橡胶挤出机螺杆构型分析及其几何参数的确定

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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，为螺杆和挤出机

2、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，

3、即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

4、出得多；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

5、出机的使用性能。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（θ）和导程（S）；螺杆的几何压缩比（ξ）；螺槽深度（H）；螺纹断面形状（r，θ，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（δ）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

6、喂料段螺杆主要有两个作用：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[1]P266-269）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

7、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