单螺杆挤出机螺杆的设计与改进

蒋欣

（南京市鼓楼区塑顺挤塑螺杆设计咨询中心，江苏　南京　210029）

单螺杆挤出机螺杆的设计与改进

蒋欣

（南京市鼓楼区塑顺挤塑螺杆设计咨询中心，江苏南京210029）

塑料已超过了金属等传统材料而成为发展最快的材料，其制品已经广泛深入到各行各业之中。单螺杆挤出机作为一种重要的塑料挤出设备，由于其螺杆的结构设计、选用不当，一些挤出机没有发挥出应有的效益，存在着各种浪费。本文叙述了几种基本的螺杆类型，以及设计时要考虑的因素。

单螺杆挤出机；螺杆；设计；改进

单螺杆挤出机是目前生产实际中使用最广泛的挤出设备，也是最基本的挤出机，它可以对几乎所有的热塑性塑料进行挤出。尽管出现了一些新型的挤出机，但作为一款经典的挤出设备，单螺杆挤出机在实际应用中仍占有相当重要的地位。

单螺杆挤出机具有结构简单、性能稳定、价格较低、操作方便、工艺易控、生产效率高、应用范围广、可连续化、自动化生产等特点。

单螺杆挤出机最重要的部件是螺杆，有挤出机“心脏”的称谓。通过螺杆的转动，对机筒内的塑料产生挤压作用，使塑料产生移动，得到增压，获得由摩擦生成的热量，从而完成固体输送、熔融塑料、混合均化熔体的作用。

1　螺杆的种类

1.1普通螺杆

普通螺杆是指常规全螺纹螺杆，根据螺距（导程）和螺槽深度的变化，螺杆可分为等距变深螺杆、等深变距螺杆和变距变深螺杆，其中以等距变深螺杆在塑料挤出中应用最广。等距变深螺杆又可以分为全渐变螺杆（图1）、两段式螺杆（图2）和三段式螺杆。三段式螺杆根据挤出材料的不同再分为渐变型螺杆（图3用于非结晶型塑料）、突变型螺杆（图4，用于结晶型塑料，熔融段较短，一般为3~5D）。

图1　全渐变螺杆

图2　两段式螺杆

图3　渐变型螺杆

图4　突变型螺杆

普通螺杆是发展最早的螺杆，但在使用过程中，人们发现这种螺杆固体输送能力不高，存在转速提高后带来的塑化不良、熔料过热及波动加剧等缺点。如果不改变螺杆结构，仅通过调整螺杆参数、生产工艺条件等手段，将不会对塑料的挤出产量、质量有根本性的改观。这样人们在挤出理论的指导下和通过不断地实践摸索，对普通螺杆的结构做出了重大改进，出现了各种各样的新型螺杆（特殊螺杆）。这些螺杆在提高挤出产量，改善塑化质量，减少产量波动、压力波动、温度波动，降低能量消耗，特别是提高混合均匀性和分散性方面都发挥了自己的作用，取得了满意的效果。

1.2分离型（BM）螺杆

分离型螺杆是20世纪60年代初研制出的一种新型螺杆，其特点是在相当于三段式螺杆熔融段的位置引入一条副螺棱，使挤压系统内的物料在输送和塑化过程中，固相和液相分开，形成固相槽和液相槽，并且副螺棱外径略小于主螺棱外径。分离型螺杆有四种基本类型（图5），可根据不同的塑料种类有选择的使用。

图5　分离型螺杆

分离型螺杆克服了普通螺杆的不少缺点，如转速明显提高、熔融效率高，是一次质的飞跃，但也存在以下的不足：其固相槽越来越窄，使固体床与机筒壁的热交换面积越来越小，不利于固体的熔融；而液相槽越来越宽，熔料反而得到机筒越来越大的加热面积，不利于降低熔体的温度。

1.3Barr螺杆

针对分离型螺杆的上述缺点，人们开发了Barr 螺杆（图6）。Barr螺杆与分离型螺杆一样引入副螺棱，只是开始时的副螺棱导程较大，当液相槽的宽度达到一定程度时，副螺棱与主螺棱平行。这种结构的优点是固相槽宽度保持恒定，固体物料始终有较大面积与机筒接触，有利于熔融。

图6　Barr螺杆

图7　混炼型螺杆（圆柱销形）

图8　混炼型螺杆（菱形）

图9　混炼型螺杆（方形）

1.4混炼型螺杆

混炼型螺杆有圆柱销形的（图7）、菱形的（图8）、方形的（图9）等。这些混炼元件按一定的方式排列，可疏可密；根据需要，既可设置在熔融段，也可设置在均化段。如果混炼元件设置在熔融段，可将固体床打碎，破坏两相流动，增加固、液相的接触面积，促进熔融。如果混炼元件设置在均化段，则通过多次分流、汇合，改变流动方向，使熔体组分与温度均化。

1.5屏障型螺杆

屏障型螺杆的屏障元件一般分为直槽屏障段（图10）和斜槽屏障段（图11）。其结构特点是：在一段外径等于螺杆直径的圆柱上，交替开有数量相等的进料槽和出料槽，而槽的法向截面形状根据需要可以是半圆形或者是倒梯形。按物料的流动方向，进料槽和出料槽之间的筋在径向低于螺杆外径，其间隙值δ称为屏障间隙。矮筋是物料从进料槽进入出料槽的唯一通道，亦可称之为屏障筋。当物料到达屏障段起始端后，即被分成若干股进入进料槽，其中只有熔料和粒度小于屏障间隙δ的固体小颗粒，才能越过矮筋（屏障筋），进入出料槽，小颗粒在矮筋上受到了剪切作用，大量的机械能变成热能，使小颗粒熔融。

图10　屏障型螺杆（直槽）

图11　屏障型螺杆（斜槽）

1.6波形螺杆

波形螺杆可分为单槽波形螺杆（图12）和双槽波形螺杆（图13）。单槽波形螺杆，采用单螺棱，等距，螺槽深度沿螺杆轴向按一定的规律变化，由浅变深再变浅（槽底呈波浪形），并以2S的周期出现。物料在该段螺槽中移动，会受到重复的压缩和膨胀，从而加速固体床的崩溃，对物料的塑化和混合非常有利。双槽波形螺杆是在主螺槽中间引入一条副螺棱（外径低于主螺棱），将主螺槽分成两部分，每个螺槽深度沿螺杆轴向按一定的规律变化，由浅变深再变浅，并以S的周期出现，相邻螺槽峰谷交错。双槽波形螺杆除了对物料有压缩和膨胀的作用外，物料在越过副螺棱时，还要经受短暂而强烈的剪切，其效果要好于单槽波形螺杆。

图12　单槽波形螺杆

图13　双槽波形螺杆

2　螺杆的选择及设计要考虑的因素

选择和设计适当的螺杆形式对挤出生产是非常重要的，要考虑的因素也很多，现仅就原材料这方面作些探讨。

（1）物料的特性及外在状况。如塑料颗粒的形状、大小、松密度，熔融温度及熔融状态下粘度、流动性、热稳定性等。

（2）塑料的种类。显然不同的塑料是有差别的，甚至是相差很大。有些塑料是可以共用一根螺杆的，而有些则必须是分开使用的。早期的生产往往是品种多、数量少，因而一根螺杆打天下（通用型螺杆）；现在则多为品种少、数量多的情况，这样就需要有针对性地设计专用型螺杆了。

（3）原材料的组成。现在许多产品的原材料已不是单一树脂了，而是根据实际需要，由两种甚至两种以上的树脂按比例的共混，并加入各种添加剂。出于环保、资源再利用及降低成本的目的，塑料回收料的使用也比较普遍了，并且将其按需要的比例掺入到原材料中。这些也同样需要有针对性地设计专用型螺杆。

适合的就是好的，这也同样适用于螺杆。各种形式的螺杆都有自己的优点和不足，在设计和选择螺杆时，要扬长避短，既可用单一形式的螺杆，也可是多

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