淺談國內(nèi)蜂窩陶瓷連續(xù)擠出機的改進

楊街良，熊新波

江西省建筑材料工業(yè)科學研究設計院，江西 南昌 330001

1 蜂窩陶瓷擠出機的發(fā)展趨勢

現(xiàn)階段國內(nèi)蜂窩陶瓷擠出成型工藝以間歇式擠出為主，采用的是液壓活塞式擠出機。結(jié)構(gòu)簡單、投資少等特點。但缺點是間歇式成型，難以成型長度大于400mm的蜂窩陶瓷制品。很難應對大規(guī)模的和高質(zhì)量蜂窩陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。國外發(fā)達國家已經(jīng)研發(fā)出蜂窩陶瓷連續(xù)擠出成型設備，擠制力達10MPa，可以高質(zhì)量成型各種規(guī)格尺寸、各種孔型和壁厚的蜂窩陶瓷產(chǎn)品。國內(nèi)有戰(zhàn)略眼光的科研單位和裝備制造企業(yè)開始轉(zhuǎn)向連續(xù)擠出成型設備的研發(fā)。

經(jīng)過對蜂窩陶瓷擠出成型工藝的研究和對國內(nèi)外擠出成型設備技術(shù)優(yōu)缺點的比較，筆者認為連續(xù)擠出成型是蜂窩陶瓷行業(yè)的發(fā)展趨勢，下面筆者針對國內(nèi)的蜂窩陶瓷連續(xù)擠出機還存在的問題、及其原因以及改進方式進行簡單的探討。

2 國內(nèi)蜂窩陶瓷連續(xù)擠出機存在的的技術(shù)問題

國內(nèi)已經(jīng)有科研機構(gòu)和裝備制造企業(yè)對蜂窩陶瓷連續(xù)擠出機進行研發(fā)和試制，并且投入到市場應用（圖1 是國內(nèi)蜂窩陶瓷連續(xù)擠出機的常見結(jié)構(gòu)簡圖）。其工作的過程是：泥料先經(jīng)過擠出機上級（圖1 中1 號）攪拌、捏練，擠成條狀，泥條被切斷后進入真空室（圖1 中2 號）抽真空，然后泥料進入擠出螺旋（圖1 中4 號）槽內(nèi)，被擠出螺旋輸送、擠壓，最后通過模具（圖1 中5 號）擠出成型。

圖1 國內(nèi)蜂窩陶瓷連續(xù)擠出機的常見結(jié)構(gòu)簡圖

經(jīng)過對國內(nèi)蜂窩陶瓷連續(xù)擠出機應用的調(diào)研，筆者認為還存在以下問題：擠出螺旋升角設計不合理問題，造成國內(nèi)的連續(xù)擠出機擠出壓力不超過8MPa，擠出效率低，無法滿足生產(chǎn)需求；擠出壓力不均衡和不穩(wěn)定的問題，在模具（圖1 中5 號）截面上各點的壓力不均衡，并且截面上同一點的壓力表現(xiàn)不穩(wěn)定，具體表現(xiàn)在擠出成型過程中泥料在模具截面的各點擠出速度不同，導致擠出坯體變形；擠出過程泥料發(fā)熱嚴重問題，泥料的擠出成型過程中，泥料發(fā)熱，溫度升高過大，影響坯體的成型質(zhì)量；真空室易堵泥問題，泥料在被擠出機上級（圖1 中1 號）攪拌、捏練、擠成條狀并被切斷，進入真空室（圖1 中2 號）后，不能及時進入擠泥螺旋（圖1 中4 號）槽內(nèi)，然后堆積在真空室（圖1 中2 號），最后導致擠出機真空室堵泥，整機無法正常工作。

3 改進措施

根據(jù)調(diào)研國內(nèi)的連續(xù)擠出機存在的問題，筆者提出以下四條改進建議（圖2 是改進后的蜂窩陶瓷連續(xù)擠出機簡圖）：

圖2 改進后的蜂窩陶瓷連續(xù)擠出機簡圖

3.1 優(yōu)化擠泥螺旋的螺旋升角：

擠泥螺旋（圖2 中5 號）的螺旋升角在10°～25°為好。根據(jù)泥料的擠出特性以及泥料與擠出螺旋葉片的摩擦系數(shù)進行理論計算，可得到螺旋升角的取值范圍，理論分析如下：

3.1.1 對泥料擠出速度的分析：

觀察兩組患者護理干預后的焦慮和睡眠質(zhì)量，通過焦慮自評量表（SAS）評估患者的焦慮情緒，總共包括20個項目，低于50分為沒有焦慮，50～60分屬于輕度焦慮，61～70分屬于中度焦慮，70分以上為重度焦慮；通過匹斯堡睡眠指數(shù)量表評估患者的睡眠質(zhì)量，總分為0～21分，≥8分作為睡眠質(zhì)量評分標準，分數(shù)越高表示患者的睡眠質(zhì)量越好。

已知：擠出螺旋的中徑處的螺旋升角，用θ 表示；泥料被擠泥螺旋擠壓而產(chǎn)生軸向移動速度，用符合Va 表示；擠出螺旋中徑處的切向速度，用符號Vτ 表示；泥料相對擠出螺旋中徑處的圓周速度，用符號Vr 表示；以上符號具體見圖3。

根據(jù)：泥料在擠出螺旋中徑處的圓周速度Vr 可按平行四邊形法則分解為泥料的軸向移動速度Va 和泥料在螺旋中徑處的切向速度Vτ，（見圖3）：

圖3 擠出螺旋擠出速度分析

可得公式：Va=Vr×tanθ

由公式可知：在0°≤θ ≤90°的區(qū)間內(nèi)，隨著螺旋升角θ 的曾大，泥料的軸向移動速度Va 就越快。換而言之，在0°≤θ ≤90°的區(qū)間內(nèi)，θ 越大，擠出效率越高；

3.1.2 對泥料受力的分析：

已知：泥料受擠泥螺旋旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的正壓力，用F 表示；克服泥料沿著螺旋向后移動的摩擦力，用符號Ff 表示；泥料與螺旋葉片的摩擦系數(shù)，用f 表示（一般f=0.5）；以上符號具體見圖4。

根據(jù)：泥料受正壓力F 根據(jù)平行四邊形法則分解為切向分量Fτ 和軸向分量Fa。為了防止泥料在壓力的切向分量Fτ作用下沿著螺旋面向后移動而無法在螺旋槽內(nèi)形成穩(wěn)定的壓力區(qū)，泥料與螺旋葉片摩擦力Ff 應大于正壓力的切向分量Fτ，（具體見圖2）：

可得如下公式：

Ff=F×f ①

f=0.4 ②

Fτ=F×tanθ ③

Ff≥Fτ ④

由①②③④得：θ≤26.6°。也就是說：為了擠出螺旋內(nèi)要形成穩(wěn)定壓力，螺旋升角θ 不能大于26.6 度。

經(jīng)上述分析：螺旋升角θ 應在0°～26.6°范圍內(nèi)，但因為泥料的含水率、塑性和流動性的不同，泥料和擠出螺旋摩擦因素f 也會有微小變化，所以擠出螺旋的螺旋升角θ 取值在10°～25°范圍內(nèi)為好。

3.2 增加擠出螺旋支撐：

在擠泥螺旋末端增加軸承支撐結(jié)構(gòu)（見圖2 中9 號），將懸臂梁支撐的擠泥螺旋轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)梁支撐（超靜定結(jié)構(gòu)）。

將懸臂梁支撐的擠泥螺旋調(diào)整為連續(xù)梁支撐，就是增加了對擠出螺旋的支撐點，以此提高擠出螺旋的結(jié)構(gòu)剛度，防止在擠出過程中擠泥螺旋末端出現(xiàn)隨機偏擺，保證擠出螺旋與擠出泥缸同軸，達到擠出坯體斷面各點的壓力均衡的效果。但是要注意在安裝超靜定結(jié)構(gòu)部件時，要保證多點支撐的相對位置關(guān)系，防止出現(xiàn)過大的裝配應力，影響到零部件的使用壽命和正常運轉(zhuǎn)。

3.3 擠出螺旋和擠出泥缸都配套循環(huán)冰水冷卻系統(tǒng)：

擠出螺旋采用空心軸結(jié)構(gòu)，冷卻水管（見圖2 中6 號）安裝在空心的擠泥螺旋內(nèi)，并通過旋轉(zhuǎn)接頭（見圖2 中11 號）將冰水導入冷卻水管；擠出泥缸（見圖2 中4 號）外包冷卻水套（見圖2 中3 號），整體結(jié)構(gòu)見圖2。

與發(fā)熱的泥料直接接觸的零件是擠出螺旋（圖2 中5 號）和擠出泥缸（圖2 中4 號），所以對這兩個部件直接冷卻效果最佳。具體對擠出螺旋（圖2 中5 號）的冷卻過程是：在擠出軸上安裝旋轉(zhuǎn)接頭（見圖2 中11 號），冷卻冰水從旋轉(zhuǎn)接頭入口（見圖2 中A 入口）流入冷卻水管（見圖2 中6 號），然后流入擠出螺旋內(nèi)壁，對擠出螺旋進行冷卻，同時也帶走泥料的熱量，然后沿著擠出螺旋內(nèi)壁從旋轉(zhuǎn)接頭出口（見圖2 中B 出口）流出，最后流回冷水機；對擠出泥缸（見圖2 中4 號）的冷卻過程是：擠出泥缸外部設有冷卻水套（見圖2 中3 號），冷卻冰水從冷卻水套一端口（見圖2 中C 入口）流入，另一端口（見圖2 中D 出口）流出，達到對泥缸的冷卻效果。

3.4 采用輔助側(cè)螺旋喂料技術(shù)：

設置一個與擠出螺旋并列的且螺旋旋向相反的輔助側(cè)螺旋（見圖2 中10 號），其旋轉(zhuǎn)方向也與擠泥螺旋相反，整體結(jié)構(gòu)見圖2 的F-F 截面圖。

泥料經(jīng)過擠出機上級（見圖2 中1 號）的攪拌、捏練，擠成條狀并且被切斷，進入真空室脫氣。在真空室，條狀泥料將被對滾的輔助側(cè)螺旋（見圖2 中10 號）輕易的帶入擠泥螺旋槽中，讓泥料進入擠泥螺旋槽變得順暢，防止了真空室堵泥，保證擠出機順暢穩(wěn)定地工作。

4 結(jié)論

通過對國內(nèi)蜂窩陶瓷連續(xù)擠出機的擠出螺旋參數(shù)的優(yōu)化、擠出螺旋支撐方式的調(diào)整、真空室輔助進料方式的改進以及對擠出螺旋和擠泥缸冷卻方式的創(chuàng)新，國內(nèi)的蜂窩陶瓷連續(xù)擠出機的各項性能指標都會得到一個巨大的提升。