挤出机的其他零部件

四、挤出机的其他零部件

1．传动系统

传动系统是挤出机的主要组成部分之一。它的作用是驱动螺杆，并使螺杆能在选定的工艺条件(如机头压力、温度、转速等)下，以需要的扭矩和转速均匀地旋转，完成挤出过程。

由于一定规格的挤出机有一定的适用范围，因此挤出机的传动系统在要求的适用范围内应能提供最大的扭矩和可调节的转速范围。另外还应使用可靠，操作和维修方便等。

(1)挤出机的工作特性所谓挤出机的工作特性，是指螺杆的转速与驱动功率之间的关系。在挤出机挤出过程中传动系统所消耗的功率P是随着转速n的增加而增高的。如果我们将P－n的关系用曲线形式表示出，就可得出挤出机的工作特性。为了进一步说明挤出机的工作特性，下面对一台SJ－45B挤出机的工作特性(实测得到)P－n图进行讨论。如图3－24所示为SJ－45B挤出机P－n关系曲线。图中AB和BC段折线表示直流电动机传动系统的特性线;各曲线分别表示加工不同物料的P－n关系曲线，这些曲线是用实验的办法实测而得。由图示AB段可以看出，由于P与n成线性关系，因此直线的斜率就表示螺杆扭矩。在调速过程中，随着转速n的提高，螺杆扭矩保持不变，我们称这种调速为恒扭矩调速。图示BC段为水平(近似)线，它表示在调速过程中，随着转速n的提高，电动机的驱动功率P保持不变，我们将这种调速称为恒功率调速。如图3－24所示，挤出机在加工不同物料时的关系曲线与电动机恒扭矩调速特性线很接近。加工某些热稳定性差、黏度高的塑料(如硬聚氯乙烯，见HPVC线)时，一般转速n较低;而加工低黏度或热稳定性较好的塑料(如聚乙烯，见PE线)时，转速可以较高。显然在相同转速n的情况下，前者消耗的功率比后者大，即硬料(HPVC)的特性线高于软料(PE)的特性线。

图3－24　SJ－45B挤出机P－n关系曲线(口模φ22×16)

由上述分析可见，挤出机的传动系统应满足适用范围和转速范围的要求，应尽可能符合挤出机的工作特性，也就是在设计的转速范围内，每一个转速下传动系统可能发出的功率P都必须大于驱动螺杆所需的功率，而且两者的差值应尽可能地小，以得到最高的效率。一般挤出机传动系统的原动机多选用无级恒扭矩调速的电动机(如可控硅控制的直流电动机、交流整流子电动机等);也可以采用交流感应电动机，配带有机械无级调速的变速器。

(2)挤出机驱动功率和转速范围的确定方法分别如下:

①挤出机驱动功率的确定:由于挤出机螺杆驱动功率的影响因素很多，而且很难找出函数关系，因此，至今还没有精确有效的确定挤出机驱动功率的计算方法。实际中是应用一些经验公式来进行驱动功率估算的。

式中:P——挤出机的驱动功率，单位为kW;

D_b——螺杆直径，单位为cm;

n——螺杆转速，单位为r/min;

K——系数，它可根据实验和统计分析进行取值，目前对D_b≤90mm的挤出机一般取K≈0．00354，对D_b＞90mm的挤出机取K≈0．008。

除了用上式估算外，还可以用类比法或根据我国ZGB95009．1－88标准中推荐的数据确定驱动功率。我国挤出机系列(草案)推荐的挤出机驱动功率见表3－7。

表3－7　我国挤出机系列所推荐的驱动功率

②挤出机转速范围及其确定:对挤出机的速度要求有两个方面，一是能无级调速，二是应有一定的调速范围。前者是为了满足生产中往往需要通过改变螺杆转速和其他可变因素来控制挤出质量及与辅机配合一致的要求;后者是针对挤出机应具有适应各种加工(包括加工不同物料和制品)的能力而提出来的。所谓转速范围是指螺杆最低转速与最高转速的比值。

转速范围的确定很重要，因为它直接影响到挤出机所能加工的物料和制品的种类、生产率、功率消耗、制品质量、设备成本、操作方便与否等。因此，转速范围应选多大，应根据加工工艺要求及机器的使用场合而定。大多数挤出机调速范围为1∶6，而对通用性较大和小型挤出机可取大一些(1∶10)，对专用挤出机的转速范围可取小些。

目前国内的挤出机加工一些制品时，其螺杆所使用的线速度v为:

HPVC管、板、丝:v=3～6m/min

SPVC管、板、丝:v=6～9m/min

薄膜:v=16～18m/min

在确定以上螺杆线速度时，用料多的可选大值，螺杆直径大的可选小值，产品截面大的可选大值，软制品、增塑剂用量多的可选大值。

(3)传动系统的组成常用传动系统一般由原动机、调速装置和减速装置所组成，当然这三者并不是截然分开的。如有的原动机(直流电动机、整流子电动机等)其自身即可调速，因而不必另外配置调速装置。表3－8所列为常见的几种传动系统。

2．加热与冷却装置

由挤出过程可知，温度是挤出成型过程得以顺利进行的必要条件之一，加热冷却系统就是为保证挤出过程所需的温度这一必要条件而设置的。

(1)加热装置加热装置的作用是按挤出工艺要求，为熔融物料提供所需的热能。如前所述，熔融塑化物料的热源有两个，一是料筒外部加热装置供给的热能，另一个是塑料与螺杆、料筒以及塑料之间相对运动所产生的摩擦剪切热。前者是由加热器的电能转化而来，后者是由电动机输入给螺杆的机械能转化而来。这两部分热量所占的比例大小与螺杆、料筒结构以及工艺条件和物料性质有关，也与挤出过程的阶段有关(如起动阶段、稳定运行阶段)。

挤出机加热方法通常有三种:液体加热、蒸汽加热和电加热，其中以电加热用得最多。电加热又可分为电阻加热和感应加热。电阻加热的原理是利用电流通过电阻较大的电阻丝产生大量的热量来加热料筒和机头。这种加热方式使用电阻加热圈和铸铝加热器等。电阻加热圈是由电阻丝、云母片(绝缘材料)和金属圈包皮所组成。铸铝加热器如图3－25所示，它由电阻丝和氧化镁粉(绝缘材料)以及铸铝壳体等组成。它与电阻加热圈相比较，不仅保持了体积小、装设方便以及加热温度高的优点，而且由于省去了云母片，降低了成本;此外，由于电阻丝是装于加热金属管的氧化镁粉中，有防氧化、防潮、防爆等性能，因而使用寿命长，传热效果好。

表3－8　几种常见的传动形式

(续表)

图3－25　铸铝加热器

由于电阻加热器是采用电阻丝加热料筒后再把热传到塑料上，而料筒又是一个具有一定厚度的筒体，因此，在料筒的径向方向上便形成较大的温度梯度，如图3－26所示。另外，传热时间也较长。

感应加热是通过电磁感应在料筒内产生电的涡流而使料筒发热，以加热料筒中的塑料的一种加热方法，其结构原理如图3－27所示。当将交流电源通入主线圈时，就产生了如图所示方向的磁力线，并且在硅钢片和料筒之间形成一个封闭的磁环。由于硅钢片具有很高的磁导率，因此磁力线能以最小的阻力通过，而作为封闭回路一部分的料筒其磁阻要大得多。磁力线在封闭回路中具有与交流电源相同的频率，当磁通发生变化时，就会在封闭回路中产生感应电动势，从而引起二次感应电压和感应电流，即图中所示的环形电流，亦叫涡流。涡流在料筒中遇到阻力就会产生热量。电感应加热与电阻丝加热相比较具有以下优点:加热均匀，温度梯度小(见图3－26);加热时间短(仅是电阻加热时间的1/6左右);由于没有热滞，一种简单的位式调节仪表即可给出精密的温度控制，加热效率高，热损失小，且能节约30%左右的电能;寿命长等。但电感应加热也有缺点，主要有:成本高;装拆不方便;使用温度不能太高，否则会将感应线圈的绝缘层损坏。

图3－26　电阻加热器和感应加热器加热料筒时的温度梯度

图3－27　感应加热器的结构原理图

加热器功率的确定:挤出机加热功率因理论计算方法不成熟，故目前多用经验公式或类比法确定。我国挤出机系列标准推荐的加热功率和加热段数参见表3－1。

(2)冷却装置　冷却装置也是保证塑料在工艺要求的温度条件下完成挤出成型过程所必需的装置。挤出过程中经常会出现螺杆回转产生的摩擦剪切热比物料所需要的热量多的现象，这会导致料筒内物料温度过高，如不及时排出过多的热量，会引起物料(特别是热敏性塑料)分解，有时也会使成型难以进行。为此，必须对料筒和螺杆进行冷却。有时在加料段和料斗座等部位设置冷却系统是为了加强固体物料的输送能力。

①料筒的冷却:螺杆直径在45mm以下的小型挤出机由于其料筒内塑料量不多，多余的热量可通过料筒与周围空气的对流来扩散，因此，除高速挤出机外，一般均未设料筒的冷却装置。螺杆直径在45mm以上的挤出机均设有料筒的冷却装置。料筒的冷却方法常用的有两种，即风冷和水冷。

图3－28　感应加热器与采用冷却装置的结构

图3－28　所示为风冷系统结构图，在每一冷却段要配置一个单独的风机，而且在料筒的表面或冷却器中要造出一定的通道，以防止空气无规则流动而出现冷却不均匀的现象。风冷比较柔和、均匀、干净，在国内外生产的挤出机上应用较多，但需配置鼓风机等设备，故成本高。

常用的水冷却装置如图3－29所示，图中(a)为目前常用的结构，它是在料筒的表面车出螺旋沟，然后缠上冷却水管。图中(b)是将加热棒和冷却水管同时铸入同一铸铝加热器中。图中(c)是将冷却水管设置在感应加热器内。水冷却往往是采用一般的自来水，因此它所用的附属设备较为简单。但水冷却速度较快，易造成急冷，而且因水一般未经过净化处理，水管易出现结垢和锈蚀现象而使水管冷却效果降低或被堵塞、损坏等。

图3－29　几种常用的水冷却装置结构图

②加料斗座的冷却:加料段的塑料温度不能太高，否则会引起固体输送率降低，而且物料有可能会在加料口形成“拱门”。为此，必须冷却加料斗座，此外，冷却加料斗座还能阻止挤压系统的热量传往推力轴承和减速箱，从而保证了它们的正常工作条件。加料斗座一般用水冷却。

③螺杆冷却:螺杆冷却的目的主要是为了有利于加料段物料的输送，同时也防止塑料在均化段因过热而分解。螺杆在旋转过程中与物料摩擦产生的剪切热使螺杆温度升高，特别是在均化段，因散热条件差，会使温度升至塑料分解点，因此，螺杆冷却通道一般通到均化段，如图3－30所示。冷却均化段还有一个好处是可以控制制品质量和产量，这是因为冷却均化段螺杆会使接近螺杆表面的物料变得胶黏，不易流动，这相当于减小均化段的螺槽深度，从而可用改变冷却水温(比如加大冷水流量)来控制挤出量。一般情况下，螺杆多采用水冷。

图3－30　螺杆的冷却系统

3．加料装置

加料装置的作用是给挤出机供料。它一般由料斗部分和上料部分所组成。料斗装于挤出机的加料座上，将物料不断地供给挤出机。上料部分主要是将物料输送到料斗上，不断地向料斗补充物料。

料斗的形状一般做成对称的，常见的有圆锥形、矩形和正方形等。料斗的侧面开有视镜孔，以便观察料位变化情况。料斗底部设开合门，用以停止和调节加料量。料斗上方安有盖子，以免灰尘和杂物进入。普通料斗如图3－31所示。小型挤出机还有采用人工上料的情况，这样就可以不设置上料装置。

图3－31　普通料斗

图3－32　鼓风上料器

目前，大、中型挤出机由于机身高，产量大，多用自动上料。自动上料的方法有弹簧上料、鼓风上料、真空上料、运输带传送等。图3－32所示为鼓风上料器，它是利用风力将料吹入输料管，再经过旋风分离器进入料斗。这种方法适用于输送颗粒物料，不适用于输送粉料。图3－33所示为弹簧上料器，它由电动机、弹簧夹头、进料口、软管及料箱等组成。电动机带动弹簧高速旋转时，物料被弹簧螺旋推动沿软管上移，当到达出料口时，由于物料离心力的作用而进入输向料斗的管道或直接进入料斗。它适用于输送粉料、粒料和块料。由于它具有结构简单、轻巧、效率高、上料可靠等优点，因此国内应用较广泛。

加料方式可分为重力加料和强制加料两种。所谓重力加料就是物料依靠自身的重量进入料筒;而强制加料是在料斗中设置搅拌器和螺旋桨叶，将物料强制压填到料筒中去，以克服“架桥”现象的一种加料方式。重力加料在挤出过程中，料斗里的物料高度的变化会引起轻微的重力(压力)变化，这会影响固体输送率，有时还会产生“架桥”现象，造成进料不均甚至中断，影响挤出过程的稳定进行。为了克服上述缺点，办法之一是尽力保持其料位在一个范围内变动，图3－34所示为料位控制装置示意图，一旦料位超过上下限，加料器会自动停止或自动上料。另外一种办法是强制加料和连续加料。图3－35所示为螺旋强制加料装置，其加料螺旋是由挤出机螺杆通过链轮、锥齿轮而驱动的，这样加料器的螺旋转速可与挤出机螺杆转速相适应，因而加料量可适应挤出量的变化，能保证加料均匀。这种装置还设有过载保护装置，当加料口堵塞时，螺旋会上升，不会将塑料硬往加料口挤，从而避免了加料器的损坏。

图3－33　弹簧上料器

图3－34　料位控制装置示意图

图3－35　螺旋强制加料装置

4．分流板与过滤网

在口模和螺杆头之间有一过渡区，物料流过这一区域时，其流动形式要发生变化。为适应这一变化，该过渡区经常设置分流板和过滤网，其作用是:使料流由螺旋运动变为直线运动;阻止未熔融物料和杂质通过口模;增加料流压力，使制品更加密实。图3－36所示为目前常用的结构简单、制造方便的干板式分流板。其上的孔眼分布原则是，使流过分流板的物料流速均匀。故有的分流板中间的孔分布较疏，边缘的分布较密;也有的分流板边缘的孔径较大，中间的孔径较小。分流板还对过滤网起支承作用，但在挤出HPVC等黏度大而热稳定性差的塑料时，一般不用过滤网。在制品要求较高(如生产电缆、薄膜、医用管等)或需要较高的挤出压力时设置滤网。

图3－36　分流板

一般情况下，欲调换过滤网和分流板都采用停车后手工更换，影响生产。为了提高生产率和保证制品质量，在挤出机上采用分流板和滤网不停车更换系统，从而可充分发挥挤出机的工作效率。图3－37所示为滑动式换网器(不停车换滤网)的结构，这类换网器形式较多，它只是其中的一种。它的滑动板上有多组分流板和滤网，且由液压缸推动滑动板在本体上作滑动(图中未示出)。在更换滤网时，滑动板借液压缸推力挤过熔料的流道，使新的滤网组换入熔料流道。这一动作过程可在1s之内完成，挤出机不必停车。

图3－37　滑动式换网器