几种不同的橡胶挤出机螺杆、机筒设计方案(上)—对比方案

维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期　黄元昌编译．几种不同的橡胶挤出机螺杆、机筒设计方案（上）＿一对比方案　４１　几种不同的橡胶挤出机螺杆、机筒设计方案（上）　寸比方案　Ｇ．Ｎ￣ｉｍａｎ，Ｅｎｓｃｈｅｄｅ（ＮＬ）ｌ著　黄元昌编译，许广臣校　摘要：从对冷喂料挤出机的要求、挤出机内部胶料流动过程、特征与转速的关系及能量平衡等方面对冷喂料挤出机进行了　分析与比较，得出了挤出物的温度及挤出胶条的均匀性在极限范围内会受到温控及销钉的影响。　关键词：冷喂料挤出机：销钉；转速：温度控制：胶料流动过程：能量平衡　中图分类号：ＴＱ３３０　４４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００９—７９７Ｘ（２００２）０５－００４１￣６　长期以来，挤出机一直被用于胶料加工。最初　只有热喂料挤出机，胶料经开炼机加热后，加工成　胶条供给挤出机。初期使用螺杆长径比为４Ｄ的挤　出机，它是通过口型板对预热的胶料进行挤压，以　便形成所需产品的轮廓形状。参考文献［１］对橡胶挤　出机的发展作了很详细的说明。　第～批冷喂料橡胶挤出机出现在５０年代末…。　由于采用了这种机型，首先是高转速，使挤出物达　到了理想的均匀性。“均匀性”是指挤出物温度的　均匀性。温度不均匀会导致挤出物边缘扩散、不整　齐或流动畸形。由于挤出物的温度较高，胶料在挤　出机内可能会出现早期交联。粗糙的表面表示温度　不均匀，光滑的表面则表示具有很高的均匀性。７０　年代初，由于使用了冷喂料挤出工艺，才成功的发　定并对测量数据进行评定。　１　对冷喂料挤出机的要求　为了能够有针对性的说明挤出过程，首先须规　定制品和胶料的配方。通常是在一台挤出机上对具　有不同加工性能的多种胶料进行加工，所以螺杆和　机筒应适合于各种胶料和各种制品的要求。挤出机　产量是按照计划的生产能力而定的。同时，在整个　排胶区，每种胶料挤出应该是均匀一致而无气泡　的。胶料中会产生空气或气泡，例如，由于剪切，　局部温度可能会升高，这样将导致胶料中的成分分　解或蒸发。轮胎部件内的气孔会降低轮胎的使用寿　命。在联机生产时，一种制品在进行“联机”硫化　中众多气泡会进行膨胀，这将导致产品质量事故，　从而出现废品。由于采用了真空排气挤出机，挤出　物内的气孔率大大减少，但随之出现排胶量及挤出　物温度升高，因此，真空排气挤出机主要用于对密　封制品的挤出。　明了传递式混炼—挤出机及销钉式挤出机¨】。尽管　目前销钉式挤出机符合了挤出技术条件的要求，但　热喂料挤出机仍在个别制品挤出上优先使用。例　如，载重胎或农用拖拉机胎厚胎面的生产就是用热　喂料挤出机。对这样厚的制品要使用机头压力低的　机型进行生产是不行的。用冷喂料挤出机挤出胎　面，即要实现均匀的加热，又要达到高产，机头的　压力是不够的。近ｌ０年来，由于在橡胶挤出工艺　上有许多新发明，从而消除了这一缺陷。例如，多　切割一传递式混炼—挤出机ｌ２　及销钉式一横向流一　挤出　。　根据气孔的情况，对冷喂料挤出机提出下列要　求：　（１）挤出物的均匀性；　（２）挤出物无气孔；　（３）挤出物的温度应在８５～１１５℃范围内；　（４）最小＜排胶量＜最大；　（５）稳压，即无脉冲式的排胶；　本研究的目的是介绍一种方法，用其与橡胶挤　出中的上述方案与工艺进行相互比较。按照　ＬｉｍｐｅｒＩ４１的要求，首先要规定挤出机的工作压力，　然后对两种挤出机挤出的制品，如轮胎部件进行测　收稿日期：２００１—０２—２２　（６）在恒定转速时排胶量的波动＜０．５％；　（７）采用同一口型板，而产量随转速成线性增　加：　（８）随着机头压力的增大，排胶废料减少；　ｆ９）降低能耗。　维普资讯 http://www.cqvip.com ４２　橡　塑　技　术　与　装　备　２００２年第２８卷　挤出物的温度至少为８５℃，在熔融温度下也　会产生一些胶粒。若这些胶粒成分没有熔化，则没　有达到最佳流动状态。因此，要使产量与转速成正　比，还须对挤出机进行顺利地供料。　比，可知物料在螺纹沟槽内的流动是呈螺旋状的　Ｈ】。螺纹隔板的有效活动侧面（主动侧面）将胶料从　机筒壁牵引到被动侧面。这种牵引流引起了一种增　压，使物料沿着被动侧面被挤压到螺棱根部。被动　侧面与主动侧面之间的压差迫使物料沿螺棱根部　往主动侧面挤压。当物料沿螺旋线旋转时，被输送　到螺杆顶部。并不是每种螺杆沟槽都有相同的轴向　速度，螺旋螺距应逐渐变小。粘度的热扩散取决于　胶料粘度的高低。粘度越大，热扩散就越强。因为　表１描述了在操作范围内所使用的胶料，特别　是天然胶（ＭＬ．５０）与均匀性有极重要的关系。　表１胶料配方（参数用Ｐｈｒ表示）　粘度大小本身也取决于温度，这就是一开始就用高　温的理由。　胶料的各个部分在挤出机内的停留时间是不　相同的。胶料停留时间的分配是随着压力升高而增　大的。因此，不仅胶料每个体积部件分散的能量有　变化，而且挤出物温度也有变化，这将导致在挤出　物内的非均匀性。　挤出机的工作点是通过挤出机头（带有口型板）　２挤出机内胶料流动过程　向一台挤出机喂料是在托盘上采用锯齿形胶　内的流动阻力来决定的，即机头压力决定了产量。　片进行的。绝大多数冷喂料挤出机是借助于与螺杆　成反转的喂料辊喂料。因此，产量主要取决于螺杆　转速。　为了更好地理解挤出机的工作方式，则须注　意：　（１）在进行加工时，胶料的高粘度将导致胶料温　度的升高；　流动阻力的增加，例如，使用较小开口的口型板，　使机头压力升高，从而导致产量降低及挤出物温度　升高。　３结果及讨论：挤出机特征与转速的关系　下面将对挤出机的工作特点作详细说明并对　测量结果进行比较。　图１、图２表示对天然胶料用一台１５０ｍｍ／１６Ｄ　销钉式挤出机挤出，从挤出试验中得出的测量结　果。试验使用两种不同开口的口型板。　（２）为便于输送，须解决胶料粘机筒壁的问题；　（３）胶料的导热性差：　（４）当筒壁上的胶料连续被新鲜胶料置换时，才　会出现从胶料到螺杆、机筒的热交换。　３．１　产量与螺杆转速成线性关系　若使用一对开口较小的口型板，产量明显降　由于对胶料在螺纹沟槽内的流动状况及其加　热性能的了解，使人们能够从定性上对挤出机的作　用原理进行了解。　低。在这种情况下，产量与螺杆转速也是线性关系。　使用较大开口的口型板，产量为０．８ｌｋｇ／ｒ，使用较　小开口的口型板，则仅为０．５３ｋｇ／ｒ。　胶料在螺纹沟槽内被迫进行流动，即胶料流动　３．２机头压力在某些极限内与转速无关，相反与　口型板开口大小大有关系　是由螺杆在固定的机筒内旋转造成的。绝大多数橡　胶挤出机的螺杆被切割成多头螺纹。胶料在螺纹沟　槽内通过粘度热扩散（伴随着胶料的流动）进行加　热，使胶料转换成一种流动状态。在螺纹沟槽内形　成的速度、温度及压力曲线主要是由挤出机的工作　点来决定的。物料流动到挤出机头，流动阻力在挤　出机头内造成增压。　若口型板开口较小，则机头压力位于　７．５～８．５ＭＰａ之间；若口型板开口较大，则机头压　力在４．２～５．０ＭＰａ之间。　若转速均匀，则较大的机头压力会导致产量降　低。这和通过与挤出机样机对比而推导出来的预测　完全一致。随着机头压力的增大，节流比例也增大。　模式线性挤出过程对橡胶挤出过程进行了对　这表明牵引流部分的流量通过压力流而被节流【５】。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期　黄元昌编译．几种不同的橡胶挤出机螺杆、机筒设计方案（上）　比方案　４３　图２清楚的表示出挤出物温度的增加所起的　这表明，单位能量与口型板开口大小及节流比　大有关系。口型板开口越小，则供给的单位能量就　作用。一个开口较小的口型板使出料温度较高。同　时挤出物温度与螺杆转速也有比较密切的关系。　越高。这同样也适用于热含量升高及挤出物温度上　升的道理。　综上所述，可总结为以下几点：　（１）螺杆转速是与产量和传动功率成正比的。传　动功率与口型板开口大小无关，在同一螺杆恒定转　速下，产量随着口型板开口变小而下降；　（２）机头压力与转速几乎没有什么关系，但与口　型板开口大小有很大关系；　（３）挤出物温度随转速升高而升高。开口较小的　口型板不仅导致挤出物温度升高，而且也导致挤出　物温度随转速升高的速率加大：　（４）单位能量与转速没有多大关系，明显取决于　口型板开口的大小。　图１　转速与产量和机头压力的关系　（１　５０ｍｍ销钉式挤出机．天然胶胶料）　■一用开口较大的口型板：▲一用开口较小的口型板　一４挤出特性　一台挤出机最重要的标志之一是挤出特性。这　产量；－＿－一一机头压力　是由机头压力与产量关系推导出来的。如果把产量　与机头压力作为转速的函数，对一批开口大小不同　的口型板进行测定，可以发现，当螺杆转速相等时，　开口较小的口型板会使产量降低而机头压力升高。　图３以实例表示出一台１５０ｍｍ／１６Ｄ挤出机的挤出　特性。　图２转速与物料温度和单位能量的关系　（１　５０ｍｍ销钉式挤出机，天然胶胶料）　■一用开口较大的口型板；▲一用开口较小的口型板　一物料温度；…一单位能量　单位能量的确定是用供给的能量（电能）除以产　图３挤出机的挤出特性　量得出的商数。　ｐ　（１　５０ｍｍ销钉式挤出机，天然胶胶料）　即　式中ＨＥ　＝掣　，竹　专动功率，Ｗ　砌——产量，ｋｇ／ｈ　（１）　５挤出机的能量平衡　传动功率泛指的平衡是指由挤出操作、传动、　机筒及螺杆中通过冷却带走的能量以及挤出的胶　料中升高的含热量产生的总和。　即　动＝　却＋　＋△　（２）　单位能量可解释为挤出每公斤胶料所需的能　量。传动功率似乎与口型板开口的大小及节流比例　没有太大的关系。传动功率是转速的函数，是由产　量及单位能量两个参数设置的。　Ａ　＝　式中（　一　）　（３）　Ｐ传动——传动功率　维普资讯 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橡　塑　技　术　与　装　备　２００２年第２８卷　Ｐ冷却——冷却功率　每台挤出机的能量按公式（２）进行平衡并用曲线　表示出来，只要这两种挤出机通过冷却排出的能量　Ｐ推——推动胶料前进所需要功率　△　——热量升高　砌ｐ（与转速有关）相差数少于３％，则可以对这两个过　程相互进行比较。人们将选择如何虽有效地完成任　务的操作方法。　——产量　——比重　Ｃ　——比热　——卜列实例应用对比的方法。　物料温度　室内温度　５．１温控的变化　温控对挤出效率的影响，对一台１　５０ｍｍ／ｌ６Ｄ　——设定胶料的比重为１　１　５０ｋｇ／ｍ　及比热为　销钉式挤出机进行研究。对下列温度调节进行比　较：　１　５００Ｊ／（ｋｇ・Ｋ），则可从产量中计算出每秒钟挤出　物的热量升高。为了使胶料通过打开的口型板进行　“高温段”：机筒温度６０℃／６０℃　螺杆温度８０℃　“低温段”：机筒温度６０℃／３０℃　螺杆温度６０℃　挤出，挤压的能量增加（每单位时间的工作）的计算　应采用下式：　ｐ推＝△Ｐ机头Ｑ　式中　△Ｐ姒——机头压力（Ｐａ）　，——（４）　喂料温度调到５０℃，而机头温度已调到９０￣Ｃ。　喂料辊采用管路水进行冷却。胶料、口型板及装销　钉数量保持恒定。试验结果在图５～８中表示出来。　容积流（ｍ　／ｓ）　图４表示１　５０ｍｍ销钉式挤出机的传动功率作　为转速与采用的开口的口型板的函数的情况。注　意，重新进行冷却要大于输入能量的４０％。若不考　虑传动功率损失（最大为１　０％），则要考虑到通过机　筒和螺杆流掉的热量。因此，对橡胶挤出机的机筒　和螺杆进行温控是必要的。同时还应注意，单位能　量越高，则来自胶料需要冷却的热量就越多。　‘东　对挤出效率的影响（胶料为天然胶５０】　一～挤出机温度控制在高温段；▲～挤出机温度控制在低温段　一塞　・泉的能量　－含热量升高　冷却用能量　产量；…～机头压力　图４挤出过程的能量平衡　由公式（２）来规定挤出机的工作点。按照　Ｌｉｍｐｅｒ［ａ］的要求，只是在相同的能量操纵点上，对　不同挤出机的挤出过程进行比较。为了实现这一　点，从每台挤出机开始，首先把产量、机头压力、　传动功率以及挤出物温度作为转速的函数来理解。　从产量和传动功率能计算出单位能量。然后，在一　曲线图上表示每种挤出机的特性。另外，在曲线图　上，表示出每种挤出机的挤出特性曲线并把产量作　为挤出物温度的函数进行测定。为了控制工作点，　图６　１５０ｒａｍ／１６Ｄ销钉式挤出机的温控　对挤出效率的影响（胶料为天然胶５ｏ）　一～挤出机温度控制在高温段；▲一挤出机温度控制在低温段　一．物料温度：…－－－单位能量　维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期　黄元昌编译．几种不同的橡胶挤出机螺杆、机筒设计方案（上）—对比方案　４５　板及恒定的温度，借助于所推荐的方法作过一次对　比试验。图９～１２表示试验的结果。对销钉构型不　同进行对比如下：　图７　１５０ｒａｍ／１６Ｄ销钉式挤出机的温控　对挤出效率的影响（胶料为天然胶５０）　●．挤出机温度控制在高温段：▲一挤出机温度控制在低温段　一机头压力；一物料温度　图９一台装有６７％销钉（）与一台装有１００％销钉　（▲）１５０ｒａｍ／１６Ｄ销钉式挤出机之间的比较（胶料为天然胶５０）　一产量；一机头压力　图８能量平衡的比较　注：１５０ｍｍ／１６Ｄ销钉式挤出机的温控对挤出效率的影响　这些能量平衡表示在相同的工作点上进行两　图１０一台装有６７％销钉（●）与一台装有１００％销钉　（▲）１５０ｍｍ／１６Ｄ销钉式挤出机之间的比较（胶料为天然胶５０）　一．种温度调节（图８）。这些挤出结果可以相互进行比　较。在高温状态下，挤出机的输送较好，并且螺杆　每转一圈会导致产量有所增加。在低温状态下，挤　出物的均匀性较差，机头压力对温度控制几乎没有　物料温度；一一单位能量　什么影响。在高温状态下，物料温度升高５＂Ｃ是比　较低的。这可通过热扩散来进行说明。物料在螺杆　和机筒近处变冷并具有较高的粘度。剪切速度在两　种状态（即高、低温状态）下是相同的，与高温状态　相比，在筒壁区的热量扩散的粘度比较大。而这些　销钉在管壁区与在螺杆流道根径的物料之间有一　种层流混炼效应。　５．２销钉的影响　图１１　一台装有６７％销钉（●）与一台装有ｌＯＯ％￣Ｔ　（▲）１５０ｒａｍ／１６Ｄ销钉式挤出机之间的比较（胶料为天然胶５０）　一对于１５０ｍｍ／１６Ｄ销钉式挤出机的销钉对挤出　特性的影响，采用未改变的温控系统，相同的口型　机头压力：…一物料温度　维普资讯 http://www.cqvip.com 橡　塑　技　术　与　装　备　１００　８０　６０　４０　２００２年第２８卷　即压力沿着螺杆轴运行达到最大值，在供料区形成　一种压力并在销钉区使压力降低。由于磨擦力较　大，故在使用装有１００％销钉的销钉式挤出机时的　压力下降比较大，为了能够挤出ｌｋｇ的胶料，则在　装有１００％销钉的挤出机时消耗能量为５％～１０％或　转速／（ｒ／ｍｉｎ）　ｌ　２０　０　更多一些。　－泵的能量　含热苗升高　冷却用能量　Ｉ　图１２一台装有６７％销钉（■）与一台装有１００％销钉　（▲）１　５０ｒｎｍ／１　６Ｄ销钉式挤出机之间对比试用　能量平衡（胶料为天然胶５０）　６结论与展望　从两个实例中装销钉数量的变化及挤出机温　（１）１２个销钉平面，每个平面上装有ｌ２个销钉，　装销钉总数达１００％：　度控制的变化表明，对挤出过程所采用的对比方法　已经过试验，挤出性能的差别可以在考虑到在螺杆　流道中的流动过程情况下给以说明。　（２）１２个销钉平面，每个平面上装有８个销钉，　其余４个工位装有螺塞，装销钉总数达６７％。　能量平衡对比所选择的工作点大约相同（图　１２）。装有１００％销钉挤出机与装有６７％销钉的挤出　挤出物的温度以及挤出胶条的均匀性在极限　范围内将会受到销钉和挤出机温控的影响。　参考文献：　（１］　Ｅ．Ｈａｒｍｓ，Ｋａｕｔｓｃｈｕｋ—Ｅｘｔｒｕｄｅｒ．Ｋｒａｕｓｋｏｐｆ－Ｖｅｒ－ｌａｇ，Ｍａｉｎｚ．１９７４，　ｆ２】Ｗ－Ｊ－Ｄ．Ｆｒａｎｃｉｓ．Ｒｕｂｂｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，１９９６（９６）：２２７．　（３］　Ｇ．Ｃａｐｅｌｌｅ，Ｇｕｍｍｉ　Ｆａｓｅｍ　Ｋｕｎｓｔｓｔ　ｏｆｆｅ，１９９５（４８）：３１１．　机相比产量有所降低。因为胶料在螺杆流道上通过　销钉产生一个较小的自由截面。运转一圈输送物料　会减少。由于摩擦力较大，有１００％销钉的挤出机　物料温度高出约５℃。对硬度较大的胶料，使用较　ｆ４］　Ａ．Ｌｉｍｐｅｒ．ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ．ＲＷＴＨ　Ａｓｃｈｅｎ，１９８５．　（５］　Ａ．Ｌｉｍｐｅｒ，ＲＢａｒｔｈ，ＥＧｒａｊｅｗｓｋｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ　ｄｅｒ　Ｋａｕｔｈｕｋｖｅｒａｒｂ—　ｅｉｔｕｎｇ．Ｈａｎｓｅｒ，ＭＵｎｃｈｅｎ．ｗｉｅｎ，１９８９．　高转速时能计算出较大的温差。若已达到了均匀　性，则可减少销钉数目。胶料穿过挤出机内销钉区，　（待续）　（ｘｓ一０３）　卜一／软质泡沫塑料成型机　丹麦Ｈｙｍａ公司推出的块状泡沫塑料成型机　生产软质聚醚泡沫塑料。据该公司称，该机是中等　规模生产的理想设备。　该公司的其它一些新成果还包括碎泡沫回收　设备。据称采用该设备，泡沫生产商和加工商可以　优化利用其废旧泡沫塑料，用废旧泡沫塑料生产新　Ｖ　橡胶注压成型　ＲＩＭＭｓ公司提供了一套用于橡胶注射成型机　的快速生产控制装置，并配有先进的信息传输系　统，能够连接当地区域性网络和国际互联网。其公　司的一流注射装置，有一精密的液压合模装置和一　用于最佳过程控制的现代化控制系统，还有远距离　监控和远距离诊断系统。此注压机的最大注射量为　１５０～６　０００ｃｍ　，合模力为４００～６　０００ｋＮ。　的块状料。据Ｈｙｍａ公司介绍，回收废旧塑料工艺　不仅有助于环境保护，而且对于从事泡沫塑料生产　的企业来说，也是一种非常经济、有效益的措施。　为适应泡沫塑料加工，Ｈｙｍａ公司还提供了各　种型号的切割设备，包括卧式纵切刀、立式带刀、　角刀剥离及设备成型和仿形设备。　ＲＰ－０１编译自ＲＰＡ　２００１，Ｎｏ．１０７　（ｘｓ．Ｏ１）　据介绍，ＲＩＭＭｓ的产品有立式和卧式及Ｃ型，　几乎适用于所有构型的加工生产线。　ＲＰ－０１编译自Ｒｕｂｂｅｒ　Ｗｏｒ１ｄ　２００１，Ｎｏ．７　（ＸＳ．ｏ１）