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1、注塑机机筒加热功率的设计摘要：加热功率是注塑机的重要参数。本文论述了注塑机加热功率的本质、作用和原理，提出了加热效率的计算模型，对加热功率的设计提出了新的设计理念，并举例说明了其设计过程。本文还对加热圈的结构形式、加热功率与螺杆特性之间的关系等提出了作者的看法,提出了对加热功率不够解决的方法。供同行参考。1 前 言 注塑机筒加热功率是注塑机的一项重要的技术参数，直接关系到塑化的质量、塑化能力和能耗。注塑机筒加热功率的设计，设计人员一般在设计中对其没有引起足够的重视，而且传统的设计方法与设计思路上也有缺陷。有关设计的参考资料上都推荐注塑机筒加热功率的设计原则是，首先根据机械强度确定的机筒外径，然
2、后根据其表面积按（33.5）W/cm2原则配制加热功率，或者根据机筒螺杆的重量及其热性能来配制加热功率。在设计中，为降低成本，往往把机筒外径尽量减小，这样，降低了配制的加热功率。用户在实际使用中，特别是塑化焓值高的塑料，反映塑化加热功率不够，影响了塑化质量和降低了生产效率。作者对国内外的一些注塑机机筒加热功率作了比较，并对其的设计方法进行了研究，提出了对注塑机机筒加热功率新的设计理念。2 机筒加热功率的功能机筒加热功率主要有两个功能：熔化冷料，辅助塑化。辅助塑化：一是补偿塑化热量损耗，二是提供塑化的一部分热量。3 机筒加热功率设计的思路机筒加热功率的设计，首先要了解塑化的原理和塑化能量平衡的原
3、理，塑化就是对塑料原料施加热能达到熔化的注射状态，塑化需要大量的热能，塑化需要能量根据塑化原料本身的特性而定，每种塑料塑化所需要的热能差异很大。塑化需要能量来自两个方面：一部份来自螺杆剪切和与机筒内壁摩擦生热而得到热能，大部份来自机筒加热功率提供的热能。在塑化过程中，有一部分热能损耗掉，同时得到加热功率热能的补偿。在此过程中，机筒加热功率必须达到保持恒定的塑化温度的要求，才能保证塑化质量和熔体流动的要求。机筒加热功率的设计必须使之设计的加热功率适合常用塑料塑化需要的热能，并使之有一定的余量。纵观工业发达国家制造的注塑机与国内制造的注塑机两者同一螺杆直径的加热功率相比，前者比后者高60%至70%
4、，这里涉及到如何设计加热功率。一般是先设计机筒外径，然后根据机筒外径与长度按其表面积3.5W/cm2确定加热圈功率，而对加热圈加热的主要功能塑料塑化能力所需要的能量，基本上不予研究。对此，我们必须要充分认识到，按机筒表面积（33.5）W/cm2配制加热功率，是指对普通材质制造的加热圈设计功率寿命所容许热容量设计的极限，而不是指对塑化能力所需热能配制的设计值。作者认为，根据机筒加热功率的功能，机筒加热功率的设计，其出发的思路是应把加热功率与塑化能力、塑料的热性能直接联系起来，即加热功率应满足塑化能力所需热能的要求，机筒表面积即机筒外径首先要满足加热功率设计的要求，即应根据塑化能力所需加热功率来设
5、计机筒外径。一般机筒外径表面积只要满足塑化所需加热功率的要求，其机筒强度及热性能能够达到要求。长期以来，把注塑机筒加热功率的设计与机筒表面积直接联系起来，这是设计中的误导，必须加以纠正。4 塑化加热功率的设计原则根据塑化能量平衡的原理，塑化能量平衡近似可用下式表示1：NQ = NT NJ NP（1）NT = ETGS（2）式中:NQ：塑化施加的加热功率kW；NT：塑料熔融所需功率 kW；NJ：塑化施加的机械功率 kW；NP：塑化背压施加的机械功率 kW；NP=9.81GSPts /K（3）P：塑化背压 MPa；K： 功率换算系数 K = 10300cm/kg/kWh1；ts： 塑化时间h.。E
6、T： 焓 J/g。SAN；360；PVC：360；PS：270；PA6：600；PP：590；PC：590；HDPE：800；LDPE：690；PA66：750；PMMA：210；POM：420；AS：335；ABS：400。1GS：塑化能力 g/s。 NJ = MJnJ /9550kW（4） 式中:MJ:油马达扭矩 N?m;MJ =103 q p /2 N m（5） 式中:q ：油马达排量L/r； p ：工作压力 MPa 。 J: 油马达效率，径向柱塞低速高扭矩油马达效率一般取0.88； n： 速化转速r/min。 5 塑化所需功率的确定塑化所需功率的确定是设计机筒加热圈功率的前提。确定塑化
7、所需功率，首先要确定具有代表性的塑料塑化所需功率，以适应加工的范围。塑化能力和注射速率把PS作为确定的对象，塑化加热功率用哪一种塑料作为确定塑化加热功率的对象，作者认为，应把焓值高的塑料作为塑化加热功率的对象，因为，焓值高的塑料在塑化时所需功率大。PS焓值低，不能作为塑化加热功率设计的对象，HDPE焓值高，作为塑化加热功率设计的对象，具有代表性。本节根据作者对塑化加热功率设计的思路，在同一台注塑机上塑化PS及HDPH，作所需塑化加热功率的比较，以说明塑化加热功率对象的设计。以一台2500kN合模力的注塑机为例,螺杆直径60mm,转速180r/min。 塑化PS，塑化能力45g/s，塑化压力5M
8、Pa，塑化背压0.5MPa，塑化时间14.2s。塑化HDPE塑化能力35g/s,油马达排量0.6L/r,塑化压力12MPa，塑化背压1MPa，塑化时间15s。根据上述两个塑化加热功率的比较,可以看出,塑化HDPE所需功率的显著高出塑化PS所需的功率。HDPE是一种分子密度高、粘度大、结晶度高、分子取向性强的塑料，焓值在常用注射料中为最大，即在塑化过程中需要的功率最多，对其作为塑化加热功率设计的对象，具有代表性。 6 加热圈加热功率设计根据加热圈的形式、制造质量及对其所用的绝热结构等， 加热圈设计功率应根据实际加热效率进行修正。加热圈加热功率设计： NQQ=NQ/Q（6） 式中:NQQ: 加热圈
9、设计功率 kW；NQ：有效加热功率 kW； Q：加热效率。 加热圈加热效率，根据其结构形式不同差异很大，而且对其较难确定一个定值，只能大致上确定一个范围。塑化加热功率确定之后，确定加热效率是设计加热圈功率的关键。6.1 加热效率计算模型 计算模型:冷料熔化,此时仅加热功率对塑料熔化起加热作用,没有机械功对冷料施加能量。加热圈提供的功率一部分提供给机筒、螺杆及机筒内的冷料熔融，这一部分为有用功率，另一部分损耗掉的无用功率。根据热力学与高分子学可知,钢的导热率是塑料导热率的约360倍，所以在塑料冷料熔化过程中，可以看作机筒与塑料同时达到设定熔化温度。机筒首先快速吸收加热圈的传导热，塑料吸收机筒的传
10、导热，螺杆吸收塑料层的传导热。机筒内壁与塑料层之间、塑料层与螺杆之间可视作密闭状态，假设机筒的传导热完全被塑料熔化和加热螺杆所吸收，加热效率仅反映在加热圈提供加热能量与被吸收热能量之间的关系。有用功率与加热圈提供的总功率之比即为加热圈的加热效率6.2塑料熔化所需要的功率 NH以4为例，计算机筒内冷料融所需要热能QH。螺杆计量段槽深4.5mm, 计量段长300mm,压缩段长240mm,压缩比2.5,机筒内存有PS冷料，螺杆注射到底,熔融温度与外部环境温差216 0C，加热圈加热至PS熔化时间30分钟。 塑料熔融所需要热能QH。对于熔体环的稳定状态条件，由Fourire定律可得1： QH = k（
11、T1-T2）A/tJ/s（7） 式中:QH：单位时间热流量 J/s； T1: 塑料环外表面温度 0C;T2: 塑料环内表面温度 0C;k：塑料环导热系数 J/cm2/g/cm/ 0C。PS导热系数 0.001254J/cm2/g/cm/ 0C； t: 塑料环厚度 cm;A：加热机筒内部与需熔化塑料接触部份的表面积 cm2。 A =DSL（8） DS: 加热机筒内径 cm;L:加热机筒内部与需熔化塑料接触部份的长度 cm。 4 中，A =6(30+24)=1018 cm2QH =0.0012542161018/0.45=612.75 J/s熔化速率: GHGH = QH/QPg/s（9） 式中:
12、QP: 总的热容量 J/g。P：QP=270 J/g1GH = 612.75/270 = 2.27 g/s = 8.17 kg/h塑料熔化所需要的功率为：NHNH = GHET = 2.27270 = 0.613 kW6.3 加热机筒所需要的功率 NT加热圈首先对机筒进行加热。4例中,机筒加热圈总功率为12 kW,需加热的机筒部份重量为100kg, 机筒材料的比热容为0.432kJ/kg? 0C。加热机筒所需要的功率: NT = GT?CTP（T1-T2）/（3600?tT ）kW（10） 式中CTP：机筒材料的比热容 kJ/kg? 0C； GT：加热的机筒部份重量 kg； tT：加热至设定温
13、度时间 h； T1-T2 ：熔融温度与外部环境温差。 NT = 1000.432216/（36000.5）=5.184 kW6.4 加热螺杆能耗 NL加热螺杆可视作在密闭环境中,没有能量损失。加热螺杆能耗 NL： NL = GL?CTP（T1-T2）/ tT（11） 式中:GL：螺杆被加热部分重量。4例中, GL=14kg。 NL=140.432216/0.5=2600.64 kJ/h=0.7224 kW6.5 熔融塑料总能耗 NZNZ =5.184+0.613+0.7224=6.5194 kW6.6 加热效率QQ = 6.5194/12 = 0.54 加热效率同加热圈的形式、制造精度、加热圈
14、有无保温层、加热圈与机筒接触是否良好等因素有关,所以加热效率一般取0.5到0.6,视具体情况而定。同时，我们看到，加热效率反映出了损耗大量的加热功率，所以，提高加热效率时注塑机节能的一个重要方面。 6.7 加热圈功率设计以4为例,进行加热功率设计。 根据5.6的原则:4中塑化PS的加热圈设计功率为:（加热效率取0.54）NQQ： NQQ(PS) = 4.3/0.54 = 7.96 kW4中塑化HDPE的加热圈设计功率为:（加热效率取0.54）NQQ： NQQ(HDPE) = 9/0.54 = 16.67B kW综合上述,合模力2500kN,螺杆直径60mm的机筒加热圈加热功率设计值为20kW左
15、右比较确当。 国内一般60mm螺杆的机筒加热功率为12kW，由计算及加工实际可知，能适应焓值不高、分子密度不高的塑料塑化，但对塑化的塑料范围和塑化的能力受到了一定的限制。例如，一些用户成型PP制品，感到国产注塑机配置的机筒加热功率达不到成型要求，不得不使用热容量大的加热功率高的陶瓷加热圈，或者在加工过程中，降低塑化转速，即延长塑料的塑化时间，以达到塑化所需的热量。 下列是一些国际上著名注塑机制造公司配制的60mm螺杆的机筒加热功率塑化能力（PS）未实测仅作参考 有关公司60mm螺杆的机筒加热功率比较 制造公司 机筒加热功率（kW） 塑化能力（g/s） ENGEL 21 46 HPM? 17 4
16、0 DEMAG 23 46 TOSHIBA 20 44 SANDRTTO 23 注：上面仅是样本上标示的加热功率，未知实际加热功率及加热效率。47 加热圈结构形式加热圈结构形式对加热能耗的影响很大，不同的加热圈结构形式具有不同的加热效率，相同功率的加热圈因其结构形式不同实际提供给塑化的有用热能差别很大。设计的加热功率必须与其结构形式相匹配，才能取得预期的效果。注塑机能耗主要是塑化能耗，对于油马达直接驱动螺杆塑化的注塑机来说，塑化能耗约占整机能耗的70%，而其中加热能耗占塑化能耗的（2030）%，所以，提高加热效率对降低整机能耗是非常重要的一环，并且能够相对地降低加热圈容量。制造厂样本上标示的加
17、热功率仅是加热圈名义加热功率，并不实质上表示提供给塑化所消耗的实际热能。发达工业国家制造的注塑机对其节能很重视，早在八十年代初应用了加热效率高、热容量大、使用寿命长的外表面都有绝热装置的陶瓷加热圈，虽然他们制造的注塑机的加热圈的配制功率大，但由于设置了绝热装置，所以实际上消耗的能量确要比我们国内制造的同规格注塑机的能耗要低的多。有的用户认为，机筒加热功率装载功率大，塑化能耗大，实际上是对机筒加热功率的作用认识不足，机筒加热功率装载功率大，说明塑化的范围广，冷料加热起动快,对能耗基本上没有影响。许多企业仍在使用加热效率低、使用寿命低的不锈钢皮制的加热圈，对曾经推广应用加热效率较高使用寿命较长的铸
18、铝制的加热圈越来越少，设制加热圈绝热装置也越来越少,热能大量散发，不但降低了加热效率增加了能耗,而且缩小了塑化的加工范围，恶化了工作环境，这值得引起我们的思索。8.对机筒加热功率不够的解决方法8.1 增大机筒表面积采用不锈钢皮云母电热丝制造的加热圈及铸铝电热丝制造的加热圈,因受到此种加热圈设计的热容量为（33.5）W/cm2的限制,设计制造单位可增大机筒表面积,以增大机筒加热功率，同时由于增大了机筒的热容量，提高了机筒的热性能。8.2 采用热容量大的加热圈如受到机筒表面积的限制,可采用热容量大的加热圈,如陶瓷电热丝制造的加热圈，设计的热容量为（66.5）W/cm2,氧化铝电热丝制造的加热圈的设
19、计的热容量为（910）W/cm2。 9 机筒加热功率与螺杆特性之间的关系由式（1）可知，塑化热能主要来自机筒加热和螺杆剪切提供的热能，但是，这两者的热能的作用既互相联系又有区别，各自的功能不能互相取代。机筒加热功率足够,并不完全能对所有的塑料达到塑化质量的要求,这其中还有一个塑料塑化所需提供的机械能即螺杆剪切提供的剪切热。各种塑料塑化因其性能不同所需剪切热也不同, 剪切热不能由机筒加热所代替, 剪切热量由螺杆的特性所决定,例如,塑化PP,即使机筒加热提供足够的热量,如螺杆的性能不良,也达不到良好的塑化性能,往往出现与机筒内壁接触部分塑料完全塑化熔融,而与螺杆底径接触部分塑料没有完全塑化熔融,里
20、外层之间温差大,外层的塑料被注射,里层的塑料沉积于螺杆头部，成为团状，塑化量越来越少，以致于到最后不能在高的转速下达到塑化量。所以，要达到良好的塑化所需热量，螺杆必须具备良好的剪切热特性。 10 结论本文通过对注塑机机筒加热功率设计的论述,可得出以下结论:1. 注塑机筒加热功率设计必须建立在塑料塑化所需热能基础上考虑设计,而不是根据机械强度设计的机筒的表面积去考虑设计加热功率。 2. 注塑机筒加热功率设计必须充分考虑到适应面及提高加热效率。 3. 注塑机筒加热圈设计要注重吸收消化国际上已成熟的先进技术，要善于研究并总结出他们的设计原理和设计方法。 参 考 文 献1英A.B.Glanvill塑料工程手册 轻工业出版社1983.2成都科技大学 塑料成型工艺学 中国轻工业出版社1993.3龚浏澄 塑料成型加工实用手册 北京科学技术出版社 1990.4有关样本.
