双螺杆挤出机深度剖析

在新冠疫情的背景下，市场对塑料制品的需求量越来越大，进而对双螺杆挤出机的生产要求也越来越高。

对于双螺杆挤出机的创新与发展，更多的人将目光聚焦在螺杆和机筒的改良。今天就让我们更加细节地从螺纹断面、螺杆头、螺纹头数等来剖析一下双螺杆挤出机。

1 挤压系统的研究现状和发展趋势

01 挤出系统的研究现状

同向双螺杆挤出的混炼效果受螺纹元件设计的影响，因此很多人从聚合物在螺杆元件内流动过程入手，通过指标和参数量化分析螺杆元件的性能进行研究。

机筒的研究目前主要是加热冷却方式的研究和机筒结构的研究。合理的机筒加热冷却方式能够保证物料在机筒中受热分布均匀，产出材料物理性能好，同时保证机筒和螺杆的温差在合适范围内，增加使用寿命。

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02 同向双螺杆挤出机挤出系统的发展趋势

（1）挤出机朝着高速、高扭矩发展

挤出机的高速、高产可使投资者以较低的投入获得较大的产出和高额的回报，挤出机的高效性能主要体现在高产出、低能耗、低的制造成本。

（2）大型化和精密化

随着科技的不断进步，计算机技术的跨越式发展，精密化控制已经成为挤出机生产商亟待解决的难题。

（3）模块化和专业化

模块化生产不仅能够缩短新产品的研发周期，而且可以进行全球采购，大大降低了生产成本，并且利于资金周转。

2 螺杆

同向双螺杆挤出机的螺杆现在一般都是采用积木式的机械组合结构。下面就螺杆各部分进行单独分析。

图1 螺杆的组合图

01 螺杆输送元件

输送元件按输送物料的方向来分，主要分两种，即正向螺纹元件和反向螺纹元件。

（1）螺杆的直径与工作部分的长度

螺杆直径是螺杆结构的基本参数，螺杆直径的选择应综合考虑挤出半制品的形状、挤出断面的大小、产量等。螺杆工作部分长度取决于挤出机的类别、用途、螺纹的结构和功率消耗。

（2）螺纹头数

单头螺纹的特点是螺纹沟槽容积比较大，具有较强的输送能力，同时发热量小，优点明显，缺点是挤出产品不够稳定。

而双头螺纹和多头螺纹的沟槽容积相对比较小，但是优点是它生产的产品挤出相对稳定，产品质量有保证。

（3）螺纹元件的导程、螺棱的轴向宽度

一般情况下螺棱的轴向宽度e=(0.08~0.12)D。由于螺棱的轴向宽度过大会影响到螺纹沟槽的容积，使之变小，这会增大功率消耗，降低生产能力。

（4）螺纹断面形状

常见螺杆螺纹的断面形状有三种，如图2所示。

图2 螺纹断面

a.一种是矩形。在螺槽根部有一个很小的圆角半径，它有最大的装填体积，而且机械加工比较容易，适用于加料段。

b.另一种是锯齿形。改善了塑料的流动情况，有利于搅拌塑化，也避免了物料的滞留。适用于压缩段和均化段。

c.第三种是双楔形。输送物料稳定，提高塑化效果，提高产量30~50%。采用矩形和锯齿形断面螺纹，有利于物料在螺纹沟槽内产生横流，促进物料均匀地混合与塑化，以防局部焦烧。

（5）螺杆头部形状

螺杆头部的主要作用是使物料平稳的进入口模，不要使物料产生滞留，避免物料的热分解发生。

而物料在螺杆中是螺旋前进的，当它的运动变为直线时，它的改变是非常剧烈的，在机筒中心物料速度很快，而到了机筒壁速度变慢，所以螺杆头的选择如下：

a.钝的螺杆头

总有因物料在螺杆头前面停滞而发生分解的现象，即使稍有曲面和锥面的螺杆头通常也不足以防止这一点，对此种形式的螺杆头一般要求安装分流板。

b.带有较长锥面的螺杆头结构

如图3所示，这种形状的螺杆头也难免在螺杆的顶点处因停滞物料被烧焦的现象。

图3 较长锥面的螺杆头

c.斜切截锥体的螺杆头

其端部有一个椭圆平面，当螺杆转动时，它能使料流搅动，物料不易因滞流而分解。

d.锥部带螺纹的螺杆头

结构如图4所示，能使物料借助螺纹的作用而运动，主要用于电缆行业。

图4 常见的螺杆头部形状

e.长径比及螺纹沟槽深度

螺纹沟槽深度是个重要的参量，因为它不仅对产品的质量和产量有影响，而且会影响到螺杆的强度，同时也会对消耗的功率有影响。当螺纹沟槽深度减小时，物料剪切速率增大有利于物料挤出，但物料升温增大，产量减小。增加螺纹沟槽深度可提高产量，当沟槽深到一定程度产量并不显著增加，反而影响螺杆强度。

02 剪切元件

剪切元件，主要是指同向双螺杆挤出机中的捏合盘元件。捏合盘主要用来提供一个大的剪切力，使物料能够充分混合，所以称之为剪切元件。

捏合盘元件都是成对使用或者成串使用，单个的捏合盘元件是不能发挥作用的，如图5所示。

图5 捏合块

（1）错列角

如果错列安装的捏合盘形成的螺旋角与反向螺纹元件的螺旋方向一致，叫反向捏合块，其物料输送方向与挤出方向相反。

它能产生反压，通过它的总流动变成漏流，其上游螺纹输送元件内物料的充满度增加，但产生的压力降比反向螺纹元件小，这是由于错列角而形成的空隙造成的。错列角越大，其分散混合越差。

（2）捏合盘厚度

捏合盘的作用是提供剪切力使物料能够分散混合和分布混合，混合的效果取决于啮合盘的厚度和错列角。

当错列角一定时，啮合盘厚度的增加可以在剪切力大的区域提供支撑，降低能量的消耗，过小的厚度反而会增加能耗，不利于物料混合。

03 螺杆局部构型

（1）加料段

螺杆加料段是加料机口下面的一块区域，这一段螺杆的作用是保证物料顺利地进入螺杆，因为物料可能是混合物料，所以此段必须满足添加各种料粒和填充成分的顺利加入的功能，这就要求此段螺杆的螺距比较大，才能满足设计要求。如图6所示

图6 加料段

（2）用于压缩物料的螺杆局部结构

分段改变螺距，使螺距由大到小，这是当前流行的组合式双螺杆通常采用的方法。

（3）用于熔融塑化的螺杆局部构型

物料在给定的温度下快速进入熔融态，并且使物料分布均匀。但要保证此段温度不能过高，因此可以用啮合块和螺纹元件进行组合，从而保证能量可以在轴向上均匀分布。

熔融、塑化主要取决于物料粒子的大小、比热容、熔点等，所以此段螺杆的设计主要是根据物料来定，如图7所示为熔融塑化段设计。

图7 熔融塑化段

04 螺杆的机械结构

同向双螺杆的机械结构设计主要包括螺杆头的设计、芯轴的设计、螺杆元件的设计和螺杆元件数量等的设计。

（1）芯轴

螺杆要组装成功能够正常使用，从机械角度要考虑两个问题：其一是螺杆的扭矩要能够传递到每一个螺杆元件上，二是螺杆元件安装到芯轴上后，必须能够保证螺纹元件之间、啮合盘之间、螺纹元件和捏合盘的中心在同一轴线上，交接处不能有过大缝隙，更不能产生台阶，这样才能使物料均匀流动，不在机械元件之间存料。

图8 芯轴

本设计所采用芯轴为六方形，如图8所示。此种芯轴在市场上比较常见，可以进行规模化生产，制造精度非常高，同时便于组装，六方形的设计可以增大其截面的抗扭能力。

（2）螺杆头

螺杆头的设计包括其形状的选择和它与螺杆元件的压紧及与芯轴的连接。螺杆头与螺杆元件接触的一面，必须垂直于螺杆轴线，以保证整个面与螺杆元件端面紧密贴合。

与芯轴相连的螺栓，其螺纹旋向应与螺杆旋转方向相反，以便螺杆工作时，在物料阻力下，使二者越拧越紧而不松脱。如图9所示：

图9 螺杆头