利用水環(huán)流裝置解決木塑擠出機分段溫度耦合

曹 鍵，徐凱宏，谷志新

（東北林業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

在全球資源的日益短缺的大環(huán)境下，節(jié)能環(huán)保的材料越來越被人們所關(guān)注。而木塑復合材料（Wood-plastics composites）恰恰符合節(jié)能環(huán)保的要求[1]。它是將塑料與木質(zhì)材料通過各種復合方式所制成的一種綠色環(huán)保型復合材料。既能減少農(nóng)作物、塑料等產(chǎn)生的環(huán)境污染，又能對廢棄物再利用，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保[2-3]。木塑復合材料具有易成型性和易加工性的特點。不但可以任意粘接、切割、涂飾，還具有使用壽命長、抗蟲蛀強、吸水少等優(yōu)點，故被廣泛應用于家具、建材、物流包裝等各個領(lǐng)域[4]。

擠出機起源于18世紀，由英格蘭的Joseph Bramah于1795年制造的手動活塞式壓出機被認為是世界上第一臺擠出機[5]。隨著技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，根據(jù)螺桿、工藝的不同已經(jīng)研制出了各種類型的擠出機。雖然單螺桿擠出機應用最早，但其憑借經(jīng)濟性強、易操作、易改良、使用范圍廣等特點仍然被廣泛應用。目前我國木塑擠出機行業(yè)其中80%～85%使用的是單螺桿擠出機[6-7]。文章的水環(huán)流裝置就是基于單螺桿木塑擠出機裝備設(shè)計和使用的。

1 木塑材料擠出機的工作原理

木塑復合材料的擠出成型原理簡單來說，就是通過擠出機中螺桿的旋轉(zhuǎn)、擠壓、加熱等一系列方式將塑料和木質(zhì)纖維兩種物料充分熔融、混合。然后通過螺桿對機頭口模的擠壓成型[8]。

木塑擠出機生產(chǎn)線主要包括主機和輔機兩部分。主機部分由傳動系統(tǒng)、擠壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和加熱冷卻系統(tǒng)組成[9]。而水環(huán)流裝置就是作為隔熱冷卻系統(tǒng)的一部分。輔機部分由冷卻定型箱、牽引機、切割裝置等組成。木塑擠出機的主要成型設(shè)備由圖1所示：

圖1 木塑擠出成型設(shè)備的組成Fig 1 Diagram of WPC extrusion molding equipment

木塑擠出機整個工作過程大致如下：首先，將配制好的混合物料通過加料料斗送入擠出機中，物料在螺桿的旋轉(zhuǎn)下被向前輸送，在料筒內(nèi)熔融塑化為均勻熔體。然后在螺桿的推動下進入機頭口模，從口模中擠出成型。最后在牽引機的作用下，材料不斷向前運送。同時經(jīng)過冷卻定型箱冷卻。最后被切割成標準型材制品[10]。在整個過程中擠出機是整個木塑成型設(shè)備中的最主要的部分。

2 木塑擠出成型工藝的關(guān)鍵因素

影響木塑擠出制品質(zhì)量的可變因素有很多，包括機頭壓力、擠出速度、溫度、口模間隙、真空定型等[11]。其中溫度、機頭壓力和擠出速度較為關(guān)鍵的因素[12]。

2.1 機頭壓力

機頭壓力的大小直接影響木塑復合材料的加工性能和外觀質(zhì)量。在木塑材料擠出成型的過程中，物料在機筒內(nèi)部同時受到螺桿的擠壓和機頭的反作用力，使木塑材料達到熔體混合、密實、塑化。當機頭壓力不足吋，會造成木塑制品的內(nèi)在密實性差，導致生產(chǎn)不連續(xù)， 制品表面粗糙，外觀質(zhì)量欠佳從而影響擠出質(zhì)量。要得到適合的機頭壓力，可以通過調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速和機頭溫度來實現(xiàn)。

2.2 擠出速度

擠出速度也是影響木塑制品質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。擠出速度主要受螺桿轉(zhuǎn)速，螺桿、料筒和機頭的結(jié)構(gòu)等因素的影響。在外界條件一定的情況下，螺桿轉(zhuǎn)速直接影響擠出速度。轉(zhuǎn)速過低時，木塑材料塑化和混合不充分。同時會在流道內(nèi)停留時間長，導致物料冷卻固化過早。對產(chǎn)品質(zhì)量造成影響；轉(zhuǎn)速過高時，機筒內(nèi)物料受到的摩擦力、擠壓力增大，導致機筒內(nèi)熱量過大。會使木塑材料發(fā)生焦化降解。

2.3 溫度

溫度是木塑復合材料擠出成型過程中極其重要的因素，溫度的控制對擠出制品的質(zhì)量影響非常大，貫穿于整個木塑擠出過程中。擠出成型過程中，物料的熱量來源于料筒外加熱器傳導的熱和物料被壓實沿螺槽移動過程中與料筒、螺桿及物料之間相互作用所產(chǎn)生的熱。

擠出溫度過高會使物料易降解，熔體的粘度降低，擠出壓力不足，造成制品表面粗糙，強度差，影響擠出質(zhì)量；擠出溫度過低會使塑料塑化不良，包裹木粉不充分，也會影響制品的強度[13]。同時，整個過程對于口模溫度的控制精度要求很高，溫度過低或過高都會使熔體破裂。溫度的控制包括對料筒和機頭的溫度控制。目前經(jīng)過專家研究木塑擠出機實際加工過程中各段溫度標準如表1所示：

表1 擠出機各段溫度參數(shù)Table 1 The temperature parameters of extruder

料筒溫度（Ⅰ～Ⅱ）：料筒溫度直接影響木塑材料的混煉塑化效果。在木塑復合材擠出成型過程中，為使松散的冷料在加料口附近不黏在一起，保證其在固體輸送段順利輸送，加料段的溫度不宜過高[14]。當物料在進料段時，料筒進料段的溫度不宜過高，應控制在165 ℃左右。溫度過高會使木塑纖維直接碳化。當物料進入熔融段時，料筒的溫度可以升高一些，保持在180 ℃左右。這樣可以使木質(zhì)纖維材料和熱塑性塑料在熔融段充分混合、塑化，從而便于木塑材料在機頭段的擠出成型。

機頭溫度（III）：機頭溫度的高低直接影響木塑材料的成型質(zhì)量。如果機頭溫度過高，會降低木塑材料的熔體黏度。導致機頭壓力降低，增加定型難度、甚至無法成型。擠出的制品不僅表面粗糙，而且強度差、不耐用。如果機頭溫度過低，會增大木塑材料的熔體黏度。使熔體流動困難，導致物料在料筒內(nèi)過早冷卻固化，在流道內(nèi)填充不足，使機頭壓力增加，擠出機的負荷加大，成型困難。為了保證熔體的擠出質(zhì)量，機頭溫度應控制在190 ℃左右[15]。

2.4 溫度耦合

在木塑復合材料擠出過程中，需要對溫度進行精確的控制，以便合理的設(shè)置溫度參數(shù)，利于擠出成型。而且為了保證擠出產(chǎn)品的質(zhì)量，工藝要求物料在擠出機機筒中不同部位有不同的溫度，因此機筒各個溫度控制區(qū)域的溫度設(shè)定值不同。但是，由于各區(qū)域在物理空間上相距較近，相互之間的熱量傳遞劇烈，所以區(qū)域之間有強烈的溫度干擾。例如，在系統(tǒng)溫度保持穩(wěn)定的狀況下，提高單一區(qū)域加熱量會造成其余相近區(qū)域溫度的升高，從而引起多個區(qū)域的溫度波動[16]。這種作用使得各區(qū)域之間的相互依賴性加強，形成緊耦合。

對于解決溫度耦合問題，國內(nèi)外大多研究控制算法，解決溫度耦合問題。但是對于解決溫度耦合的冷卻裝置研究，尚無涉及。只在算法中優(yōu)化，沒有實際裝置工藝的支持，還是無法真正的實現(xiàn)木塑制備過程中溫度耦合問題的解決。

3 水環(huán)流裝置

3.1 水環(huán)流裝置工藝的總體設(shè)計

國內(nèi)外對于解決木塑擠出機分段溫度耦合問題的裝置研究尚少。設(shè)計一套隔溫解耦合裝置是十分必要的。

本文設(shè)計的是利用水流循環(huán)，來阻隔擠出機各段的溫區(qū)。通過冷水在裝置內(nèi)的循環(huán)流動，使高溫區(qū)的溫度下降，從而阻止高溫區(qū)的溫度向低溫區(qū)傳遞，影響低溫區(qū)的溫度控制。水環(huán)流只是整個溫控系統(tǒng)中的一個創(chuàng)新的隔熱冷卻裝置，需要與溫度傳感器、控制器等共同作用，才能實現(xiàn)各段溫區(qū)的溫度解耦合。

3.2 水環(huán)流裝置結(jié)構(gòu)

整個水環(huán)流裝置通過法蘭連接在各段料筒之間。法蘭(f l ange)連接就是把兩個管道、管件或器材，先各自固定在一個法蘭盤上。在兩個法蘭盤之間，加上法蘭墊，用螺栓緊固在一起，完成了連接。法蘭連接使用方便，能夠承受較大的壓力。

以進料段與熔融段之間的水環(huán)流裝置為例，結(jié)構(gòu)如圖2、3所示。在兩個法蘭之間焊接成一個套在擠出機料筒的封閉圓環(huán)柱形套箱。整個圓柱套箱高五公分、長兩公分，在箱壁上下分別有進水孔和排水孔，分別連接到進水管與排水管。

圖2 水環(huán)流裝置等軸圖像Fig. 2 Water circulation device shaft

圖3 水環(huán)流裝置側(cè)視圖像Fig. 3 Water circulation device side view

進水管道焊接在環(huán)流套的中央，保持斜向上的角度，使水流沖入在環(huán)流套中，防止直接沖在料筒內(nèi)壁，造成環(huán)流失效。每個水環(huán)流裝置的進水管都分別連接到一個主管道，運行時控制每個管道閥門的開關(guān)。這種設(shè)計方便控制、節(jié)約成本，還可以根據(jù)水環(huán)流裝置數(shù)量的改變增減管道數(shù)量。進水過程如圖4所示：

圖4 進水系統(tǒng)示意圖像Fig. 4 Schematic diagram of water system

排水管道焊接在進水孔的下方，冷水環(huán)流一圈后從排水孔排出。每個排水管道連接到集中存水池中，待熱水冷卻到適宜溫度后，可連接到進水主管道繼續(xù)使用。實現(xiàn)裝置水源的循環(huán)使用，節(jié)能環(huán)保。

3.3 水環(huán)流裝置的位置選取與運行

在本文中，需要兩個水環(huán)流裝置，分別安放在整個擠出機的進料段與熔融段之間、熔融段與機頭段之間。可以根據(jù)擠出機的類型、大小、工作段的不同選取不同數(shù)量的水環(huán)流裝置。

以進料段與熔融段之間為例，水環(huán)流整個運行過程如圖5所示。當溫度傳感器檢測到熔融段溫度到175 ℃時，控制器通過運算立即發(fā)出控制信號，打開水環(huán)流的進水閥，冷水從進水孔沖入，在水環(huán)流箱內(nèi)與料筒外壁之間環(huán)繞，從排水孔流出。從而實現(xiàn)阻隔熔融段的高溫傳遞到進料段。當熔融段溫度減低到設(shè)定溫度后，控制器發(fā)出控制信號，關(guān)閉水環(huán)流閥門。

圖5 水環(huán)流運行過程示意圖像Fig. 5 Schematic diagram of water circulation process

4 結(jié) 論

該裝置在木塑擠出機分段溫度控制系統(tǒng)試驗中，能夠較好地為分段精度溫度控制的實現(xiàn)提供幫助。但是，水環(huán)流裝置只是溫控系統(tǒng)中一種創(chuàng)新的阻隔冷卻裝置，要想達到整個分段溫度的精確控制還需要有智能的溫度控制算法、精確的溫度傳感器和運算能力強大的控制器。整個溫度控制系統(tǒng)經(jīng)過試驗證明，已經(jīng)達到預期要求。可以實現(xiàn)各段溫度的精確控制，控制精確度可以達到±0.8 ℃。

此裝置不僅可以用在木塑復合擠出機中。還可以根據(jù)設(shè)備的不同和對象不同，稍加更進推廣到其他類型擠出機和受到分段耦合影響的機械設(shè)備當中。裝置未來具有很強的推廣性和可行性。

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