挤出设备的类型和构成

螺杆式挤出机借助螺杆旋转产生压力，螺筒外加热以及塑料与设备之间摩擦、压延、剪切热，使塑料熔化呈流动状态。与此同时，塑料还受螺杆搅拌均匀分散并不断前进。塑料在口模处被螺杆挤到机外而形成连续型坯，经冷却凝固成产品。螺杆式挤出机有多种类型，使用较多的是单螺杆挤出机、双螺杆挤出机。其中双螺杆挤出机又分平行螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机。挤出成型基本上是由上料机、挤出机螺杆与螺筒及加热圈、冷却装置、温度测量与控制装置、传动系统、成型模具、定型冷却装置、切割与覆膜装置等成型辅机等构成。

3.1　上料机

挤出机采用的上料机基本是螺旋上料机，该机是利用管内螺旋体旋转对物料产生提升输送作用。最常用螺旋体是弹簧。具有柔性和弹性，体积小，质量轻，成本低等优点。弹簧上料由储料槽、弹簧、输料管、驱动电机、料斗等组成。工作时驱动电机带动弹簧在输料管内高速旋转，在弹簧所产生轴向力和离心力作用下，将储料斗中物料由管内提升，然后落入料斗。当料斗内物料达到一定量时，驱动电机停止工作，上料结束。当料斗内物料少到一定量时，驱动电机重新启动，上料开始，如此周而反复，完成自动上料工作。驱动电机启停可以通过料位（高位和低位）或时间来控制。弹簧上料机结构简单，体积小、质量轻、成本低、安装使用方便，既适用于粒料输送也适用于粉料输送，得到了广泛应用。国内弹簧上料机功率为0.55-2.2kw，输送能力为200-1000kg/h。

3.2　挤出机螺杆和螺筒

螺杆是构成挤出机中影响PVC物料挤出塑化核心部件。由挤出过程可知，螺杆和螺筒是在高温、高压、腐蚀、刮磨、大扭矩条件下工作的。其工作温度高达200℃，工作压力可达500mpa，螺杆螺棱顶面和螺筒内表面受到刮磨，不断加大了螺杆与螺筒间隙。有些塑料在加工时，会分解出腐蚀气体，对螺杆和螺筒产生腐蚀作用。螺杆和螺筒必须采用耐高温、耐磨损、高强度材料制造，这些材料还应具有切削性能好、热处理后残余应力小、热变形小等性能。目前我国绝大部分专业塑料机械制造企业采用38crmoAIA碳化钢，碳化层达0.4-0.6mm，表面硬度HV700-940，直线度不大于0.08mm。也有根据需要，采用双合金喷涂，镀硬铬的螺杆制造工艺。

螺杆主要制造参数有：螺杆直径、长径比、压缩比、螺杆段数（加料段、压缩段、排气段、熔融段、计量段）、螺槽深度、螺距、螺旋升角、螺棱宽、螺纹头数、螺杆的冷却方式等。挤出机塑化性能主要取决螺杆上述参数优化配置。

螺筒是构成挤出机中影响PVC物料挤出塑化另一主要部件，其加热方式有三种：热载体（油、蒸汽）加热、电阻加热和感应加热，一般采用电阻加热。其冷却方式有油冷却和鼓风机冷却两种。油冷却虽然冷却均匀，但是效率较低、易积碳，清理十分麻烦。因此目前多数挤出机机筒采用鼓风机冷却。

3.3　挤出机加热和冷却装置

目前挤出机加热多采用电加热方法。电加热器有电阻丝绕制而成，主要有带式加热器、铸铝加热器。带式加热器结构是将电阻丝夹在云母片中，云母片作为绝缘材料，外面覆盖不锈钢皮，然后再包围在螺筒或机头上。这种加热器体积小、尺寸紧凑、调整简单、装卸方便、韧性好、价格便宜。但电阻丝易氧化受潮，使用寿命短。铸铝加热器是将电阻丝装入金属管中，周围用氧化镁粉填实绝缘，变成一定形状后再铸于铝合金中，将两半铝块抱在螺筒上即可加热。铸铝加热器比带式加热器使用寿命长，可防氧化、防潮、防震、防爆、传热效率高。

同加热装置一样，冷却装置也是保证塑料能在其工艺要求温度范围内稳定挤出一个组成部分，而且它与加热系统又是密切联系不可分割的。随着挤出机向高速高效发展，螺杆转速提高，剪切摩擦加剧，产生比物料所需要热量多现象，会导致螺筒内物料温度过高，如不及时排除过多热量，会引起PVC物料过热分解。挤出机一般设有三个部分冷却：

（1）螺筒冷却

螺筒冷却大部分采用风冷却方式，挤出机除加热段外，压缩段、熔融段、计量段等，每个加热段都配置一个单独风机，与之相配是电阻加热器，并在螺筒表面或冷却器中，制造一定通道，以防止空气无规则地流动，而出现冷却不均现象。从冷却效果来看，空气冷却比较柔和、均匀、干净，但冷却效果易受外界气温影响。从传热学分析可知：风冷系统能否将螺筒内多余热量迅速排出，取决于诸多因素，譬如风量与风压，空气与螺筒温差、传热面积、传热系数和冷却空气流道设计等。在实际应用中，比较简单有效方法是增大其散热面积和增大散热元件传热系数。因此采用带有热片结构加热器，散热片使用导热系数较大金属。

（2）螺杆的冷却

螺杆冷却有两个目的：一是由固体输送理论知，固体输送率与物料对螺杆摩擦系数和物料对螺筒摩擦系数差值有关，即螺筒与物料摩擦系数越大，物料与螺杆摩擦系数越小，越有利于固体物料输送。除在螺筒给料段内开设纵向沟槽，提高螺杆表面光洁度可以达到此目的之外，还可以通过控制螺筒和螺杆温度来实现。控制螺筒和螺杆在固体输送区温度，而使螺筒和螺杆摩擦系数最大，以获得最大输送速率；第二冷却螺杆以控制制品质量。若将螺杆冷却孔打到均化段进行冷却，则物料塑化较好，可提高制品质量，但挤出量会降低，这是因为均化段会使接近螺杆表面物料变得胶黏，不易流动，相当于减少了均化段螺槽深度。通入螺杆冷却一般有水或油两种介质，并分为有外冷和内冷两种方式。在螺杆内添加水的称之为“内水冷”。所谓“内水冷”设施是依据热管原理，采用在螺杆芯部进行冷热交换循环的一项措施。即将在计量段熔体所吸收热量的油或水输送到急需外热的给料段给物料加热，再将经给料段物料换热后冷凝下来的水输送到计量段换热，然后再传递供给料段继续加热使用，如此循环往复的一种换热设施。“内水冷”优点是比较节能，缺点是冷却效率不太高。随着挤出机技术发展，截至目前除一些小型挤出机外，大型挤出机很少采用。现在大多挤出机制造企业，在挤出机下方设置有专门“冷却”或“加温”设施，统称之为“外油温”。依据挤出机塑化过程中拟存在的给料段、压缩段物料温度难以提上去；熔融段和计量段熔体温度难以降下来等弊端，该装置是可适时提供热源或冷源的辅助恒温设施，用于维持物料或熔体塑化温度平衡，防范熔体在挤出机内降解。假如若挤出机加热区显示温度低于设置温度，可适当提高外油温控制设施设定温度；若恒温区显示温度高于设置温度，可适当降低外油温控制设施设定温度。一般油温控制设施设定温度大致在110-150℃之间，依据挤出机加热区和恒温区实际温差而定，其主要职能是为了平衡机内熔体截面各部位塑化温度；另一方面设置外油温设施还有一个重要作用是为了维护挤出机稳定工作，抑制挤出机在高温条件下发生扭曲变形和材质脱碳。据了解，目前不少中小企业为了图省事，无故停用外油温设施，是极端错误的。

（3）挤出机加料斗座冷却

挤出机给料段温度不宜太高，否则会在加料口形成架桥，使物料不易加入。为此必须冷却加料斗座。冷却加料斗座还能阻止挤压部分热量传往止推轴承和齿轮箱，保证了它们正常工作条件。料斗座可开环形冷却水槽，通水冷却。(www.xing528.com)

3.4　挤出机温度测量和控制装置

温度是挤出过程最重要参数之一，准确控制挤出各个功能段和模具温度减少波动，对提高聚氯乙烯塑料产品产量和质量是非常必要的。温度测量一般使用热电偶进行，其热端插入被测物体，冷端与控制仪相连接。在挤出成型机械设备中普遍采用皋络康铜（nicrcuni）型热电偶。可测得0-450℃范围温度。挤出机温度控制是由热电偶将控制对象温度测出，转换成电信号，输入到温度控制仪与设定温度值进行比较，根据比较出来差值大小和极性，由温度控制仪按一定程序去控制加热器和冷却器，通过对加热量改变或冷却程度及冷却时间改变，将螺筒温度控制在温度设定值上。

3.5　挤出机压力测量和控制装置

熔体压力也是挤出过程重要参数之一。监控熔体压力不但能保证产品质量，提高产量，且对挤出机出现不正常挤出时进行过载保护。压力测量元件在挤出机上应用较多的是一种电阻应变式高温熔体压力传感器。它是由四个应变电阻组成惠斯登全桥电路，采用全补偿工艺，可以实现精确，可靠地电信号输出。这种传感器最高检测温度为400℃，有0-100mpa范围内多种区间量程，根据安装形式不同，又有直杆型、软管型和特殊型三种。

由高温压力传感器测出电信号输入至压力表，可显示熔体压力和定值控制。其原理是传感器头部有一膜片与熔体接触，熔体压力使膜片变形，也使传力杆发生变形。传力杆变形使贴于其上应变的电阻值发生变化，平衡电桥失去平衡，被检测压力变转换成正比电信号，经过高精度放大器，在微处理机控制下进行A/D转换，压力表多采用智能型，运用单片微处理机和SMT新技术，实现了压力数字显示，恒压恒流输出，上下限定值控制、声光报警、仪表检测、自身校准等功能，能输量静态或动态熔体压力。

3.6　挤出机过载保护装置

挤出机螺杆、止推轴承、机头连接件等是有一定强度的，工作应力应在强度许可范围内。当因某种原因上述部件工作应力超过它的极限值，就有破坏可能，严重的还会发生人身安全事故。设置挤出机过载保护装置就十分必要。过去挤出机在皮带轮上设置安全销，过载时安全销被强大剪切力所剪断，使电机传来扭矩断开，起到保护传动链作用。由于对安全销材料力学性能精确度难以测定，这种方法不可靠。现在设置电气安全保护装置越来越普遍，一种是定温启动保护，螺筒升温后若达不到设定值，即使按下启动按钮，挤出机也不能启动；另一种是过载安全保护，它是在电动机电路中设置快速熔断器过电继电器，一旦过载，便切断电源。工厂的安全生产是不能掉以轻心的，在挤出机操作中，必须严格操作规程，特别是要禁止料温过低开车和金属杂物混入挤出机螺杆中等人为事故发生。

3.7　挤出机传动系统

传动系统是挤出机主要组成部分，它是按挤出机需要的转速与扭矩均匀旋转。传动系统通常由电动机、调速装置、减速装置及主轴轴承系统组成。挤出机调速一般有有机或无机调速两种。有机调速已不适应挤出机工作要求，现阶段基本上已被淘汰。无机调速适用范围广，易于实现自动化控制，目前已普遍采用。电动机无机调速方法主要有三相异步整流子电机调速，可控硅直流电机调速，交流电磁电动机调速和三相异步电动机变胖调速等；电动机转速一般为470-1450r/min，甚至更高。挤出机螺杆转速最低为4-8r/min，较快也只有100-300r/min，因此需要减速装置。目前广泛使用有定轴系减速箱和摆线针轮减速器，齿轮减速箱有人字齿轮、斜齿轮、圆弧齿轮等减速箱。这种齿轮减速箱传动效率高运转可靠、性能稳定、控制维修简单，但传动速比小，制造成本高、摆线针轮减速器与齿轮减速箱相比较，具有传动平稳、寿命长，体积小、重量轻，可放在挤出机外壳内，减速比可达1：1849，噪声较小等优势。在挤出过程中，螺杆旋转产生使物料前进的推力，而物料也以相同大小反推力作用于螺杆，为了承受径向反推力和轴向反推力，螺杆后部装有两个径向轴承和一个止推轴承。轴向力很大，止推轴承布置很重要。若将止推轴承放在两个径向轴承之间或后面（右端），减速箱体均受力，易损坏。将止推轴承放在减速箱之外，两只径向轴承之前（左端）形成所谓的封闭力系，减速箱不承受轴向力，则寿命较长。这是因为物料作用与螺杆反推力，通过止推轴承传到止推板上，而物料前进给予螺筒的拉力，通过机头座也传到止推轴承上。

3.8　挤出机冷却、定型装置

生产塑木复合产品必须要经过冷却定型装置，才能将从挤出机口模挤出处于熔融态塑料型坯通过冷却定型为玻璃态塑料产品。依据产品规格，冷却定型装置，设置有2-4四道定型模与长度达3-5米的涡流冷却水槽。通过真空、冷却定型，获得所需最终几何形状、尺寸精度及表面光洁度的制品。

3.9　挤出机牵引、切割装置

牵引装置主要是为克服产品在定型模板中所受到摩擦阻力，给予由机头和口模挤出熔体型坯一定牵引力和牵引速度，牵引型材前进。牵引速度应与主机挤出速度相匹配，能够无机调节，并且有较大调速范围，速度应稳定，任何速度不稳定都会造成产品质量缺陷。调节牵引速度只能适当调节型材厚度。此外不同产品，牵引力必须足够大且保持恒定，不会发生打滑现象。任何打滑都会影响产品质量，严重时会导致生产中断。

经冷却定型后产品，由切割装置按需要长度裁断，大型板材由人工从牵引机平台上搬下，由运输工具或自动运输带运输至库房堆放；小型型材由翻架装置将型材落至堆放架，由人工包装后，再由运输工具或自动运输带到库房堆放。

有关我国塑料挤出类产品使用的挤出机发展过程，笔者在《硬质聚氯乙烯结皮发泡产品生产技术和基础知识》与《塑料门窗和PVC-U异型材生产技术与经营、管理、营销知识》两本书中均有详尽论述，此书不再蛰述。本书重点论述的是挤出机的基本结构、塑木低发泡产品挤出设备选择、挤出加工设备需要解决的几个重要课题、主要机型与结构设置、目前行业内挤出设备质量现状和解决方法、塑木复合低发泡产品挤出加工工艺、生产工艺对材料发泡的影响、改进措施、设备电器故障与对策、自动控制原理与故障处理、挤出机开机和停机操作技术规程等方面内容。