单螺杆往复式挤出机的设计改进

发布时间：2023-04-04

邹立建

摘　要：单螺杆挤出机比双螺杆挤出机有许多性能上的优势，但也存在不足：其螺套、销钉组合比较薄弱，抵御外来冲击能力较差、易破损。

从结构设计上对其改进，是提高其抗弯强度的有效方法。本文从分析其设计原理入手，阐述了设计改进相关问题和效果。

引言

对比双螺杆挤出机，单螺杆往复式挤出机有下述结构特点和作用效果：

（1）机器工作时螺杆旋转和轴向复合运动，更易于物料的分散。

（2）螺纹截面为矩形，具有更强的推力。

（3）捏合物料方式为螺纹侧面与销钉的相对剪切运动，使物料微观均匀化，从而形成特殊的涂料纹理效果。

（4）左右旋螺纹交错，没有垂直于螺杆轴线的平面，不易形成物料残留。

上述结构特点决定了单螺杆挤出机的下述优良性能：自清性能好；杂质倾向低；纹理效果性特殊；出料温度低；温控精度高；电力消耗低。

与双螺杆的捏合块对比，其断续的螺纹块及销钉组合，比较脆弱，抵御外物的冲击能力差，如果运行中遇到加温不到位或温度急剧变化、加料不匀、大块硬物加入、金属件误入等情况时，容易产生螺纹瓣断裂、销钉打断故障。

提高螺套、销钉的抗弯强度，对单螺杆机的应用推广意义重大。围绕这一议题，除了从用料上要考虑在保证耐磨性的前提下，尽量提高其冲击韧性指标外，从结构设计改进入手强化其刚度也是一个行之有效的方法。

以下将结合设计原理分析，阐述所涉及的螺套、销钉及相关件的设计改进。

1、单螺杆往复式挤出机螺纹的设计原理    

机筒内的螺杆旋转后，位于机筒和螺纹缝隙中所包围的物料会前后移动。左旋螺纹面使物料前移，右旋螺纹面使物料后移。

由于左旋面螺距大于右旋面螺距，所以物料总体上是朝出口方向前移，这使螺杆具有物料推进功能；

镶嵌于机筒内壁的销钉插入螺纹的空隙中，与螺纹侧面构成一个个运动构体，使螺纹侧面对物料有剪切、搅拌、挤压作用，这使螺杆具有物料捏合功能。

上述两功能的结合形成单螺杆挤出机的挤出性能。当然，为了实现销钉在螺纹中间穿行，迫使螺纹必须呈现续形状；

另一方面，为了增加销钉与螺纹侧面的相擦面积和物料剪切强度，销钉必须沿着螺纹侧面运动。螺纹截面形状设计成矩形可以同时满足推力的Z大化和销钉捏合强度的Z大化。

螺纹瓣左旋面又称推进螺面的导程小于框架左旋导程，目的是使螺纹瓣变长，从而增加了销钉相擦面积。

适当地加大螺纹深度，可提高产量。螺套的选材至关重要，除了考虑耐磨性，韧性指标必须达到。螺纹瓣的设计，一般以螺杆移动距离S为参考基数，螺纹的导程T、纹瓣厚B均与之有联系。螺纹瓣排列见图1。

2、销钉的设计及运行轨迹    

挤出机运行时，销钉在螺纹瓣空隙内穿梭，对其内物料高速搅拌。搅拌强度越高，对物料的分散越好，挤出效果越佳。

下列三个因素对搅拌强度有直接的影响：螺杆转速、销钉与螺纹侧面间隙、螺纹瓣长度。转速越高、间隙越小、长度越长，其搅拌强度越高。

销钉本身固定不动，镶嵌在机筒衬瓦上。螺套旋转后，与螺纹瓣的侧面产生相对运动。运动使物料受到包括摩擦、剪切、挤压、搅拌的作用。

同时，销钉还有清理螺纹瓣粘料、促进物料前移的功能，尤其在融化段。没有销钉的参与，就没有分散效果，也没有挤出产量。

销钉设计一般以螺纹瓣结构尺寸为参照基数，直径与螺纹瓣宽度相近、高度相同。材料选择着重考虑材料的抗弯强度、冲击韧性及耐磨性。

按照相对运动原理分析，可得出销钉的运动轨迹是一条余弦曲线，如下图2所示：

螺套每旋转一周，销钉完成一次前移和后退，行程为S。螺套从0度转至180度，销钉从0位前移至S；螺套从180度转至360度（0度），销钉从S位后移至0位。

在这一循环过程中，每个销钉都按相同的路径走过一个螺纹瓣大边、两个小边。N排个N个销钉与N个螺纹侧面（大小面）相擦，产生了较多的捏合次数，完成了挤出机应履行的使命。

3、复合运动机构的设计    

为了满足单螺杆挤出机螺纹销钉组合捏合物料的运动形式要求，复合运动机构必须设计成能够输出与其相符的复合运动方式，即主轴旋转一周的同时按销钉的运动轨迹曲线要求，前后移动一个距离。

复合运动机构作为单螺杆挤出机螺杆转动动力供给源，其机构设计必须满足以下基本要求：

（1）运动方程满足销钉运行轨迹要求。

（2）往复距离稳定可靠，调节方便。

（3）有足够的驱动强度。

（4）关节轴承的摆角在允许范围。

复合运动机构主要由主轴、斜盘、方向环、推力轴承、关节轴承、箱体组成。主轴经电机直接驱动旋转。

由于斜盘、方向环组合固定在主轴之上，方向环又被关节轴承束缚，而使主轴被迫旋转的同时又前后移动。

4、螺纹瓣、销钉强度设计改进    

该强度设计改进的做法是在常规参数设计的基础上，探讨使螺纹瓣加厚、销钉增粗的可行性分析和刚度增大幅度。

如上所述，螺纹瓣和销钉的增壮受到销钉轨迹的限制，做法不当将产生纹瓣与销钉干涉相撞。能否采取加大螺纹导程的方法解决干涉的问题？

加大导程后纹瓣和销钉是否变壮？经过理论推算及计算机模拟演示证明：方法是可行的。

传统的设计参数一般将往复距离与螺杆直径的函数关系定为：S＝0.15D，并以此为基点，设定螺纹参数。

螺纹主要参数：T框架左旋＝nS；T左旋＝5／8nS；T右旋＝n／2S；B＝o.6S。

销钉主要参数：直径＝0.6S。设计改进中，将S调高至0.21D，螺纹、销钉主要参数按此基数计算实际值。

用调整后的参数做出螺纹分布及销钉轨迹曲线进行验证，以确保二者不干涉，同时还应对以下结构及参数进行校核：

（1）复合运动机构的相关件

两种改进方法可以加大往复距离：斜盘倾角加大或加大关节轴承与主轴的间距。任何一种改进方式完成后，均需校核关节轴承的摆角是否在允许范围；需校核方向环的摆动是否有妨碍之处；需校核方向环轴的抗弯强度。

（2）销钉、螺纹瓣间隙

间隙太小，易产生干涉并使销钉弯曲；太大则减低捏合强度。转速越高，干涉倾向越大；同时考虑各轴承配合间隙的影响，该间隙应在0.6mm-0.8mm。

5、改进案例分析

以市场使用Z多的70机型为改进实验对象，做了以下参数改进：往复量增至15，纹瓣梗宽增至8，销钉直径增至8.5。

改进后的纹瓣、销钉明显变壮、刚性增强。采用加小螺母、小螺钉混入料中挤出实验，未发现纹瓣断裂、销钉弯曲或折断现象；大加料量、高速挤出实验，未发现销钉干涉现象。证明改进是有效和成功的。

6、结语、

单螺杆往复式挤出机的螺杆、销钉设计，可以打破传统设计参数束缚，适当地加大结构尺寸，以增加抵御硬物破坏的能力，解决其性能不足，使之成为更完善的机型。

（来源：网络）