用于塑料擠出機(jī)的節(jié)能高效螺桿設(shè)計(jì)與研究

摘 要：螺桿傳動(dòng)過(guò)程中能否達(dá)到節(jié)能及高效的效果對(duì)提高塑料擠出機(jī)的生產(chǎn)效率至關(guān)重要，筆者在對(duì)塑料擠塑機(jī)螺桿進(jìn)行詳細(xì)分析工作原理、坯料加工質(zhì)量要求和本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)工具的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，運(yùn)用Fluent流體數(shù)值模擬軟件，全真模擬了塑料擠出機(jī)螺桿在擠出過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于農(nóng)用塑料特別是塑料農(nóng)膜的高效節(jié)能、低成本高質(zhì)量、批量生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用起到了極大的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：塑料擠出機(jī)；螺桿；Fluent；流體模擬；塑料農(nóng)膜；應(yīng)用

塑料擠出機(jī)在農(nóng)膜生產(chǎn)過(guò)程中有著較為廣泛地應(yīng)用，我國(guó)的擠塑機(jī)相對(duì)發(fā)展較晚，在技術(shù)及設(shè)備上與國(guó)外先進(jìn)水平都存在較大差距，尤其是在生產(chǎn)效率和生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量方面缺乏創(chuàng)新。因此，有必要針對(duì)塑料擠塑機(jī)的關(guān)鍵零部件螺桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究，以提高塑料擠出機(jī)的性能。

1 擠出機(jī)現(xiàn)狀與技術(shù)分析

在整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，擠出機(jī)僅為擠出成型生產(chǎn)線的一個(gè)部分，其具體組成較為復(fù)雜，擁有獨(dú)立的冷熱控制系統(tǒng)、中心控制系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械擠壓系統(tǒng)，以上系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，在設(shè)備運(yùn)行參數(shù)可靠的前提下[1-3]，使產(chǎn)品的溫度和熔料分布更加均勻。擠出機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部件是螺桿，螺桿的設(shè)計(jì)分析和本體材料的質(zhì)量對(duì)一臺(tái)擠出機(jī)的整體綜合性能起著決定性作用。以往常見(jiàn)的螺桿一般由三部分組成，分別是加料部分、壓縮部分和均化部分，但是筆者在分析研究中發(fā)現(xiàn)，目前舊的三部分螺桿設(shè)計(jì)功能較為單調(diào)[4-7]，對(duì)于多種塑料擠出成型還不適用。

新型組合螺桿的組成更加全面，包含混煉部分、剪切部分、減壓部分、壓縮部分和輸送部分，這樣塑料本體的輸送狀態(tài)會(huì)得到有效的優(yōu)化和改進(jìn)，同時(shí)本體塑料的熔融速率也會(huì)大大提高，物料的分散混煉能力也大幅改善。這樣可以使塑料相比舊的螺桿技術(shù)更加均勻地實(shí)現(xiàn)塑化。

單螺桿塑料擠出機(jī)一般采用排氣機(jī)型，相比之下，其能耗不高、成本低廉，在提高塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量方面效果較好。對(duì)于有特殊要求的塑料產(chǎn)品加工，一般采用螺桿機(jī)筒，該設(shè)備在設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)雙螺桿的功能效果。目前有很大一部分塑料擠出機(jī)采用單螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品和設(shè)備技術(shù)水平高、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量高，可與雙螺桿擠出機(jī)的效果相媲美。

2 新型螺桿研究設(shè)計(jì)

2.1 新型螺桿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

新型螺桿結(jié)構(gòu)較為精密，工作原理復(fù)雜，涉及到的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)較多，主要有存在與機(jī)筒和新型螺桿之間的間隙尺寸、螺桿端部的樣式、新型螺桿的頭數(shù)、螺桿槽的深度尺寸、不同螺紋之間的螺距、螺紋加的升角度數(shù)、新型螺桿的整體外徑、螺桿的長(zhǎng)度與直徑比值、加料過(guò)程中第一個(gè)螺槽容積除以均化過(guò)程中最后一個(gè)螺槽容積。

2.2 新型螺桿Fluent數(shù)值模擬

將以上參數(shù)定值后，輸入到計(jì)算流體數(shù)值模擬軟件Fluent中，對(duì)擠塑機(jī)的新型螺桿擠出過(guò)程進(jìn)行全真模擬，采用數(shù)值模擬方法可以大量減少室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試壓次數(shù)，同時(shí)大大降低生產(chǎn)成本、進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。特別是在試驗(yàn)中涉及到高溫高壓的情況，采用Fluent數(shù)值模擬可更加安全高效。新型螺桿的設(shè)計(jì)主要有以下幾分段：計(jì)量段、混煉段、融化段、變化段和下料段。

2.3 新型高效分離螺桿設(shè)計(jì)

在螺桿的融化段設(shè)計(jì)中，筆者采用了細(xì)徑螺紋，細(xì)徑螺紋的直徑比原螺紋小，但螺距遠(yuǎn)大于原螺紋，這樣塑料原料可以更加容易地通過(guò)螺紋進(jìn)入固相槽和液體相槽。在螺紋橫截面積減小的過(guò)程中，對(duì)應(yīng)的固相槽尺寸相應(yīng)減小，液體相槽的相應(yīng)尺寸增加，最終產(chǎn)生了橫截面積增大的效果。在細(xì)徑螺紋的端面處，隨著液體相槽的相應(yīng)尺寸逐漸變大，最終使計(jì)量段的相應(yīng)尺寸變大。固相槽的尺寸變小，保證了設(shè)備中的氣體有效排出。伴隨著固相槽的體積變化，熔融物能有效通過(guò)螺紋的的縫隙，最終進(jìn)入液相槽，固體顆粒則被擋在固相槽中，新設(shè)計(jì)的新型螺紋能有效將固體與熔融物分離開(kāi)來(lái)，因此也被稱為新型高效分離型螺桿。

在生產(chǎn)的過(guò)程中，為使更多的熱量傳遞給固相槽，充分確保塑料的熔化，筆者對(duì)機(jī)筒與固相槽進(jìn)行了接觸設(shè)計(jì)，這樣熔融物在通過(guò)設(shè)備時(shí)將會(huì)產(chǎn)生更加強(qiáng)大的剪切效應(yīng)。新型設(shè)計(jì)保證了塑化后的液相材料在進(jìn)入固相槽前先進(jìn)行充分混合，創(chuàng)造出了紊流的流動(dòng)效果，液相的混合更加均勻，進(jìn)一步降低了熔融液相材料的差異性。當(dāng)伴隨著液相槽的尺寸逐漸變大，對(duì)應(yīng)的剪切力降低，這樣確保塑料液相的溫度在到達(dá)固相槽前一直保持穩(wěn)定。在該設(shè)計(jì)下，能將塑料中的固相和液相有效分離，使塑料的擠出過(guò)程更加高效，整套設(shè)備的尺寸也更加緊湊，塑料在熔化的過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)更加穩(wěn)定。新型螺桿設(shè)計(jì)能保證液相熔體保持較低的溫度，對(duì)于多種其它類型塑料的加工具有普適性。

3 螺桿混煉部分優(yōu)化設(shè)計(jì)

混煉部分的設(shè)計(jì)在整個(gè)塑料擠出機(jī)的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，因此在螺桿的設(shè)計(jì)過(guò)程中有必要對(duì)對(duì)混煉部分進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，與螺桿端部的距離為4倍半徑。沿著原螺桿的方向設(shè)計(jì)了多個(gè)縮徑槽，在縮徑槽內(nèi)安置細(xì)徑螺紋，固體顆粒的塑料不能通過(guò)細(xì)徑螺紋，液體塑料流動(dòng)到螺桿末端時(shí)形成渦流效應(yīng)，能夠順利通過(guò)細(xì)徑螺紋。這樣充分保證了塑料的混合與分離效果，同時(shí)在混煉段消耗了部分能量，塑料擠出產(chǎn)量減少，但按螺桿方向仍能實(shí)現(xiàn)有效輸送，整體而言影響較小。混煉部分的入口槽尺寸變小，出口槽尺寸變大，使塑料能有效通過(guò)入口槽進(jìn)入出口槽。

4 新型螺桿現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

新型螺桿進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，新設(shè)計(jì)的螺桿長(zhǎng)度和直徑比值為1：25，塑料擠出過(guò)程穩(wěn)定，產(chǎn)量相比舊螺桿提高了25%，同時(shí)由于固相槽和液相槽的設(shè)計(jì)使塑料固相與液相的分離更加高效。生產(chǎn)出的塑料薄膜在力學(xué)性能、透光性能、抗高溫性能、抗老化性能等方面均有了較大幅度的提高和改善。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)塑料擠塑機(jī)的新型螺桿進(jìn)行詳細(xì)分析其工作原理、坯料加工質(zhì)量要求和本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)工具的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，運(yùn)用Fluent流體數(shù)值模擬軟件全真模擬了塑料擠出機(jī)螺桿在擠出過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于農(nóng)用塑料特別是塑料農(nóng)膜的高效節(jié)能、低成本高質(zhì)量批量生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用起到了極大的指導(dǎo)作用。

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械的不斷發(fā)展創(chuàng)新，新型的塑料擠出機(jī)也在不斷被研發(fā)，其性能也不斷提高。在進(jìn)行塑料擠出機(jī)的設(shè)計(jì)中，充分利用數(shù)值模擬軟件也大大提高了科研的效率和質(zhì)量，也是未來(lái)塑料擠出機(jī)的發(fā)展方向。

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作者簡(jiǎn)介：

伍兆權(quán)（1991.12.03）男，漢族，廣東佛山，本科學(xué)歷，從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作。