胶冷喂料挤出机螺杆三功能段构型之分析

1、橡胶冷喂料挤出机螺杆三功能段构型分析巩家伟 吕贤滨 范之海 吕柏源（青岛科技大学高分子材料加工机械研究所，山东，青岛，266042）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。关键词：橡胶，挤出机，螺杆，构型，分析中图文类号： 文献标识码： 文章编号：Cold Feed Rubber Extruder Screw Three Functio

2、n Section Configuration AnalysisABSTRACT: Screw is a core component of cold feed extruder.It plays a decisive role in extruder performance parameters. In this paper, screw is divided into three functional segment from the macro function.And we carry out a more systematic analysis of all kinds of scr

3、ew configuration of screws functional feeding section , plasticizing function of segment and extrusion feature segment, according to extrusion theory and production practice . To make it easier to understand and master a variety of screw configuration works.we hope it can give help for screw design

4、and selection.Keywords : rubber，extruder, screw, configuration，analysis1. 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

5、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，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/

6、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。2. 喂料段螺杆

7、构型分析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。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1P266-269）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：机筒螺杆普通螺纹螺杆多头螺纹螺杆等距等深螺杆等

8、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2.1喂料段机筒构型2.1.1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直径D，mm456090120150沟槽数Z4681216横宽B，mm88101010槽深H，mm334442.1.2螺旋形沟槽机筒构型根据研究，在喂料段机筒衬套内壁开设螺旋形沟槽以代替轴向沟槽，其吃料和输送效果更好

9、，注意螺旋形沟槽的方向要与螺杆螺纹旋向相反，其结构如图2所示。在150销钉挤出机喂料段衬套上有四条来复线沟槽，槽宽60mm,槽深5mm,导程480mm。来复线状的沟槽图2 螺旋沟槽机筒设计从喂料口的底部开始，向机头方向推进，在螺槽收尾处，采用较平缓的斜坡过渡线圆弧过渡。2.2喂料段螺杆构型2.2.1喂料段普通螺杆构型喂料段普通螺杆构型有三种结构。如图3a所示为等距等深螺杆，这种结构简单、加工容易，但没有压缩比，在普通冷喂料挤出机不宜使用，因为不容易建立挤出压力和剪切功能较弱，但在销钉挤出机中，也常常采用这种螺杆构型，因为销钉挤出机塑化功能很强，对挤出机喂料段螺杆的剪切功能没有特殊要求。如图3b

10、所示为等距不等深螺杆，他克服了等距等深螺杆上述的缺陷，但在小规格挤出机中，螺杆的根部的强度与刚度不好保证，容易产生垫杆现a 等距等深螺杆(t1=t2,h1=h2)b 等距不等深螺杆(t1=t2,h1h2)c等深不等距螺杆(t1t2,h1h2)c 等深不等距螺纹螺杆(t1t2,h1h2)图6 塑化段普通螺螺纹螺杆构型有较好的塑化能力和较强的输送能力，在传统的冷喂料挤出机中也得到了较为广泛的应用，但是由于这种螺杆构型在螺槽中同样没有塑化元件，也存在塑化的“死区”问题，因此，这种螺杆也将为新的构型螺杆所代替，不过这种螺杆构型作为新螺杆的基本构型将得到应用，如销钉螺杆和主副螺纹螺杆的基本结构将会仍然采

11、用这种结构。3.2塑化段主副螺纹螺杆3.2.1一段主副螺纹螺杆塑化段一段主副螺纹螺杆，其结构如图7所示。这种螺杆结构是在双头螺纹螺杆结构上进行演变，其中一条作为主螺纹，它的升角（导程）一直从喂料段螺纹加以延续，并一直延伸到挤出段，而另一条作为副螺纹，它的升角（导程）比主螺纹大，并且把此条螺纹在塑化段的始端和终端与原螺纹断开，由于它的升角较大，形成此副螺纹的始端与终端均与主螺纹相交，相当于在主螺纹中间设置了一道封闭主螺纹螺槽的“坝”，如果从喂料段输送来的胶料进入此塑化段主螺纹螺槽时，胶料就会被堵死，为了让胶料越过副螺纹，则将其螺棱切去一定高度，使螺纹与其形成了一个高低差，通常用于塑料挤出机的高低

12、差取0.40.8mm，用于橡胶挤出机取12.5mm，从而形成与机筒的间隙，这样在主螺纹槽的胶料就可以通过副螺纹的顶部进入下一段螺槽，这时胶料就实现了强力剪切，因为所有在主螺纹槽的胶料要进入下一螺槽，其必须通过副螺纹顶部间隙，因此胶料不但能受到强力剪切，而且没有任何死区，这样就获得了塑化质量好的胶料，提高了挤出制品的质量。图7 塑化段一段主副螺纹螺杆3.2.2二段主副螺纹螺杆主副螺纹螺杆的塑化功能类似开炼机的塑化功能，胶料不可能通过一次辊距的剪切达到塑化要求，因此一段主副螺纹产生的剪切量仍然不足，则出现了二段或三段主副螺纹结构。如图8所示为二段主副螺纹螺杆。二段主副螺纹螺杆的结构与一段主副螺纹螺

13、杆结构相似，不同之处只是在塑化段设置了两条主副螺纹，这两条主副螺纹的布列可以是串联排列也可以图8塑化段二段主辅螺纹螺杆是串并排列，主要由塑化段的长度和胶料通过副螺纹的通流截面的大小来确定。副螺纹的段数增加有利于胶料的塑化功能，但由于其是强力剪切，随着副螺纹段数的增加挤出温度将随着增加，这在设计时是务必注意的。3.3塑化段销钉螺杆主副螺纹螺杆虽然能对胶料产生均匀的强烈剪切，对塑化效果有显著的改善，但是由于局部的强力剪切作用，容易导致温度的升高，限制了挤出效率的提高。在上世纪70年代出现了销钉螺杆，解决了局部强烈剪切的温升问题。销钉螺杆主要有两种形式，一是机筒销钉结构，一是杆体销钉结构。3.3.1

14、塑化段杆体销钉螺杆杆体销钉螺杆是在普通螺杆塑化段适当的位置上设置销钉。其主要结构形式有：将销钉直接设置在普通螺杆的螺槽上；将螺纹按周向切成沟槽再安装上一排或若干排销钉；在塑化段某一段位置去掉其中一条螺纹并按一定规律装上一组销钉。前两种形式的销钉结构虽能图9 塑化段杆体销钉螺杆提高塑化和混炼效果，但对生产能力影响较大，一般很少采用；第三种结构形式由于销钉不影响料流的通流截面积，使阻力大大减少，能提高胶料的塑化效果和混炼效果，也能提高生产能力，其结构简单，易于加工，自洁性能好。图9所示为这种杆体销钉结构图。3.3.2塑化段机筒销钉螺杆 机筒销钉螺杆是在螺杆的塑化段设置机筒销钉，螺杆的螺纹在对应机筒

15、的销钉位置上有多圈切槽，将销钉通过机筒分别插入螺杆切槽中。胶料在螺杆转动往前输送到达和充满销钉区域时，胶料产生了复杂的复合作用：螺杆的剪切作用，销钉的拖曳作用、搅拌作用和分流作用等，因此能获得高质量的挤出物，虽然胶料受到复杂的复合作用，但这些作用没有急剧的局部强烈剪切，避免单位胶料剪切量的无谓增加而使挤出物温度增加。正因为销钉螺杆对胶料作用的这种机理，使得机筒销钉螺杆在相同的条件下，其挤出温度比主副螺纹螺杆要低，同时生产效率也得到很大的提高，因此这种机筒销钉螺杆得到了广泛的应用。如图10所示为机筒销钉结构图。 图10 塑化段机筒销钉螺杆3.4塑化段挡板螺杆挡板（剪切分流合型）螺杆是挤出机螺杆的

16、一个类型。它既有强力剪切型螺杆对胶料的强力剪切作用的特点，也有分流型螺杆对胶料进行分流混合作用的特点。同时这两种作用是在同一过程复合地实现的。由于剪切分流型螺杆同时具有剪切分流作用，所以能得到高质量的混炼胶料。剪切分流型螺杆主要有高剪切挡板螺杆和低剪切挡板螺杆两种类型。3.4.1高剪切挡板螺杆 高剪切挡板螺杆结构如图11所示。它的塑化段是一多头螺纹螺杆，并在螺纹与螺纹之图11 塑化段高剪切挡板螺杆间设置了横向挡板和纵向挡板，同时由横向挡板与纵向挡板组成了分流点。其工作原理如图12所示。当从喂料段输送过来的胶料通过分流点时，一方面为分流点所分流，实现组分原图12 高剪切挡板螺杆工作原理图（展开）

17、来的单元体和各组分的单元体重新组合成新的单元体，在多个分流点的作用下，使胶料得到很好的混合；另一方面，这些胶料在分流过程中，同时被强制通过按一定规律具有高低差的横向挡板、纵向挡板与机筒形成的窄缝而受到强力剪切，使胶料得到很好的塑化。因而，挡板螺杆能得到混炼质量高的胶料，从而提高半成品质量。高剪切挡板螺杆的种类也是多种多样的，但它们的工作原理是相同的。在设计时有一条原则，就是胶料在挤出过程中，胶料的各质点运动的行程可以不同，但它们经过纵向挡板或横向挡板的数目应该相同，以便使各质点在挤出过程中受到的机械剪切作用相同，混合作用也相同，保证混炼质量的均匀性。高剪切挡板螺杆由于有数量众多的横向挡板、附加

18、挡板和纵向挡板，不但输送能力和自洁能力受到一定影响，而且加工也显得困难。但混炼质量还是比较高的，目前主要用在连续混炼挤出机上。3.4.2低剪切挡板螺杆低剪切挡板螺杆的工作原理和高剪切挡板螺杆基本上是相同的。但它的结构比较简单。混炼段是八条大升角的等距螺纹，没有附加挡板和纵向挡板，只有横向挡板，在每条螺棱中有高低相同的节段，节段的交点与横向挡板的一段相联，构成分流节点，低剪切挡板螺杆的结构如图13所示。图13 塑化段低剪切挡板螺杆图14所示为低剪切挡板螺杆混炼段的展开图。由此图来说明这种螺杆的工作原理。从喂料段输送来的胶料分成八部分进入混炼段的始端螺槽，胶料一方面经节点分流成两部分：一部分继续在

19、同一螺槽往前输送，并与下一螺槽来的胶料混合，使胶料得到充分的混合；另一方面，胶料在分流的同时，被强制越过横向挡板和低棱节段，使胶料得到充分的机械剪切。因而，低剪切挡板螺杆既能得到充分的混合作用又能同时获得充分的剪切作用，从而获得高图14 混炼段展开图及其工作原理质量的混炼胶料。这种构型的螺杆在设计上要求高棱节段长度的总和与低棱节段长度的总和近似相等，因而，混炼段有足够低棱节段的长度，使胶料能平稳缓和地通过低棱段实现低剪切，由此也可以实现胶料在较低的温度下挤出。低剪切挡板螺杆结构比较简单，而且能在保证混炼质量的前提下实现低剪切，这种螺杆的构思比高剪切挡板螺杆有独到之处。所以本螺杆有它的广泛应用价

20、值，可以用它加工塑料、天然橡胶和其它弹性体材料。在混炼效果方面，虽然剪切分流型螺杆比起其它螺杆有它的优越性。但是，由于剪切分流型螺杆对料流的方向仍然影响不大，并没有使料流转过一个足够大的角度，因此，混炼效果并不是很理想的。在这方面传递型螺杆有它的独特优点。3.5 塑化段传递型螺杆传递型螺杆的形式可归纳为两种：普通传递型螺杆和空穴传递型螺杆。传递型螺杆的特点是要求机筒有相应的结构配合，在工作过程中实现胶料从螺杆逐渐传递到机筒，又从机筒逐渐传递到螺杆。在这个过程中不断改变料流的方向和获得剪切。由此获得高质量的混炼胶料。3.5.1普通型传递螺杆 普通型传递螺杆的特点是螺杆和机筒都有螺纹，且螺纹方向相

21、反，螺杆上的螺槽是由深到浅再由浅到深变化的，而机筒则是由浅到深再由深到浅变化的，整个螺杆和机筒系统一般有24个这样的变化区段。其结构如图15所示。在工作时，螺杆传动，螺杆槽内的胶料沿 图15 塑化段普通传递螺杆螺槽向前输送，由于螺杆螺槽由深逐渐变浅而被连续地挤压到机筒的螺槽内，直至全部胶料被挤入机筒螺槽内。然后进入下一传递周期，胶料的传递运动恰恰相反，其沿机筒螺槽向前输送的同时被逐渐挤压到螺杆的螺槽中，胶料经如此反复传递，一方面获得充分的剪切，另一方面获得充分的混合，从而获得混炼质量高的胶料。 图16 剪切和胶料置换示意图普通型传递螺杆挤出过程的剪切作用是在机筒和螺杆的分界面上获得的，而且剪切

22、面在不断变化，如图16所示。若把螺槽和机筒之间的相对运动看作是两个相交的楔形槽的相对运动，在两个楔形槽的相交位置处形成一个长方体，它的容积为一个常数，在不同的位置相交时，长方体中的分界面是不断变化的，这意味着胶料从螺槽向机筒螺槽传递的过程中，受剪面是不断变化的。因此胶料所受到的剪切作用是很均匀的。普通型传递螺杆挤出过程胶料的混合作用是在螺杆与机筒传递过程中获得的。假设螺杆和机筒的螺槽均是四头，则螺杆的每一条螺槽是与机筒的四条螺槽相交于四点（因为机筒和螺杆的螺纹方向相反），在不同的运动时刻，这些交点的位置是不同的。对第一段螺槽，胶料是从螺杆的螺槽传递到机筒的螺槽，这相当于同一螺杆的螺槽内的胶料总

23、是分成四份，分别向四个不同的螺杆螺槽。在第二段中胶料从机筒传递到螺杆螺槽，而一个螺杆螺槽中的胶料又来自四个不同的机筒螺槽。同一螺槽中的胶料是既分割又汇合，在此过程中，不断地变换各部分胶料的相互位置，从而使胶料获得交叉混合作用，因此胶料得到很好的混合效果。由于普通的传递螺杆和机筒开了方向相反的螺槽，螺杆和机筒之间的接触面积比其它类型挤出机少得多，因此即使在高速下工作，螺棱间隙处的剪切区也不会使胶料产生局部过热。另一方面，由于机筒开了螺槽，增加了散热面积，因此有利于胶料较低的温度挤出。传递型螺杆和机筒由于形状复杂，因而加工比较困难。3.5.2空穴型传递螺杆通过上面各种螺杆的分析，我们可以看到：胶料

24、在普通螺杆螺槽中向前的主运动是层流状态的。观察其横断面，其在螺槽中按螺旋形式流动，其中在边缘处的剪切速率最大，而在螺槽宽度中点和螺槽深度2/3处剪切速率几乎为0，成为“死区”。对于深槽螺杆，这一点因远离周围的机筒表面，其传热性很差，结果导致这一区域的胶料温度一致性也很差。因此，应采用某些措施使胶料外层和里层相互交换，这样就可以改善其均匀性，主副螺纹螺杆实现了这一功能，螺槽中所有胶料，都必须越过副螺纹，才能进入相邻的下一螺槽。实现胶料相互交替的另一方法是在螺槽附近附加挡板或设置销钉直至在机筒设置机筒销钉等。然而所有这些改进分布混炼或均匀性的方法，都只能沿轴线改善其混合效能。虽然层流也能被中断，但

25、未能转过足够大的角度，因而混炼效果仍然受到限制。近年来出现的空穴型传递螺杆可以解决这一存在的问题。空穴型传递螺杆其结构如图17所示。它也和普通型传递螺杆一样需要与特殊形状结构图17 空穴型传递螺杆的机筒配合。其不同之处是螺杆不是螺纹槽，机筒也不带螺纹槽，而是又许多按一定规律排列的半圆球空穴。空穴型传递螺杆挤出机在挤出过程中，胶料可以从螺杆上的空穴转移到机筒上的空穴，也可以从机筒的空穴转移到螺杆上的空穴。在这个过程中，当胶料在一个空穴里时，它经历了一次纯剪切作用，而胶料传递至下一个空穴时就被切割并转移过90度角，如图18所示。图18 空穴型传递挤出的混炼原理 因此，起到了类似于开炼机切割和折卷胶

26、料的作用，从而获得按指数效果的混炼作用。所以空穴型传递螺杆挤出能获得高质量的胶料。这种结构的螺杆在实际使用时将空穴的杆体设置在常规螺杆的末端，而其剖分式的空穴筒体则接到常规的机身上。由于其工作过程胶料是靠螺纹段的螺杆输送的，空穴段并没有输送作用，当胶料一旦脱离螺纹段时，胶料不再往前输送，即自洁性能差。这一点在应用时是应该注意的。空穴型传递螺杆的最大特点是能得到高质量和温度一致性好的混炼胶料。但由于其结构的限制，在生产能力和自洁性方面仍存在某些问题。如果我们要利用它的优点，必须进一步完善它的结构、解决它的存在问题。3.6 塑化段复合型螺杆3.6.1塑化段销钉/主副螺纹型螺杆销钉/主副螺纹型螺杆是在主副螺纹螺杆的基础上在塑化段增加了若干排机筒销钉，这种构型结合了销钉螺杆能对胶料产生复杂复合作用：螺杆的剪切作用，销钉的拖曳作用、搅拌作用和分流作用，又结合了主副螺纹螺杆能对胶料进行强力剪切和混炼的优点。因此，这种螺杆能有效地提高橡胶半成品的挤出质量。但在设计时要注意半成品胶料的性能和对剪切量的要求而选择恰当的销钉数量和主副螺纹的剪切量，如图19所示为塑化段销钉/主副螺纹螺杆。图19 塑化段销钉/主副螺纹型螺杆3.6.2塑化段销钉/挡板型螺杆销钉/挡板型螺杆是在挡板型螺杆的基础