài)塑化擠出工程原理，建立了比較完善的聚合物動態(tài)固體輸送、熔融、熔體輸送數(shù)學模型，闡明并定量地描述了聚合物動態(tài)塑化擠出過程的基本規(guī)律。依據(jù)新原理研制出國內外首創(chuàng)的“塑料電磁動態(tài)塑化擠出設備”。

雙螺桿市場創(chuàng)新技術趨勢：雙螺桿加工技術已經(jīng)成為塑料加工業(yè)應用極為普遍的一種加工手段，相應的競爭也極為激烈。如何在激烈的競爭中立于不敗之地?不同供應商紛紛推出各有特色的創(chuàng)新技術以贏得市場。

高速、高產(chǎn)量 高速、高效、節(jié)能一直是近年來國際塑料機械不斷改進的主旋律。高速和高產(chǎn)量可使投資者以較低的投入獲得高額的回報。但是，螺桿轉速高速化帶來一系列極待解決的問題：如物料在螺桿內停留時間短，容易引起物料混煉塑化不均;過高剪切可能造成物料急驟升溫和熱分解;可能出現(xiàn)擠出穩(wěn)定性問題;需要高性能輔機和精密控制系統(tǒng)與之配套;螺桿與機筒的磨損問題以及減速傳動箱設計問題等。

因此，針對高速化可能帶來的問題提供解決方案，便是雙螺桿供應商技術創(chuàng)新的重要方向之一。德國貝爾斯托夫(Berstorff)公司推出的新型雙螺桿擠出機-ZEUTX系列，性能與眾不同之處在于擁有優(yōu)異的螺桿直徑/生產(chǎn)率比。螺桿設計最高轉速達1200rpm，扭矩大，擠出產(chǎn)能在100～3500kg/h之間。可同時進行物料的混煉、反應、排氣等工序。

機筒和螺桿采用了模塊式設計，能滿足各種特殊工藝要求，具備優(yōu)異的加工工藝靈活性，還配有ZSEF型側邊喂料器，可實現(xiàn)高的固體顆粒輸送率，切粒機可匹配不同的產(chǎn)率和材料加工。

為了適應高速、高產(chǎn)的需要，該擠出機擁有多處改進。裝備了筒式加熱器，可在極短時間內完成擠出機的升溫工作，最高加熱溫度可達450℃;冷卻流道設計真正實現(xiàn)了逆向流冷卻，優(yōu)化了冷卻系統(tǒng);配置了“弓形夾緊裝置”，更換機筒的時間可比傳統(tǒng)螺栓連接型更快;機筒采用了帶有專利的高頻淬火硬化工藝，賦予極佳的耐磨性能，從而省去了昂貴的耐磨襯套;另外，還配備有該公司的高級工藝控制系統(tǒng)。

多功能化 在功能方面，雙螺桿擠出機已不再局限于高分子材料的成型和混煉，其用途已拓展到食品、飼料、炸yao、建材、包裝、紙漿和陶瓷等領域。此外，將混煉造粒與擠出成型工序合二為一的“一步法直接擠出工藝”也非常具有吸引力。

WPC(木塑復合材料)用于戶外應用，如作甲板鋪板和柵欄已經(jīng)有相當長的時間，特別是在美國。辛辛那提公司專門開發(fā)了Fiberex系列，并不斷使它最佳化以用于WPC成型。第四代Fiberex，具有一個加長的、耐磨加工單元，能充分滿足顧客的不同要求，并達到高的產(chǎn)量。在去年的NPE展覽會上，辛辛那提公司演示了整條Fiberex中試生產(chǎn)線，生產(chǎn)線配有一臺生產(chǎn)量為200 kg/h(440 lb/h)的Fiberex T58擠出成型機，用于成型加工75 %木粉填充量的PP配混物。生產(chǎn)線制造一種用于家具工業(yè)的異型材，壁厚2.5mm，擠出定型速度2m/min。

大型化和精密化 實現(xiàn)擠出成型設備的大型化可以降低生產(chǎn)成本，對于大型雙螺桿造粒機組、吹膜機組、管材組更是如此。在中國，大型化設備長期依賴于進口，現(xiàn)正在進行大型雙螺桿造粒機組國產(chǎn)化研究。精密化可以提高產(chǎn)品的含金量，如多層復合共擠薄膜。熔體齒輪泵作為實現(xiàn)精密擠出的重要手段應加大力度進行開發(fā)研究。國際知名供應商在大型擠出機開發(fā)方面已有大量成熟的技術。 為了滿足不同客戶的需要，JSW提供從TEX30到TEX400不同規(guī)格的雙螺桿擠出機。

其最大的雙螺桿擠出機TEX400機筒直徑443mm，總長 35m，總重量達320噸。 Yanbu國立石油公司不久前向W&P公司訂購了一臺大型雙螺桿ZSK320擠出機，包括電機、造粒機以及水冷系統(tǒng)，總值超過2000萬歐元。根據(jù)不同聚合物品種與粘度，其產(chǎn)量達每小時25-50噸。

奧地利維也納的辛辛那提擠出有限公司在2006年發(fā)運給美國一家客戶一臺迄今為止世界上最大的異向旋轉平行雙螺桿擠出成型機。這臺30t的巨型機器的產(chǎn)量可達到2000kg/h，是用于高速生產(chǎn)pvc板材的理想設備。

國內科研院所在熔體齒輪泵的研究開發(fā)方面也做了大量的工作。北京化工大學已經(jīng)開發(fā)了多個系列的熔體齒輪泵產(chǎn)品。 Krauss-Maffei公司36D系列雙螺桿擠出機專為PVC加工而設計 模塊化和專業(yè)化 模塊化生產(chǎn)可以適應不同用戶的特殊要求，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，爭取更大的市場份額;而專業(yè)化生產(chǎn)可以將擠出成型裝備的各個系統(tǒng)模塊部件安排定點生產(chǎn)甚至進行全球采購，這對保證整機質量、降低成本、加速資金周轉都非常有利。

制造商通過增加填料量將明顯降低PVC管材原料費用。工程上的挑戰(zhàn)是要保證工藝的穩(wěn)定和產(chǎn)品的優(yōu)質。Krauss-Maffei公司36D平行雙螺桿擠出機專為理想的PVC加工而設計。他們實現(xiàn)了高產(chǎn)量和高制品機械性能的統(tǒng)一，此外，這些擠出機可以提供質量穩(wěn)定的高品質管材。

在加工高填充配方方面，利用Krauss-Maffei公司開發(fā)的36D雙螺桿擠出機來加工PVC排污管材，填充量高達65份(約40%)的CaCO3也是可行的。直徑在50~500mm的高填充管材主要用于輸送污水。為了使高填充配方加工更容易，擠出機配置了特殊材料加料、稱重和計量系統(tǒng)。借助于一個螺旋加料螺桿，將PVC干混料和CaCO3從儲料倉輸送到稱重計量裝置的料斗中。料斗中安裝有混合器和攪拌器以防止架橋。

此外，所有與材料接觸的計量裝置表面都有一特殊涂層以防止物料流動受阻。從計量裝置出來，物料在攪拌器和一個特殊的雙螺桿加料器作用下就被輸送到位于擠出機加料口的供料裝置中。智能化和網(wǎng)絡化在設備本身的技術改造之外，先進的雙螺桿擠出機已普遍采用微機控制，對整個擠出過程的工藝參數(shù)如熔體壓力及溫度、各段機身溫度、主螺桿和喂料螺桿轉速、喂料量，各種原料的配比、電機的電流電壓等參數(shù)進行在線監(jiān)測和控制，對保證工藝條件的穩(wěn)定、提高產(chǎn)品的精度都極為有利。