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1、青岛科技大学本科毕业设计（论文）前言橡胶冷喂料挤出机是目前橡胶加工中最重要的成型设备之一，它在橡胶工业中得到了广泛的应用。多年来，人们围绕挤出机的核心部件螺杆进行了不断的探索和研究，先后出现了不同螺杆构型的挤出机，由于其工作原理的不同而各具特点。其中，机筒销钉螺杆由于具有高质量的塑化效果、输送能力较大、较高的挤出稳定性和自洁能力、生产周期短、制品质量高、能耗低等诸多优点得到了广泛的应用和认可。近代聚合物加工工业的迅速发展，给成型和混合工艺提出了越来越多和愈来愈高的要求。单螺杆挤出机虽然历史悠久、技术完善、理论成熟，但面对这些要求，因其自身固有的不足，往往显得难以适从，为此人们开始探索新的挤出工
2、艺和设备。随着双螺杆挤出机的结构设计、应用基础研究和一些关键技术如螺杆和机筒的材质选择及处理、零部件的机加工及挤出过程控制技术的不断进步和完善，双螺杆挤出机的应用日渐拓展，目前在混炼加工和成型制品方面已广泛用于管材、板材、片材、发泡材和异型材的加工以及聚合物的共混改性、填充改性、增强改性及反应挤出。所有这些都是因为双螺杆挤出机相比于单螺杆挤出机具有更良好的输送和混合性能，以及由此带来的生产能力大、单产能耗低、塑化效果好、加料容易、排气性能好、停留时间短且分布均匀、挤出稳定、挤出物质量好等优点。经过研究和初步试验，本课题拟提出一种新的思路和方法，研究开发一种新型高效、连续、稳定的橡胶挤出设备双转
3、子冷喂料销钉挤出机，实现块状胶料的塑炼，使块状生胶经塑炼后以片状的形状连续挤出，为块状橡胶的连续混炼提供稳定、连续、高质量的塑炼胶。1绪论1.1课题研究的背景及迫切性1.1.1本课题研究的背景橡胶冷喂料挤出机是目前橡胶加工中最重要的成型设备之一，它在橡胶工业中得到了广泛的应用。自二十世纪四十年代至今，橡胶挤出机得到了很大的发展。随着全球贸易活动在世界范围内迅速扩展，国内外对橡胶制品的需求量越来越大，高质量的橡胶产品成为生产的第一目标，然而，对于橡胶制品的质量则必须由高品质的橡胶成型设备来保证。因此，企业所具有的橡胶生产设备的水平直接影响到其橡胶制品的生产质量、效率和市场竞争力。也正是因为挤出机
4、在橡胶加工应用中的普遍性和重要性，多年以来，人们围绕橡胶冷喂料挤出机的核心部件一螺杆进行了不断的探索和研究，先后出现了经热喂料挤出机螺杆改进的普通冷喂料、挤出机螺杆、强力剪切型螺杆、低剪切挡板螺杆、机筒销钉螺杆、多级传递混炼螺杆、销钉传递螺杆等。这些不同种类的螺杆由于其工作原理不同而各具特点。在这些不同构型的螺杆中，机筒销钉螺杆由于其优越的挤出性能，得到了广泛的应用和认可。也使销钉冷喂料挤出机具有以下优点：能够获得高质量的混合和良好的塑化效果、输送能力较大、大大地提高了胶料的混炼质量。另外，销钉挤出机还具有促进胶料与筒壁的热传递、加速胶料冷却效果、具有较高的挤出稳定性和自洁能力、缩短生产周期、
5、提高制品质量、提高制品合格率、能耗低等诸多优点。因此，销钉挤出机成为橡胶制品成型生产过程广泛使用的重要设备，其生产能力、工作的可靠性直接影响着橡胶制品的质量。近代聚合物加工工业的迅速发展，给成型和混合工艺提出了越来越多和愈来愈高的要求。单螺杆挤出机虽然历史悠久、技术完善、理论成熟，但面对这些要求，因其自身固有的不足，往往显得难以适从，为此人们开始探索新的挤出工艺和设备。双螺杆挤出机于1935年在意大利问世。随着它的结构设计、应用基础研究和一些关键技术如螺杆和机筒的材质选择及处理、零部件的机加工及挤出过程控制技术的不断进步和完善，双螺杆挤出机的应用日渐拓展，目前在混炼加工和成型制品方面已广泛用于
6、管材、板材、片材、发泡材和异型材的加工以及聚合物的共混改性、填充改性、增强改性及反应挤出。所有这些都是因为双螺杆挤出机相比于单螺杆挤出机具有更良好的输送和混合性能，以及由此带来的生产能力大、单产能耗低、塑化效果好、加料容易、排气性能好、停留时间短且分布均匀、挤出稳定、挤出物质量好等优点。1.1.2本课题研究的迫切性众所周知，橡胶最宝贵的特性就是它的高弹性，可是生胶的这一宝贵的特点却给后续加工带来了极大的困难，所以使弹性生胶变成可塑状态的工艺加工过程塑炼变得尤为重要。如果不首先降低生胶的弹性，在加工过程中，大部分机械能都被消耗在弹性变形上，且不能获得人们所需各种形状。为此，需将生胶经过机械加工、
7、热处理或加入某些化学助剂，使其由强韧的弹性状态转变为柔软而便于加工的塑性状态。这种借助机械功或热能使橡胶软化为具有一定可塑性的均匀物得工艺过程称之为塑炼。经塑炼而得到的具有一定可塑性的生胶称为塑炼胶。生胶的塑炼可以提高胶料的可塑性，改善胶料的流动性，增大胶料的黏着性，改善橡胶的共混性。目前，通常使用开炼机和密炼机来完成橡胶的塑炼。但这些设备均是间歇的，存在着诸多缺点，近年来国内外均有应用螺杆塑炼机进行生胶塑炼，它与开炼机和密炼机的间歇式生产根本不同点是可进行连续塑炼，适于组织机械化、自动化生产。它具有生产能力大、动力消耗少等优点，最适合于胶料品种少而耗量大的大型工厂使用。但根据目前某些工厂的实
8、际使用情况来看，由于采用螺杆塑炼机塑炼的排胶温度较高，胶料的热塑性较大，质量较差，胶料所能达到的可塑度也低，最高只能达到二段塑炼胶的可塑性，同时可塑性也不稳定，使螺杆塑炼机的应用受到限制。因此，螺杆塑炼机的推广应用问题仍有争论，当前只用于天然橡胶一段塑炼胶的连续塑炼。鉴于此高效、低耗和稳定的连续塑炼技术装备亟待发展。1.2橡胶塑炼的设备未经塑炼的天然橡胶，弹性较大，不容易与炭黑等补强剂以及其他功能性助剂相混合。当天然橡胶受机械加工或加热时，特别是使塑炼物表面与空气中的氧接触面积大时，可获得较大的可塑性。塑炼效果好的生胶，更容易进行混炼。查阅国内外大量相关文献，天然橡胶可用开炼机、密炼机和单螺杆
9、塑炼机等进行塑炼。1.2.1开炼机开炼机（图1-1所示）是传统的塑炼设备，开炼机的基本工作部分是两个圆柱形的中空辊筒，水平平行排列，以一定的速比相对回转，胶料放到两辊筒间的上方，在摩擦力的作用下被辊筒带入辊距中。由于两辊筒存在速比，即两辊筒表面的线旋转速度不同，使胶料以不同的速度通过辊筒，受到摩擦剪切作用，胶料反复通过辊筒而被塑炼。开炼机的塑炼就是让生胶在辊筒间凭借前后辊相对速度不同而引起的剪切力及强烈的挤压和拉撕作用，使橡胶大分子链被扯断，从而获得可塑性。图1-1开炼机Fig.1-1 Open tried machine开炼机塑炼属于低温塑炼，关键问题是降低橡胶的温度。温度愈低，胶料通过辊隙
10、时受到剪切力作用就愈大，塑炼效果愈好。因此，在开炼机塑炼中，对影响因素控制得是否恰当，将会对塑炼效率和塑炼胶的质量产生极大的影响。影响因素主要有：辊温、辊距、塑炼时间、辊速和速比、堆积胶容量、塑解剂和操作熟练程度等。开炼机生产的低效率、间歇式的生产模式以及高强度的劳动和较差的卫生条件都严重地制约了开炼机的发展和应用。同时随着橡胶制品对胶料质量要求的不断提高，开炼机塑炼已经满足不了生产的需要。开炼机的主要工作部分是两个速度不等相对回转的空心辊筒。当胶料加到两个相对回转的辊筒上面时，在胶料与辊筒表面之间摩擦力的作用下，胶料被带入两辊的间隙中。由于辊筒的挤压作用，胶料的断面逐渐减小。这时，在辊筒速度
11、不同而产生的速度梯度作用下，胶料受到强烈的摩擦剪切和化学作用，这样反复多次，达到炼胶目的。在炼胶过程中，两辊筒的上面有适量的堆积胶存在。积胶不断的被转动的辊筒带入辊缝中，同时新的积胶又不断形成。这样有利于提高炼胶效果，特别是有利于混炼过程中提高径向混合作用。但是，辊筒上面的积胶不能过多，否则会有一部分积胶只能在辊距上面抖动或回转，而不能及时地进入辊缝，从而降低炼胶的效果。1.2.2密炼机在密炼机（图1-2所示）中，生胶的塑炼主要是靠密炼机转子的机械作用和热氧化裂解作用。物料从加料斗加入密炼室后，加料门关闭，压料装置的上顶栓降落，对物料加压。物料在上顶栓压力及摩擦力的作用下，被带入两个具有螺旋棱
12、的、有速比的、相对回转的两转子间隙中，使物料在由转子与转子，转子与密炼室壁、上顶栓、下顶栓组成的捏炼系统内，受到不断变化和反复进行的搅拌、剪切、撕拉和摩擦的强烈捏炼作用，从而达到塑炼的目的。图1-2密炼机Fig.1-2 Mixer machine密炼机塑炼的影响因素有转子转速、密炼室温度、上顶栓压力、塑炼时间和装胶容量等。密炼机塑炼属高温塑炼，塑炼效果随温度升高而增大，但温度太高会导致橡胶分子链过度降解，致使胶料物理机械性能下降；还会使胶料产生支化、交联，形成凝胶，反而降低可塑性。对可塑度要求不太高的胶料可采用一段塑炼；而对可塑度要求较高的胶料，则需采用分段塑炼或加塑解剂化学塑炼。1.2.3挤
13、出机螺杆挤出机简称挤出机，又名压出机，它是橡胶加工过程中的主要设备之一，其主要工艺用途如表1-1所示。表1-1 螺杆挤出机的主要工艺用途Table1-1 The main technology uses of Screw Extruder种类主要工艺用途种类主要工艺用途压形挤出机各种断面形状半成品的压形挤出压片挤出机胶料的压片滤胶挤出机除去混炼胶和生胶中的杂质脱硫挤出机再生胶的脱硫塑炼挤出机生胶的连续塑炼挤压脱水干燥挤出机合成胶和再生胶的脱水干燥混炼挤出机胶料的连续混炼电缆挤出机电线和电缆的包覆成形造粒挤出机胶料和生胶的造粒排气挤出机排除混入胶料中的空气和水分以及低分子挥发物挤出机的生产能力高
14、，挤出半成品均匀密实，尺寸准确，更换品种容易，能实现工艺过程的连续化、联动化和自动化，同一台机器可以适用于多种工艺用途。它还具有结构简单、制造容易、操作方便、价格便宜等优点。因而在橡胶加工中得到了日益广泛的应用。螺杆塑炼机（图1-3所示）具有能连续生产、生产能力大、耗电量少、占地面积小等特点，在大型橡胶厂中得到较多的应用。使用螺杆塑炼机的螺杆与机筒间的机械剪切力和高温热作用使橡胶分子链断裂，与开炼机和密炼机塑炼的差别是螺杆塑炼机塑炼法中氧对生胶的作用较小并且可进行连续塑炼。使用螺杆塑炼机塑炼时应该严格控制排胶温度在180以下，防止出胶后胶料表面发生氧化作用，并尽量避免夹生胶的产生。1.3橡胶挤
15、出机的现状与发展趋势挤出是橡胶工业中最重要的加工工序之一，它起源于18世纪末，此工艺过程由两个不同的部分组成：橡胶的输送系统和使胶料形成所需断面形状的口型系统。橡胶挤出机则是满足这一工艺过程的历史最悠久的理想机械设备，长期以来，挤出机已是橡胶工业的一种基本设备。从最初简单的柱塞式挤出机的应用，发展到今天普遍推广的销钉冷喂料挤出机，期间经历了螺杆型热喂料挤出机、普通冷喂料挤出机、主副螺纹冷喂料拚出机、冷喂料排气挤出机等。图1-3螺杆塑炼机Fig.1-3 Screw refining machine1.3.1柱塞式挤出机挤出机起源于十八世纪，1797年在英格兰Joseph Bramah制造了一台由
16、于制造无缝铅管的手动活塞式压机4，这台机器通常被认为是第一台挤出机。从他发明第一台柱塞式挤出机开始，在十九世纪前半个世纪内，挤出机似乎只应由于铅管的生产、通心粉和其他食品的加工、制砖以及陶瓷工业中的应用。在挤出机作为一种制造方法的发展过程中，第一次有明确记载的时间是1845年，当时R.Brooman中请了用挤出机生产固特波胶电线的专利4，固特波公司的H.Bewlgy随后改进上述挤出机，并于1851年将它由于包覆在Dover和Calais公司之间第一根海底电缆的铜线上5。在此后的25年内，挤出方法口渐重要，并且机械操纵的挤出机迅速替代了以往所用的手动挤出机。初期机械操纵的柱塞式挤出机生产了成千上
17、万公里的绝缘电线和电缆，从而牢固地确立了挤出法用于电缆生产的地位。早期生产电缆的挤出机无论是手动的、机械的或者液压的，全都是柱塞式的。在这种生产过程中，柱塞将热的古塔波胶压入到通有铜导线的口模中，古塔波胶从口模中挤出，这样它就包覆在铜导线上形成绝缘层。柱塞式挤出机虽然在一定的程度上满足了人们的要求，但是它有两大明显的缺点：一方面柱塞式挤出机只能加工那些不是通过加热而是用别的方法软化的材料，或是那些可以预热到挤出温度的一类材料。它只能起到推动、挤压成型的作用。柱塞式挤出机的另一明显缺点是不能连续操作，当柱塞达到它的行程终点时，挤出停止并且柱塞必须退回，以便下一批物料装入机筒。而且当材料的热物理性
18、能或其他因素不稳定，在机筒、口模和其他部件中留下已固化的废料，就必须进行彻底的清理。这也必然影响到挤出的效率，为此，人们口益工业化的需求迫切需要一种更先进的设备来满足。1.3.2热喂料挤出机1866年第一台螺杆型挤出机获得应用，实现了从间断到连续作业的跨越，这也就是现在通常所认为的热喂料挤出机雏形。1879年，Gray取得了第一个采用阿基米得螺线挤出机的专利7，差不多同一时期，美国的Royle也开发了一种螺杆挤出机，到1881年，英国的Shaw已生产和出售螺杆挤出机。1886年同一制造商制成了一台配有直角机头的螺杆挤出机。在德国橡胶和塑料机械制商Paul Troeste到1892年已成功地生产
19、了螺杆挤出机。在这以后不久，德国Phoenix橡胶厂公布了挤出机的螺杆设计5，这期间，螺杆挤出机真正作为工业标志应用于橡胶电线绝缘层的挤出机。1920年1930年，一些新型的聚合物材料陆续问世，塑料工业有了迅速的发展的条件，特别是19391946年二次世界大战军事工业的需求和刺激，聚氯乙烯和聚乙烯的挤出技术飞跃发展。螺杆挤出机就整体来说得到定型，各个工作部件日益精良。热喂料挤出机与冷喂料挤出机，是按照良好作业所必须提供胶料的温度划分的。热喂料挤出机由于其结构简单、生产效率高、制造容易以及能够连续化作业等独特的优点，使得热喂料挤出机在橡胶工业中获得广泛的应用，一直是橡胶工业传统使用的设备。它的前
20、期作业是预热胶料，一般是采用两辊开炼机进行预热作业。但它需整套庞大的预热供胶系统，这不但使工艺过程复杂化，而且在占地面积、电能的消耗、劳动力的浪费等方面都有不可克服的缺点。特别是热喂料挤出机螺杆的长径比较小，一般为35，螺杆的推送曲线也很简单，很难建立起机头压力。这导致对胶料的混合不够均匀，挤出半成品质地疏松，直接影响橡胶成品的质量。另外热喂料挤出机对温度的控制能力也十分有限，挤出质量依赖于热炼压片机的工作质量，而热炼压片机很难按要求精确控制工艺条件，尤其是设备的加工温度，使得炼胶机加工的胶料质量易受炼胶工的技术熟练程度等一些个别因素的影响，易出现加工程度不一等质量问题，喂入挤出机的胶料温度和
21、勃度发生变化也会影响挤出速率和膨胀率，从而影响挤出制品的尺寸。所以尽管现代的热喂料挤出机的挤出工艺水平得到了很大的提高，具有较高的生产能力，并且在某些范围内仍然被广泛应用。但是由于其加工原理的局限以及上述一些其他方面不可克服的缺点影响了热跟料挤出机的发展。1.3.3普通冷喂料挤出机针对热喂料挤出机的不足，在二十世纪四十年代西德发明了冷喂料挤出机。1950人们开发了带压缩比的螺杆，并应用于挤出机中11，这时挤出机除了具有热喂料挤出机的功用之外，还具有对胶料进行塑化、混合和均质化的功能，挤出机机外的胶料热炼供胶功能转变成挤出机机内的热炼功能，因而可以取消热喂料挤出机所需的庞大的热炼供胶系统。相应地
22、节省了能源和占地面积，减少了设备的投资和劳动力的费用；同时也提高了挤出机的机头压力，使挤出半成品质地数密、尺寸精确、稳定性和再现性好，提高了制品的质量。另外由于冷喂料挤出机长径比大，受机头反压影响较小，有助十减少热喂料难以克服的喂入胶料波动的问题。冷喂料挤出机与热喂料挤出机的特点对照表如表1-2所示7。普通冷喂料挤出机7，存在的不足是其螺杆构型依然处十初始阶段，挤出质量与稳定性较低，同时胶料在螺槽内的混合、塑化效果都不理想，所以普通型冷喂料挤出机在橡胶工业迟迟得不到推广，其用途也仅仅局限在电缆电线的覆胶.因此要扩充其用途就必须寻求一种采用新的螺杆构型的挤出机。1.3.4主副螺纹冷喂料挤出机由于
23、普通冷喂料挤出机在挤出物质量和生产能力方面已经满足不了现代化的要求。为此，人们在不懈的去寻求一种新型挤出机。经过一段时期的发展，在I963年螺杆设计实现了一大突破。即在螺杆上引入了混炼段，出现了主副螺纹强力剪切螺杆7。最初的强力剪切螺杆Mailefer螺杆和Barr螺杆是用于加工塑料的.即用于分离塑料固相和液相的螺杆，1970年人们开发了由于橡胶挤出的主副螺纹强力剪切型螺杆，也相应出现了主副螺纹冷喂料挤出机，它的出现使挤出机的剪切功能和混合功能得到显著提高，同时能建立起更高的机头压力，表1-2冷热喂料挤出机的性能比较Table1-2 The difference between cold fe
24、ed extruder and hot feed extruder比较项目热喂料挤出机冷喂料挤出机设计性能喂料温度高于室温喂料温度等于或低于室温长径比L/D3-8：110-22：1传动扭矩1T3T喂料装置形式上式侧式驱动扭矩T1T2-3T螺杆的螺槽深度较深较浅初始粘度低高初始投资因为要配两台或两台以上的炼胶机，初始投资较冷喂料挤出机高40%冷喂料挤出机造价较热喂料挤出机高50%安装费用高低生产率相同规格的情况高50%劳动力因有炼胶机，需要较多的操作工加工过程进行了简化，减少了操作，人为影响因素减少，质量得以提高维护保养在润滑方面与冷喂料挤出机基本相同，由于在生产线上配置炼胶机和输送设备而导致维
25、护保养费较高冷喂料挤出机重新装配和更换机筒或螺杆的次数比热喂料挤出机的多喂料变化的灵敏度对喂料变化的灵敏度高低，特别当机头压力较高时更低压力灵敏度对压力灵敏度高对压力灵敏度较小其它方面占地面积较多，功率消耗较大，冷却水消耗较多占地面积小，功率消耗较小，冷却水用量较少表面温度螺槽较深，表面温度不易控制由于冷喂料挤出机螺杆和机筒传热面积大，螺槽深度较浅，因此表面温度易于控制剪切时的调节由于挤出之前经炼胶机热炼，因此热喂料剪切时容易控制机器结构冷喂料生产线只有很少的设备，有助于设备延长平均无故障时间，机器结构简化从而突破了普通冷喂料挤出机无法解决的塑化能力问题。主副螺纹冷喂料挤出机在解决塑化质量、生
26、产能力和挤出稳定性中具备了突破性的飞跃，对推动冷喂料挤出机的发展有着重要的意义。但是此型挤出机生产能力偏低，成品质量性能不稳定，自洁性和机加工等方面仍存在的某些问题必将进一步推动挤出机寻求新的发展。1.3.5冷喂料排气挤出机20世纪五六十年代，人们在实际生产中发现在常压或低压下连续地进行橡胶制品的硫化，若制品胶料中含有水分和低分子挥发物等易汽化物及气体则易生产气泡，而影响制品的质量。因此胶料在通过机头挤出成型以前，必须进行排气。这一要求对普通冷喂料挤出机是无能为力的。针对这些问题在生产中发展了排气挤出机。1956年Bernhatdt8提出了抽真空挤出机螺杆的设计，相应出现了冷喂料排气挤出机，此
27、后人们对排气原理进行了大量的研究，1962年Latinen提出了分子扩散模型，与此同时，德国的GerhardP.Schenkel全面阐述了排气挤出机的技术问题及其性能特点，指出极其严格地控制每一设计段的压力是必不可少的8。1969年R.W.Coughlic和G.P.Canena提出表面更新模型，认为熔池自由表面不断更新将加速排气段传质过程21。这些理论的提出都极大地促进了冷喂料排气挤出机的发展。冷喂料排气挤出机按螺杆构型经历了普通型冷排螺杆挤出机和强力剪切型冷排螺杆挤出机。它们在挤出成型制品过程中，能够有效排除物料中所含的水份、溶剂、剩余单体、不凝性气体及在成型温度下能挥发的低聚物的一种设备。
28、这样在常温硫化过程中可以有效的防止产品出现“海绵”状态，从而增加产品的致密性，提高产品质量。但此类挤出机都存在着一个这样的缺点：在口型回压波动情况下排气性能有波动，从而造成了产品断面波动。这是由于在机筒排气区段螺杆的物料填充程度变化而引起的挤出胶自由面变化，它直接与排气过程有关。1.3.6销钉机筒冷喂料挤出机围绕着挤出机的设计与发展，挤出机技术的最新改革是近十几年的事情，其中包括胎面挤出机头的设计和过程控制等方面的发展。橡胶挤出机的最重大突破始于70年代，在冷喂料挤出机的基础上对螺杆和机筒设计进行了改进，如70年代的带销钉的冷喂料挤出机，80年代的多级传递式冷喂料挤出机以及90年代的最新式销钉
29、传递式冷喂料挤出机9等。自七十年代中期以来，西德赫尔曼贝尔斯托夫机器制造公司（Hermann Berstoff Maschinenbau GmbH）以及费里得克鲁伯公司（Fried Kurpp GmbH）等开发了一种在挤出机机筒上装有许多销钉的挤出机。原设计的目的是应用于粘度较大的天然胶混合物挤出工艺。但实践表明这种挤出机的用途相当广泛。自此在国际上出现的新一代冷喂料挤出机，其特点是在机筒上安装616排的销钉，每排有612枚销钉，销钉穿过机筒朝螺杆中心呈辐射状固定在机筒上，这种销钉式冷喂料挤出机自从投入使用以来便成为橡胶冷喂料挤出机的工业标准。销钉式冷喂料挤出机与普通的冷喂料挤出机相比较，具有
30、挤出能力大、加工质量好、能耗省、挤出胶温低和通用性强的优点，适用于加工不同性能的胶料，且自洁性能好、变换胶料方便、挤出过程的工艺参数控制方便、挤出稳定、容易操作等优点，与传统的热喂料挤出机工艺方法相比较，更具有占地少、投资省、操作人员少、工艺指标先进等优点。因此这种挤出机一问世，立即得到各国挤出机制造商的重视，随后西欧各国及美国日本等相继成系列地生产销钉式冷喂料挤出机。目前挤出机的产量70%以上为销钉式冷喂料挤出机。1.3.7双螺杆挤出机双螺杆挤出机是在单螺杆挤出机的基础上发展起来的。它是在一个双联腔的机筒里并排横放两根螺杆，故称为双螺杆挤出机10。近二十年来，双螺杆挤出机发展非常迅速开发并应
31、用了各种系列的双螺杆挤出机。西欧双螺杆挤出机台数已占挤出机总数的40以上。在管材造粒机中几乎100使用双螺杆挤出机；在板材和型板机中占80%90。可见它在橡塑工业中占有十分重要的地位。双螺杆挤出机的挤出加工行为不仅与单螺杆挤出机的挤出加工行为不同，而且同向与反向双螺杆挤出机的加工机理也有很大差别。主一要表现在以下几个方面。1）强制输送单螺杆挤出机主要依靠物料与机筒和螺杆间摩擦系数的差值而产生物料前移的动力，其输送效率低，只适用于粒料的输送，输送角（小于10），又受机头压力影响，不够稳定。在反向旋转的双螺杆挤出机里，物料在被二根螺杆啮合共扼线隔成的“C”形小室中依靠螺杆同棱线的旋转作强制性推进。
32、螺杆转一圈，每一个“C”形小室的物料被输送一个导程。输送量与机头压力、物料与机筒的摩擦系数无关，所以输送稳定性好、效率高。至于同向旋转的双螺杆挤出机，虽然也是靠摩擦力输送，但其物料流动轨迹在空间却呈“”形。在啮合区，一根螺杆的螺棱有阻止另一根螺杆上的物料打滑的作用，增大了轴向输送量，输送效率也比单螺杆高。2）物料的压缩物料从粒子料、边角料、粉料及浇口流道料等固态物料变为液态时，体积缩小。为保证连续传热、熔化、排气和保证制品的致密性，物料的压缩是十分重要的。单螺杆挤出机主要是依靠摩擦力以及螺槽深度的变化来实现物料的压缩的。而双螺杆挤出机压缩物料的方法要多得多，综合效应好。为改变螺杆导程、螺纹头数
33、、螺棱宽度，增加反向螺纹和捏合块等混炼元件来实现压缩效应。还可以采用锥形螺杆，改变外径和根径尺寸一等方法予以解决。3）物料的熔融在单螺杆挤出机内物料的输送是沿连续的螺槽进行的，与机筒的内表面相接触的“固体塞”首先被熔融，形成表面的“熔膜”。随着螺棱的推进，“熔膜”被刮向前方，形成“熔池”。这样，“溶池”和“固体塞”彼此分开，不能达到良好的分散和混炼。而在双螺杆内，由于螺棱的相对运动，物料在螺槽中（如C形室）并不连续。当通过啮合部件时，物料运动激烈，“熔膜”破坏，并反复混合。因此，它的剪切搅拌和混炼效果大大优于单螺杆挤出机。4）均化和混合同向旋转双螺杆挤出机的混炼、均化质量很高，采用捏合块大大提
34、高了剪切、混合功能。双螺杆挤出机还具有强烈的“分流”和“侧流”效应，它有四个侧隙会产生“漏流”，所以物料还承受着多次辗压作用。此外还具有明显的“换位”作用。加强了物料变形。以上特征，使同向双螺杆挤出机广泛用于聚合“合金”、配料、预塑、改性和共混。反向双螺杆挤出机的转速较低。若适当加大间隙，物料流动情况也是很复杂的。同单螺杆挤出机相比较，其混合均化质量也要好得多。由于反向双螺杆挤出机转速低、剪切速率也较小，因此物料不易被分解，更适用于加工热稳定性较差的PVC等物料，成为管材、板材和型材等。5）自清理性能好双螺杆挤出机的螺棱具有自动清理另一根螺杆螺槽上物料的性能，物料不易附着在螺槽上，不易出现慢速
35、停滞区，其滞留时间为单螺杆滞留时间的1/2左右。因此，有利于加工容易分解和热稳定性较差的物料。可以预见，加工PVC等制品的单螺杆挤出机将被双螺杆机取代。6）产量和比能在相同直径下，双螺杆机的螺杆螺距小而螺槽深，有效螺槽容积约为单螺杆挤出机的两倍。物料是用两根螺杆输送的，输送量是单螺杆的4倍，比能（单位产量所需的能量）仅为单螺杆的1/2，经济效益十分显著。1.3.8橡胶挤出机的发展趋势因为挤出机具有连续化生产、结构简单和用途多变的特点。因此，挤出设备的发展动向是最不好捉摸的一种橡胶机械设备。目前，主要有四个发展动向：1）配合全自动化轮胎（含橡胶制品）生产技术进行创新性设计。挤出设备可以生产出胎冠
36、、胎侧、二角胶、缓冲层，还可以生产出钢丝带束层、钢丝圈和子午线胎内衬层等等，可以说在目前的挤出功能条件下，已经包括了子午线轮胎相当部分的橡胶部件和轮胎骨架部分。因此，全自动化轮胎生产技术中挤出设备是最有可能派上用场的。目前最重要的是，如何创新性地设计出各种各样的挤出设备来满足生产子午胎橡胶部件和各种骨架部件。然后将这些挤出设备有机地组合和配置在一起，并使其成为轮胎成型机有效而高速的供给系统，从而实现全自动挤出体系的供料系统。2）用途将继续扩展，上扩延至连续混炼，下扩延至轮胎成型。目前胶料的塑炼和混炼基本上是通过间歇式的密炼机来完成的。这种方法不但浪费巨大的能量，而且需要冷却和停放，导致占地面积
37、巨大，生产工艺复杂，同时不利于全自动化生产技术的实现。因此，要实现全自动化生产技术，首先要实现胶料的连续化生产。正因为有了这种要求，挤出设备的用途必须进行扩展，往上扩展则将连续挤出混炼取代间歇的密炼设备混炼，往下扩展则将混炼胶直接供给专用挤出设备，然后由于专门挤出设备向轮胎成型设备供给各种橡胶部件和骨架部件。3）挤出设备的智能化。挤出设备功能的扩展，使每一台挤出设备都成为整个全自动化生产技术系统的一个有机组成部分。这个系统要求：一是每台挤出设备所挤出的部件应按时、按质、按量输送到特定的位置二是；集合的挤出设备群体，必须相互匹配等。这里有设备问题，工艺路线问题，操作参数问题，动态输送问题和许多模
38、糊的问题，这一切不能用单一的自动化问题来解决，而必须由智能化来解决。4）挤出机“瓶颈”技术问题的突破。一是指挤出的生产能力，挤出的质量（含膨胀率、收缩率等）。而这些参数又与胶料的配方，挤出的速度、设备的温度、牵引速度和设备的参数等等有关，要实现生产全自动化技术，必须将这些复杂的影响因素建立一个统一的数学模型，为实现智能定量自动控制提供条件。这是必须突破的一个“瓶颈”技术。二是是指螺杆构型和喂料段构型问题。目前挤出设备主机主要解决塑化能力和喂料能力问题。螺杆的塑化能力经过几代科学技术人员的研究，已取得了许多突破，如主副螺纹强力剪切螺杆，机筒销钉螺杆和传递式螺杆等等。1.4本课题研究的内容及意义1
39、.4.1本课题研究的内容本文设计的双转子冷喂料销钉挤出机是在原有双螺杆挤出机和橡胶销钉冷喂料挤出机基础上的创新，是新型的生胶连续塑炼加工设备。突破了现有生胶的塑炼加工设备的传统思路，大大地提高了橡胶塑炼设备的生产能力和塑化能力，提高了工作效率和设备可靠性，并为块状橡胶连续混炼设备的研究提供了连续供胶的重要保证。本课题通过查阅文献，收集相关资料，了解橡胶挤出机设备的背景技术，研发出适合块状（非粒状）橡胶等聚合物共混物的挤出加工所需的双转子冷喂料销钉挤出机转子及其相关结构。本课题研究的主要内容：1）查阅大量国内外关于橡胶的塑炼设备和实验研究以及挤出机设备的相关文献，在此基础上提出橡胶双转子冷喂料销
40、钉机的设计整机方案。2）对不同组合转子的旋向、啮合方式以及不同组合的螺杆构型进行对比，确定挤出机转子的结构及尺寸。3）设计出了适合生胶连续塑炼并能与转子配合的机筒。4）设计机筒销钉、简单机头以及适宜橡胶片状挤出的口模。1.4.2本课题研究的意义橡胶工业历经180多年发展已成为世界各国产业经济的重点。橡胶制品业已渗透到人们日常生活的各个方面。混炼过程是橡胶加工的核心环节，直接影响最终产品的质量与性能1。目前，主要使用开炼机和密炼机来完成橡胶的混炼。但这些设备均是间歇性的，由于工作不连续，导致每次操作条件不同，从而引起混炼质量不稳定等诸多问题2。因此高效、低耗和稳定的连续混炼技术成为橡胶加工的发展
41、趋势，亦是多年来橡胶加工业的梦想，而实现连续塑炼又是实现连续混炼的第一步。经过研究和初步试验，本课题拟提出一种新的思路和方法，研究开发一种新型高效、连续、稳定的胶料连续塑炼设备，实现块状胶料的连续塑炼，使块状生胶经塑炼后以片状的形状连续挤出，为块状橡胶的连续混炼提供稳定、连续、高质量的塑炼胶，使“块状”橡胶连续塑炼技术及装备的实现成为现实。本项目若能研制成功，将为真正意义上的块状（非粒状）橡胶的连续混炼的实现打下坚实的基础；为高效、低耗和稳定的连续混炼技术的开发提供有力的保证。2整机方案的确定通过对塑炼设备挤出机的现状与发展趋势的了解，本课题拟提出一种新型的块状橡胶连续塑炼实验机双转子冷喂料销
42、钉挤出机，并完成其结构设计。2.1双螺杆的组合方式的确定2.1.1双转子的旋向双螺杆挤出机的螺杆旋转方向有两种：一种是异向旋转，另一种是同向旋转。我们在选择其旋向时，要考虑到其最终目的有良好的综合性能并达到较好的塑炼效果。异向旋转螺纹比同向旋转的螺纹结构输送能力更强，产生的压力更大，会使塑炼更充分、更均匀，并且可以通过转子上各元件的设计使塑炼效果达到最优，于是我们选择连续塑炼机的双转子旋向为异向旋转。异向旋转双螺杆的两根螺杆旋转方向相反。它有向内旋转和向外旋转两种情况，对啮合异向旋转双螺杆来说，目前在橡胶的使用上，向外旋转的情况很少。这是因为，对于加料段来说，如果此段螺纹不是全啮合、不是纵横向
43、皆封闭，当块状胶料自加料口加入到转子后，在两根转子的向外旋转下，块状胶料难以进入啮合区的两根转子的径向间隙之间，并在两转子上方停滞不前，加料性能不好。向内旋转则无上述缺点，当物料落到转子上后，转子啮合吃料，物料在两根转子的带动下，向前输送，充满螺槽，有助于将物料加热、熔融。设计采用异向向内旋转螺杆形式。2.1.2双转子的啮合方式双螺杆挤出机按两螺杆的啮合程度分类可分作非啮合型、部分啮合型和全啮合型三类。图2-1a所示为非啮合型双螺杆，其特征是一根螺杆的螺棱游离于另一螺杆的螺槽全啮合双螺杆；见图2-1c的特点是，若两螺杆的径向间隙为零则在啮合区物料不可能从上面漏至下面（图面上
44、可见的为上，不可见的为下），否则，则为部分啮合型见图2-1b。全啮合双螺杆在作无径向间隙的啮合运动时，两螺杆的径向截面彼此互为对方的相运动轨迹的包络线闭，因此它们在任一时和任一相对位置有且只有一点在接触，而部分啮合型双螺杆则无上述特征。它可以看作对全啮合双螺杆的螺棱和螺槽进行切削修形后的变种。a非啮合型双螺杆b部分啮合型双螺杆c全啮合型双螺杆图2-1螺杆啮合形式Fig.2-1 Screw gear form双螺杆的工作特性的各个方面都和啮合程度有关。非啮合双螺杆虽然类似于两根单螺杆并列，但由于两螺杆中的物料运动有一定程度的联系。其工作特性介于单螺杆和部分啮合双螺杆之间。而部分啮合双螺杆工作特性
45、又介于非啮合双螺杆与全啮合双螺杆之间。按装配工艺的要求，啮合双螺杆的两螺杆和机筒之间常留有一定的间隙。间隙的存在是必须的，它们不但使得螺杆和机筒能顺畅地装和拆卸，而且为螺杆在受力和热的作用而生变形时留出了伸缩的余地，以减少螺杆之间及螺杆和机筒之间出现干摩擦及严重磨损的可能性，间隙的存在使得部分物料可以从一个螺槽流到与之相邻的所有螺槽中，产生所谓的间隙漏流。这些漏流一般逆主流方流动，因此给输送能力带来损失。与这相伴的是塑炼能力却得到加强，因为通过间隙漏流产生了所谓的间隙混合图，所以总的说来，间隙的存在是有利有弊。综上所述，课题采用部分啮合方式。2.2销钉螺杆形式的选定销钉螺杆主要有两种形式，一是
46、机筒销钉结构，一是杆体销钉结构。2.2.1塑化段杆体销钉螺杆杆体销钉螺杆是在普通螺杆塑化段适当的位置上设置了销钉。其主要结构有三种形式，将销钉直接设置在普通螺杆的螺槽上；将螺纹按周向切成沟槽再安装一排或若干排销钉；在塑化段某一段位置上去掉其中一条螺纹，并按一定规律装上一组销钉。前两种形式的销钉结构虽能提高塑化和混炼效果，但对生产能力影响较大，一般很少采用。第三种结构形式由于销钉不影响胶料流动的通流截面积，从而使阻力大大减小，提高胶料的塑化效果和混炼效果，此外，还能提高生产能力。它结构简单，易于加工，自洁性能好。图2-2所示为这种杆体销钉结构图。图2-2塑化段杆体销钉螺杆Fig.2-2 Plas
47、ticizing section rod pin screw2.2.2塑化段机筒销钉螺杆机筒销钉螺杆是在螺杆的塑化段上设置机筒销钉，螺杆的螺纹在对应机筒的销钉位置上有多圈切槽，使销钉通过机筒分别插入螺杆切槽中。胶料在螺杆转动往前输送和到达充满销钉的区域时，胶料承受了复杂的复合作用（螺杆的剪切作用，销钉的拖曳作用、搅拌作用和分流作用等），因此能获得高质量的挤出物，虽然，胶料受到复杂的复合作用，但这些作用没有急剧的局部强烈剪切，这样，就避免了单位胶料剪切量的无谓增加而使挤出物温度升高。正因为销钉螺杆对胶料作用的这种机理，使得机筒销钉螺杆在相同的条件下，其挤出温度比主副螺纹螺杆的低，同时，生产效率也
48、得到很大的提高，因此这种机筒销钉螺杆得到了广泛的应用。销钉机筒挤出机在高聚物，特别是在橡胶加工技术中已经发挥着重要的作用。这些用于塑炼和混炼的单螺杆挤出机的螺杆上沿周向开有一些沟槽，销钉安装在机筒壁上，插人这些槽中。销钉机筒结构不但使其保留通用挤出机螺杆与机筒对胶料的剪切、塑化作用，而且由于销钉的插入改变了常规挤出机螺槽中胶料的运动状态和剪切生热过程。首先是使胶流在螺槽中突然改变流向，并被销钉切割分流，同时流过销钉两侧面的胶料被挤压拉长使其呈扇形面延伸展开，将胶料翻转出新的表面。在同一截面内如有8个销钉，则胶流同时被分割成16股，然后再汇合，当进入第二截面的销钉组时，又被重新分割、重新汇合，如此反复前进反复分合翻搅地流过所有销钉截面，显著提高了胶料的塑化程度和塑化均匀性。另外，常规挤出机处于横流中心的胶料束往往得不到分流搅拌而形成一个混合塑化较差的核心，如下图2-3（a）的“A”所示，特别是当胶
