單螺桿往復(fù)式擠出機(jī)的設(shè)計(jì)改進(jìn)

鄒立建

摘　要：?jiǎn)温輻U擠出機(jī)比雙螺桿擠出機(jī)有許多性能上的優(yōu)勢(shì)，但也存在不足：其螺套、銷釘組合比較薄弱，抵御外來(lái)沖擊能力較差、易破損。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上對(duì)其改進(jìn)，是提高其抗彎強(qiáng)度的有效方法。本文從分析其設(shè)計(jì)原理入手，闡述了設(shè)計(jì)改進(jìn)相關(guān)問(wèn)題和效果。

引言

對(duì)比雙螺桿擠出機(jī)，單螺桿往復(fù)式擠出機(jī)有下述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作用效果：

（1）機(jī)器工作時(shí)螺桿旋轉(zhuǎn)和軸向復(fù)合運(yùn)動(dòng)，更易于物料的分散。

（2）螺紋截面為矩形，具有更強(qiáng)的推力。

（3）捏合物料方式為螺紋側(cè)面與銷釘?shù)南鄬?duì)剪切運(yùn)動(dòng)，使物料微觀均勻化，從而形成特殊的涂料紋理效果。

（4）左右旋螺紋交錯(cuò)，沒(méi)有垂直于螺桿軸線的平面，不易形成物料殘留。

上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了單螺桿擠出機(jī)的下述優(yōu)良性能：自清性能好；雜質(zhì)傾向低；紋理效果性特殊；出料溫度低；溫控精度高；電力消耗低。

與雙螺桿的捏合塊對(duì)比，其斷續(xù)的螺紋塊及銷釘組合，比較脆弱，抵御外物的沖擊能力差，如果運(yùn)行中遇到加溫不到位或溫度急劇變化、加料不勻、大塊硬物加入、金屬件誤入等情況時(shí)，容易產(chǎn)生螺紋瓣斷裂、銷釘打斷故障。

提高螺套、銷釘?shù)目箯潖?qiáng)度，對(duì)單螺桿機(jī)的應(yīng)用推廣意義重大。圍繞這一議題，除了從用料上要考慮在保證耐磨性的前提下，盡量提高其沖擊韌性指標(biāo)外，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)入手強(qiáng)化其剛度也是一個(gè)行之有效的方法。

以下將結(jié)合設(shè)計(jì)原理分析，闡述所涉及的螺套、銷釘及相關(guān)件的設(shè)計(jì)改進(jìn)。

1、單螺桿往復(fù)式擠出機(jī)螺紋的設(shè)計(jì)原理    

機(jī)筒內(nèi)的螺桿旋轉(zhuǎn)后，位于機(jī)筒和螺紋縫隙中所包圍的物料會(huì)前后移動(dòng)。左旋螺紋面使物料前移，右旋螺紋面使物料后移。

由于左旋面螺距大于右旋面螺距，所以物料總體上是朝出口方向前移，這使螺桿具有物料推進(jìn)功能；

鑲嵌于機(jī)筒內(nèi)壁的銷釘插入螺紋的空隙中，與螺紋側(cè)面構(gòu)成一個(gè)個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)體，使螺紋側(cè)面對(duì)物料有剪切、攪拌、擠壓作用，這使螺桿具有物料捏合功能。

上述兩功能的結(jié)合形成單螺桿擠出機(jī)的擠出性能。當(dāng)然，為了實(shí)現(xiàn)銷釘在螺紋中間穿行，迫使螺紋必須呈現(xiàn)續(xù)形狀；

另一方面，為了增加銷釘與螺紋側(cè)面的相擦面積和物料剪切強(qiáng)度，銷釘必須沿著螺紋側(cè)面運(yùn)動(dòng)。螺紋截面形狀設(shè)計(jì)成矩形可以同時(shí)滿足推力的Z大化和銷釘捏合強(qiáng)度的Z大化。

螺紋瓣左旋面又稱推進(jìn)螺面的導(dǎo)程小于框架左旋導(dǎo)程，目的是使螺紋瓣變長(zhǎng)，從而增加了銷釘相擦面積。

適當(dāng)?shù)丶哟舐菁y深度，可提高產(chǎn)量。螺套的選材至關(guān)重要，除了考慮耐磨性，韌性指標(biāo)必須達(dá)到。螺紋瓣的設(shè)計(jì)，一般以螺桿移動(dòng)距離S為參考基數(shù)，螺紋的導(dǎo)程T、紋瓣厚B均與之有聯(lián)系。螺紋瓣排列見(jiàn)圖1。

2、銷釘?shù)脑O(shè)計(jì)及運(yùn)行軌跡    

擠出機(jī)運(yùn)行時(shí)，銷釘在螺紋瓣空隙內(nèi)穿梭，對(duì)其內(nèi)物料高速攪拌。攪拌強(qiáng)度越高，對(duì)物料的分散越好，擠出效果越佳。

下列三個(gè)因素對(duì)攪拌強(qiáng)度有直接的影響：螺桿轉(zhuǎn)速、銷釘與螺紋側(cè)面間隙、螺紋瓣長(zhǎng)度。轉(zhuǎn)速越高、間隙越小、長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其攪拌強(qiáng)度越高。

銷釘本身固定不動(dòng)，鑲嵌在機(jī)筒襯瓦上。螺套旋轉(zhuǎn)后，與螺紋瓣的側(cè)面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)使物料受到包括摩擦、剪切、擠壓、攪拌的作用。

同時(shí)，銷釘還有清理螺紋瓣粘料、促進(jìn)物料前移的功能，尤其在融化段。沒(méi)有銷釘?shù)膮⑴c，就沒(méi)有分散效果，也沒(méi)有擠出產(chǎn)量。

銷釘設(shè)計(jì)一般以螺紋瓣結(jié)構(gòu)尺寸為參照基數(shù)，直徑與螺紋瓣寬度相近、高度相同。材料選擇著重考慮材料的抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性及耐磨性。

按照相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理分析，可得出銷釘?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡是一條余弦曲線，如下圖2所示：

螺套每旋轉(zhuǎn)一周，銷釘完成一次前移和后退，行程為S。螺套從0度轉(zhuǎn)至180度，銷釘從0位前移至S；螺套從180度轉(zhuǎn)至360度（0度），銷釘從S位后移至0位。

在這一循環(huán)過(guò)程中，每個(gè)銷釘都按相同的路徑走過(guò)一個(gè)螺紋瓣大邊、兩個(gè)小邊。N排個(gè)N個(gè)銷釘與N個(gè)螺紋側(cè)面（大小面）相擦，產(chǎn)生了較多的捏合次數(shù)，完成了擠出機(jī)應(yīng)履行的使命。

3、復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)    

為了滿足單螺桿擠出機(jī)螺紋銷釘組合捏合物料的運(yùn)動(dòng)形式要求，復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)必須設(shè)計(jì)成能夠輸出與其相符的復(fù)合運(yùn)動(dòng)方式，即主軸旋轉(zhuǎn)一周的同時(shí)按銷釘?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡曲線要求，前后移動(dòng)一個(gè)距離。

復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為單螺桿擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力供給源，其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足以下基本要求：

（1）運(yùn)動(dòng)方程滿足銷釘運(yùn)行軌跡要求。

（2）往復(fù)距離穩(wěn)定可靠，調(diào)節(jié)方便。

（3）有足夠的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。

（4）關(guān)節(jié)軸承的擺角在允許范圍。

復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由主軸、斜盤、方向環(huán)、推力軸承、關(guān)節(jié)軸承、箱體組成。主軸經(jīng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

由于斜盤、方向環(huán)組合固定在主軸之上，方向環(huán)又被關(guān)節(jié)軸承束縛，而使主軸被迫旋轉(zhuǎn)的同時(shí)又前后移動(dòng)。

4、螺紋瓣、銷釘強(qiáng)度設(shè)計(jì)改進(jìn)    

該強(qiáng)度設(shè)計(jì)改進(jìn)的做法是在常規(guī)參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，探討使螺紋瓣加厚、銷釘增粗的可行性分析和剛度增大幅度。

如上所述，螺紋瓣和銷釘?shù)脑鰤咽艿戒N釘軌跡的限制，做法不當(dāng)將產(chǎn)生紋瓣與銷釘干涉相撞。能否采取加大螺紋導(dǎo)程的方法解決干涉的問(wèn)題？

加大導(dǎo)程后紋瓣和銷釘是否變壯？經(jīng)過(guò)理論推算及計(jì)算機(jī)模擬演示證明：方法是可行的。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)一般將往復(fù)距離與螺桿直徑的函數(shù)關(guān)系定為：S＝0.15D，并以此為基點(diǎn)，設(shè)定螺紋參數(shù)。

螺紋主要參數(shù)：T框架左旋＝nS；T左旋＝5／8nS；T右旋＝n／2S；B＝o.6S。

銷釘主要參數(shù)：直徑＝0.6S。設(shè)計(jì)改進(jìn)中，將S調(diào)高至0.21D，螺紋、銷釘主要參數(shù)按此基數(shù)計(jì)算實(shí)際值。

用調(diào)整后的參數(shù)做出螺紋分布及銷釘軌跡曲線進(jìn)行驗(yàn)證，以確保二者不干涉，同時(shí)還應(yīng)對(duì)以下結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行校核：

（1）復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的相關(guān)件

兩種改進(jìn)方法可以加大往復(fù)距離：斜盤傾角加大或加大關(guān)節(jié)軸承與主軸的間距。任何一種改進(jìn)方式完成后，均需校核關(guān)節(jié)軸承的擺角是否在允許范圍；需校核方向環(huán)的擺動(dòng)是否有妨礙之處；需校核方向環(huán)軸的抗彎強(qiáng)度。

（2）銷釘、螺紋瓣間隙

間隙太小，易產(chǎn)生干涉并使銷釘彎曲；太大則減低捏合強(qiáng)度。轉(zhuǎn)速越高，干涉傾向越大；同時(shí)考慮各軸承配合間隙的影響，該間隙應(yīng)在0.6mm-0.8mm。

5、改進(jìn)案例分析

以市場(chǎng)使用Z多的70機(jī)型為改進(jìn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象，做了以下參數(shù)改進(jìn)：往復(fù)量增至15，紋瓣梗寬增至8，銷釘直徑增至8.5。

改進(jìn)后的紋瓣、銷釘明顯變壯、剛性增強(qiáng)。采用加小螺母、小螺釘混入料中擠出實(shí)驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)紋瓣斷裂、銷釘彎曲或折斷現(xiàn)象；大加料量、高速擠出實(shí)驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)銷釘干涉現(xiàn)象。證明改進(jìn)是有效和成功的。

6、結(jié)語(yǔ)、

單螺桿往復(fù)式擠出機(jī)的螺桿、銷釘設(shè)計(jì)，可以打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)束縛，適當(dāng)?shù)丶哟蠼Y(jié)構(gòu)尺寸，以增加抵御硬物破壞的能力，解決其性能不足，使之成為更完善的機(jī)型。

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