【正文】 可能會把熔體擠回排氣區(qū)，充滿排氣段，導(dǎo)致冒料；相反，威力防止排氣口堵塞，保持有效 的排氣效率，就必須使排氣段不充滿熔體，即希望熔體能盡快從第二計(jì)量段通過機(jī)頭擠出，這往往又會使擠出量波動，因此，設(shè)計(jì)時(shí)要兼顧二者，設(shè)法達(dá)到平衡。 2．二階單螺桿排氣擠出機(jī)的類型 盡管排氣擠出機(jī)工作原理相同，但結(jié)構(gòu)類型和螺桿的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)等方面往往相 差很大，這不僅取決于制造技術(shù)水平的高低，而且還取決于生產(chǎn)、科研需要的不同。 根據(jù)目前國內(nèi)外所設(shè)計(jì)和使用的排氣擠出機(jī)的情況來看，從排氣口的開設(shè)情況（亦既排氣段的多少）可分為二階和多階排氣式擠出機(jī)；只有一個(gè)排氣段的稱為二階排氣擠出機(jī)；有兩個(gè)或兩個(gè)以上排氣段的稱為多階排氣 擠出機(jī)。多階排氣擠出機(jī)比二階排氣擠出機(jī)多若干段排氣程序，因此可以滿足某些物料加工的特殊要求，在一般的情況下，當(dāng)工藝上只需要排除物料中所含的不凝性氣體和揮發(fā)物時(shí)，采用二階排氣擠出機(jī)（一次抽氣）已足夠有效，故目前用得較多的是二階排氣擠出機(jī)。 第 3 章 排氣擠出機(jī) 第 3． 1節(jié) 排氣擠出機(jī)的分類 目前國內(nèi)生產(chǎn)的二階單螺桿排氣擠出機(jī)有直排和直接抽氣式、旁路式、中空排氣和尾部排氣式擠出機(jī)。 （ 1） 和直接抽氣式排氣擠出機(jī) 圖 一般排氣擠出 工藝原理 所謂直排和直接抽氣式排氣擠出機(jī)，即是系統(tǒng)直接由第一計(jì)量段進(jìn)入 排氣段后，氣體是從設(shè)在排氣段的機(jī)筒上的排氣口排出的擠出機(jī)。如圖 所示，它的特點(diǎn)是螺桿加工較其它類型的排氣螺桿方便，加工物料的種類范圍較廣，較容易安裝加熱冷卻系統(tǒng)裝置，目前廣泛采用。 （ 2） 旁路式排氣擠出機(jī) 圖 旁路式排氣擠出機(jī) 上圖所示旁路式排氣擠出機(jī)的特點(diǎn)是在機(jī)筒上開有旁路系統(tǒng)，在旁路上安有調(diào)壓閥，以控制流量，在其螺桿的第一計(jì)量段末有一反向螺紋，以迫使物料 通過旁路進(jìn)入 排氣段，其優(yōu)點(diǎn)是可方便地控制流量，達(dá)到防止冒料的目的。但這種機(jī)臺的機(jī)筒形狀復(fù)雜，熱處理加工時(shí)容易變形，而且螺桿上的反螺紋制造亦較難，在機(jī)筒上也不易布置加熱冷卻裝置，它不適于加工熱敏性塑料，但易于安裝調(diào)壓裝置。 （ 3） 中空式排氣擠出機(jī) 圖 中空排氣式擠出機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 上圖所示中空排氣擠出機(jī)的特點(diǎn)是在其螺桿的第一計(jì)量段后面設(shè)有一個(gè)或幾個(gè)反螺紋，在反螺紋的作用下，使向前的料流被迫從開設(shè)在螺桿中心的孔中流到第二階螺桿 ，而氣體卻可以通過反螺紋到達(dá)排氣段，并從排氣段排氣口排出，脫除了氣體的物料經(jīng)壓縮和塑化后從機(jī)頭擠出。該排氣擠出機(jī)亦不使用于加工熱敏性塑料，但其機(jī)筒的結(jié)構(gòu)比旁路式的簡單，而螺桿的結(jié)構(gòu)卻復(fù)雜不易加工，因在螺桿的中心開了孔，之螺桿的冷卻長度受到限制。 （ 4） 尾部排氣擠出機(jī) 圖 尾部排氣式擠出機(jī) 圖 所示尾部排氣擠出機(jī)的特點(diǎn)是其螺桿有較短的壓縮段，且排氣口不開設(shè)在機(jī)筒上，而開在排氣段的螺桿上，氣體是從排氣口經(jīng)開在螺桿中心的孔中從螺桿尾部排出的，故稱其為尾部排氣擠出機(jī) 。此機(jī)臺的螺桿亦較復(fù)雜，其螺桿冷卻計(jì)受到限制，但在機(jī)筒的加工及安裝加熱冷卻裝置等方面比較容易。 第 3． 2節(jié) 排氣擠出機(jī)的結(jié)構(gòu) 排氣擠出機(jī)與普通擠出機(jī)的主要不同是螺桿與料筒的結(jié)構(gòu)，同時(shí)排氣擠出機(jī)還有一套排氣系統(tǒng)。圖 所示為一級排氣擠出機(jī)的螺桿與料筒結(jié)構(gòu)示意簡圖。排氣擠出機(jī)的螺桿可以看成是由前后兩根螺桿組成，第一根螺桿的出料端與排氣段相接。排氣段可以看成是第二根螺桿的加料段。這前后相聯(lián)的結(jié)構(gòu)決定了這兩根螺桿的產(chǎn)量相互牽制，相互影響。假如第一根螺桿的擠出能力大于第二根螺桿的進(jìn)料能力，則排氣口必然會冒料，影響正常 生產(chǎn)。假如第二根螺桿的擠出能力大于第一根螺桿，則排氣擠出機(jī)擠出不穩(wěn)定，影響擠出質(zhì)量，因此要使排氣擠出機(jī)能正常工作，這兩根螺桿的擠出能力，在轉(zhuǎn)速相同的條件下，必須相等。一臺高質(zhì)量的排氣擠出機(jī)，不僅要求擠出產(chǎn)量高、質(zhì)量好、能耗低，而且要求排氣口不冒料或少冒料。 因此，排氣擠出機(jī)的機(jī)筒和螺桿設(shè)計(jì)比普通用擠出機(jī)的要復(fù)雜的多。 圖 排氣擠出機(jī)結(jié)構(gòu)圖 ； ； ； ； ； 排 氣擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)類型很多，根據(jù)料筒上排氣口的數(shù)量，可以分為一級和多級，采用較多的是一級和二級；根據(jù)排氣條件可以分為自然排氣和抽真空排氣。排氣口的位置可以設(shè)在熔融段的前方，也可以設(shè)在熔融段的末端。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)材料的性能和最終所需達(dá)到的條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對粉末狀的原材料、原材料中所含揮發(fā)物的沸點(diǎn)比較低的，排氣口的位置應(yīng)放在熔融段的前端比較有利。對粒料，含高沸點(diǎn)揮發(fā)物的，排氣口的位置應(yīng)放在熔融段的后面。對要求擠出物中所含揮發(fā)物極限值比較高的可采用自然排氣，這樣不易冒料，對提高產(chǎn)量有利。但對含量極限值比較低的，則應(yīng)采 用真空排氣。對原材料中含揮發(fā)物量大的應(yīng)采用多級排氣螺桿，對固態(tài)料用抽真空排氣 效果比較明顯，但對熔體的效果就小得多了。 第 3． 3 節(jié) 排氣原理 塑料在通過排氣擠出機(jī)螺桿時(shí)，要經(jīng)歷比普通螺桿更為復(fù)雜的歷程，各段功能在直接影響整機(jī)性能的同時(shí)還會相互影響，相互促進(jìn)或牽制，設(shè)計(jì)螺桿的各段時(shí)，必須應(yīng)用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，使各段功能相互匹配，最優(yōu)組合，提高整機(jī)效率。偏面提高某一段功能，不但不能提高整機(jī)功能，有時(shí)甚至?xí)焕谄渌胃玫陌l(fā)揮功能。如設(shè)計(jì)排氣擠出機(jī)，假如把加料段的進(jìn)料能力提得很高，排氣段的排料能力達(dá)不 到要求，結(jié)果，螺桿轉(zhuǎn)速愈高，排氣口處的冒料量就愈大。為此，螺桿只能在較低的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行生產(chǎn)，產(chǎn)量不能有實(shí)質(zhì)性的提高。設(shè)計(jì)排氣擠出機(jī)的螺桿，排氣段的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，物料通過此段時(shí)突然降壓，有的還要受負(fù)壓的影響，物料必須早此段內(nèi)將所含高于極限值的所有揮發(fā)物放出，同時(shí)將排好氣的物料及時(shí)向前輸送。排氣段的長度不宜太長，太長不僅增加了螺桿的總長，同時(shí)增加了冒料的危險(xiǎn)。因此，設(shè)計(jì)排氣擠出機(jī)螺桿，如何提高排氣段的效率至關(guān)重要，也是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。 本文將對 f 90 橡膠排氣擠 出機(jī)在傳統(tǒng)機(jī)型的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。從理論結(jié)合實(shí)踐設(shè)計(jì)出一套擠出機(jī)的主機(jī)系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行比較。 90 橡膠排氣擠出機(jī)是一個(gè)有機(jī)整體，對它的開發(fā)設(shè)計(jì)必然要求綜合材料，材料加工，實(shí)踐等多方面的知識。由于本人知識結(jié)構(gòu)的局限，對聚合物加工、高分子材料、高分子材料加工機(jī)械設(shè)計(jì)及流體動力學(xué)等理論和設(shè)計(jì)實(shí)踐還有許多認(rèn)識不足，懇請各界師長、學(xué)人和朋友批評指正。 第 4 章 設(shè)計(jì)排氣擠出機(jī) 第 4． 1節(jié) 排氣擠出機(jī)主要組成部分 （ 1） 一臺擠出成型設(shè)備通常又主機(jī)、輔機(jī)及其控制系統(tǒng)組成。 1）主機(jī) 主機(jī)主要 由以下三部分組成： ① 擠壓系統(tǒng) 它主要由機(jī)筒、襯套和螺桿組成，是擠出機(jī)的關(guān)鍵部分。 ② 傳動系統(tǒng) 其主要作用是驅(qū)動螺桿，保證螺桿工作過程中、所需的扭距和轉(zhuǎn)速。 ③ 加熱冷卻系統(tǒng) 它保證塑料和擠壓系統(tǒng)在成型加工中的溫度要求。 2）輔機(jī) 擠出設(shè)備的組成根據(jù)制品的種類而定的。一般來說輔機(jī)是由機(jī)頭、定性裝置、冷卻裝置、牽引裝置、切割裝置等組成。 3）控制系統(tǒng) 擠出機(jī)的控制系統(tǒng)主要由電儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，其主要作用： ① 控制主、輔機(jī)的拖動系統(tǒng)，以滿足工藝要求的轉(zhuǎn)速和功率。 ② 控制主輔機(jī)的溫度、壓力、流量和制品的質(zhì)量。 ③ 實(shí)現(xiàn)整個(gè)擠出機(jī)的自動控制。 一般來說，主機(jī)在整個(gè)設(shè)備中是最主要的部分，而在主機(jī)部分中擠壓系統(tǒng)是最主要的。傳動系統(tǒng)和加熱冷卻系統(tǒng)是為了保證擠出機(jī)正常工作服務(wù)的。在輔機(jī)的各項(xiàng)組成部分中，機(jī)頭的設(shè)計(jì)和制造往往是比較復(fù)雜的。隨著情況的轉(zhuǎn)變，這些矛盾可以相互轉(zhuǎn)化。 （ 2） 擠出機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)有：螺桿直徑（指 螺桿外圓直徑 Ds ）、螺桿的長徑比 /LDs （即螺桿的工作部分長度與 Ds 之比值）、螺桿轉(zhuǎn)速范圍、拖動主螺桿的功率 N、機(jī)器的生產(chǎn)能力 Q、機(jī)筒的加熱功率和機(jī)筒的分段數(shù)、機(jī)器的中心高度和外形尺寸（長、寬、高）等，這些是衡量和選用擠出機(jī)的主要根據(jù)，也是設(shè)計(jì)擠出機(jī)時(shí)首 先確定的技術(shù)參數(shù)。 ① 生產(chǎn)能力 生產(chǎn)能力是設(shè)計(jì)螺桿的主要指標(biāo)之一。不同規(guī)格的螺桿 的指標(biāo)不一樣。同一種規(guī)格的螺桿由于結(jié)構(gòu)和幾何的差異或者由于螺桿的差異，加工同一種物料的生產(chǎn)能力也不同。因此，必須有一個(gè)衡量生產(chǎn)能力的標(biāo)準(zhǔn)。其中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是生產(chǎn)能力 Q 和螺桿 n 的轉(zhuǎn)速之比，稱為比流量 Q/n。 熔料在螺桿中流動時(shí)，在不考慮漏流的影響下，對單頭螺紋其生產(chǎn)率簡化公式為： 22 1 1 1s in c o s2sD nhQ ? ? ?? （ ） 其中： sD — 螺桿直徑（厘米） n — 螺桿轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn) /秒） Q — 生產(chǎn)能力（ 3/厘 米 秒 ） 1h — 第一計(jì)量段螺槽深度（厘米） 1? — 第一計(jì)量段螺桿的螺旋升角 把 sD =9cm， n=75r/min=， 1h =1cm， 1? = o17 代如到以上公式可得 222229 1 .2 5 1 sin 1 7 c o s 1 729 1 .2 5 1 0 .2 9 0 .9 621 3 8 /ooQc m s??? ? ? ? ??? ? ? ? ??? ② 功率消耗 從擠出機(jī)的能量平衡來看，在擠壓系統(tǒng)中對物料所消耗的能量應(yīng)等于對物料的加熱能量和對螺桿的輸入功率的總合。通常以螺桿每單位生產(chǎn)能量的所消耗的機(jī)械功率作為衡量的標(biāo)準(zhǔn)，稱為螺桿的單耗 N/Q。螺桿的單耗值越大，說明螺桿的機(jī)械功率對物料進(jìn)行剪切和摩擦作用而轉(zhuǎn)化為熱能越多，機(jī)械功率轉(zhuǎn)化的熱能越多，可能引起局部過熱，甚至造成物料的分解，影響制品的質(zhì)量 ：另一方面增加螺桿的傳動裝置的湖負(fù)載或螺桿和機(jī)筒局部冷卻造成浪費(fèi)。因此在保證物料塑化的前提下，螺桿的單耗應(yīng)以底值為好。 ③ 擠出物的質(zhì)量 擠出物的質(zhì)量包括外觀質(zhì)量、擠出物的混合質(zhì)量、擠出物的擠出溫度在徑向上的 溫度差值、溫度隨時(shí)間波動的軸向溫差、擠出的壓力波動等方面的內(nèi)容。 擠出物的外觀質(zhì)量是指擠出物在擠出時(shí)表面是否出現(xiàn)不光滑、波浪形、鯊魚皮形等。 擠出物的混合質(zhì)量指擠出物的各組分的分散程度?；旌腺|(zhì)量好表明制品的各點(diǎn)的性能均勻性好。 擠出物的擠出溫度是指保證塑化的前提下，擠出物擠出時(shí)的溫度的高低。擠出物的基礎(chǔ) 溫度低，制品容易定型、可以縮短對制品的冷卻時(shí)間，能減輕輔機(jī)的冷卻負(fù)擔(dān)。 軸向溫差指螺桿頭部前面某一軸向位置上物料的溫度隨著時(shí)間而伯父動的溫度差值。徑向溫差是指在螺桿頭部前面某一垂直于物料流動方向的截面上徑向各點(diǎn)的溫度差值。這兩種差值太大容易使制品尺寸不均、變形、甚至造成局部過熱分解，降低制品的性能。 ④ 螺桿加工制造容易，使用壽命長 螺桿的加工制造困難，影響螺桿的造價(jià)。使用壽命短，機(jī)臺的經(jīng)濟(jì)性差。 ⑤ 機(jī)頭壓力的計(jì)算 膠料在擠出機(jī)內(nèi)流動的過程中，由于受到機(jī)頭內(nèi)腔流道的阻力和螺桿的壓縮作用，使機(jī)筒內(nèi)膠料的壓力 有加料口開始沿膠料流動的方向逐漸升高，到螺桿頭部 附近達(dá)到最大值，該值習(xí)慣上稱為機(jī)頭壓力。機(jī)頭壓力的大小與螺桿的幾何參數(shù)、螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)筒內(nèi)表面與螺棱頂部的間隙、膠料的性質(zhì)、機(jī)頭結(jié)構(gòu)以及口型截面等有關(guān)。對普通螺桿而言 ,膠料壓力在螺桿頭端 形成最大值 .對于帶有屏障頭的螺桿 ,從喂料口到螺桿頭端會形成兩個(gè)壓力峰值 ,其最大的仍在螺桿的頭部附近。 在正常操作的條件下，當(dāng)螺桿擠出機(jī)達(dá)到操作溫度后，擠出壓力可以達(dá)到310MPa，如果操作條件不合理，膠料沒有達(dá)到預(yù)熱的溫度，或者口型截面較小時(shí)，擠出壓力可以達(dá)到 13MPa。通常 壓型擠出機(jī)的擠出壓力是 10MPa 左右，濾膠機(jī)為15MPa 左右。 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中為冷喂料濾膠機(jī)，機(jī)頭壓力主要用于螺桿、機(jī)筒及其它一些零件的校核時(shí)使用，為了安全起見，將機(jī)頭壓力假定為 50MPa。 ⑥ 驅(qū)動功率影響到機(jī)器能否正常生產(chǎn)，它直接決定成本的高低。它與所加工物料的品種、螺桿的長徑比、轉(zhuǎn)速、擠出工螺桿的幾何形狀等多種因素有關(guān)，目前排氣螺桿的驅(qū)動功率一般還是靠實(shí)驗(yàn)、類比和經(jīng)驗(yàn)公式來確定，當(dāng)然，在條件具備的情況 下亦可用理論公式來進(jìn)行計(jì)算。 排氣擠出機(jī)的驅(qū)動功率應(yīng)為一、二階螺桿所消耗的驅(qū)動功率之和，即 I IIN N N?? （ ） 式中 N — 排氣擠出機(jī)所消耗的驅(qū)動功率（千瓦） IN — 排氣螺桿第一階所消耗的驅(qū)動功率（千瓦） IIN — 排氣螺桿第二階所消耗的驅(qū)動功率（千瓦） 在計(jì)算 IN 、 IIN 時(shí)，可參考普通螺桿的驅(qū)動功率的計(jì)算方法進(jìn)行。但這時(shí)還必須注意到他們之間還存在一些異同點(diǎn)。如第一計(jì)量段末的壓力是否為零，物料在到達(dá)第二階時(shí)是否處于基本熔融塑化的狀態(tài)等情況來考慮。 下表列出了部分排氣擠出機(jī)的驅(qū)動功率，供設(shè)計(jì)時(shí)參考。 表 部分排氣擠出機(jī)的驅(qū)動功率 螺桿直徑 sD (毫米 )