嚙合同向雙螺桿擠出機技術難點與對策

周玉梅

（黑龍江省石化干校，黑龍江 哈爾濱 150001）

自二十世紀30年代意大利的Roberto Colombo公司首先研制了第一臺同向雙螺桿擠出機以來[1]，嚙合同向雙螺桿擠出機已經(jīng)廣泛用于聚合物的改性一增韌、增強、填充和反應擠出等塑料改性工業(yè)的各個領域，已經(jīng)成為目前國內(nèi)外塑料改性加工的重要加工設備。

由于嚙合同向雙螺桿擠出機具有良好的混煉效果、自潔能力和產(chǎn)量大能耗低的優(yōu)點，從二十世紀60年代末開始其生產(chǎn)制造和加工技術得到飛速發(fā)展，現(xiàn)嚙合同向雙螺桿擠出機正在向高轉(zhuǎn)速、高產(chǎn)量、高扭矩、低能耗方向發(fā)展。目前，克虜伯維爾納普夫萊德雷爾公司（kruppw&p）推出的高轉(zhuǎn)矩、高速度、緊湊型ZSK MEGA系列擠出機和貝爾斯托夫（Berstorff）公司已經(jīng)推出的ZE超轉(zhuǎn)矩雙螺桿擠出機代表著當今世界雙螺桿擠出機整機生產(chǎn)與制造的最高水平。

就設備總體結(jié)構(gòu)而言，與單螺桿擠出機一樣，嚙合同向雙螺桿擠出機由電機、減速箱和主機，主機由螺桿和機筒組成。嚙合同向雙螺桿擠出機的擠出過程也可劃分為固體輸送、熔融和熔體輸送3個過程。除兩根螺桿平行嚙合排列之外，嚙合同向雙螺桿擠出機結(jié)構(gòu)上最大特點是主機采用積木原理設計，即機筒和螺桿采用組合式設計。根據(jù)不同的工藝要求，通過不同的機筒組合特別是螺桿的排列組合，可實現(xiàn)某種意義上的“一機多用”。也可以說螺桿組合是同向雙螺桿擠出機的技術核心，其直接影響擠出機的生產(chǎn)能力、共混質(zhì)量、能耗、設備的穩(wěn)定性，有時不同的螺桿組合會成為能否生產(chǎn)合格產(chǎn)品的技術關鍵。

由于兩根平行排列的螺桿，其中心距小于螺桿外徑，這就意識著兩根螺桿的螺紋要同向旋轉(zhuǎn)且相互嚙合，聚合物在機筒內(nèi)產(chǎn)生∞形流動，而產(chǎn)生良好的混合效果。因此，兩根螺桿的中心距決定了螺槽深度和產(chǎn)量，同時也對由此產(chǎn)生的芯軸尺寸減小而產(chǎn)生的螺桿強度問題，也提高了減速箱設計與加工的難度。

1 衡量嚙合同向雙螺桿擠出機整機水平的性能指標

嚙合同向雙螺桿擠出機設計參數(shù)中：兩螺桿的中心距、螺桿外徑和根徑之比及螺桿所能承受的最大扭矩之間是相互影響、相互制約的。因為這些參數(shù)與嚙合同向雙螺桿擠出機的發(fā)展方向和要達到的設計指標密切相關[2]。

嚙合比是指雙螺桿擠出機的螺桿外徑和根徑之比，比扭矩是指單根螺桿能夠承受的最大扭矩與中心距3次方的比值。這兩個參數(shù)是嚙合同向雙螺桿擠出機的非常重要的技術指標，且在其發(fā)展進程中呈不斷增加趨勢。

嚙合比的大小不僅反映了螺槽的深淺，還是螺桿的自由體積大小和可能的輸送能力的強弱的直接反映，即螺槽越深，輸送能力就越大。比扭矩反映的是物料在嚙合區(qū)內(nèi)所承受的剪切強度，它是嚙合同向雙螺桿擠出機中物料混合的關鍵，是表征雙螺桿設備能力的一個重要參數(shù)。根據(jù)嚙合原理可知，在相同中心距下，承受大的扭矩，需螺桿根徑尺寸加大以容納較大的螺桿芯軸，而螺桿根徑的增大，則螺桿直徑必須減少，以維持擠出機螺桿的不干涉特性，而螺桿直徑的減小將使螺槽深度減小，從而導致自由體積減小，可見兩個指標是相互制約的。

目前，比較通用的表征雙螺桿擠出機設計制造水平和使用水平先進與否的指標，包括螺紋頭數(shù)、嚙合比、比扭矩以及長徑比。以德國W＆P公司為例，其嚙合同向雙螺桿擠出機劃分代次見表1。

表1 雙螺桿擠出機主要指標Tab.1 Main indexes of gear twin-screw extruder

近幾年來，中國中小型雙螺桿擠出機技術水平也在快速進步。雙螺桿擠出機的重要指標，如比扭矩、轉(zhuǎn)速、產(chǎn)量等均直逼國際主流水平。例如，南京越升在2010年推出的SAT52雙螺桿擠出機用自主開發(fā)的高轉(zhuǎn)速、高扭矩齒輪箱，比扭矩達到11 N·m·cm-3，南京科亞公司其全新推出的雙螺桿擠出機系列，配套德國進口減速箱，比扭矩可達到比扭矩達到12 N·m·cm-3。

當然，在中國雙螺桿技術提升的同時，國際領先廠家的技術水平同樣也在迅速提升，德國科倍隆集團新近推出了新一代ZSK雙螺桿擠出機ZSK Mc18，螺桿外徑和根徑之比的大小為1.55，其比扭矩達到，這樣的技術水平使其繼續(xù)保持在雙螺桿領域的領導地位。

此外，螺桿長徑比在一定程度上可以反映擠出機規(guī)格及性能，長徑比加大，建立起所需的沿程壓力分布較易，轉(zhuǎn)速相同下，停留時間加長，塑化混合質(zhì)量提高。

2 同向雙螺桿技術關鍵點和難點分析

2.1 減速箱設計與制造技術

雙螺桿擠出機制減速箱屬于小中心距、雙輸出軸、高速、重載、超高扭矩減速器。目前，國內(nèi)外對雙螺桿擠出機的傳動系統(tǒng)的布局結(jié)構(gòu)設計、傳動方式、止推軸承的組合設計及布置、傳動系統(tǒng)的外部聯(lián)接等開展了許多研究。

在生產(chǎn)制造方面，如何保證減速箱兩個輸出軸的相位匹配、齒輪的修形、高精度箱體、高強度細長齒輪軸加工，以及軸承的溫度、振動和潤滑油流量的監(jiān)控等方面是減速箱生產(chǎn)制造的關鍵技術和難點。

2.2 螺桿元件與芯軸的強度與表面耐磨耐腐蝕性能

雙螺桿擠出機的螺桿在擠出作業(yè)過程中的工作條件是惡劣的，它在高磨損、高腐蝕條件下，工作中一直處于高扭矩、高溫、高速、高壓狀態(tài)。當帶料冷車啟動、螺桿被金屬異物或物料塞死、過載保護裝置失靈等非正常工作狀態(tài)下會引起螺桿扭斷。在正常工作狀態(tài)下，經(jīng)過一段時間，螺桿元件表面的氮化層被磨去，造成過大的間隙等，也會造成螺桿失效。

對于組合型同向雙螺桿，由于螺桿采用螺桿芯軸結(jié)構(gòu)，因而螺桿的強度問題轉(zhuǎn)化為螺桿芯軸的強度問題。因為螺桿芯軸受結(jié)構(gòu)限制，截面很小、長徑比大，故螺桿芯軸在材料選用和加工后必須保證其高強度。因此，如何提高機筒和螺紋元件表面耐磨損和耐腐蝕性能和螺桿芯軸的抗彎、抗扭強度是擠出機生產(chǎn)制造的關鍵技術。

2.3 新型螺桿元件設計

螺桿元件是螺桿的基本組成部分，不同的元件承擔著不同的功能，為了提高雙螺桿擠出機的混煉能力和加工適應性，螺桿元件從原來的螺紋元件和捏合塊元件發(fā)展到現(xiàn)在的多種新型功能螺桿元件，近年來，國內(nèi)外的專家學者在常規(guī)螺紋元件和捏合盤元件的基礎上，致力于開發(fā)研制非常規(guī)螺桿元件，并取得了一定進展，如德國CW&P公司研制的具有特殊幾何形狀的RGS元件、LGS元件和Schaufel元件、美國Farrel公司開發(fā)出FAMME元件和FCM元件[1]、日本神戶鋼鐵所開發(fā)研制的VCMT元件[6]，日本制鋼所開發(fā)研制的TKD元件[7，8].國內(nèi)研制的六棱柱元件[9]、S型元件[10]、VCR元件[11]、齒形盤元件、剪切環(huán)元件[12]和波狀螺紋元件[13]等。以上各種新型螺桿元件的不斷涌現(xiàn)，有效地提高了雙螺桿擠出機的混煉質(zhì)量，極大地改善了擠出性能，進一步擴展了雙螺桿擠出機的應用領域。

2.4 螺桿組合技術

嚙合同向雙螺桿由多種類型和不同數(shù)量的螺桿元件有序的組成，整個擠出過程又分為不同的功能段；不同的物料在擠出過程中對各個功能段的要求不同，需要與之相應的局部螺桿構(gòu)型來實現(xiàn)[1]。螺桿組合是雙螺桿擠出工藝制定的關鍵，通過改變螺桿構(gòu)型可以提高物料的混合效率。整根螺桿的組合設計，不僅要對各種螺桿元件的性能和構(gòu)造了解得很清楚,還要對各功能段及其相應的局部構(gòu)型以及整根螺桿的組合規(guī)律有深入的認識與把握，根據(jù)不同的物料特性和工藝要求，設計出最佳的螺桿組合。

在研究螺桿組合方法上大多采用重復實驗的方法來優(yōu)化螺桿組合，研究者對螺桿組合的研究大多依賴于經(jīng)驗和實驗結(jié)果的優(yōu)選，對于螺桿組合系統(tǒng)的研究方面比較欠缺，螺桿組合系統(tǒng)研究的主要難點是螺桿組合的混合或者輸送性能的評價指標的研究。

2.5 整機智能化控制技術

在擠出機的配料、預混、熔融、二次加料、排氣、擠出、造粒等多個工序中，要保證電機、減速箱、主機、擠出、造粒設備的安全運行，以及對溫度、壓力、產(chǎn)量的精確控制，對擠出機的機電一體化控制系統(tǒng)提出的較高的要求。同時一臺擠出機要完成多種材料的配混，其操作條件、工藝條件需要智能化和遠程控制。

3 促進嚙合同向雙螺桿擠出機技術進步的幾點建議

為了適應現(xiàn)代塑料工業(yè)的高速發(fā)展和人們對塑料制品的不斷增長的新需求，嚙合同向雙螺桿擠出機的發(fā)展在性能上將進一步向高速、高效、高產(chǎn)、低能耗方向發(fā)展，在機型方面向大型化和微型化發(fā)展。生產(chǎn)、設計和研究單位要重點開展以下方面工作：

（1）采用新型節(jié)能電機、電磁感應加熱和導熱油加熱技術，降低電器設備能耗。

（2）優(yōu)化減速箱結(jié)構(gòu)設計、提高減速箱各零部件的加工精度，提高減速箱和軸承在高速運轉(zhuǎn)情況下的壽命。

（3）通過表面強化、耐磨涂層處理、HIP（Hot Isostati Pressing）熱等壓加工技術，提高機筒、螺紋組件的強度、耐磨性和耐腐性。芯軸花鍵采用冷滾壓加工技術，提高細長軸的抗彎、抗扭強度。

（4）從螺桿幾何學與聚合物加工混合原理入手，有針對性的設計和開發(fā)新型螺桿元件，解決材料加工過程中的新問題、新需求。

（5）按照聚合物加工原理、混合理論，用數(shù)值模擬、數(shù)學建模、數(shù)理統(tǒng)計、優(yōu)化理論等現(xiàn)代數(shù)學和計算機仿真理論與方法，結(jié)合實驗開展嚙合同向雙螺桿擠出機的螺桿組合的理論與實踐研究，優(yōu)化螺桿組合，不斷提高同向雙螺桿擠出機的使用效果和功能。

（6）開展嚙合同向雙螺桿擠出機機電一體化、智能化和網(wǎng)絡化控制技術的研究，對整個擠出過程的工藝參數(shù)如熔體壓力及溫度、各段機筒溫度、主螺桿、側(cè)喂料螺桿和加料螺桿轉(zhuǎn)速、加料量，各種原料的配比、電機的電流電壓等參數(shù)進行在線檢測，并采用微機閉環(huán)控制、遠程網(wǎng)絡管理等。

一個國家的雙螺桿擠出機的設計、加工、制造和使用水平，從某種程度上也反應出這個國家塑料加工工料的水平。其整體水平的提高，不僅取決于聚合物加工裝備制造行業(yè)的發(fā)展，更依賴于鋼鐵等基礎原材料的生產(chǎn)、加工制造水平和自動化控制程序。要想推動我國聚合物加工裝備制造業(yè)的整體水平，必須走產(chǎn)學研用一體化道路，發(fā)揮高校、研究院、制造廠和生產(chǎn)企業(yè)的各方優(yōu)勢，重點攻克技術瓶頸，使我國聚合物加工裝備制造得到可持續(xù)發(fā)展。

［1］耿孝正.雙螺桿擠出機及其應用［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2003.

［2］陳志強，耿孝正.從W&P公司擠出機的兩個設計指標看嚙合同向雙螺桿擠出機的發(fā)展史［J］.中國塑料,1996,10（6）:1.

［3］婁曉鳴.雙螺桿擠出機傳動系統(tǒng)及系列化探討［J］.中國塑料，1998，（4）：30.

［4］雷善義，江波，許澎華.套簡式串聯(lián)推力軸承組的研究［J］.橡塑技術與裝備，2003，（12）：1.5.

［5］王麗.J型同向雙螺桿擠出機扭矩分配齒輪優(yōu)化設計［J］.北京石油化工學院學報，2003，（2）：33-38.

［6］K.Inoue,Y.Kuroda,Y.Yamane,H.Funahasi.PPS-14 Yokohama［J］.Japan,1998,393.

［7］Twist Kneading Rotor［J］.The Japan Steel Works,2000.

［8］高本誠二，井上茂樹，石橋正通.捏合擠出機［P］.CN：101037020 A，2007-9-19.

［9］尹艷玲.嚙合同向雙螺桿擠出機新型混合元件及螺桿構(gòu)型的研究［D］.北京：北京化工大學碩士學位論文,2002,12.

［10］金月富,耿孝正,梁暢.新型同向雙螺桿元件——S型元件研究（Ⅰ）——流場數(shù)值模擬［J］.中國塑料,2002,16（1）:79-85.

［11］Luo Bing,Flow Field Analysis of VCR－Various Clearance Rotor in Continuous Mixer，Processingof PPS-19,2003，212.

［12］D.B.Todd.Plastics Compounding:Equipment and Processing［M］.Hanser,New York,1998.

［13］朱春雁，耿孝正.嚙合同向雙螺桿擠出機中波狀螺紋元件的熔體輸送及混合特性研究［J］.中國塑料，1991，5（2）.