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1、4.3 双螺杆挤出机,概述4.3.2 双螺杆挤出过程参量 4.3.3 双螺杆挤出机主要参数4.4.4 双螺杆挤出机主要零部件,4.3.1 概述,1单螺杆挤出机的局限性加料性能差排气效果差物料停留时间长2 双螺杆挤出机的优点容易加入带状料、粉料及玻璃纤维等物料物料停留时间短塑化、混合效果佳排气、自洁性能优良比功率低螺杆特性硬,4.3.1 概述,3基本结构挤压系统双螺杆机筒传动系统加热冷却系统控制系统加料装置机座,是在一个“”字形机筒内，由两根互相啮合的螺杆组成。螺杆可以是整体或组装，同向旋转或异向旋转，平行或锥形的,双螺杆挤出机挤压系统,2023年8月3日星期四,双螺杆挤出机和单螺杆挤出机工作原
2、理比较,物料在单螺杆挤出机中的输送是依靠物料与机筒的摩擦力而双螺杆挤出机则为“正向输送”，有强制将物料向前输送的作用，另外，双螺杆挤出机在两根螺杆的啮合处还对物料产生剪切作用,2023年8月3日星期四,4 类型,按相对位置,按旋转方向,同向旋转,向内异向旋转,向外异向旋转,平行双螺杆,锥形双螺杆,按螺杆轴线是否平行,啮合型,非啮合型,完全啮合型,部分啮合型,5 工作原理,双螺杆挤出机的结构尽管与单螺杆挤出机很相似，但是其工作原理与单螺杆挤出机很不相同。在双螺杆挤出机中，原材料由加料装置（一般为定量加料）通过加料口加入，且有些添加料（如玻璃纤维 等）还需通过机筒中间的加料口加入，物料经受双螺杆熔
3、融、混炼、输送等作用到达挤出机头口模。在这一过程中，物料的运动情况因螺杆的啮合方式、旋转方向的不同而不同。,啮合型同向双螺杆挤出机,5 工作原理,物料自料斗经定量装料器加入 机筒后，按照旋转方向，可从 一根螺杆的螺槽经啮合区的间隙流入另一根螺杆的螺槽，形成旋转的倒“8”形向前运动，于是，从加料口至机头存在着通道。在啮合处，螺纹和螺槽的速度相反，物料相对速度很大，承受很大的剪切，有利于混合，且能刮去螺槽内的积料，故具有较好的混炼和自洁作用。由于啮合处两根螺杆的速度方向相反，因此能在上下啮合区形成平衡的压力，螺杆的轴承及机筒承载均匀，故可在高转速下工作。,啮合型同向双螺杆挤出机,5 工作原理,由于
4、两根螺杆相互啮合，对物 料输送有强制的推力，故螺槽内的物料可以不充满螺槽地向前输送。螺杆啮合处对物料的剪切过程 使物料的表层不断的更新，具有很好的脱挥排气性能。近年来，为了强化同向旋转双螺杆挤出机的混炼能力，在螺杆元件中采用了各种结构的混合与剪切元件，使其混炼能力得到了更大的增强，因此啮合型同向旋转双螺杆挤出机被广泛用于物料的混炼。,啮合型同向双螺杆挤出机,5 工作原理,由于两根螺杆的旋转方 向不同，一根螺杆中物料螺旋前进的道路被另一根螺杆堵死，故不能形成“8”运动。,啮合型异向双螺杆挤出机,在啮合处，一根螺杆的螺纹插入另一根螺杆的螺槽中，使连续的螺槽被分割成相互隔离的C形小室。螺杆旋转时，随
5、着啮合部分的轴向移动，小室也沿着轴向前移，螺杆每转一圈，小室就前移一个导程的距离，故自机筒加料口到机头不存在物料的连续通道。,5 工作原理,少量物料被拉入两螺杆之间的径向间隙，受到 螺棱和螺槽间的研磨和滚压作用，此作用与压 延机上物料的滚压作用相似，称为“压延效应”,啮合型异向双螺杆挤出机,由于压延效应，使机筒壁和轴承受力不均匀而局部受压磨损，故异向旋转的双螺杆只能在较低的转速下工作。异向啮合型双螺杆混炼剪切作用较弱，故适用于热敏料和需要受热时间短的物料的成型。,5 工作原理,轴向漏流1：由于两螺杆不啮合，它们之间的径向间隙很大，所以存在较大的轴向漏流。,非啮合型双螺杆挤出机,环形漏流2：由于
6、两螺杆的螺棱的相对位置是错开的，即一根螺杆的推力面的物料压力大于另一根螺杆拖曳面的物料压力，从而产生了流动2（物料从压力较高的螺杆推力面向另一螺杆压力较低的拖曳面流动）。,5 工作原理,拖曳流3：同时随着螺杆的旋转，在两螺杆的间隙处物料不断受到搅动并被不断带走而更新（不论两螺杆的转向如何），产生流动3。,非啮合型双螺杆挤出机,拖曳环流4：特别是在异向旋转过程中，物料在A处受到阻碍，产生了流动4。而所有这些流动形式都增加了对物料的混炼和剪切作用。由于这种啮合形式的双螺杆没有自清洁作用，所以一般仅用于混料。,5 工作原理,啮合型锥形异向双螺杆挤出机,计量段末的螺杆横断面积减小，因此在同等的机头压力
7、下，它具有较小的轴向压力，减轻了止推轴承的负载。两个螺杆的轴线尾部分开，有利于安装较大的承载轴承，故可承受较大扭矩，且寿命长。加料段直径大，螺杆强度高，物料受热面积大，有利于塑化。而在计量段螺杆直径小，受热较小，有利于实现低温挤出。由于锥形双螺杆比平行双螺杆有上述优点，现已逐步取代了平行异向旋转双螺杆挤出机。,描写双螺杆挤出这一过程的参量有温度、充满度、压力和能量。,4.3.2 双螺杆挤出过程参变量,温度是挤出过程得以进行的重要条件之一。如前所述，物料从加入料斗到最后成型为制品是经历了一个复杂的温度过程的。,1、温度,热量来源 温度是双螺杆挤出过程得以进行的重要条件之一。物料由固态变为粘流态，
8、需要热量。挤出过程热量的来源有两个：a.机筒外部加热器通过机筒传给物料的热量。b.物料与物料之间、物料与螺杆、物料与机筒之间的摩擦热和物料受剪切而生成的热量。,1、温度,温度的调节,加料口：为保证物料顺利加入，必须保持固体的摩擦性质，故此段机筒不但不要加热，还需要冷却。在加料口下游，机筒温度则需升高，以便将物料加热，促使其熔融。熔融后：机筒温度要保持低温，使物料保持较高的粘度，这有利于混合，防止物料过热分散，实现低温挤出。螺杆轴线方向机筒的温度设定：与双螺杆挤出机的类型、螺杆构型及挤出物料特性和对最终挤出物性能要求有关，由双螺杆挤出机的加热冷却系统和温控系统来实现。,1、温度,建压导致的温升
9、在熔体输送中螺杆建压的同时，会引起熔体的温升：,1、温度,P压差T温升 熔体密度Cp 比热容m效率,T（）=0.5P(bar),这意味着压力升高1 MPa，温度上升5。这种建压引起的温升有害无益，即浪费能量，又易引起物料分解，也无益于混合。必须对螺杆建压区的构型进行优化，减少螺杆背压区的长度，使能量输入和温升达到最小值。,2、充满度,由于采用计量加料，再加上主机螺杆转数可无级调节，以及双螺杆螺杆构型对物料的接受和输送的特点，因而沿螺杆轴线方向各螺杆区段的螺槽并不是都被物料充满，有的区段的螺杆元件处于非充满状态（饥饿状态）。,充满度充满度：物料填充螺槽的面积A与螺槽的总面积A之比。固体输送段：充
10、满度一般小于1；取决于螺杆构型，熔融段：充满度可能等于或小于1；熔体输送段：充满度可能等于或小于1；在排气段：充满度必须小于1。反螺纹段、反向捏合块：充满度等于1。为了使物料通过反螺纹段和反向捏合块，其上游用于建压的正向螺纹元件中必定有一段螺槽的充满度等于1。,部分充满的螺槽,充满度的物理意义：固体输送段：可表明物料与螺杆和机筒的接触情况，因而表明由机筒吸收热量的情况；熔融段：它意味着物料受剪切的强弱；排气段：它表明物料自由表面积的大小，排气效果的好坏，冒不冒料；熔体输送段：它表明螺杆内是否建立起压力。通过调节充满度，可以调节挤出过程，达到预期的目的。,2、充满度,3、压力,压力的建立：只有充
11、满度等于1的区段，才有可能建立起压力。压力的分布：沿螺杆轴线方向就有一个压力分布问题。用压力梯度（即沿螺杆轴线方向单位长度上的压力变化）表示。影响压力的因数：不同螺杆元件其建立压力的能力是不同的。口模形式和尺寸也影响压力分布。,啮合同向双螺杆沿螺杆轴线方向的压力分布,3、压力,4、能耗,能量平衡为了使加入的物料熔融呈粘流态，必须供给热能；为使物料压实，充满螺槽并通过阻力元件，物料必须在螺杆轴线某些位置建立起压力，即必须供给压力能；为了使各组分进行分布混合和分散混合，必须提供剪切机械能。热能、压力能和剪切能是由加热器的电能和驱动螺杆的机械能转化而来。这些能量的一部分为熔融物料、成型制品所利用。其
12、余部分作为热损失而损失掉。双螺杆挤出过程中机械能和加热器提供的热能不但与双螺杆挤出机的类型有关，还与螺杆构型和不同的螺杆区段有关。,挤出过程能力沿挤压系统的变化示意,4、能耗,电机、加热器提供的能量与螺杆直径的关系,4、能耗,热能、压力能和剪切能是由加热器的电能和驱动螺杆的机械能转化而来。这些能量的一部分为熔融物料、成型制品所利用。其余部分作为热损失而损失掉。,4、能耗,比功率消耗 比功(耗)率：表示一台挤出机能量转化和利用的好坏。比功耗分毛比功耗和净比功耗。净比功耗是挤出过程中物料承受的总变形和应力的度量，它可以用平均剪切应力和平均剪切应变的乘积表示：,最低比功耗是在最高挤出量和最低螺杆转数
13、下得到 的，是挤出物料所需的最少能量。,4、能耗,4.3.3 双螺杆挤出机的主要参数,啮合同向双螺杆挤出机是当前用于塑料改性的主要混合设备之一。它的螺杆转数目前已高达12001500 rpm，长径比L/D可达3648或更长，其螺杆和机筒都是组合式，通过对螺杆元件、机筒元件进行科学的组合，可以获得范围广的剪切速率和剪应力，能进行分布混合和分散混合，可对聚合物进行共混、填充、增强改性和反应挤出。,1 螺杆公称直径D：指螺杆外径，单位mm。对于锥形双螺杆而言，D是一个变值，一般同时表示小端直径d。表示机器的加工能力。,2 螺杆长径比,螺杆有效长度与直径之比即L/D。主要取决于完成物料熔融塑化所需的挤
14、出过程和停留时间、各种功能段的长度及数量等因素。一般整体式双螺杆挤出机的长径比在718之间。对于组合式双螺杆挤出机，长径比是可变的。目前，随着螺杆转速的高速化，挤出系统的长度（或螺杆长径比）总体呈现增大的趋势。,3 螺杆的转向：螺杆的转向由同向和异向之分。一般同向旋转的双螺杆挤出机多用于混料，异向旋转的双螺杆挤出机多用于挤出成型制品。4 螺杆的转速范围：螺杆的最低转速和最高转速间的范围。5 驱动功率：指驱动螺杆的电动机功率，单位kW。6 加热功率：指双螺杆挤出机机筒上各段加热功率的总和，单位kW。,7 双螺杆中心距公称尺寸：指平行布置的两螺杆的中心距。单位mm。8 实际比功率：表征每小时内平均
15、加工1kg物料所需电动机实际使用功率的指标。单位kW/（kg/h）。9 比流量：指螺杆每转的生产能力，表征挤出机的生产效率，单位（kg/h）/（r/min）。10 产量：指每小时的挤出量，单位kg/h。,4.4.4 双螺杆挤出机主要零部件,4.4.4 双螺杆挤出机主要零部件,1 螺杆 整体式螺杆 组合式螺杆,（1）整体式螺杆,由整根材料加工制作，在一根螺杆上加工出各种基本结构单元（输送单元和混炼单元）。加工难度大。为了获得适当的压缩比变螺距变螺棱宽度依靠锥形变化,（2）组合式螺杆,是由多个单独的螺杆元件沿轴向连接组成的组合体。元件具有互换性，可根据工艺需要进行组合。加工难度小于整体式螺杆。主要
16、组合单元：输送元件、剪切元件、压缩元件、混合元件以及捏合元件。,用于输送物料，给物料一定的推力使物料能够克服在流道中的阻力。结构多为螺纹型。全啮合式：间隙小，两螺杆在输送过程中形成了几乎密闭的“C”型空间，使物料很难进行相互间的混合，对物料进行强制输送，可以在很短的长度内建立起较高的压力。,（2）组合式螺杆,输送元件,普通啮合式：捏合间隙大，中心距H大于两螺杆半径之和（R+r）以形成较大径向间隙，可增大啮合螺纹的轴向间隙。促进“C”型空间内物料的相互混合并输送物料。由于存在漏流和倒流，对物料的强制输送能力差。,（2）组合式螺杆,输送元件,包括剪切元件、混合元件、捏合元件等物料在双螺杆中的混炼过
17、程是剪切与混合的结合。剪切元件：由剪切盘或剪切螺纹组成，主要用于对物料进行剪切。,（2）组合式螺杆,混炼元件,混合元件：齿形混合盘由带齿的两组盘组成，是混合元件的一种。还有销钉段、反螺纹段等元件。主要起搅乱物料流的作用，使物料均化。,销钉型,反螺纹型,（2）组合式螺杆,混炼元件,捏合元件：主要就是捏合块，是由截面相同但安装时错开一定角度的一组块所组成。随着螺杆的转动，物料被挤入捏合块与机筒内壁之间的空腔且随着两捏合块的啮合，空腔由大变小，再由小变大，物料受到反复的剪切、膨胀、挤压，从而加速和改善了物料的塑化过程，提高了塑化质量。,（2）组合式螺杆,混炼元件,螺杆组合设计,在组合设计时应正确的了
18、解各种螺杆元件的基本工作机理、功能，与物料加工工艺相结合，进行螺杆组合的设计。设计螺杆组合的基本原则：保证在正常操作转速和温度下物料的塑化和排气 进料口一般采用中等螺距的螺纹元件 压缩段一般采用小螺距元件 混炼段采用啮合快等剪切型元件、螺纹元件等适当组合 排气口处采用大螺距螺纹元件。,（3）螺纹头数,单头螺纹 多用于捏合型同向旋转的双螺杆挤出机，主要用于加工PVC，双头螺纹 由于螺槽较深，剪切强度相对小些，并有较好的加料性能，适合于混料和加工难于加入的物料（如粉料）。三头螺纹 螺槽较浅，对物料的剪切强度比双头螺纹大，主要用于需要高剪切的物料。螺纹头数对于挤出机的性能及加工品种都有影响,2 机筒
19、,分段积木式：同向旋转双螺杆挤出机的机筒大多采用分段积木式结构，每段长度为（34）D，其中有加料口段（根据加料方式可设多段）和排气口段，有的有测量熔体温度或压力的孔段。对于介质冷却的机筒，各段还设有介质通道，以及固定加热器用的螺孔。与组合式螺杆配合可根据物料和工艺要求灵活组合。,流程工艺和配置,1聚合物 2 填充物 3 添加剂 4 预混器 5 双螺杆侧加料 6 液体计量加料 7 双螺杆挤出机 8 真空泵 10 切粒系统 PVC双螺杆组合挤出工艺流程,通常，一台成功的双螺杆挤出机选择首先在于确定理想的筒体组合和配置，它关系到挤出机的工艺、螺杆的长径比、物料的停留时间、混炼塑化程度，螺杆组合，筒体
20、的组合和配置是双螺杆挤出机工程技术应用的一个重要内容。,配混挤出,脱水干燥,典型的挤出机主机配置结构,与筒体排列相密切的因素有：加料位置，排气或脱挥口的数量及位置，物料的挤出过程。通常，主加料口设定在第一节筒体，中间物料（如粉状物）通常是在上游物料处于半塑化状态下加入，液体状添加剂则根据添加剂的稳定性及分布分散要求具体确定加入位置。排气筒体的设置与中间粉体的加入位置、物料的塑化程度、低分子产物的多少、螺杆组合结构等因素有关。,整体式：锥形双螺杆的机筒多采用整体式，其结构与单螺杆挤出机类似，内孔为“”形，机筒与机头连接处有由“”形过渡到圆形的连接段。,2 机筒,3 传动装置,传动装置应满足的要求
21、：在满足螺杆中心距的条件下，传递额定扭矩。两根螺杆传动轴应承受同样的扭矩负载。应消除螺杆的径向力，防止螺杆弯曲。传动部件的型式分置式：把齿轮传动分成两部分，即减速部分与扭矩分配部分。合体式：使用内齿轮，把减速与扭矩分配装置放在同一齿轮箱内。多电机式：多电机多主动轴传动形式。,止推轴承组,静压轴承动环、定环、圆盘圆盘上开有径向斜槽充入高压油,3 传动装置,4 计量加料装置,5 排气装置,双螺杆挤出机都设有排气装置，以排出挤出过程中物料的水分、湿气、夹带的空气以及残留单体和低分子挥发物。专用于脱水和排出挥发物时，机筒要开设几个排气口。,6 加热冷却系统,由挤出过程知，温度是挤出过程得以进行的必要条
22、件之一，挤出机的加热冷却系统就是为保证这一必要条件而设置的。,塑料在挤出过程中得到的热量来源:料筒外部供热依靠安装在料筒外部的加热器供给热量。内部供热是由物料与料筒内壁、物料与螺杆以及物料之间相对运动所产生的摩擦剪切热供给。由电动机传输给螺杆的机械能转化而来。这两部分热量所占比例与螺杆、料筒的结构形式、工艺条件、物料的性质等有关，也与挤出过程的阶段（如启动阶段，稳定运转阶段）有关。,6 加热冷却系统,这两部分热量所占的比例在挤出过程的不同区段也是不同的：在加料段为保证物料顺利加入，必须保持固体的摩擦性质，故此段机筒不但不要加热，还需要冷却。熔融段在加料口下游，机筒温度则需升高，以便将物料加热，
23、促使其熔融。当物料熔融后，机筒温度要保持低温，使物料保持较高的粘度，这有利于混合，防止物料过热分散，实现低温挤出。在正常工作时往往需冷却器进行冷却。沿螺杆轴线方向机筒的温度设定，与双螺杆挤出机的类型、螺杆构型及挤出物料特性和对最终挤出物性能要求有关，由双螺杆挤出机的加热冷却系统和温控系统来实现。,6 加热冷却系统,挤出机的加热方法载体加热：原理是先将液体（水、油、联苯等）加热，再由它们加热料筒或螺杆。电加热：目前挤出机上应用得最多的是电加热，它又分为电阻加热和电感加热。,6 加热冷却系统,挤出机的冷却挤出机设置冷却系统（和加热系统一起）是为了保证塑料在工艺要求的温度条件下完成挤出成型过程。挤出
24、过程中经常会产生螺杆回转生成的摩擦剪切热比物料所需要的热量多的现象，这会导致料筒内物料温度过高，如不及时排出过多的热量，会引起物料（特别是热敏性塑料）分解，有时也会使成型难以进行。为此。必须对料筒和螺杆进行冷却。,6 加热冷却系统,料筒的冷却：现代挤出机的料筒都设有冷却系统。料筒的冷却方法有风冷和水冷。风冷：风冷比较柔和、均匀、干净，在国内外生 产的挤出机上应用较多。但风机占的空间体积大，如果风机质量不好易有 声响。一般认为用于中小 型挤出机较为合适。,6 加热冷却系统,水冷：与风冷相比，水冷的冷却速度快，体积小，成本低，但易造成急冷，从而扰乱塑料的稳定流动。如果密封不好，会有跑、冒、滴、漏现
25、象。用水管绕在料筒上的冷却系统，容易生成水垢面堵塞管道，也易腐蚀。故完善的水冷系统所用的水不是自来水，而是经过化学处理的水。软化水并经过除氧处理。一般认为水冷用于大型挤出机为好。,6 加热冷却系统,螺杆冷却 平行异向双螺杆挤出机在加工热稳定性差的物料(如PVC等)时，由于仅靠机筒外部冷却系统不足以将螺槽中物料由于强烈的摩擦产生的多余热量带走，必须对螺杆进行冷却。冷却螺杆目的：第一，获得最大的固体输送率第二，冷却螺杆以控制制品质量。冷却介质 也有用油和空气作为冷却介质的。油和空气的优点是不具有腐蚀作用，温控比较精确，也不易堵塞管道。,6 加热冷却系统,料斗座冷却 加料段的塑料温度不能太高，否则会
26、在加料口形成“拱门”，使料不易加入。为此。必须冷却加料斗座。此外，冷却加料斗座还能阻止挤压部分的热量传往止推轴承和减速箱，从而保证了它们的正常工作条件。加料斗座的冷却介质多用水。,6 加热冷却系统,双螺杆挤出机设置有严格的安全保护措施，能够有效防止设备事故的发生：电器保护过载保护器（转矩保护或超电流保护）机械保护传动装置与螺杆之间通过安全销或安全键保护。主电动机与定量加料器的联锁保护装置机筒、螺杆热载体油温指示和控制以及超温报警装置排气发生故障以及机头压力超载等报警装置润滑及止推轴承的油温油压指示与报警装置,7 安全保护装置,双螺杆挤出机生产设备主机：,8 双螺杆挤出机生产设备,双螺杆挤出机生产设备主机：,8 双螺杆挤出机生产设备,双螺杆挤出机生产设备联动线：,8 双螺杆挤出机生产设备,双螺杆挤出机生产设备水冷拉条切粒：,8 双螺杆挤出机生产设备,双螺杆挤出机生产设备多螺杆挤出机：,8 双螺杆挤出机生产设备,双螺杆挤出机生产设备生产现场：,8 双螺杆挤出机生产设备,
