单螺杆挤出机的介绍课件

第四章第四章螺杆挤出机螺杆挤出机4.1概述概述4.2单螺杆挤出机单螺杆挤出机4.3双螺杆挤出机双螺杆挤出机4.4挤出联动线挤出联动线12七月2024u第四章第四章螺杆螺杆挤挤出机出机4.1概述概述13八月八月202314.1 4.1 概概 述述 u挤出成型是塑料成型加工的重要成型方法之一。大部分热塑性塑料和橡胶都能用此法进行加工。u用挤出成型生产的产品广泛地应用于人民生活以及农业、建筑业、石油化工、机械制造、国防等工业部门。u挤出成型在挤出机上进行，挤出机是塑料成型加工机械的重要机台之一。12七月2024u4.1概概述述挤挤出成型是塑料成型加工的重要成型方法之一出成型是塑料成型加工的重要成型方法之一2挤出成型挤出成型?物料从挤出机中通过加热、混物料从挤出机中通过加热、混合、加压，以流动状态连续通过口模成型。合、加压，以流动状态连续通过口模成型。产品：产品：管材、薄膜、板材、片材、棒材、异型材、电线电缆包覆物、单丝、撕裂膜、打包带、网设备：设备：挤出机挤出机单螺杆挤出机单螺杆挤出机双螺杆挤出机双螺杆挤出机12七月2024u挤挤出成型出成型?物料从物料从挤挤出机中通出机中通过过加加热热、混合、加、混合、加压压，以流，以流动动状状3单螺杆挤出机12七月2024u单单螺杆螺杆挤挤出机出机13八月八月20234 与其它成型方法相比，挤出成型有下述特点：u1 1、生生产产过过程程是是连连续续的的，因而其产品都是连续的；可连续化生产。u2、生产效率高生产效率高,一台200挤出机700kg/小 时，德国500挤出机20t/小时u3、应用范围广，应用范围广，能生产管材、棒材、板材、薄膜、单丝、电线、电缆、异型材，以及中空制品等；u4、投资少，收效快投资少，收效快 u5、结构简单，易操作结构简单，易操作。1 1 挤出成型的特点挤出成型的特点12七月2024u与其它成型方法相比，与其它成型方法相比，挤挤出成型有下述特点：出成型有下述特点：1挤挤出成型的出成型的52 2 挤出过程及工作原理挤出过程及工作原理挤出过程挤出过程 塑料之所以能进行成型加工，是由其内在依据所决定的。由高分子物理学得知，高聚物一般存在着玻璃态、高弹态和粘流态三种物理状态，在一定条件下，这三种物理状态将发生相互转化。塑料的成型加工（压制、压延、挤出、注射等）是在粘流态下进行的。12七月2024u2挤挤出出过过程及工作原理程及工作原理挤挤出出过过程程13八月八月20236u塑料由料斗进入料筒后，随着螺杆的旋转而被逐渐推向机头方向。u1 1、加料段、加料段输送并开始压实物料输送并开始压实物料 螺槽为松散的固体粒子（或粉末）所充满，物料开始被压实。u2 2、压缩段、压缩段1)由于阻力由于阻力,物料被压实物料被压实 由于螺槽逐渐变浅，以及滤网、分流板和机头的阻力，在塑料中形成了很高的压力，把物料压得很密实。压得很密实。12七月2024u塑料由料斗塑料由料斗进进入料筒后，随着螺杆的旋 入料筒后，随着螺杆的旋转转而被逐而被逐渐渐推向机推向机头头方向。方向。172)外热、内热的作用，物料熔融外热、内热的作用，物料熔融 同时，在料筒外热和螺杆、料筒对物料的混合、剪切作用所产生的内摩擦热的作用下，塑料的温温度度逐逐渐渐升升高高。对于常规三段全螺纹螺杆来说，大约在压缩段的三分之一处，与料筒壁相接触的某一点的塑料温度达到粘流温度，开始熔融开始熔融。3 3）物料全部熔融，变为粘流态）物料全部熔融，变为粘流态 随着物料的向前输送，熔融的物料量逐渐增多。而未熔融的物料量逐渐减少，大约在压缩段的结束处，全部物料熔融而转变为粘流态，但这时各点的温度尚不很均匀。12七月2024u2)外外热热、内、内热热的作用，物料熔融 的作用，物料熔融13八月八月20238u3 3、均化段均化段-均化、挤出均化、挤出 经过均化段的均化作用均化作用就比较均匀了，最后螺杆将熔融物料定量、定压、定温地挤入机挤入机头。头。u4、机头机头-成型、定型成型、定型 口模是个成成型型部件，物料通过它便获得一定截面的几何形状和尺寸。再经过冷却定型和其它工序，就得到成型好的制品。12七月2024u3、均化段、均化段-均化、均化、挤挤出出13八月八月20239工作原理工作原理u挤出过程是这样进行的：将塑料加热，使之呈粘流状态，在加压的情况下，使之通过具有一定形状的口模而成为截面与口模形状相仿的连续体，然后通过冷却，使其具有一定几何形状和尺寸的塑料由粘流态变为高弹态，最后冷却定型为玻璃态，得到所需要的制品。（玻璃态玻璃态粘流态粘流态高弹态高弹态玻璃态玻璃态）12七月2024u工作原理工作原理挤挤出出过过程是程是这样进这样进行的：将塑料加 行的：将塑料加热热，使之呈粘流状，使之呈粘流状态态，在，在10u1 1、主机（挤出机）、主机（挤出机）u挤挤压压系系统统：主要由料筒和螺杆组成。塑料通过挤压系统而塑塑化化成均匀的熔体，并在这一过程中所建立的压力下，被螺杆连续地定压定量定温地挤挤出出机头。3 3 挤出机及其机组的挤出机及其机组的组成组成12七月2024u1、主机（、主机（挤挤出机）出机）3挤挤出机及其机出机及其机组组的的组组成成13八月八月201112七月2024u传传动动系系统统：它的作用是给螺杆提供所需的扭扭矩矩和和转转速速。u加加热热冷冷却却系系统统：其功用是通过对料筒（或螺杆）进行加加热热和和冷冷却却，保证成型过程在工艺要求的温度范围内完成。u控制系统：控制系统：控制挤出机的拖动电机、按所需的功率、速度运行，检测、控制温度、压力等参数，完成对制品的质量控制，使其满足工艺要求。u13八月八月2023传动传动系系统统：它的作用是：它的作用是给给螺杆提供所需的扭矩螺杆提供所需的扭矩12u2 2、辅机、辅机u机机头头（口口模模）：它是制品成型的主要部件，熔融塑料通过它获得一定的几何截面和尺寸。在挤出成型过程中起决定性决定性的作用。u 定定型型装装置置：它的作用是将从机头中挤出的塑料的既定形状稳定下来并对其进行精整，从而得到更为精精确确的的截截面面形形状状、尺尺寸寸和和光光亮亮的的表表面面。通通常常采采用用冷冷却却和和加加压的方法压的方法达到这一目的。12七月2024u2、辅辅机机13八月八月202313u冷冷却却装装置置：由定型装置出来的塑料在此得到充分的冷却，获得最终的形状和尺寸。u牵牵引引装装置置：其作用为均匀地牵引制品。并对制品的截面尺寸进行控制，使挤出过程稳定地进行。u切切割割装装置置：将连续挤出的制品切割成所需要的规格（一定的长度和宽度）。u堆放及卷取装置：堆放及卷取装置：硬制品的码放及软制品的收卷。12七月2024u冷却装置：由定型装置出来的塑料在此得到充分的冷却，冷却装置：由定型装置出来的塑料在此得到充分的冷却，获获得最得最终终的的14u3 3、控制系统（检测和控制）、控制系统（检测和控制）u挤出机组的控制系统：它它由由各各种种电电器器、仪仪表表和和执执行机构组成。行机构组成。控控制制挤出机的主机、辅机的拖动电机、驱动油泵、油（汽）缸和其它各种执行机构按所需的功率、速度和运动轨迹，使其满足工艺要求并保证其协调运行。检检测测、控控制制主辅机的温温度度、压压力力、流流量量，完完成成对对制制品品的的质质量量控控制制，最终实现对整个挤出机组的自动控制和对产品质量的控制。u我们一般称由以上各部分组成的挤出装置为挤出挤出机组。机组。12七月2024u3、控制系、控制系统统（检测检测和控制）和控制）13八月八月202315u挤出机的分类：随着挤出机用途的增加，出现了各种挤出机，分类方法很多。u1、按按螺螺杆杆数数目目的多少，可以分为单单螺螺杆杆挤挤出出机机、双螺杆挤出机双螺杆挤出机和多螺杆挤出机多螺杆挤出机。u2、根根据据功功能能，分为排排气气挤挤出出机机、混混炼炼式式挤挤出出机机和超高分子量挤出机超高分子量挤出机等4 4 挤出机的分类挤出机的分类12七月2024u4挤挤出机的分出机的分类类13八月八月202316u3、按按螺螺杆杆的的有有无无：可分为螺杆挤出机和无螺杆挤出机（柱塞式挤出机）；u4、按按螺螺杆杆在在空空间间的的位位置置：可分为卧式挤出机和立式挤出机。u5、按按螺螺杆杆转转速速：可分为普通挤出机、高速挤出机和超高速挤出机。u最常用的是卧卧式式单单螺螺杆杆非非排排气气挤挤出出机机和和双双螺螺杆杆非非排排气挤出机气挤出机，本章将以此为重点进行介绍。12七月2024u3、按螺杆的有无：可分 按螺杆的有无：可分为为螺杆螺杆挤挤出机和无螺杆出机和无螺杆挤挤出机（柱塞式 出机（柱塞式挤挤174.2 4.2 单螺杆挤出机单螺杆挤出机4.2.1主要结构和参数主要结构和参数4.2.2挤出过程参变量挤出过程参变量4.2.3物料在螺杆中的流动理论物料在螺杆中的流动理论4.2.4螺杆及其参数螺杆及其参数4.2.5其它主要零部件其它主要零部件u4.2单单螺杆螺杆挤挤出机出机4.2.1主要主要结结构和参数构和参数18单螺杆挤出机12七月2024u单单螺杆螺杆挤挤出机出机13八月八月2023194.2.1 4.2.1 主要结构和参数主要结构和参数u1 1 挤压系统：挤压系统：主要由料筒和螺杆组成。塑料通过挤压系统而塑化塑化成均匀的熔体，并在这一过程中所建立的压力下，被螺杆连续地定压定量定温地挤出挤出机头。u2 2 传动系统：传动系统：它的作用是给螺杆提供所需的扭矩和转速扭矩和转速。u3 3 加加热热冷冷却却系系统统：其功用是通过对料筒（或螺杆）进行加热和冷却，保证成型过程在工艺要求的温度范围内完成。u4 4 控控制制系系统统：控制挤出机的拖动电机、按所需的功率、速度运行，检测、控制温度、压力等参数，完成对制品的质量控制，使其满足工艺要求。u4.2.1主要主要结结构和参数构和参数1挤压挤压系系统统：主要由料筒和螺杆：主要由料筒和螺杆组组成成20单螺杆挤出机单螺杆挤出机传动装置传动装置加料装置加料装置机筒机筒螺杆螺杆机头与口模机头与口模单螺杆挤出机结构示意图单螺杆挤出机结构示意图1-机座机座2-电动机电动机3-传动装置传动装置4-料斗料斗5-料斗冷却区料斗冷却区6-机筒机筒7-料筒加热器料筒加热器8-热点偶控温点热点偶控温点9-螺杆螺杆10-过滤网及多孔板过滤网及多孔板11-机头加热器机头加热器12-机头机头13-挤出物挤出物12七月2024u单单螺杆螺杆挤挤出机出机传动传动装置装置单单螺杆螺杆挤挤出机出机结结构示意构示意图图13八月八月20221u单螺杆挤出机的性能特征通常用以下几个主要技术参数表示：u螺杆直径螺杆直径D：指螺杆外径，单位mm。u螺螺杆杆长长径径比比LD：L为螺杆的有效长度，即有螺纹部分的长度（工艺上将L定义为由加料口中心线到螺纹末端的长度），D为螺杆直径。单螺杆挤出机的主要参数单螺杆挤出机的主要参数12七月2024u单单螺杆螺杆挤挤出机的性能特征通常用以下几个主要技出机的性能特征通常用以下几个主要技术术参数表示：参数表示：单单螺螺22u螺杆的转数螺杆的转数n：单位r/min。u驱动电机功率驱动电机功率N：用表示，单位kw。u料筒加热段数料筒加热段数B：34段u料筒加热功率料筒加热功率E：单位kw。u挤出机生产率挤出机生产率Q：用表示，单位kg/h。u机机器器的的中中心心高高H：用表示，指螺杆中心线到地面的高度。单位mm。u机器的外形尺寸机器的外形尺寸：长、宽、高。单位mm。12七月2024u螺杆的螺杆的转转数数n：单单位位r/min。13八月八月202323 描写这一过程的参量有温温度度、压压力力、流流率率（或挤出量、产量）和能能量量（或功率）。4.2.2 4.2.2 挤出过程参变量挤出过程参变量 u描写描写这这一一过过程的参量有温度、程的参量有温度、压压力、流率（或力、流率（或挤挤出量、出量、产产量量24 温度是挤出过程得以进行的重要条件之一。如前所述，物料从加入料斗到最后成型为制品是经历了一个复杂的温度过程的。1 1、温度、温度 如果我们以物料沿料筒方向的位移为横坐 标。而以温度为纵坐标，将沿料筒方向测得的各点的物料温度值连成曲线，就会得到所谓温度轮廓曲线。该曲线有一定的变化规律。实实实实验验验验告告告告诉诉诉诉我我我我们们们们，加加加加工工工工不不不不同同同同物物物物 料料料料和和和和不不不不同同同同制制制制品品品品，这这这这条条条条轮轮轮轮廓廓廓廓曲曲曲曲线线线线是是是是不不不不相同的相同的相同的相同的。u温度是温度是挤挤出出过过程得以程得以进进行的重要条件之一。如前所述，物料从加 行的重要条件之一。如前所述，物料从加251 1）热量来源）热量来源 根据挤出理论和实践，物料在挤出过程中热量的来源热量的来源主要有两个：a.物料与物料之间；物料与螺杆、料筒之 间的剪切、摩擦产生的热量，b.料筒外部加热器提供的热量。u1）热热量来源量来源262 2）温度的调节）温度的调节 温度的调节是靠靠挤挤出出机机的的加加热热冷冷却却系系统统和和控控制制系系统统进行的进行的。a.a.加料段加料段-低温输送。低温输送。为加大输送能力，不希望加料段温度升得过高，相反有时要冷却；b.b.压缩段和计量段压缩段和计量段高温熔融。高温熔融。为了促使物料熔融，均化，物料要升到较高的温度。为了便于物料的容易加入、输送、熔融、均化以及在低温下挤出，获得高质量、高产量的制品，每一种物料的挤出过程应有一条合适的温度轮廓曲线。u2）温度的）温度的调节调节27 2 2、压力、压力1 1）压力的建立）压力的建立 挤出成型时，沿料筒轴线方向，在物料内部就要建立起不同的压力a a.压压缩缩比比的的存存在在（螺螺槽槽深深度度的的改改变变、料料筒筒上上的的沟沟槽槽深深度变化、螺距的改变度变化、螺距的改变）b b.分流板分流板、滤网滤网和和口模口模产生的阻力产生的阻力，c.c.压力的建立是挤出成型制品的重要条件压力的建立是挤出成型制品的重要条件 压力的建立也是物料得以经历物理状态变化、得到均匀密实的熔体、并最后得到成型制品的重要条件之一。u2、压压力力1）压压力的建立力的建立282 2）影响压力的因素影响压力的因素 如如果果将将沿沿料料筒筒轴轴线线方方向向（包包括括口口模模）测测得得的的各各点点的的物物料料压压力力值值作作为为纵纵座座标标，以以料料筒筒轴轴线线为为横横座座标标做做一一曲曲线，即可得到所谓压力轮廓线。线，即可得到所谓压力轮廓线。uua.a.机头、分流板、机头、分流板、机头、分流板、机头、分流板、滤滤滤滤 网的阻力，网的阻力，网的阻力，网的阻力，uub.b.加热冷却系统，加热冷却系统，加热冷却系统，加热冷却系统，uuc.c.螺杆转数，螺杆转数，螺杆转数，螺杆转数，uud.d.螺杆和料筒的结螺杆和料筒的结螺杆和料筒的结螺杆和料筒的结构。构。构。构。u2）影响）影响压压力的因素力的因素a.机机头头、分流板、分流板、29 3 3、流率（挤出量）、流率（挤出量）流率是描写挤出过程的一个重要参量。它的大小表征着机器生产率的高低。1 1）绝对流率）绝对流率（流量，产量）用Q表示，为每小时公斤。2 2）比流率）比流率 用每转的流率Q/n表示。后者更能反映挤压系统性能，应当作为比较挤压系统性能的标准。u3、流率（、流率（挤挤出量）出量）流率是描写流率是描写挤挤出出过过程的一个程的一个303 3）影响流率的因素）影响流率的因素 a.a.机头的阻力机头的阻力 b.b.螺杆、料筒的设计螺杆、料筒的设计 c.c.螺杆转数螺杆转数 d.d.加热冷却系统加热冷却系统 e.e.物料的性质等。物料的性质等。u3）影响流率的因素）影响流率的因素31 4 4、能量（功率）、能量（功率）u1 1）能量平衡）能量平衡 若从能量的观点来观察挤出过程，就有一 个能量平衡问题。为了使加入的物料熔融呈粘粘粘粘流流流流态态态态，必须供给热热热热能能能能；为使物料压实并得以成型，物料必须具有一定的压力，即必须供给压力能压力能压力能压力能。热热热热能能能能和和压压压压力力力力能能能能是是由由加加热热器器的的电电能能和和驱驱动动螺螺杆杆的的机机械械能能转转化化而而来来。这些能量的一部分为熔融物料、成型制品所利用。其余部分作为热损失而损失掉。u4、能量（功率）、能量（功率）1）能量平衡）能量平衡32其能量平衡方程式如下:机械能机械能机械能机械能+热能热能热能热能=熔融热能熔融热能熔融热能熔融热能+压力能压力能压力能压力能+热量损失热量损失热量损失热量损失 式中式中 ZZ单位时间内由螺杆输入的机械能，单位时间内由螺杆输入的机械能，HHJ J由外部加热器输入的热能。由外部加热器输入的热能。右端第一项右端第一项物料由固态变为熔融状态所需之能量，物料由固态变为熔融状态所需之能量，右端第二项右端第二项物料在挤出过程中所获得的压力能。物料在挤出过程中所获得的压力能。HH热量损失热量损失Z+HJ=Qv(T2-T0)CvJ+QvP+Hu其能量平衡方程式如下其能量平衡方程式如下:机械能机械能+热热能能=熔融熔融热热能能+压压力能力能+332 2）比功率消耗）比功率消耗 现现在在经经常常用用比比功功率率消消耗耗这这一一指指标标作作为为评评价价挤挤出出机机性性能能的的标标准准之之一一，它它的的含含义义是是每每每每挤挤挤挤出出出出一一一一公公公公斤斤斤斤物物物物料料料料（制制制制品品品品）所所所所消消消消耗耗耗耗的的的的功功功功率率率率。它它也也是是挤挤出出过过程的重要度量之一。程的重要度量之一。u在保证塑化质量和混炼质量的前提下，在保证塑化质量和混炼质量的前提下，希望该值希望该值越小越好越小越好。u2）比功率消耗在保）比功率消耗在保证证塑化塑化质质量和混量和混炼质炼质量的前提下，量的前提下，344.2.34.2.3物料在螺杆中的流动理论物料在螺杆中的流动理论 根据实验研究，物料自料斗加入到由机头中挤出，要通过几个职能区：固固固固体体体体输输输输送送送送区区区区、熔熔熔熔融融融融区区区区和和和和熔熔熔熔体体体体输输输输送区。送区。送区。送区。固固体体输输送送区区，物料向前输送并被压实，但仍以固体状存在固体输送理论固体输送理论固体输送理论固体输送理论。熔融区熔融区，物料开始熔融，已熔的物料和未熔的物料以两相的形式共存，未熔物料最终全部转变为熔体熔融理论熔融理论熔融理论熔融理论。熔体输送区熔体输送区，螺槽全部为熔体充满熔体输送熔体输送熔体输送熔体输送理论理论理论理论。u4.2.3物料在螺杆中的流物料在螺杆中的流动动理理论论根据根据实验实验研究，物料自料斗加 研究，物料自料斗加35 一一 固体输送理论固体输送理论1 1、基本假设：、基本假设：u1）、螺槽中被压实的物料象具有弹性的固体塞于）、螺槽中被压实的物料象具有弹性的固体塞于一样移动：一样移动：u2）、塞子与所有面（料筒表面、螺纹槽底面、螺）、塞子与所有面（料筒表面、螺纹槽底面、螺纹两个侧面）相接触；纹两个侧面）相接触；u3）、塞子与各表面的摩擦系数是一个常数，但在）、塞子与各表面的摩擦系数是一个常数，但在螺杆和料筒表面可以取不同值；螺杆和料筒表面可以取不同值；u4）、忽略料筒和螺纹棱之间的间隙；）、忽略料筒和螺纹棱之间的间隙；u5）、螺槽是矩形的，并且其深度不变：）、螺槽是矩形的，并且其深度不变：u6）、固体塞子的密度不变。）、固体塞子的密度不变。u一一固体固体输输送理送理论论1、基本假、基本假设设：362 2 基本方程基本方程 在在固固体体塞塞子子上上取取一一个个微微单单元元。假假定定螺螺杆杆不不动动，料料筒筒以以V Vb b=dndn的的速速度度移移动动。固固体体塞塞子子沿沿螺螺槽槽移移动动的的速速度度用用Vp表表示示，固固体体塞塞子子沿沿螺螺杆杆轴轴线线方方向向的的移移动动速速度度用用Vpl表表示示。则则固固体体的的流流率率Qs可可以以用用速速度度Vpl和和固固体体塞塞子子通通过过垂垂直直于于螺螺杆杆轴轴线线的的平平面面上上的的螺螺槽槽横横截截面面积积的的乘乘积积来来表示：表示：u2基本方程基本方程在固体塞子上取一个微在固体塞子上取一个微单单元。假定螺杆不 元。假定螺杆不动动，料，料37以上公式就是体积流率QsQs的计算公式影响固体输送率的因素很多且很复杂Qs=VAu以上公式就是体以上公式就是体积积流率流率Qs的的计计算公式算公式Qs=VA38二熔融理论二熔融理论熔融理论又称为融化理论，相迁移理论，它是研究塑料从固态转变为熔融状态的过程，是建立在热力学第一流变学等基础上的一种理论。熔融理论主要用于指导螺杆熔融段的设计。有关熔融区的研究是近几十年的事，到目前为止，仍处于发展阶段。u二熔融理 二熔融理论论熔融理熔融理论论又称又称为为融化理融化理论论，相迁移理，相迁移理论论，它是，它是39u1.1.熔融理论的物理模型熔融理论的物理模型u该该熔熔融融理理论论是是在在挤挤出出机机上上进进行行的的大大量量冷冷却却实实验验的的基础上提出来的。基础上提出来的。uu冷冷冷冷却却却却实实实实验验验验：将将着着色色物物料料（或或炭炭黑黑）和和本本色色物物料料加加入入挤挤出出机机中中，待待挤挤出出过过程程稳稳定定后后，快快速速停停车车并并骤骤冷料筒（如果可能，也冷却螺杆），冷料筒（如果可能，也冷却螺杆），u1.熔融理熔融理论论的物理模型的物理模型40uu（1 1）固）固）固）固态态塑料塑料塑料塑料（固态床）uu（2 2 2 2）熔池）熔池）熔池）熔池 uu（3 3 3 3）接近料筒表面的熔膜）接近料筒表面的熔膜）接近料筒表面的熔膜）接近料筒表面的熔膜 通过切取不同的截面，我们看到通过切取不同的截面，我们看到通过切取不同的截面，我们看到通过切取不同的截面，我们看到“随着物料向前输送，随着物料向前输送，随着物料向前输送，随着物料向前输送，熔熔熔熔池逐渐加宽，固体床相应变窄，池逐渐加宽，固体床相应变窄，池逐渐加宽，固体床相应变窄，池逐渐加宽，固体床相应变窄，直到最后，熔体充满整个螺槽，直到最后，熔体充满整个螺槽，直到最后，熔体充满整个螺槽，直到最后，熔体充满整个螺槽，固体床消失。固体床消失。固体床消失。固体床消失。u抽抽出出螺螺杆杆，将将螺螺旋旋状状的的已已冷冷却却的的物物料料带带从从螺螺杆杆上上剥剥下下，这这时时可可以以发发现现，已已熔熔融融的的和和局局部部混混合合的的物物料料呈呈现现流流线线，而而未未熔熔的的物料将保持初始的固态。物料将保持初始的固态。u 然然后后垂垂直直于于螺螺纹纹方方向向切切取取截截面面，可可以以看看到到一一个个截截面面内内有有三三个区域个区域：u（1）固）固态态塑料（固 塑料（固态态床）床）通通过过切取不同的截面，我 切取不同的截面，我们们看到看到41三、熔体输送理论 常规的全螺纹单螺杆均化段的熔体输送理论已得到很好的发展，与其他两个理论相比，它建立的最早。1953年它首先在两个无限大的平板之间，假定熔体为等温牛顿流体的条件下建立起来，后来又进行了修正。u三、熔体 三、熔体输输送理送理论论常常规规的全螺的全螺纹单纹单螺杆均化段的熔体螺杆均化段的熔体421 1、熔体输送的机理、熔体输送的机理u1）无限平行板模型。为了方便研究问题，假定：为了方便研究问题，假定：ua a、将计量段螺槽展开并认为螺将计量段螺槽展开并认为螺槽为浅螺槽，槽为浅螺槽，H3/D0.09ub b、螺槽静止不动螺槽静止不动 uc、将机筒展开为一无限大平板，将机筒展开为一无限大平板，且该平板运动速度为且该平板运动速度为Vb。Vb=Dbnud、Vb的的方方向向与与展展开开的的螺螺槽槽方方向向成成角，则有角，则有Vbx=DbnsinVbZ=Dbncos a.螺槽的几何尺寸图螺槽的几何尺寸图u1、熔体、熔体输输送的机理送的机理1）无限平行板模型。）无限平行板模型。a.螺槽的几何尺寸螺槽的几何尺寸图图43u 2)熔体在螺槽内的运动分析 熔料在螺槽中的流动实际上有以下几种运动合成：ua.a.正流（曳流）：正流（曳流）：是由物料受机筒的摩擦拖曳引起的，最大处速度为V Vbzbz.方向与V Vbzbz相同，流量用QQd d表示。u2)熔体在螺槽内的运熔体在螺槽内的运动动分析分析44ub b 逆流（压力流）：逆流（压力流）：由机头，口模等阻力元件产生的压力引起由机头，口模等阻力元件产生的压力引起的的逆向流动逆向流动。方向与正流方向相反，流量。方向与正流方向相反，流量为为QP.ub 逆流（逆流（压压力流）：由机力流）：由机头头，口模等阻力元件，口模等阻力元件产产生的生的压压力引起的力引起的45由垂直于螺棱方由垂直于螺棱方向的分速度向的分速度V Vbxbx引起引起（如图（如图)使物料在螺使物料在螺槽内产生翻转运动。槽内产生翻转运动。方向与方向与VbxVbx方向相同。方向相同。横横流流对对物物料料的的混混合合、热热交交换换和和塑塑化化起起着着重重要要作作用用，但但对对流流体体总总的的流流动动量量基基本本无无影响。影响。作用：作用：搅拌和热交换，流量：Qc=0（相对于物料输送方向）c.c.横流（环流）：横流（环流）：u由垂直于螺棱方向的分速度由垂直于螺棱方向的分速度Vbx引起（如 引起（如图图)使物料在螺槽使物料在螺槽46ud d 漏流：漏流：u是是产产生在机筒与螺杆突棱间隙生在机筒与螺杆突棱间隙处形成的一种处形成的一种压力压力逆流逆流。方向沿螺杆轴线方向，并由机头向后。方向沿螺杆轴线方向，并由机头向后。流量用流量用QQL L表示。表示。u和逆流一样，也是由压力梯度引起的。和逆流一样，也是由压力梯度引起的。u漏流的流速比正流和逆流小得多。漏流的流速比正流和逆流小得多。ud 漏流：是 漏流：是产产生在机筒与螺杆突棱生在机筒与螺杆突棱间间隙隙处处形成的一种形成的一种压压力力47Q=Qd-Qp-Ql 实际上螺槽中熔体的总的流动是这几种流动的总实际上螺槽中熔体的总的流动是这几种流动的总实际上螺槽中熔体的总的流动是这几种流动的总实际上螺槽中熔体的总的流动是这几种流动的总和，挤出机的生产能力即等于正流、压力流、漏流和，挤出机的生产能力即等于正流、压力流、漏流和，挤出机的生产能力即等于正流、压力流、漏流和，挤出机的生产能力即等于正流、压力流、漏流的总和的总和的总和的总和u总流总流塑料熔体在螺槽中混合流动示意图塑料熔体在螺槽中混合流动示意图熔体在螺槽内的流速分布图熔体在螺槽内的流速分布图uQ=Qd-Qp-Ql实际实际上螺槽中熔体的上螺槽中熔体的总总的流的流动动是是482 2基本假设基本假设 ua.牛顿型流体，并已全部熔融且等温ub.流动是稳定的uc.压力只在X，Z方向上变化ud.流体不可压缩；内部无流动ue.重力忽略uf.机筒运动，螺杆相对静止。u2基本假 基本假设设a.牛牛顿顿型流体，并已全部熔融且等温 型流体，并已全部熔融且等温493 3生产率的基本方程生产率的基本方程 u根据前面的假设，分析和建立的物理模型，用流体力学的分析方法，就可以导出目前应用于单螺杆挤出机均化段的流率计算公式：u正流流率常数正流流率常数u倒流流率常数倒流流率常数u漏流流率常数漏流流率常数u螺槽中物料黏度螺槽中物料黏度uf f螺棱与机筒间隙中物料的平均黏度螺棱与机筒间隙中物料的平均黏度up1计量段起始端压力计量段起始端压力up2计量段末端压力计量段末端压力u3生 生产产率的基本方程率的基本方程根据前面的假根据前面的假设设，分析和建立的物理模型，分析和建立的物理模型504.2.44.2.4 螺杆及其参数螺杆及其参数螺螺螺螺杆杆杆杆和和和和料料料料筒筒筒筒组组成成了了挤挤出出机机的的挤挤压压系系统统。为为说说明明挤挤压压系系统统的的重重要要性性，人人们们通通常常称称之之为为挤挤出出机机的的心心脏脏。物物料料正正是是在在这这一一部部分分由由玻玻璃璃态态转转变变为为粘粘流流态态，然然后后通通过过口口模模、辅辅机机而而被被做做成成各各种种制制品品的的。如如果果就就螺杆和料筒相比，螺杆更显得居于关键地位。螺杆和料筒相比，螺杆更显得居于关键地位。一台挤出机的一台挤出机的生产率、塑化质量、填加物的生产率、塑化质量、填加物的分散性（分散混合效果）、熔体温度、动力分散性（分散混合效果）、熔体温度、动力消耗等，消耗等，主要决定于主要决定于螺杆螺杆的性能的性能。u4.2.4螺杆及其参数螺杆和料筒螺杆及其参数螺杆和料筒组组成了成了挤挤出机的出机的挤压挤压系系统统。为为51一、评价螺杆的标准一、评价螺杆的标准 u1 塑化质量塑化质量 一根螺杆首先必须能生产出合乎质量要求的制品。u2 2 产量产量 在保证塑化质量的前提下，通过给定机头的产量或挤出量。u3 3 单耗单耗 所谓单耗，是指每挤出一公斤塑料（橡胶）所消耗的能量。u4 4 适应性适应性 对加工不同塑料、匹配不同机头和不同制品的适应能力。u5 5 制造的难易制造的难易 一根好的螺杆还必须易于加工制造，成本低。u一、一、评评价螺杆的价螺杆的标标准准1塑化塑化质质量量52二、螺杆的结构分类二、螺杆的结构分类u普普通通型型螺螺杆杆：工工作作长长度度上上为为全全螺螺纹纹，通通常常称称为为常常规规全全螺螺纹纹三三段段螺螺杆杆，是是指指出出现现最最早早、应应用用最最广广、整整根根螺螺杆杆由由三三段段组组成成，其其挤挤出出过过程程完全依靠全螺纹的形式完成的螺杆。完全依靠全螺纹的形式完成的螺杆。u二、螺杆的 二、螺杆的结结构分构分类类普通型螺杆：工作 普通型螺杆：工作长长度上度上为为全螺全螺纹纹，通常称，通常称为为常常53u常规全螺纹三段螺杆按螺纹升程和螺槽深度的变化分为u等距变深型螺杆等距渐变型螺杆：加料段较深螺槽向均化段较浅螺槽的过渡是在一个较长的螺杆轴向距离内完成的。等距突变型螺杆：加料段较深螺槽向均化段较浅螺槽的过渡是在较短的螺杆轴向距离内完成的。u等深变距型螺杆u变深变距型螺杆三三常规全螺纹三段常规全螺纹三段螺杆的型式螺杆的型式u常常规规全螺全螺纹纹三段螺杆按螺三段螺杆按螺纹纹升程和螺槽深度的升程和螺槽深度的变变化分化分为为三常三常规规全螺全螺纹纹54四四 螺杆的结构形式及参数螺杆的结构形式及参数加料段：加料段：起预热、压实、输送物料的作用，螺槽深度不变起预热、压实、输送物料的作用，螺槽深度不变II压缩段：压缩段：螺槽深度逐渐变小；起熔融物料、去阶气体等螺槽深度逐渐变小；起熔融物料、去阶气体等III均均化段（计量段）：化段（计量段）：螺槽深度通常为常数；起进一步塑化螺槽深度通常为常数；起进一步塑化均匀物料、并将其定量定压的送入机头口模的作用。均匀物料、并将其定量定压的送入机头口模的作用。u常常规规全全螺螺纹纹三三段段螺螺杆杆一一般般分分为为加加加加料料料料段段段段、压压压压缩缩缩缩段段段段、均化段均化段均化段均化段（计量段）。（计量段）。u四四螺杆的螺杆的结结构形式及参数构形式及参数加料段：起 加料段：起预热预热、压实压实、输输送物料的送物料的55u1 1 加加料料段段：加加料料段段的的作作用用是是输输送送物物料料给给压压缩段和均化段缩段和均化段。u加料段螺槽体积最大且维持不变，由加料斗加入的物料靠此段向前输送，并开始被压实，温度从常温逐渐升高到熔点，此段物料处于固态。u加料段螺杆长度L1，一般取(310）D。u螺槽深度h1，加大h1可提高输送量Qsu1加料段：加料段的作用是 加料段：加料段的作用是输输送物料送物料给压缩给压缩段和均化段。段和均化段。562 2 压缩段：压缩段：压实物料，熔融物料压实物料，熔融物料。u螺螺槽槽体体积积在在此此段段逐逐渐渐减减小小，螺螺槽槽是是压压缩缩型型的的，物物料料在在此此段段继继续续被被压压实实，并并向向熔熔融融态态转转化化，至至末末端端物物料料全全部部或或大大部部熔熔融融而而转变为粘流态。此段物料以固态和粘流态共存。转变为粘流态。此段物料以固态和粘流态共存。u压缩段螺杆长度压缩段螺杆长度L L2 2。u压压缩缩比比：它它的的作作用用是是将将物物料料压压缩缩，排排除除气气体体，建建立立必必要要的的压压力，保证物料到达螺杆末端时有足够的致密度。力，保证物料到达螺杆末端时有足够的致密度。几几何何压压缩缩比比：加加料料段段第第一一个个螺螺槽槽容容积积与与均均化化段段最最后后一一个个螺螺槽槽容积之比。容积之比。物理压缩比：物理压缩比：物料加工之前的松密度与均化段熔体密度之比。物料加工之前的松密度与均化段熔体密度之比。u2压缩压缩段：段：压实压实物料，熔融物料。物料，熔融物料。573 3 均均化化段段：该该段段的的作作用用是是将将来来自自压压缩缩段段的的已已熔物料熔物料定压定量定温定压定量定温地挤到机头中去。地挤到机头中去。u均化段的螺槽体积最小且维持不变，已完全熔融的物料在此段进一步被塑化和均化。物料在此段呈粘流态。u螺槽深度螺槽深度h3 应当设计得使该段的计量能力与压缩段的熔融能力相匹配，以适当地控制每一转的挤出量。h3=（0.020.06）D。u均均化化段段的的长长度度L3长一些，可以使物料得到相对长一些的均化时间，也可以减少压力、产量、温度的波动。u3均化段：均化段：该该段的作用是将来自段的作用是将来自压缩压缩段的已熔物料定段的已熔物料定压压定量定温地定量定温地581螺杆直径螺杆直径Du螺杆直径是指螺杆的外径，是螺杆的重要参量，它在一定意义上表征挤出机挤出量的大小。u螺杆直径已经标准化螺杆直径已经标准化五五 螺杆的基本参数螺杆的基本参数u1螺杆直径螺杆直径D五五螺杆的基本参数螺杆的基本参数592螺杆长径比螺杆长径比L/Du螺杆的长径比是螺杆的重要参数之一。若将它与螺杆转数联系起来考虑，在一一定定意意义上也表示螺杆的塑化能力和塑化质量。义上也表示螺杆的塑化能力和塑化质量。u单螺杆的长径比有一个由小到大的发展趋势，50年代一般为1820，60年代为2528，目前为30左右。u2螺杆螺杆长长径比径比L/D60大长径比的优点大长径比的优点大长径比的优点大长径比的优点u1）长径比加大后，螺杆的长度增加，塑料在料筒中停留的时间长，塑化得更充分更均匀，故可以保证产品质量保证产品质量。u2）在此前提下，可以提高螺杆的转数。从而提高挤出量提高挤出量。大长径比的缺点大长径比的缺点大长径比的缺点大长径比的缺点u1）长径比加大后，螺杆、料筒的加工和装配都比较困难和复杂，成本也相应提高。u2）L/D增大后,因螺杆的下垂度与其长度的四次方成正比，故会增加螺杆的弯曲度而造成螺杆与料筒的间隙不均匀，有时会使螺杆刮磨料筒而影响挤出机的寿命。u3）当长径比加大后，若提高螺杆转数，其扭矩必然加大，这对小直径的螺杆来说，因其加料段的螺纹根径较小，就要考虑其强度是否满足要求的问题。u大大长长径比的径比的优优点点613 3 压缩比压缩比u是指螺杆的几何压缩比，它是螺杆加料段第一个螺槽的容积与计量段最后一个螺槽容积之比。对于等距渐变型螺杆对于等距渐变型螺杆S1=S3u压缩比的选择：根据物料和工艺条件。u3压缩压缩比比对对于等距于等距渐变渐变型螺杆型螺杆S1=S3压缩压缩比的比的选择选择：624 4 导程、螺距与升角导程、螺距与升角u导导程程t t：螺纹回转一周时，螺纹上某点沿螺杆轴向前进的距离。u螺距螺距s s：螺杆上相邻螺纹之间的轴向距离。u螺螺纹纹升升角角：螺纹展开线与垂直于螺杆轴线的平面间的夹角。=30=30左右适于粉料，左右适于粉料，左右适于粉料，左右适于粉料，=l7=l7左右适于圆柱料，左右适于圆柱料，左右适于圆柱料，左右适于圆柱料，=15=15左右适于方块料。左右适于方块料。左右适于方块料。左右适于方块料。出于机械加工的方便，一般取D=t，=1740。u4导导程、螺距与升角 程、螺距与升角63u 螺纹的头数螺纹的头数n n 螺杆螺纹可以是单单头头的的，也可以是双双头头的的。多头螺纹用得较少，这是因为物料在多头螺纹中不易均匀充满，易造成波动。u螺纹棱部宽度螺纹棱部宽度e e1）e太小会使漏流增加，而导致产量降低，特别是对低粘度的熔体来说更是如此。2）e太大会增加螺棱上的动力消耗，有局部过热的危险。3）一般取e=(0.08-0.12)D。u螺螺纹纹的的头头数数n64常见螺杆螺纹的断面形状有三种uu1 1 矩矩形形：在螺槽根部有一个很小的圆角半径，它有最大的装填体积，而且机械加工比较容易，适用于加料段uu2 2 锯锯齿齿形形：改善了塑料的流动情况，有利于搅拌塑化，也避免了物料的滞留。适用于压缩段和均化段。uu3 3 双双楔楔形形：输送物料稳定，提高塑化效果，提高产量3050%。六六 螺纹断面形状螺纹断面形状u常常见见螺杆螺螺杆螺纹纹的断面形状有三种六的断面形状有三种六螺螺纹纹断面形状断面形状65七七 螺杆头部结构螺杆头部结构u当塑料熔体从螺旋槽进入机头流道时，其料流形当塑料熔体从螺旋槽进入机头流道时，其料流形式急剧改变，由螺旋带状的流动变成直线流动式急剧改变，由螺旋带状的流动变成直线流动。为得到较好的挤出质量。要求物料尽可能平稳地从螺杆进入机头，尽可能避免局部受热时间过长而产生热分解现象。这与螺杆头部形状、螺杆末端螺纹的形状以及 机头体中流道的设计和分流板的设计等有密切关系。u七七螺杆螺杆头头部部结结构当塑料熔体从螺旋槽构当塑料熔体从螺旋槽进进入机入机头头流道流道时时，其料流形式，其料流形式66根据常用的螺杆头的形状，分成以下几类：u1 1、钝的螺杆头、钝的螺杆头 总有因物料在螺杆头前面停滞而分解的危险，即使稍有曲面和锥面的螺杆头通常也不足以防止这一点，对以上形式的螺杆头一般要求装分流板。u2 2、带有较长锥面的螺杆头、带有较长锥面的螺杆头 也难免在螺杆的端点因停滞物料被烧焦的现象。u根据常用的螺杆根据常用的螺杆头头的形状，分成以下几 的形状，分成以下几类类：67u3 3、斜切截锥体的螺杆头、斜切截锥体的螺杆头 其端部有一个椭圆平面，当螺杆转动时，它能使料流搅动，物料不易因滞流而分解。u4 4、锥部带螺纹的螺杆头、锥部带螺纹的螺杆头 能使物料借助螺纹的作用而运动，主要用于电缆行业。u5 5、鱼雷头螺杆头、鱼雷头螺杆头 与料筒之间的间隙通常小于它前面的螺槽深度。有的鱼雷头表面上开有沟槽或加工出特殊花纹。“它它有有良良好好的的混混合合剪剪切切作作用用，能能增增大大流流体体的的压压力力和和消消除除波波动动现现象象”，常用来挤出粘度较大、导热性不良或有较为明显熔点的塑料。u3、斜切截、斜切截锥锥体的螺杆体的螺杆头头684.2.5 4.2.5 其它主要零部件其它主要零部件u1 料筒u2 分流板u3 传动装置u4.2.5其它主要零部件其它主要零部件1料筒料筒69 就料筒的整体结构来分，有整体料筒和组合料筒整体料筒和组合料筒。u整体料筒整体料筒 是在整体坯料上加工出来的。这种结构容易保证较高的制造精度和装配精度，也可以简化装配工作，便于加热冷却系统的设置和装拆，而且热量沿轴向分布比较均匀，自然这种料筒筒要求较高的加工制造条件。1 1 料筒结构料筒结构 u就料筒的整体就料筒的整体结结构来分，有整体料筒和 构来分，有整体料筒和组组合料筒。合料筒。1料筒料筒70u组合料筒组合料筒 是指一根料筒是由几个料筒段组合起来的。实实验验性性挤挤出出机机和排排气气式式挤挤出出机机多用组合料筒。前者是为了便于改变料筒长度来适应不向长径比的螺杆，后者是为了设置排气段。在一定意义上说，采用组合料筒有利于就地取材和加工，对中小型厂是有利的。但实际上组合料筒对加工精度要求很高。组合料筒筒各料筒段多用法兰螺栓联接在一起。这样就破坏了料筒加热的均匀性，增加了热损失。也不便于加热冷却系统的设置和维修。u组组合料筒合料筒71u双金属料筒双金属料筒 为了既能满足料筒对材质的要求，又能节省贵重材料，不少料筒在一般碳素钢或铸钢的基体内部镶一合金钢衬套。衬套磨损后可以拆出加以更换、衬套和料筒要配合好，要保证整个料筒壁上热传导不受影响；料筒和衬套间既不能有相对运动，又要能方便地拆出，这就要选择合适的配合精度。u双金属料筒双金属料筒72uIKVIKV料筒料筒料筒加料段内壁开设纵向沟槽料筒加料段内壁开设纵向沟槽为了提高固体输送率，由固体输送理论知，一种方法就是增加料筒表面的摩擦系数，还有一种方法就是增加加料口处的物料通过垂直于螺杆轴线的横截面的面积。在料筒加料段内壁开料筒加料段内壁开设纵向沟向沟槽和将加料段靠近加料口槽和将加料段靠近加料口处的一段料筒内壁做成的一段料筒内壁做成锥形就是形就是这两种方法的具体化。两种方法的具体化。uIKV料筒料筒73强制冷却加料段料筒强制冷却加料段料筒 为了提高固体输送量，还有一种方法。就是冷却加料段料筒，目的是使被输送的物料的温度保持在软化点或熔点以下，避免熔膜出现，以保持物料的固体摩擦性质。u采用上述方法后，输送效率由0.3提高到0.6。而且挤出量对机头压力变化的敏感性较小。u强强制冷却加料段料筒制冷却加料段料筒742 2 分流板分流板 在螺杆头部和口模之间有一个过渡区，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，该过渡区应当有一个决定于螺杆头形状和尺寸、口模形状和尺寸以及物料粘度的形状，该形状应当使熔体易于向口模流动。a ab bu2分流板分流板在螺杆在螺杆头头部和口模之部和口模之间间有一个有一个过过渡区，物料流 渡区，物料流过这过这一一75 分流板的作用分流板的作用使料流由螺旋运动变为直线运动使料流由螺旋运动变为直线运动。此外。分流板还可以提高熔体压力，使制品比较密实，当物料通过孔眼时，得以进一步均匀塑化，以控制塑化质量。u分流板的作用分流板的作用76分流板的形式分流板的形式 分流板有各种形式，目前使用较多的是结构简单、制造方便的平板式分流板。u分流板的形式分流板的形式77uu分流板上孔眼的分布原则：分流板上孔眼的分布原则：分流板上孔眼的分布原则：分流板上孔眼的分布原则：是使流过它的物料流速均匀。u孔眼多按同心圆周排列，也可按同心六角形排列。u孔眼的直径一般为37毫米，孔眼的总面积约为分流板总面积的3050%。uu分分分分流流流流板板板板的的的的厚厚厚厚度度度度：由挤出机的尺寸及分流板承受的压力而定，根据经验取为料筒内径的20%左右。u孔道应光滑无死角，为便于清洗物料，孔道进料端要倒出斜角。u分分流流板板的的位位置置：分流板至螺杆头的距离不宜过大，否则易造成物料积存，使热敏性塑料分解；距离太小，则料流不稳定，对制品质量不利，一般为0.1D（D为螺杆直径）。u分流板上孔眼的分布原分流板上孔眼的分布原则则：是使流：是使流过过它的物料流速均匀。它的物料流速均匀。783 3 传动系统传动系统传动系统是挤出机的重要组成部分，它的作用作用是驱动螺杆，给螺杆需要的转速和驱动螺杆，给螺杆需要的转速和扭矩，完成挤出过程。扭矩，完成挤出过程。u3传动传动系系统统传动传动系系统统是是挤挤出机的重要出机的重要组组成部分，它的作用 成部分，它的作用79u（1 1）交流整流子电机无级调速交流整流子电机无级调速 整流子电机工作特性与挤出机工作特性比较接近，调速范围，起动性等运转性能比较合适，价格也相对较低，因此我国原先的塑料挤出机等多采用此方式。u（2 2）直流电机无级调速）直流电机无级调速 这种方式目前在挤出机中已普遍采用，并已取代整流子电机，各项性能优异，但成本相对高一些。u（3 3）变频调速电机）变频调速电机 使用普通交流电机或使用变频电机加变频器调速，这是最近几年才发展的一种新的调速技术，发展较快。调速方式调速方式u（1）交流整流子交流整流子电电机无机无级调级调速速调调速方式速方式80安全保护装置安全保护装置 设置必要的、合理的安全保护装置，在发生堵转时可以有效防止设备事故的发生，比如：损坏机身、螺杆、机头、电机等u其形式有电器保护电器保护和机械保护机械保护两种。电器保护过载保护器（快速熔断器、过流继电器）机械保护安全销或安全键，在过载时，首先剪断销或键，起到保护作用。u安全保安全保护护装置装置81