2023 / 11 / 22 -管理员

连续式螺杆挤出机具有较高的灵活性、自动化程度，在聚合物加工过程中采用挤出加工的方式能够有效降低加工成本、提高生产效率并减少废料的排放。 现有挤出机虽然能应对目前螺杆中物料的熔融、混合等情况，但是随着工业化程度的不断增加，其较低的输出效率已无法满足未来工业的需求，为进一步提高聚合物的加工效率，大型挤出机的设计迫在眉睫。 然而，若直接设计大型设备则会面临因设计经验不足而造成资源浪费等问题，因此，对于螺杆挤出设备的放大理论研究变得尤为重要。 相似放大理论是表示系统中与某一现象相关的参数的无量纲数群，当2个系统中的现象相似时，相关参数之间同样存在一定的相似关系，这种相似关系可以组成一个无量纲数群，即相似准则为恒定值。从相似性定理出发，将小型设备中已得出的经验结论运用于大型生产设备中，可以确保在小规模和大型设备中产生的无量纲组相等，从而保持各种方程解的无量纲形式不变。针对大型双螺杆挤出机的螺杆结构设计，可以采用挤出机的相似放大理论。该理论可以从几何相似的角度入手，并通过参数化建模的研究，为设计提供平台。这种设计方法的采用能够避免重复建模，节省设计时间，从而提高生产效率和生产质量。 近些年来，小型挤出机结构的研究已被广泛讨论，但对大型挤出机的研究依旧还在探索阶段。通过对实验机型的几何参数和性能指标放大的深入研究，能够为大型螺杆挤出机的开发提供理论基础，从而提高设计质量和成功率。本文旨在从双螺杆挤出机适用的相似放大理论介绍目前该领域的工作及进展。 双螺杆挤出机相似放大理论 双螺杆挤出机相较于单螺杆挤出机具有更好的混合性能，科研人员在对单螺杆挤出机的相似放大理论研究后，将其拓展到双螺杆挤出机上。如图2所示，在保持螺旋升角（φ）不变的前提下，将双螺杆展开，得到双螺杆和单螺杆的直径关系，如式（1）所示。通过忽略啮合区的影响（ψ啮合角近似为0），进一步说明了双螺杆近似为单螺杆的可行性。 图2  双螺杆近似等价单螺杆流道相似图 双螺杆挤出机的混合性能和安全性研究是挤出机成功设计的重要因素。需要确定关键参数的放大准则，并根据数值计算对放大后的效应进行研究。在双螺杆挤出机中，物料存在部分充满段和完全充满段，适用于单螺杆挤出机的相似放大理论均适用于完全充满段的双螺杆挤出机中。然而，随着分布式混合挤出机和脱挥双螺杆挤出机的需求增加，开始出现适用于部分充满通道区域的非啮合双螺杆挤出机的相似放大理论。由于双螺杆挤出机的充满度是反应螺杆输送能力的重要指标，因此可以根据双螺杆挤出机流道的充满程度不同，对双螺杆放大准则进行进一步细分。 01完全流道充满的相似放大理论 流道完全充满是指物料在流道中完全充满，没有空隙存在。研究人员发现，挤出机内物料完全充满段长度对于挤压物料熔体在挤压机内停留时间和功率消耗的影响显著。当流道完全充满时，物料特性比螺杆未完全充满下更加稳定，只有当螺杆完全充满时，才能保证挤出制品的一致性、质量和产量。因此，目前大部分学者对双螺杆挤出机相似理论的讨论基本都假设流道完全充满状态的前提下进行。 李翱针对完全填充流道的相似放大方法进行了综合比较，并提出将单螺杆挤出机上的放大方法应用在双螺杆挤出机上，为双螺杆大型机的转化奠定了理论基础。Berzin等认为完全填充的挤出机中传热系数非常关键，随着表面与体积比随直径减小，挤出机的传热率也会降低，因此在模拟计算过程中常常将螺杆定义为绝热状态，用熔体温度作为评价标准之一。由于挤压过程受到热传递的限制，导致熔体输送段所需的熔体温度不易达到，因此，在使用热传递放大时可能需要额外的实验和建模。Matic´对热传递相似放大和能量相似放大方法进行了实验对比，发现部分填充区的熔体温度更低，完全填充区放大前后的停留时间相似，说明这2种放大方法更适用于完全填充流道内，此时挤出机内部的混合性能更好。如图3所示，探究了不同工艺下的停留时间和熔体温度分布情况，发现完全填充流道内停留时间、熔体温度的变化趋势一致，放大后的熔体温度和停留时间变宽，说明放大后制得的产品质量与参考机型具有相似性，解决了放大产物分解的问题。Nakatani认为绝热指数和非牛顿指数决定着挤出机条件和聚合物特性，以产量放大指数为主要变量提出了一种热平衡相似放大，并通过熔体温度一致验证了该方法的可行。 图3  挤出机放大前后熔体温度和局部停留时间之间的比较 双螺杆挤出机具有良好的混合功能，物料在双螺杆挤出机中的混合效果在放大后应受到关注。瞿文斌采用混合相似放大方法对挤出机的混合段螺杆元件进行了放大设计，分析了不同螺杆构型在完全填充流道中的混合性能，证明了螺杆挤出机的放大优先基于螺杆结构的几何相似性进行。Chen提出挤出物质量由几何参数、比能、停留时间分布、温度和压力等参数决定，而这些参数又决定着挤出过程中的混合分布情况。Juan使用不同直径的双螺杆挤出机开发并测试了几何比相似放大规则的可行性，发现基本工艺参数、物料流速和螺杆速度等对物料性质的影响非常小，反之螺杆构型则影响较大。以上研究表明在螺杆构型确定的基础下，几何相似放大能够产生更大产量，同时满足恒定混合的要求，但导致了不同的温度变化，因此将多种相似放大方法综合运用能够较好的解决问题。 多种相似放大方法综合使用的前提在于螺杆构型和机筒组合的几何相似确定，再根据双螺杆工业中放大产量的目的，进行容积相似放大，然后反推小型机的螺杆转速来确定大型机螺杆转速，通过流场模拟来判断放大的安全性和混合性能。董中华通过平衡物料之间的混合和温度场推导出由多种放大方法结合而成的放大理论，即综合热平衡和混合相似放大，并应用在ZSK系列混合机中。岳进峰等采用几何⁃容积⁃剪切速率相似放大方法结合对大型机混合排气计量段进行了放大研究，探究了放大后机型的安全性和混合性能。此外，在平行双螺杆挤出机相似放大的基础上，锥形双螺杆挤出机也在这方面进行了研究讨论。朗霍斯特对锥形异向旋转双螺杆挤出机的特殊结构对各功能段进行了不同的模拟相似放大。尹清珍把相关参数概括为无因次常数形式，设计放大了锥形双螺杆挤出机各部分功能段，为放大后的挤出机的稳定工作提供了条件。陈思萌对含能材料用锥形双螺杆挤出机采用了微元法离散处理，对不同功能段建立了相应的放大理论，并进行了修正。综上所述，常规的相似放大方法可以对独立功能段进行特定的参数的放大，但是对于螺杆挤出机全局的放大还存在缺陷，优化后的相似放大方法可以结合不同功能段的特点应用于实际生产。同时，在修正过程中用正交试验设计综合平衡，对不同参数进行指标评价来验证相似放大的可行性及优化放大机型的参数水平，是一种重要的验证手段。 02部分流道充满的相似放大理论 实际螺杆挤出机加工过程中物料只能充满部分流道，而无法完全充满整个流道。部分流道充满过程的复杂程度远远超过完全充满时的单相流动，流道部分充满时，物料熔体的流动速度和剪切应力会增加，使得挤出过程更为复杂。 MEIJER根据同向旋转双螺杆挤出机熔体输送段部分填充的特性，讨论了通道深度、层流相似放大以及热传递相似放大，在部分填充或者在挤出过程中黏度发生变化的情况下（非等温、非牛顿情况），存在严重的流量泄漏。Ganzeveld指出泄漏流量与进料区中腔室的填充程度相关，在部分充满情况下，随着完全填充腔室数量的减少，泄漏流量受到影响，同时产量放大指数会降低。Fukuda等对等比放大的输送元件和捏合块进行了阻力流测试，提出了通过保持指定元素的百分比阻力流量恒定来放大流速的百分比阻力流相似放大。 由于螺杆挤出机已经提出了多种完全填充的相似放大方法，许多研究者们开始对部分填充流道中是否适用这些方法进行研究。Bigio等认为如果双螺杆挤出机的部分填充度和混合速率保持不变，那么适用于完全填充的相似放大方法对部分填充的通道同样有效。在完全填充前提下提出的相似放大中，螺杆几何形状对双螺杆挤出机内形成的混合和流动有着重要的影响。Dryer等在螺杆被大部分填充下提出了体积相似放大理论，体积相似放大只考虑了整个长度螺杆的自由体积，保持相同的充满度，以体积流量作为单一变量，放大参数指数与完全填充下的混合相似放大方法相似。Haser证明了根据体积相似放大可以实现不同几何形状挤压过程的放大，且放大参数趋势具有一致性。由此可得出双螺杆挤出机部分填充流道适用的放大方法大多源于完全填充流道，如表2所示为双螺杆挤出机常用的相似放大方法。 表2  双螺杆常用相似放大方法特点 应用 在理论基础上，大量的研究人员将相似放大理论运用在实际生产中。早期的研究用于对不同的相似放大方法的比较上，Chung将同一机型的单螺杆挤出机分别对通用相似放大、热传递相似放大及几何相似放大进行了实验验证，发现在经过几何相似放大后的机型的产量高。王健平应用“当量直径”的方法，分析了啮合同向旋转双螺杆挤出机内熔体输送段的3种相似放大方法，并利用大型双螺杆的技术数据得到的结果与实际情况较为吻合。图4（a）~（c）描述了不同放大方法下产量、功率以及转速与实验数据的对比，发现Maddock相似放大方法的数据趋势更接近于实验数据。在已有较多方法的基础上，Nastaj团队开发了一种新型挤出计算机优化系统，基于全局螺杆挤出模型对工艺进行优化，以提高挤出产量并减少比能耗，如图4（d）为挤出机全段模拟得到材料和工艺数据的曲线，填充度在固体输送段较低，固体床消失后达到完全充满状态，此时产生了压力和温度的明显波动。Menge以聚氯乙烯为例，验证了反向旋转双螺杆挤出机恒定熔体温度和恒定剪切速率下的相似放大。Richter通过相似放大方法获得了不同充满程度下颗粒的粒度分布，使用粒子追踪来验证流道中安全混合性是目前较有效直观的方法。 在螺杆挤出机相似放大基础上，逐渐涌现出相似结构设备的放大应用磨盘螺杆挤出机、密炼机、双螺杆磨浆机、双转子连续混炼机等设备也开始构建使用的相似放大方法。贺晓玲基于混合相似放大构建了磨盘螺杆挤出机的模型，同时借助正交试验和数值模拟进行了参数优化。陈可娟等在螺杆加工工艺中运用几何相似、剪切应力恒定的相似准则，设计了一台密炼机模型。胡冬奎将双螺杆挤出机和双螺杆磨浆机进行了功能和结构对比，发现双螺杆磨浆机与双螺杆挤出机在整体上相似程度大，可以通过实验相互验证，从而对双螺杆挤出机的设计具有重要意义。龚树云以能量等效为衡量混合效果的准则，提出双转子连续混炼机混炼段相似放大设计的流程及其理论模型，相似放大方法的研究思想在工业上越来越受重视。 图4  实际生产中相似放大理论的对比分析 结语 螺杆挤出机的相似放大设计和应用可以帮助优化挤出机的螺杆结构、转速等参数，提高挤出机的性能。但是通过总结近年来国内外螺杆挤出机相似放大准则可以发现，无论何种方法都是基于保证螺杆挤出安全性和混合性的基础上进行放大实验。 而螺杆挤出机中涉及到能耗、泄漏、混合性能、安全性等问题，现有相似放大方法还不能大限度地发挥其优势，因此相似性标准和放大系数的优化则显得十分重要。未来研究应进一步深入挖掘相似放大理论在挤出机结构和工艺参数优化方面的应用潜力，并开发相应的实用工具和方法，为实现大型挤出机更加准确的成型、设计和应用提供更完善的理论支持。

2023 / 11 / 22 -管理员

双螺杆挤出机的种类众多，其中啮合同向双螺杆挤出机是被塑料工业广泛使用的一种生产加工设备。该类挤出机由两根相互啮合的“积木式”螺杆、机筒、动力装置、温控装置等组合而成，在机身上可有多个加料口和真空／非真空脱挥口。啮合同向双螺杆挤出机主要有以下几个特点。（1）两根螺杆平行同向旋转，在彼此接触部位和机筒间产生均匀的剪切作用，而且这种剪切作用的强弱可以通过螺杆组合、间距设计等手段来调整。 （2）螺块的几何形状和同向旋转使螺杆具有良好的物料分布混合能力，适合混炼操作。物料在进入料筒被软化后，由于双螺杆在啮合处方向相反，一根螺杆要把物料拉入啮合间隙，另一根螺杆则将其从间隙中推出，故物料在此处由一根螺杆转运到另一根螺杆上，呈“∞”运动，这种运动在啮合处具有较大的相对速度，非常有利于物料的混合均化，并且啮合区的间隙很小，捏合处螺纹和槽的速度相反，具有很高的剪切作用，从而达到塑化均匀的作用。 （3）螺杆和机筒均为组合式。螺纹元件种类很多，有输送元件、捏合元件、剪切元件、反向螺纹元件和增压螺纹元件等，各自起着不同的作用，根据材料加工的需要通过搭积木的方式将各种元件组合在一起，并通过优化设计，可以适应各种工艺配方材料的加工。 （4）同向双螺杆挤出机具有反应能力，是一个动态反应器，物料在机筒中熔融后能发生一系列的化学反应，如聚合、接枝等。反应性挤出加工主要用于：单体或低聚物的聚合反应(自由基聚合、加聚、缩聚和共聚反应)；聚烯烃的可控交联和降解；聚合物的接枝改性（使聚物官能团化或极性基团化，达到材料改性和制备增容剂的目的）；多种材料的强制共混改性。同时还包括材料的物理改性，如填充、混炼、增韧和增强等。 螺杆组合基本原则 对一台双螺杆挤出机而言，螺杆主要分为加料段、熔融段、混合段、排气段和均化段。螺纹元件主要包括输送、熔融、剪切、物料混合、停留时间控制等功效。双螺杆挤出机的螺纹元件是以“搭积木”的方式组合在一起的，在实际中可以根据不同的生产需要对之进行调整，因此螺杆组合是双螺杆挤出工艺定制的关键。 啮合同向双螺杆挤出机以混炼为主，螺杆组合要考虑到主辅料性能与形状、加料顺序与位置、排气口位置、机筒温度设置等等。同时，混料的对象十分庞杂，对每一个特定的混料过程都需要进行合理的螺杆组合。尽管如此，啮合同向双螺杆挤出机的螺杆组合还是有其基本规律可循的。以下是螺杆组合的几个基本原则。 （1）在加料口处应采用大导程螺纹，以保证下料顺畅。 （2）在熔融段应采用小导程螺纹以建立起压力，从而对物料进行压缩并熔融，可设置错列角为90°的捏合块以平衡压力，也可采用错列角为30°的捏合块对物料进行初步的分布混合，应从熔融段中部开始设置捏合块，注意捏合块应间隔排列。 （3）在混合段主要以剪切、细化并分散物料粒子为目的，该段螺纹元件的设置非常复杂，需要设计人员具有丰富的实际经验。在该段主要采用错列角为45°和60°的捏合块以加强剪切，辅助以特殊元件如齿形元件或“S”形元件等。但要注意捏合及剪切元件不能设置过多，也不能排列太紧密，以免剪切过强。另外，为增强该段物料的输送能力，还应间隔配置螺纹输送元件，即捏合块与螺纹输送元件互相错开设置。 （4）在排气口或真空口前应设置反向螺纹元件或反向捏合块，在排气口或真空口处设置大导程螺纹元件，在排气口或真空口后再设置小导程螺纹元件。 （5）在均化段，应将螺纹导程渐变小来实现增压，减少背压段长度，同时注意采用单头螺纹与宽螺棱螺纹来提高排料能力，避免冒料。

2023 / 11 / 22 -管理员

大家平时是怎样选购挤出机的？不仅要分析自身的需求，也需要对供应商和挤出机进行充分的了解。大部分企业在选购新的挤出机前已基本清楚，需要选购双螺杆还是单螺杆，需要生产什么样的材料，根据制品规格不同，用料量不一样，可参照“螺杆直径与制品规格尺寸”，先选出螺杆的直径，然后由螺杆直径再进一步选出挤出机的规格型号。 挤出机的类型和规格型号确定后，如何找设备生产商也是应该注意的一个问题，国外品牌自不用说，国内也有许多建厂时间长，势力雄厚且有多年的实践经验的挤出机企业，可以从产品品质、售后服务等多个角度进行选择。螺杆的转速这是影响一台挤出机产能关键的因素。螺杆转速不仅是提高对物料的挤出速度和挤出量，更重要的是使挤出机在实现高产量的同时得到好的塑化效果。 以往要提高挤出机产量，主要的办法是加大螺杆直径。虽然螺杆直径增大后，在单位时间内挤出的物料会增加。但挤出机不是螺旋输送机。螺杆除了挤出物料，还要对塑料进行挤压、搅拌、剪切，使塑料塑化。在螺杆转速不变的前提下，大直径大螺槽的螺杆对物料的搅拌、剪切效果不如小直径的螺杆。 因此，现代挤出机主要通过提高螺杆转速的方法提高产能。普通挤出机的螺杆转速，传统的挤出机是60转到90转(每分钟，下同)。而现在一般已提高到100~120转。高速一点的挤出机达到了150转到180转。 螺杆直径不变而提高螺杆转速，螺杆所承受的扭矩会增大，扭矩达到一定程度时，螺杆有被扭断的危险。但是通过改进螺杆的材料和生产工艺，合理设计螺杆结构，缩短进料段长度，提高物料的流速，降低挤出阻力，可以减少扭矩、提高螺杆的承受能力。如何设计合理的螺杆，在螺杆能够承受的前提下，大限度地提高螺杆转速，这需要专业人员通过大量试验获得。 螺杆结构 螺杆结构是影响挤出机产能的主要因素。如果没有合理的螺杆结构，想简单地提高螺杆转速以提高挤出量，违背了客观规律，是不会成功的。 高速高效螺杆的设计基于高转速。这种螺杆在低转速时的塑化效果会差些，但在螺杆转速提高后塑化效果逐渐改善，达到设计转速时得到理想效果。这时既有较高的产能，也能有合格的塑化效果。 机筒结构 机筒结构的改进，主要是改进进料段的温度控制和设置进料槽。这种独立的进料段全长就是一个水套，用先进的电控装置对水套温度控制。 水套的温度是否合理，对挤出机的稳定工作和高效的挤出非常重要。水套温度过高，会使原料过早软化，甚至原料颗粒表面产生熔融而削弱了原料与机筒内壁间的磨擦力，从而降低了挤出推力和挤出量。但温度也不能过低，温度过低的机筒会使螺杆转动阻力过大，超过了电机的承载能力时会造成电机起动困难或转速成不稳定。运用先进的传感器和控制技术，对挤出机水套进行监测和控制，从而把水套温度自动控制在理想佳的工艺参数范围内。 减速机 在结构基本相同的前提下，减速机的制造成本大致与其外形尺寸及重量成正比。因为减速机的外形和重量大，意味着制造时消耗的材料多，另所使用的轴承也比较大，使制造成本增加。 同样螺杆直径的挤出机，高速高效的挤出机比常规的挤出机所消耗的能量多，电机功率加大一倍，减速机的机座号相应加大是必须的。但高的螺杆速度，意味着低的减速比。同样大小的减速机，低减速比的与大减速比的相比，齿轮模数增大，减速机承受负荷的能力也增大。因此减速机的体积重量的增大，不是与电机功率的增大成线性比例的。如果用挤出量做分母，除以减速机重量，高速高效的挤出机得数小，普通挤出机得数大。 以单位产量计，高速高效挤出机的电机功率小及减速机重量小，意味着高速高效挤出机的单位产量机器制造成本比普通挤出机低。 电机驱动 同样螺杆直径的挤出机，高速高效的挤出机比常规的挤出机所消耗的能量多，电机功率要加大是必须的。高速的65挤出机，要配55千瓦至75千瓦的电机。高速的75挤出机，要配90千瓦至100千瓦的电机。高速的90挤出机，要配150千瓦至200千瓦的电机。这比普通挤出机所配置电机功率大一至二倍。 在挤出机的正常使用过程中，电机传动系统和加热冷却系统是一直工作的。电机和减速箱等传动部分的耗能占了整机能耗的77%；加热和冷却占整机输入能耗的22.8%；仪表电气占了0.8%。 同样螺杆直径的挤出机配了较大的电机，看起来是费电，但如果按产量计算，高速高效的挤出机要比常规的挤出机节能。例如一台普通型的90挤出机，电机为75千瓦，产能是180公斤，每挤出一公斤物料消耗0.42度电。而一台高速高效的90挤出机，产能是600公斤，电机是150千瓦，每挤出一公斤物料只消耗0.25度电，单位挤出量的耗电量只有前者的60%，节能效果是显著的。而且这还只是比较了电机的耗能，如果再把挤出机上加热器和风机等装置的用电量考虑进去，能耗的差别就更大。大螺杆直径的挤出机要装较大的加热器，散热面积也增大。因此同样产能的两台挤出机，高转高效的新型挤出机机筒小一些，加热器耗能比传统的大螺杆挤出机的少，在加热方面也节约了不少电。 在加热器功率方面，高速高效的挤出机与螺杆直径相同的普通挤出机相比，并不因产能增加而增大加热器的功率。因为挤出机的加热器耗电，主要是在预热阶段，在正常生产时，物料熔化的热量主要是通过消耗电机电能转化而来，加热器的导通率很低，用电量并不大。这在高速挤出机中更加明显。 在变频器技术还未普遍应用的时候，传统的大挤出量的挤出机，一般采用直流电机和直流电机控制器。因为以前一般认为直流电机比交流电机的功率特性比较好，调速范围比较大，在低速段运行时比较稳定。另大功率变频器比较昂贵，这也限制了变频器应用。 近年来变频器技术发展比较快，矢量型的变频器实现了无传感器控制电机转速和扭矩，低频特性有了长足的进步，价格也下降得比较快。变频器与直流电机控制器相比，它的优点是节能。它使能耗与电机负荷成正比，负荷重就增加能耗，电机负荷下降就自动调低能耗。这在长期应用中的节能效益是非常显著的。 减振措施 高速的挤出机容易发生振动，过大的振动对设备的正常使用及机件的使用寿命是非常有害的。因此必须采取多重措施以减少挤出机的振动，以提高设备的使用寿命。 挤出机容易产生振动的环节是电机轴和减速机的高速轴。首先，高转挤出机要配置高质量的电机和减速机，避免因电机转子和减速机高速轴振动而成为振动源。第二是要设计一个好的传动系统。注意提高机架的刚性、重量和加工、装配各个方面质量，也是减少挤出机振动的重要环节。一台好的挤出机在使用时不用地脚螺栓固定，也基本上没有振动。这依赖于机架有足够的刚性和自重。另要加强各部件的加工和装配的质量控制。如加工时控制好机架上下平面的平行度，减速机安装面与机架平面的垂直度等。在装配时要认真测量电机和减速机的轴高度，严格地配制减速机垫块，使电机轴与减速机输入轴同心。以及使减速机安装面与机架平面的垂直。 仪器仪表 挤出的的生产操作基本是个黑箱子，根本不能看到里面的情况，只有通过仪器仪表来反映。所以精密、智能化、易操作的仪器仪表会使我们更加了解其内部情况，使生产能更快更好的达到效果。