【導(dǎo)讀】本次設(shè)計(jì)論述了PP-R管材的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r、特點(diǎn)以及應(yīng)用等等。生無(wú)毒的新型節(jié)能管材。已廣泛應(yīng)用于工業(yè)建筑、及生活家庭中。同時(shí)本設(shè)計(jì)對(duì)其原料配方、工藝流程、設(shè)備選型等進(jìn)行了重點(diǎn)敘述。選址到選材都經(jīng)過(guò)了全面的調(diào)查篩選，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理性。首先確定其工藝參數(shù)，流程圖、平面布置圖以及擠出機(jī)機(jī)頭零件圖。

　　

【正文】 例。管材的擠出成型過(guò)程就是將顆粒料或粉料從料斗加入到擠出機(jī)機(jī)筒中，物料在機(jī)筒中被塑化后，熔融物料在旋轉(zhuǎn)的螺桿的推動(dòng)下通過(guò)機(jī)頭與環(huán)形縫隙，沿螺旋槽向前方 輸送，通過(guò)具有一定形狀的擠出模具即機(jī)頭，形成管狀物，經(jīng)過(guò)冷卻定型裝置定型，再進(jìn)入冷卻水槽中近一步冷卻，待充分冷卻后的管子由可調(diào)節(jié)牽引速度的牽引裝置均勻拉出，最后由切割裝置按規(guī)定的長(zhǎng)度切割，即可得到一定壁厚和長(zhǎng)度的塑料管材。 無(wú)規(guī)共聚聚丙烯管材的擠出工藝路線與普通聚丙烯管材成型工藝路線相同，都采用單螺桿擠出機(jī)。 PPR 樹脂的粘度低，流動(dòng)性好，且為粒料形式，單螺桿擠出機(jī)較適合它的擠出成型。由于本次設(shè)計(jì)產(chǎn)量要求較小，且精度要求較高，因此本次設(shè)計(jì)生產(chǎn)方法采用單螺桿連續(xù)擠出成型技術(shù)。 根據(jù) PPR 管材的特性和生產(chǎn)要 求，采用以下生產(chǎn)工藝流程： PPR 專用料、色母料 冷混 真空上料 單螺桿擠出 成品 切割 牽引 噴淋冷卻 真空定徑 （ 1）混料 [15] 混料裝置主要有轉(zhuǎn)鼓式混合機(jī)、螺帶混合機(jī)、 Z 型捏合機(jī)、高速混合機(jī)。 轉(zhuǎn)鼓式混合機(jī)的混合作用主要 是靠承載物料的混合室的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成混合。為了強(qiáng)化混合作用，內(nèi)壁上加設(shè)曲線型擋板以便在混合室轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)引導(dǎo)物料由混合室的一端流向另一端，只能用于固體粉狀或粒狀物料的混合，混合效果與混合室的形狀有關(guān)，還與安裝形式、轉(zhuǎn)速與填充率有關(guān)，一般轉(zhuǎn)鼓式混合機(jī)的填充率較小。 螺帶式混合機(jī)的混合作用是靠螺帶的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)物料翻轉(zhuǎn)，適用于粒狀或粉狀塑料與添加劑的混合，此設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作維修方便、耗能較低，但混合強(qiáng)度小，混合時(shí)間也較長(zhǎng)。 高速混合機(jī)主要由一個(gè)圓筒形的混合室和設(shè)在混合室內(nèi)的攪拌裝置組成，其中攪拌裝置包括位于混合室地步的快速 轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪和可垂直調(diào)整高度的擋板，混合室可加熱，能用于高分子材料的混色、配填料表面處理及共混材料的預(yù)混，混合效率高、混合時(shí)間較短、有效容積大。 本次設(shè)計(jì)生產(chǎn)原料為粒料，所以省略擠出造粒工段，只需要將原料與色母料進(jìn) 16 行充分混合而已，且生產(chǎn)量較小，為了節(jié)約成本，選擇螺帶式混合機(jī)。 （ 2）上料 上料方式有人工上料和機(jī)械上料。因?yàn)楝F(xiàn)今 PPR 管材生產(chǎn)的自動(dòng)化程度較高，需準(zhǔn)確計(jì)量進(jìn)料量，所以選擇機(jī)械上料。機(jī)械上料主要有螺旋上料和真空上料兩種方式，螺旋上料占地面積大，工作時(shí)噪音大，上料量主要靠人工控制，適用于粒料的上料；真 空上料比較先進(jìn)，靠真空將物料吸入料斗內(nèi)，工作環(huán)境好，可以由電腦控制上料時(shí)間和進(jìn)料量，適用于粒料、粉料的進(jìn)料。大型、高速高效擠出機(jī)均配有自動(dòng)上料裝置，因而，選擇真空上料機(jī)作為上料裝置。 （ 3）擠出 本次設(shè)計(jì)選用的擠出設(shè)備為單螺桿擠出機(jī)，擠出機(jī)理為螺桿旋轉(zhuǎn)剪切，并在加熱作用下使物料塑化，熔融的物料通過(guò)機(jī)頭后成型。 單螺桿擠出機(jī)是由一根阿基米德螺桿在加熱的料筒中旋轉(zhuǎn)構(gòu)成的機(jī)型。它是一種應(yīng)用最多的通用型擠出機(jī)，它的特點(diǎn)是：擠出系統(tǒng)由一根螺桿和機(jī)筒配合而成，這種擠出機(jī)只要更換不同結(jié)構(gòu)形式的螺桿，就可以完成多種塑料 的擠出成型工作。適合于制備管材。 （ 4）定徑 [16] 管材的定型方法主要有內(nèi)徑定型法和外徑定型法，內(nèi)徑定型法在芯模延長(zhǎng)軸內(nèi)通冷水，靠芯模延長(zhǎng)軸的外徑確定管材內(nèi)徑，要求機(jī)頭阻力小，流道長(zhǎng)，但定型結(jié)構(gòu)裝置復(fù)雜，塑料在機(jī)頭內(nèi)流動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，容易有死角，發(fā)生過(guò)熱降解，不適用于熱敏性塑料。由于內(nèi)定徑法生產(chǎn)擠出制品需要的牽引力比外定徑大，所以通常采用外定徑發(fā)生產(chǎn)。 外徑定型法有充氣定徑和真空定徑，充氣定徑是指在機(jī)頭芯棒上打孔，往管內(nèi)通入壓縮空氣，管外加冷卻定型套這種定徑套的機(jī)構(gòu) 簡(jiǎn)單，但是冷卻不夠均勻，廣泛用于中小型管材生產(chǎn)中。 真空定徑技術(shù)是一種應(yīng)用非常廣泛的管材定徑技術(shù)，特別適用于薄壁管材。這是一種借助管外抽真空而將管外壁吸附在定徑套內(nèi)壁上進(jìn)行冷卻，一確定管材外徑尺寸。真空定徑套定徑比較簡(jiǎn)單，不需要?dú)庵?，廢料較少，定徑效果也較內(nèi)壓定徑法好，管材外表面光滑，壁厚均勻，不適用于大口徑管材。 本設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 PPR 管材選用真空外定徑方式定型。 （ 5）冷卻 管材通過(guò)冷卻定型裝置后，并沒(méi)有使管材完全冷卻到熱變形溫度以下，如果不繼續(xù)冷卻，在其管壁徑向方向上存在的溫度梯度會(huì)使原來(lái)冷卻的表面溫 度上升，引化工與材料工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 起變形，因此需要繼續(xù)冷卻。 最長(zhǎng)見(jiàn)的管材冷卻方式有三種：浸浴式冷卻水槽冷卻、噴淋式冷卻水箱、噴霧式水槽冷卻。第一種是管材在通過(guò)水槽時(shí)完全浸在水中，當(dāng)管材離開(kāi)水槽中已經(jīng)完全定型而成為管材，此方法適用于中小型塑料管材，而對(duì)于管徑較大的管材由于受到水的浮力會(huì)是管材彎曲；第二種為全封閉式箱體，管材從中通過(guò)，四周均勻排布噴淋水管，上部開(kāi)有視窗，可隨時(shí)觀察里面的情況，適用于管壁較厚或大口徑的塑料管材；第三種是在噴淋式水槽基礎(chǔ)上用噴霧代替噴水頭，冷卻效率大大提高。 但是噴淋式冷卻水箱便于管理操作和維修，因此本次 設(shè)計(jì)采用噴淋式冷卻水箱作為冷卻裝置。 （ 6）牽引 牽引裝置能使擠出的塑料管材通過(guò)不同的牽引速度在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)它的薄厚，能提高材料的拉伸強(qiáng)度，并對(duì)擠出過(guò)程的連續(xù)進(jìn)行其保證作用，從而大大提高了生產(chǎn)能力。 常用的牽引裝置有滾輪式牽引機(jī)和履帶式牽引機(jī)。滾輪式牽引裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，但輪與管之間是點(diǎn)或線接觸，接觸面積小，摩擦力小，牽引力小，不適用于大型管材。一般牽引直徑 110mm以下的管材。 履帶式牽引機(jī)一般由兩條、三條或六條履帶組成，履帶上有橡膠塊制成 V形凹槽，增加徑向壓力面積，履帶間距離和加緊力可調(diào)節(jié) ，履帶與管材間接觸面積大，牽引力不易打滑，適用于對(duì)口徑較大的管材的牽引。 所以本次設(shè)計(jì)選用滾輪式牽引機(jī)作為牽引設(shè)備。 （ 7）切割 當(dāng)牽引裝置把冷卻定型后的管材牽引到一定距離后，即可開(kāi)動(dòng)切割裝置將管材切斷。切割裝置是根據(jù)需要的長(zhǎng)度自動(dòng)或半自動(dòng)將連續(xù)擠出的管材切斷的設(shè)備。 已知的切割裝置分為兩種：自動(dòng)或手動(dòng)圓盤鋸切割機(jī)和自動(dòng)行星切割機(jī)，前者適用于小型管材，后者適用于大口徑管材。 圓盤鋸切割是鋸片從管材的一側(cè)切入，沿徑向推進(jìn)，直至切割完成，由于受到鋸片直徑長(zhǎng)度的限制，只能對(duì)直徑 250mm 以下的管材進(jìn)行切割，自動(dòng)行 星鋸切割是圓鋸片自動(dòng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切割，同時(shí)繞管材公轉(zhuǎn)，使管材周圍受力均勻切割，得到的斷口截面平整，有利于管材之間的銜接。本次設(shè)計(jì)生產(chǎn)的管材直徑為 32mm，選用圓盤鋸進(jìn)行切割。 (8)卷取 目前的卷取機(jī)主要有單盤卷取機(jī)和雙盤卷取機(jī)，而雙盤卷取機(jī)可以保證生產(chǎn)的連續(xù)性。但考慮到本次設(shè)計(jì)生產(chǎn)的管材特性，不需要卷取。 18 第 2 章 工藝計(jì)算 物料衡算 計(jì)算基準(zhǔn)的選取 （ 1）年工作時(shí)數(shù)： 7200 小時(shí) （ 2）設(shè)備維修： 20 天 /年 =480 小時(shí) （ 3）特殊停車： 15 天 /年 =360 小時(shí) （ 4）機(jī)頭清理、換過(guò)濾網(wǎng)： 1 次 /10 天 5 小時(shí) /次 （ 7200247。 242015）（ 1/10 5） = 小時(shí) （ 5）實(shí)際開(kāi)車時(shí)間： （ ）小時(shí) = 小時(shí)（約 260 天） （ 6）設(shè)備利用系數(shù)： K=實(shí)際開(kāi)車時(shí)間 /年工作時(shí)數(shù) = 物料損失率 已知原始自然損耗率為： %% 本次設(shè)計(jì)選取 %。制品合格率要求 85%95%，這里取 90%。 而擠出成型工段 物料的損耗分為：自然損耗、掃地料、下腳料等，這些損耗的物料大部分都可以回收再利用，下面列出各損耗一覽表 21 表 21 損耗一覽表 工序 自然 掃地 下腳料 一次成型 百分率 /% 9 90 物料平衡計(jì)算 基準(zhǔn)： 5000 噸 /年 半成品粒料需求量： 5000/90%= 噸 /年 自然損耗量占： %= 噸 掃地料占： %= 噸 下腳料占： 9%= 噸 下腳料回收破碎量： 95%=475 噸 把上述數(shù)據(jù)整理得物料平衡表見(jiàn)表 22 表 22 物料平衡表 工序 輸入物料量 自然損耗 掃地 下腳料 成品 物料量 /噸 500 5000 化工與材料工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 理論物料需要量 以 PPR 粒料為例： PPR 粒料在配方中占有百分率為 % 每噸中含量為： 1000 %=每年需要量為 5000 =4762 噸 每天需要量為 4762/260= 噸 每小時(shí)需要量 4762/=統(tǒng)計(jì)得表 23原料理論消耗量 表 23原料理論消耗量 原料名稱 配比 百分率 /% 每年需要量 /t 5000t 制品消耗量 每天需要量 /t 每小時(shí)需要量 /kg PPR 粒料 100 4762 PPR 色母料 5 238 表 13 中，每噸產(chǎn)品消耗定額是理論需求量，是在沒(méi)有各項(xiàng)損失及下腳料的情況下計(jì)算的。那么每年理論需求量，用理論消耗額除以制品的年生產(chǎn)能力。每天需求量是每年需要量除以生產(chǎn)天數(shù)。 實(shí)際物料需求量 根據(jù) 物料衡算，需計(jì)算出實(shí)際每年需要量及日需求量和每小時(shí)需求量。由于生產(chǎn)過(guò)程中存在一部分損失，詳情見(jiàn)下表 混合拌色耗損率見(jiàn)下表 24 表 24 混合拌色損耗率 工序 篩選輸送 高速混合 粒料輸送 自然 掃地 損耗率 /% 合計(jì)損耗率 /% 總損耗 /% 已知半成品粒料每年需求量為 噸， 則計(jì)算出每年需要配好的物料量為： （ 1+%）噸 = 噸 下腳料回收破碎量： 500 95%=475 噸 實(shí)際進(jìn)料量： = 噸 /年 20 表 25 年、日、小時(shí)制品消量 原料名稱 配比 百分率 每年需要量/t 每天需要量/t 每小時(shí)需要量 /t PPR粒料 100 PPR色母料 5 以 PPR；粒料為例： PPR 粒料在配方中所占百分率為 % 每年需要量： %= 噸 每天需要量 : 每小時(shí)需要量： 第一次 5000 噸生產(chǎn)完成以后，第二次生產(chǎn)時(shí)原料較第一次有所減少，具體消耗量見(jiàn)表 26. 表 26實(shí)際原料需求量 原料名稱 配比 百分率 每年需要量 /t 每 天 需要量 /t 每小時(shí)需要量 /kg PPR粒料 100 PPR色母料 5 根據(jù)計(jì)算結(jié)果畫出物料衡算流程圖，見(jiàn)圖 21 5588． 89 噸 /年 螺帶 噸 /年 擠出 5000 噸 /年 PP管材 混合 成型 工段 工段 回收 475 (總損失 ) （損失 *下腳料） 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型 進(jìn)料量計(jì)算 已知篩選輸送損失為 %，高速混合工段損失為 %。 則實(shí)際進(jìn)料量： （ %） = 噸 螺帶混合機(jī)進(jìn)料量： 1000/=化工與材料工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 擠出機(jī)進(jìn)料量： （ %） = 粉碎機(jī)進(jìn)料（下腳料）： 500 1000/= 表 27主要設(shè)備進(jìn)料量 設(shè)備名稱 每小時(shí)進(jìn)料量 /(kg/h) 螺帶混合機(jī) 擠出機(jī) 破碎機(jī) 混合機(jī)的計(jì)算及選型 在工藝 流程選擇中，需要使用螺帶混合機(jī)。通過(guò)進(jìn)料量計(jì)算，混合設(shè)備每小時(shí)需進(jìn)料 。以下有三種高速混合機(jī)，主要參數(shù)見(jiàn)下表 28 表 28 混合機(jī)的主要參數(shù) 型號(hào) 總?cè)莘e /L 300 500 800 有效容積 /L 180 3OO 500 電機(jī)功率 /kW 34 支座中心距 mm 940 1080 1180 支座孔徑 mm 24 30 30 外形尺寸 /mm 1040 1900 1180 2600 1280 2900 已知物料 的密度約為 3/g cm ，設(shè)備利用系數(shù)為 的螺帶混合機(jī)，則螺帶混合機(jī)每次進(jìn)料量為 300 =，混合時(shí)間為 812 分鐘，每小時(shí)可混四次，每小時(shí)進(jìn)料量為 4=，生產(chǎn)中螺帶混合機(jī)需要處理的物料量為 ， ，故選擇一臺(tái)螺帶混合機(jī)即可。 擠出設(shè)備 的計(jì)算及選型 由于制品簡(jiǎn)單，較易冷卻定型，選擇牽引速度為 已知 PPR 管材成品線重為 2900g/m=則成型擠出機(jī)每小時(shí)的生產(chǎn)能力為線重牽引速度 = 60=設(shè)備利用系數(shù)為 ，則擠出機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)能力為 = kg/h 擠出機(jī)進(jìn)料量為 kg/h， ，即應(yīng)設(shè)置五條生產(chǎn)線。根據(jù)擠出機(jī)的生產(chǎn)能力選擇張家港市創(chuàng)佳機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SJ90X32 號(hào)新型高效擠出機(jī)，基本參數(shù)見(jiàn)表 29 22 表 29擠出機(jī)基