用于塑料挤出机的节能高效螺杆设计与研究

摘 要：螺杆传动过程中能否达到节能及高效的效果对提高塑料挤出机的生产效率至关重要，笔者在对塑料挤塑机螺杆进行详细分析工作原理、坯料加工质量要求和本身结构特点的基础上，进一步对工具的结构参数进行了优化研究，运用Fluent流体数值模拟软件，全真模拟了塑料挤出机螺杆在挤出过程中的运动，对于农用塑料特别是塑料农膜的高效节能、低成本高质量、批量生产和现场应用起到了极大的指导作用。

关键词：塑料挤出机；螺杆；Fluent；流体模拟；塑料农膜；应用

塑料挤出机在农膜生产过程中有着较为广泛地应用，我国的挤塑机相对发展较晚，在技术及设备上与国外先进水平都存在较大差距，尤其是在生产效率和生产产品质量方面缺乏创新。因此，有必要针对塑料挤塑机的关键零部件螺杆进行优化设计与研究，以提高塑料挤出机的性能。

1 挤出机现状与技术分析

在整个生产系统中，挤出机仅为挤出成型生产线的一个部分，其具体组成较为复杂，拥有独立的冷热控制系统、中心控制系统、机械传动系统和机械挤压系统，以上系统协调工作，在设备运行参数可靠的前提下[1-3]，使产品的温度和熔料分布更加均匀。挤出机传动系统中最为关键的部件是螺杆，螺杆的设计分析和本体材料的质量对一台挤出机的整体综合性能起着决定性作用。以往常见的螺杆一般由三部分组成，分别是加料部分、压缩部分和均化部分，但是笔者在分析研究中发现，目前旧的三部分螺杆设计功能较为单调[4-7]，对于多种塑料挤出成型还不适用。

新型组合螺杆的组成更加全面，包含混炼部分、剪切部分、减压部分、压缩部分和输送部分，这样塑料本體的输送状态会得到有效的优化和改进，同时本体塑料的熔融速率也会大大提高，物料的分散混炼能力也大幅改善。这样可以使塑料相比旧的螺杆技术更加均匀地实现塑化。

单螺杆塑料挤出机一般采用排气机型，相比之下，其能耗不高、成本低廉，在提高塑料产品的生产效率和生产质量方面效果较好。对于有特殊要求的塑料产品加工，一般采用螺杆机筒，该设备在设计参数优化的情况下能够实现双螺杆的功能效果。目前有很大一部分塑料挤出机采用单螺杆结构设计，产品和设备技术水平高、生产效率和生产质量高，可与双螺杆挤出机的效果相媲美。

2 新型螺杆研究设计

2.1 新型螺杆结构特点

新型螺杆结构较为精密，工作原理复杂，涉及到的结构设计参数较多，主要有存在与机筒和新型螺杆之间的间隙尺寸、螺杆端部的样式、新型螺杆的头数、螺杆槽的深度尺寸、不同螺纹之间的螺距、螺纹加的升角度数、新型螺杆的整体外径、螺杆的长度与直径比值、加料过程中第一个螺槽容积除以均化过程中最后一个螺槽容积。

2.2 新型螺杆Fluent数值模拟

将以上参数定值后，输入到计算流体数值模拟软件Fluent中，对挤塑机的新型螺杆挤出过程进行全真模拟，采用数值模拟方法可以大量减少室内和现场试压次数，同时大大降低生产成本、进一步提高生产效率。特别是在试验中涉及到高温高压的情况，采用Fluent数值模拟可更加安全高效。新型螺杆的设计主要有以下几分段：计量段、混炼段、融化段、变化段和下料段。

2.3 新型高效分离螺杆设计

在螺杆的融化段设计中，笔者采用了细径螺纹，细径螺纹的直径比原螺纹小，但螺距远大于原螺纹，这样塑料原料可以更加容易地通过螺纹进入固相槽和液体相槽。在螺纹横截面积减小的过程中，对应的固相槽尺寸相应减小，液体相槽的相应尺寸增加，最终产生了横截面积增大的效果。在细径螺纹的端面处，随着液体相槽的相应尺寸逐渐变大，最终使计量段的相应尺寸变大。固相槽的尺寸变小，保证了设备中的气体有效排出。伴随着固相槽的体积变化，熔融物能有效通过螺纹的的缝隙，最终进入液相槽，固体颗粒则被挡在固相槽中，新设计的新型螺纹能有效将固体与熔融物分离开来，因此也被称为新型高效分离型螺杆。

在生产的过程中，为使更多的热量传递给固相槽，充分确保塑料的熔化，笔者对机筒与固相槽进行了接触设计，这样熔融物在通过设备时将会产生更加强大的剪切效应。新型设计保证了塑化后的液相材料在进入固相槽前先进行充分混合，创造出了紊流的流动效果，液相的混合更加均匀，进一步降低了熔融液相材料的差异性。当伴随着液相槽的尺寸逐渐变大，对应的剪切力降低，这样确保塑料液相的温度在到达固相槽前一直保持稳定。在该设计下，能将塑料中的固相和液相有效分离，使塑料的挤出过程更加高效，整套设备的尺寸也更加紧凑，塑料在熔化的过程中的各项参数更加稳定。新型螺杆设计能保证液相熔体保持较低的温度，对于多种其它类型塑料的加工具有普适性。

3 螺杆混炼部分优化设计

混炼部分的设计在整个塑料挤出机的设计中至关重要，因此在螺杆的设计过程中有必要对对混炼部分进行单独设计，与螺杆端部的距离为4倍半径。沿着原螺杆的方向设计了多个缩径槽，在缩径槽内安置细径螺纹，固体颗粒的塑料不能通过细径螺纹，液体塑料流动到螺杆末端时形成涡流效应，能够顺利通过细径螺纹。这样充分保证了塑料的混合与分离效果，同时在混炼段消耗了部分能量，塑料挤出产量减少，但按螺杆方向仍能实现有效输送，整体而言影响较小。混炼部分的入口槽尺寸变小，出口槽尺寸变大，使塑料能有效通过入口槽进入出口槽。

4 新型螺杆现场应用

新型螺杆进行了现场应用，现场应用中，新设计的螺杆长度和直径比值为1：25，塑料挤出过程稳定，产量相比旧螺杆提高了25%，同时由于固相槽和液相槽的设计使塑料固相与液相的分离更加高效。生产出的塑料薄膜在力学性能、透光性能、抗高温性能、抗老化性能等方面均有了较大幅度的提高和改善。

5 结论

通过对塑料挤塑机的新型螺杆进行详细分析其工作原理、坯料加工质量要求和本身结构特点的基础上，进一步对工具的结构参数进行了优化分析，运用Fluent流体数值模拟软件全真模拟了塑料挤出机螺杆在挤出过程中的运动，对于农用塑料特别是塑料农膜的高效节能、低成本高质量批量生产和现场应用起到了极大的指导作用。

随着农业机械的不断发展创新，新型的塑料挤出机也在不断被研发，其性能也不断提高。在进行塑料挤出机的设计中，充分利用数值模拟软件也大大提高了科研的效率和质量，也是未来塑料挤出机的发展方向。

参考文献：

[1]黄健.塑料挤出机加热方法的发展与探析[J].辽宁工业大学学报（自然科学版），2016，36（01）：20-22.

[2]饶俊，曾广胜.基于FLUENT软件对三螺杆挤出机混合特性的模拟与分析[J].包装学报，2016，8（01）：36-40.

[3]李扬，王玉.塑料挤出机生产工艺参数调度优化专家系统[J].广东工业大学学报，2015，32（03）：73-78.

作者简介：

伍兆权（1991.12.03）男，汉族，广东佛山，本科学历，从事机械设计工作。