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1、橡胶挤出机螺杆构型分析及其几何参数的确定吕柏源 郑晓斐 闵鹏峰 崔静（青岛科技大学高分子材料加工机械研究所）摘要：螺杆是冷喂料挤出机的一个核心部件，它在挤出机的性能参数中起着决定性的作用。本文将螺杆从宏观功能上分成三个功能段，依据挤出理论结合生产实践分别对螺杆的喂料功能段、塑化功能段和挤出功能段的各种螺杆构型进行了较详尽较系统的分析，以便更容易理解和掌握各种螺杆构型的工作原理，希望对螺杆设计和选型有所帮助。另一方面螺杆又是由众多的结构几何参数所组成。因此螺杆几何参数的确定和选择直接关系着挤出机的使用性能。本文分析了螺杆几何参数影响挤出过程的理论依据，进而对各几何参数进行选择和确定，为螺杆和挤出
2、机的设计、选型提供依据和参考。1.前言在橡胶工业中，螺杆挤出机是橡胶加工的重要设备，它广泛应用在轮胎制造、胶管制造、密封胶胶条制造、电线电缆和防水材料制造等等。在挤出机中，螺杆是一个核心部件，它在挤出机的性能参数中起着决定性的作用。从挤出机的发展史中就充分证明了这一点：最早使用的是短长径比的等距不等深或收敛螺杆，因没有塑化功能，只能用在橡胶制品的压型功能上，即出现了最早的热喂料挤出机；由于热喂料挤出机需要庞大的供胶设备，既浪费能源，浪费占地面积，劳动强度大，挤出制品质量低等问题，因此，加大了螺杆的长径比，提高了胶料在挤出过程中的剪切历程，以便提高螺杆的塑化能力，出现了大长径比的普通螺纹螺杆，即
3、从热喂料挤出机发展到普通冷喂料挤出机；由于普通冷喂料挤出机的螺杆没有塑化元件结构，塑化能力达不到挤出工艺要求，在此背景下，螺杆的塑化段增加了主副螺纹结构，出现了主副螺杆（即强力剪切）冷喂料挤出机；主副螺纹挤出机虽然解决了塑化能力问题，但它只是简单的剪切作用，对塑化和混合作用还满足不了高质量橡胶制品的要求，因此，又将螺杆的塑化段发展成机筒销钉螺杆，则出现了销钉冷喂料挤出机。并为此，先后出现了繁多的挤出机品种，如：挡板挤出机、传递型挤出机，销钉/主副螺纹型挤出机等等。在挤出机中，机筒/螺杆系统有三大作用：一是输入胶料的作用，即为挤出机的喂料段。它是决定挤出机生产能力的前提，只有吃料多，才能输出得多
4、；但是吃料多必须给予消化，则机筒/螺杆系统第二个作用就是塑化作用，此段即为挤出机的塑化段；在挤出过程中胶料通过喂料段、塑化段，至此胶料已完成了塑化作用，为了获得制品稳定的质量，机筒/螺杆系统第三个作用就是稳定挤出作用，即计量作用，此段称挤出段。我们根据螺杆在机筒的辅助组合下，把螺杆分成三个功能段，一是喂料段，二是塑化段，三是挤出段。为了便于分析和应用，我们将螺杆构型分解成上述三个功能段的构型并进行分析，以便更容易理解和掌握螺杆构型的设计原理，希望对螺杆设计有所帮助。在橡胶螺杆挤出机中，螺杆是挤出机的核心部件，而螺杆又是由众多有关的几何结构参数所组成，几何参数的选择是否正确，直接影响挤出机的使用
5、性能。长期以来，螺杆的几何参数主要沿用热喂料挤出机和普通冷喂料挤出机螺杆的几何参数。随着螺杆构型的发展和变化，螺杆几何参数也有很大的变化。因此，很有必要对现代冷喂料挤出机螺杆结构几何参数进行分析，在分析的基础上对螺杆结构的主要几何参数进行选择和确定。这些几何参数主要包括：螺杆直径（D）；螺杆长径比（L/D）；螺纹升角（）和导程（S）；螺杆的几何压缩比（）；螺槽深度（H）；螺纹断面形状（r，e）；销钉的排数（N）、个数（n）与销钉直径（d）；主副螺纹长度（l）与高低差（），螺杆和机筒之间的间隙（）以及螺杆头的形状与尺寸。2.橡胶挤出机螺杆构型分析2.1喂料段螺杆构型分析喂料段螺杆主要有两个作用：
6、一是能最大限度和最快速度吃进胶料；二是保证吃进的胶料能有效地迅速输送到塑化段。对于前者主要采用旁压辊喂料装置以及新近出现的螺旋啮合喂料装置，主要考虑螺杆的构型和与之相配合的机筒结构。机筒螺杆普通螺纹螺杆多头螺纹螺杆等距等深螺杆等距不等深螺杆收敛螺杆简单多头螺纹螺杆复合多头螺纹螺杆轴向沟槽机筒螺旋沟槽机筒喂料段螺杆构型喂料段的胶料主要还是呈现粘弹态，比较符合挤出理论中的固体输送理论，有如下公式1： （1）（式中符号意义参见文献1P266-269）移动角的大小是挤出机生产能力高低的一个决定因素。当=0，生产能力为0；当=90时，生产能力达到最大值。最终必须使胶料的摩擦系数减小，而与机筒的摩擦系数增
7、加。根据上述原理出现了许多类型喂料段螺杆构型，分类如下：2.1.1喂料段机筒构型2.1.1.1轴向沟槽机筒构型如图1所示为轴向沟槽的机筒构型。它主要是通过各种形状的轴向沟槽提高胶料与机筒的摩擦系数，以便提高生产能力。在机筒衬套设置沟槽的尺寸见表1，本表尺寸适用于塑料挤出，对橡胶挤出而言，其槽深可作较大增加。 图1 轴向沟槽机筒构型表1机筒衬套设置沟槽尺寸螺杆直径D，mm456090120150沟槽数Z4681216横宽B，mm88101010槽深H，mm334442.1.1.2螺旋形沟槽机筒构型根据研究，在喂料段机筒衬套内壁开设螺旋形沟槽以代替轴向沟槽，其吃料和输送效果更好，注意螺旋形沟槽的方
8、向要与螺杆螺纹旋向相反，其结构如图2所示。在150销钉挤出机喂料段衬套上有四条来复线沟槽，槽宽60 mm，槽深5mm,导程480 mm。来复线状的沟槽从喂料口的底部开始，向机头方向推进，在螺槽收尾处，采用较平缓的斜坡过渡线圆弧过渡。图2 螺旋沟槽机筒设计2.1.2喂料段螺杆构型2.1.2.1喂料段普通螺杆构型喂料段普通螺杆构型有三种结构。如图3a所示为等距等深螺杆，这种结构简单、加工容易，但没有压缩比，在普通冷喂料挤出机不宜使用，因为不容易建立挤出压力和剪切功能较弱，但在销钉挤出机中，也常常采用这种螺杆构型，因为销钉挤出机塑化功能很强，对挤出机喂料段螺杆的剪切功能没有特殊要求。如图3b所示为等
9、距不等深螺杆，他克服了等距等深螺杆上述的缺陷，但在小规格挤出机中，螺杆的根部的强度与刚度不好保证，容易产生垫杆现象。如图3c所示为等深不等距螺杆（收敛螺杆），它既克服了上述两种螺杆的缺点，同时它更符合挤出过程胶料变化状态，有利于喂料段沟槽体积的扩展，进而提高吃料能力，这种螺杆按传统方法加工比较困难，一般需用专用数控螺杆加工机床。a 等距等深螺杆(t1=t2，h1=h2)b 等距不等深螺杆(t1=t2，h1h2)c等深不等距螺杆(t1t2，h1h2)c 等深不等距螺纹螺杆(t1t2，h1浅螺槽的生产能力Q1，当在高压区ppc时（即具有高阻力的机头），若配以深螺槽螺杆，将会导致生产能力的降低，若配
10、以浅螺杆，将会获得较高的生产能力如p3分别与浅螺槽螺杆特性线和深螺槽螺杆特性线相交得到浅螺槽螺杆的生产能力Q2深螺槽的生产能力Q。因此，在使用低阻力机头时，可以增加螺纹槽的深度来提高生产能力。在橡胶挤出机中一般机头阻力较低（p250 kg/cm2），采用增加螺槽深度来提高生产能力是可行的。但应注意螺槽太深会影响螺杆的塑化能力和塑化效果。图22 挤出机综合工作点1- 低阻力机头特性线；2-深螺槽螺杆特性线 3-高阻力机头特性线；4-浅螺槽螺杆特性线螺杆深度与螺杆直径有一定的关系，一般热喂料挤出机H(0.180.25)D，冷喂料挤出机大约为H0.1250.17D左右选取，销钉冷喂料挤出机约为H（0
11、.170.22）D。用于门尼粘度高、硬度高的胶料以及螺杆直径小的条件下，其螺纹深度宜选取较小值；用于门尼粘度较低、硬度较低的胶料以及螺杆直径大的条件下，其螺纹深度宜选取较大值。在没有出现销钉冷喂料挤出机之前，冷喂料挤出机的生产能力一直低于热喂料挤出机，原因就在于冷喂料挤出机螺槽深度远比热喂料挤出机浅，其螺槽深度约为热喂料挤出机螺槽深度的三分之二。当机筒销钉螺杆出现以后，胶料的塑化已不单纯依赖机筒和螺杆之间的剪切作用，而是通过销钉极大地强化了销钉螺杆的剪切、搅拌和撕裂作用。因此，销钉螺杆的螺槽深度突破了原来冷喂料挤出机螺杆的螺槽深度，进而销钉冷喂料挤出机的生产能力也获得了提高，这对冷喂料挤出机推
12、广起着重要的作用。3.7螺杆断面的形状（r，e）螺纹断面形状主要是指螺纹棱的宽度e，推力面、背压面的倾角 以及推力面和背压面过渡半径r。常见的螺纹断面形状主要有矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹，其结构如图23所示。a b c 图23螺杆断面形状a 矩形螺杆；b梯形螺杆；c锯齿形螺杆螺纹螺棱的宽度有轴向棱宽e和法向棱宽e之分，一般在计算中多使用法向螺棱宽度，有以下关系e=ecos,螺棱宽度较大时，其螺棱的强度、刚度好，但为了提高螺槽有效输送容积，在保证其强度、刚度的前提下，应尽可能减小螺棱宽度。螺棱宽度一般取e=(0.060.08)D。当胶料门尼粘度大，硬度高时，宜选取较大的e值；当胶料门尼粘度小，硬度较小时，宜选取较小的e值。如图3a所示的矩形螺纹断面，其螺棱两侧根部与螺杆根部的相交处形成90的交角，因为此交角会使胶料在螺槽运动中形成“死角”，对螺杆的输送和塑化效果有重大的影响，因此应采用圆角过渡的设计。如果推力面r太小，胶料则窝在根部难予往前输送，如果背压面r太小，则胶料窝在根部难以翻转，直接影响输送能力和塑化效果，这在设计时务必注意。然而过渡圆弧半径太大，则会减少螺槽的容积。通常推力面的过渡半径可选半个螺槽深度，即r=0.
