SJ高速高效单螺杆挤出机成型传动系统设计

摘 要在塑料工业中，螺杆挤出机几乎能成型所有的热塑性塑料和部分热固性塑料，用于成型管材、棒材、板材、薄膜、电线电缆、异型材等，也可以用于塑料的混合、造粒及塑料的共混改性，以挤出为基础，配合吹塑、拉伸等工艺的挤出拉幅可成型中空制品和双向拉伸膜等。挤出机是塑料成型的最重要的方法之一，目前挤出机成型的制品约占热塑料制品的50%。另外螺杆挤出机在橡胶工业中和合成纤维工业中也发挥的很大的作用。挤出机是挤出成型生产线中的主机，它的作用是塑化、运输物料，并提供制品成型所需要的压力。挤出机作为加工聚合物的主要设备而存在，在许多国家包括我国的机械工业化中已经成为系列化、规格化的一类机械产品。本设计是关于SJ70-28系列的单螺杆挤出机。主要是根据已知参数：D=70mm,长径比为28，来设计单螺杆挤出机。主要设计其动力和传动系统，加热和冷却系统。AbstractIn the plastics industry, the screw extruder forming almost all thermoplastics and thermosetting plastics partsFor forming pipe, bar, sheet, film, wire and cable, profile and so on, can also be used for plastic mixing, granulation and plastics modification, to extrusion-based, with the blow molding, stretching, etc. Extrusion Technology - tenter can be molded hollow products and two-way stretch film. Plastic molding extruder is one of the most important, the current extrusion molding products, plastic products account for about 50% of heatAnother screw extruder in the rubber industry and the synthetic fiber industry has also played a large role.Extruder extrusion production line is the host, it is the role of plastics, transportation, materials, and provide the required pressure moldingPolymer extrusion processing of major equipment as exists in many industrialized countries, including Chinas machinery has been a series, a kind of mechanical products standardizedThis design is on the SJ70-28 series single screw extruder. Mainly based on known parameters: D = 70mm, the aspect ratio of 28, to design single screw extruder. Main design of its power and transmission system, heating and cooling systems. 目 录摘 要1Abstract2第一章 绪论41.1 概述41.2高分子材料的发展41.3高分子材料的分类51.4 挤出机的构成61.4.1挤压系统61.4.2 传动系统71.4.3加热冷却装置71.5 挤出机的分类8第二章 挤出机传动系统的设计102.1传动系统的设计步骤102.2 电机的选取102.3系统传动方案112.4 V带传动设计122.4.1 V带的设计计算122.4.2 V带轮的设计15第三章 挤出机的加热冷却系统183.1 加热和冷却系统的意义和目的183.2 挤出机的加热系统193.3 挤出机的加热方法193.4 挤出机的冷却系统203.4.1料筒的冷却213.4.2 螺杆冷却213.4.3 料斗座冷却223.5 挤出机的热平衡分析223.6 加热功率的确定24第四章 挤出机的控制系统264.1 挤塑机主机的温度控制264.2 挤塑机的压力控制284.3. 螺杆转速的控制294.4 外径的控制294.5 收卷要求的张力控制294.6 整机的电气自动化控制29参考文献30致谢31 第一章 绪论1.1 概述挤出成型是塑料成型加工的重要成型方法之一。大部分热塑性塑料都能用这个方法成型，挤出成型是在挤出机上进行的，挤出机是塑料成型加工机械的主要设备之一。用挤出成型生产的产品广泛的应用于人们的生活及农业、建筑业、石油化工、机械制造、国防等工业。塑料制品用挤出成型方法成型，在塑料制品的各种成型方法中占比例较大。按照成品的质量计算，约占塑料制品总产量的1/2。由此可见，挤出成型是塑料制品成型中一种主要的成型方法。用挤出机可以挤出大部分热塑性塑料成型制品。1.2高分子材料的发展从十九世纪开始，人类开始使用改造过的天然高分子材料。火化橡胶和硝化纤维塑料（赛璐珞）是两个典型的例子。进入二十世纪之后，高分子材料进入了大发展阶段。首先是在1907年，Leo Bakeland发明了酚醛塑料。1920年Hermann Staudinger提出了高分子的概念并且创造了Makromolekule这个词。二十世纪二十年代末，聚氯乙烯开始大规模使用。二十世纪三十年代初，聚苯乙烯开始大规模生产。二十世纪三十年代末，尼龙开始生产。 随着工业企业现代化的发展，设备的集群规模和自动化程度越来越高，同时针对设备的安全连续生产的要求也越来越高，传统的以金属修复方法为主的设备维护工艺技术已经远远不能满足针对更多高新设备的维护需求，对此需要研发更多针对设备预防和现场解决的新技术和材料，为此诞生了包括高分子复合材料在内的更多新的维护技术和材料，以便解决更多问题，满足新设备运行环境的维护需求。 正基于此，二十世纪后期，世界发达国家以美国福世蓝（1st line）公司为代表的研发机构，研发了以高分子材料和复合材料技术为基础的高分子复合材料，它是以高分子复合聚合物与金属粉末或陶瓷粒组成的双组分或多组分的复合材料，它是在高分子化学、有机化学、胶体化学和材料力学等学科基础上发展起来的高技术学科。它可以极大解决和弥补金属材料的应用弱项，可广泛用于设备部件的磨损、冲刷、腐蚀、渗漏、裂纹、划伤等修复保护。高分子复合材料技术已发展成为重要的现代化应用技术之一。 经历了二十世纪的大发展之后高分子材料对整个世界的面貌产生了重要的影响。时代杂志认为塑料是二十世纪人类最重要的发明。高分子材料在文化领域和人类的生活方式方面也产生了重要的影响。1.3高分子材料的分类高分子材料按特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。 （1）橡胶是一类线型柔性高分子聚合物。其分子链间次价力小，分子链柔性好，在外力作用下可产生较大形变，除去外力后能迅速恢复原状。有天然橡胶和合成橡胶两种。 （2）高分子纤维分为天然纤维和化学纤维。前者指蚕丝、棉、麻、毛等。后者是以天然高分子或合成高分子为原料，经过纺丝和后处理制得。纤维的次价力大、形变能力小、模量高，一般为结晶聚合物。 （3）塑料是以合成树脂或化学改性的天然高分子为主要成分，再加入填料、增塑剂和其他添加剂制得。其分子间次价力、模量和形变量等介于橡胶和纤维之间。通常按合成树脂的特性分为热固性塑料和热塑性塑料；按用途又分为通用塑料和工程塑料。 （4）高分子胶粘剂是以合成天然高分子化合物为主体制成的胶粘材料。分为天然和合成胶粘剂两种。应用较多的是合成胶粘剂。 （5）高分子涂料是以聚合物为主要成膜物质，添加溶剂和各种添加剂制得。根据成膜物质不同，分为油脂涂料、天然树脂涂料和合成树脂涂料。 （6）高分子基复合材料是以高分子化合物为基体，添加各种增强材料制得的一种复合材料。它综合了原有材料的性能特点，并可根据需要进行材料设计。 （7）功能高分子材料。功能高分子材料除具有聚合物的一般力学性能、绝缘性能和热性能外，还具有物质、能量和信息的转换、传递和储存等特殊功能。已实用的有高分子信息转换材料、高分子透明材料、高分子模拟酶、生物降解高分子材料、高分子形状记忆材料和医用、药用高分子材料等。 高聚物根据其机械性能和使用状态可分为上述几类。但是各类高聚物之间并无严格的界限，同一高聚物，采用不同的合成方法和成型工艺，可以制成塑料，也可制成纤维，比如尼龙就是如此。而聚氨酯一类的高聚物，在室温下既有玻璃态性质，又有很好的弹性，所以很难说它是橡胶还是塑料。按高分子主链结构分类（1） 碳链高分子：分子主链由C原子组成，如： PP、PE、PVC （2）杂链高聚物：分子主链由C、O、N等原子构成。如：聚酰胺、聚酯 （3）元素有机高聚物：分子主链不含C原子，仅由一些杂原子组成的高分子。如：硅橡胶按高分子主链几何形状分类：线型高聚物，支链型高聚物，体型高聚物。 按高分子排列情况分类：结晶高聚物，非晶高聚物。1.4 挤出机的构成塑料挤出机的主机是挤塑机，它由挤压系统、传动系统和加热冷却系统组成。1.4.1挤压系统挤压系统包括螺杆、机筒、料斗、机头、和模具，塑料通过挤压系统而塑化成均匀的熔体，并在这一过程中所建立压力下，被螺杆连续的挤出机头。 （1） 螺杆：是挤塑机的最主要部件，它直接关系到挤塑机的应用范围和生产率，由高强度耐腐蚀的合金钢制成。 （2） 机筒：是一金属圆筒，一般用耐热、耐压强度较高、坚固耐磨、耐腐蚀的合金钢或内衬合金钢的复合钢管制成。机筒与螺杆配合，实现对塑料的粉碎、软化、熔融、塑化、排气和压实，并向成型系统连续均匀输送胶料，一般机筒的长度为其直径的1530倍，以使塑料得到充分加热和充电线挤出机分塑化为原则。 （3） 料斗：料斗底部装有截断装置，以便调整和切断料流，料斗的侧面装有视孔和标定计量装置。 （4） 机头和模具：机头由合金钢内套和碳素钢外套构成，机头内装有成型模具，机头的作用是将旋转运动的塑料熔体转变为平行直线运动，均匀平稳的导入模套中，并赋予塑料以必要的成型压力，塑料在机筒内塑化压实，经多孔滤板沿一定的流道通过机头脖颈流入机头成型模具，模芯模套适当配合，形成截面不断减小的环形空隙，使塑料熔体在芯线的周围形成连续密实的管状包覆层。为保证机头内塑料流道合理，消除积存塑料的死角，往往安置有分流套筒，为消除塑料挤出时压力波动，也有设置均压环的。机头上还装有模具校正和调整的装置，便于调整和校正模芯和模套的同心度。 1.4.2 传动系统传动系统的作用是驱动螺杆，供给螺杆在挤出过程中所需要的力矩和转速，通常由电动机、减速器和轴承等组成。在结构基本相同的前提下，减速机的制造成本大致与其外形尺寸及重量成正比。因为减速机的外形和重量大，意味着制造时消耗的材料多，另所使用的轴承也比较大，使制造成本增加。1.4.3加热冷却装置加热与冷却是塑料挤出过程能够进行的必要条件。 （1） 现在挤塑机通常用的是电加热，分为电阻加热和感应加热，加热片装于机身模具压余挤出机、机脖、机头各部分。加热装置由外部加热筒内的塑料，使之升温，以达到工艺操作所需要的温度。 （2） 冷却装置是为了保证塑料处于工艺要求的温度范围而设置的。具体说是为了排除螺杆旋转的剪切摩擦产生的多余热量，以避免温度过高使塑料分解、焦烧或定型困难。机筒冷却分为水冷与风冷两种，一般中小型挤塑机采用 风冷比较合适，大型则多采用水冷或两种形式结合冷却；螺杆冷却主要采用中心水冷，目的是增加物料固体输送率，稳定出胶量，同时提高产品质量；但在料斗处的冷却，一是为了加强对固体物料的输送作用，防止因升温使塑料粒发粘堵塞料口，二是保证传动部分正常工作。1.5 挤出机的分类塑料挤出机分为双螺杆挤出机和单螺杆挤出机 两种挤出机的区别： 单螺杆的机器和双螺杆的机器:一个是一根螺杆,一个是两根螺杆.都是用的一个电机带动的.功率因螺杆不同而不同.50锥双的功率约为20KW,65的约为37KW.产量与料及螺杆有关,50锥双的产量约为100-150KG/H,65锥双约为200-280KG/H.挤出机按其螺杆数量可以分为单螺杆、双螺杆和多螺杆挤出机。目前以单螺杆挤出机应用最为广泛，适宜于一般材料的挤出加工。双螺杆挤出机由于具有由摩擦产生的热量较少、物料所受到的剪切比较均匀、螺杆的输送能力较大、挤出量比较稳定、物料在机筒内停留长,混合均匀 。 SJSZ系列锥形双螺杆挤出机具有强制挤出、高质量、适应性广、寿命长、剪切速率小、物料不易分解、混炼塑化性能好、粉料直接成型等特点，温度自控，真空排气等装置。适用于管、板、异形材等制品的生产。 单螺杆挤出机无论作为塑化造粒机械还是成型加工机械都占有重要地位，近几年来，单螺杆挤出机有了很大的发展。目前德国生产的大型造粒用单螺杆挤出机，螺杆直径达700mm，产量为36t/h。 单螺杆挤出机发展的主要标志在于其关键零件螺杆的发展。近几年以来，人们对螺杆进行了大量的理论和实验研究，至今已有近百种螺杆，常见的有分离型、剪切型、屏障型、分流型与波状型等。 从单螺杆发展来看，尽管近年来单螺杆挤出机已较为完善，但随着高分子材料和塑料制品不断的发展，还会涌现出更有特点的新型螺杆和特殊单螺杆挤出机。从总体而言，单螺杆挤出机向着高速、高效、专用化方向发展。 双螺杆挤出机喂料特性好，适用于粉料加工，且比单螺杆挤出机有更好的混炼、排气、反应和自洁功能，特点是加工热稳定性差的塑料和共混料时更显示出其优越性。近些年来国外双螺杆挤出机已经有很大的发展，各种形式的双螺杆挤出机已系列化和商品化，生产的厂商也较多，大致分类如下： (1)按两根轴线相对位置，有平行和锥形之分； (2)按两根螺杆啮合程序，有啮合型和非啮合型之分； (3)按两根螺杆的旋转方向，有同向和异向之分，在异向中又有向内、向外之分；(4)按螺杆旋转速度，有高速和低速之分； (5)按螺杆与机筒的结构，有整体和组合之分。第二章 挤出机传动系统的设计挤出机的传动系统首先要是螺杆按照所需的速度转动，螺杆转速的波动会影响挤出量的波动，即意味着挤出制品的尺寸发生波动，所以挤出机的传动系统要保持稳定的螺杆转速。传动系统要应为螺杆的根部提供所需的扭矩，满足在一定负载下的转速需要，在挤出操作中，不同的物料，不同的制品，其他操作因素变化等，希望螺杆的转速可调，因此，传动系统还应在较宽的范围内改变速度，并实现速度之间的连接调节。2.1传动系统的设计步骤传动系统的设计主要包括以下几个内容：（1）电机的选取（2）系统传动方案比较及传动比的分配（3）V带传动设计（4）减速器设计说明2.2 电机的选取挤出机驱动功率的确定由国家塑料行业部门针对国内塑料行业挤出机的驱动功率统计得出公式：N=Kn 式中 N挤出机的驱动功率（KW） 螺杆直径（CM） n-螺杆转速（r/min） K系数（当mm时，k.;当mm时，k.8） 螺杆转速：120r/min,D=70mm,长径比：30所以根据上面的公式我们可以计算出挤出机的驱动功率。即： N=Kn0.00354*7*7*120=20.8 kw根据实际情况和电机的制造标准，选择22kw的电机。（）按照实际情况查表选择Y180L-4型电动机，其额定功率为22kw，满载转速为1470r/min，最大转矩为2.2（） 采用各种电机调速的比较一、用三相异步整流子电机实现无极调采用这种电动机，其工作特征曲线与挤出机的工作特征曲线很相似。因此，采用它来作原动机时，能保证有较高的功率因素与效率。而且这种电动机启动性能好，故电动机可以得到较合理的使用。此外，它运转性能稳定，当转速固定后受负载的变化的影响较小。这种电动机与直流电动机比较有低成本，占地面积小等优点。二、用直流电动机实现无级调速直流电动机的变速范围广，启动也比较平稳。这种电动机的调速方法可以通过改变电枢电压和激磁电压实现。使用直流电动机常需配备成套的直流供电装置，因而使它的使用受到限制。直流电动机在速度底于100200转/分时有工作不稳定和在低速时电机风扇冷却性能下降的缺点。三、采用机械无极变速器与异步电动机配用进行无极调速由于电机的变速范围不能达到设计要求，所以我们采用了的三中方法来实现调速。在设计中，我们采用了Y系列三相异步电动机（ZBK22007-88）。Y(IP44)系列是供一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼形三相异步电动机，具有防尘或其它杂物侵入之特点，它是我国最新设计的统一系列。Y系列电动机具有高效、节能、性能好、噪音低、振动小、可靠性高等特点，安装尺寸符合通用标准，使用维护方便。主要技术参数电源：380伏 绝缘等级：B频率：50赫兹 接法：P3KW，采用三角形接法工作方式：连续（S1）综合比较结果，根据国家行业标准，选用Y180L-4电动机2.3系统传动方案（1）.传动比的分配由于电机的转速为1480转/分,螺杆的转速为120转/分所以：整个系统的降速比是i= nm/nw =1470/120=12.25。带传动的传动比取 i1 = 2.7。故减速器的降速比是i2 = 12.25/2.7 = 4.54（2）减速器基本说明查表可得单级圆柱齿轮的减速比为3-6，故减速器的降速比为4.54在此范围内，可以使用单级降速即可达到目标。即i2=4.54各轴转速如下：电动机轴为0轴，减速器高速轴为1轴，低速轴为2轴，则：n0=nm=1470r/minn1=n0/i1=1470/2.7=544r/minn2=n1/i2=544/4.54=120r/min各轴输入功率按电机额定功率Ped计算各轴的输入功率，即：P0=Ped=22kwP1=P01=22*0.96=21.12kwP2=P123=21.12*0.99*0.97=20.3kw各轴转矩T0 = 9550*P0 / n0 =9550*22/1470 = 143 NmT1 = 9550*P1 / n1 =9550*21.12/554 = 364 NmT2 = 9550*P2 / n2 =9550*20.3/120 = 1616 Nm2.4 V带传动设计2.4.1 V带的设计计算1) 确定功率 工作情况系数，查表4.3得k=1.2； 电机的功率，kW。表：工况系数工况空，轻载启动重载启动每天工作小时数<101016>16<101016>16载荷变动小旋转式泵，发电机，带式输送机1.11.21.31.21.31.4所以，=1.222=26.4kw2) 选定带型 由于小带轮转速为1470r/min，计算功率Pd=26.4kw, 查机械设计教材图8-11（普通v带选型图）可以确定选择普通C型v带3) 确定带轮的基准直径并验算带速(1) 传动比 i1 = 2.7(2) 小带轮的基准直径查表4.5和表4.6选取: dd1=200mm表4.4：V带的最小基准直径槽型ABCDEY7512520035550020表4.5：普通V带轮的基准直径带型基准直径C315，355，400，450，500，560，600，630，710,750,800,900,1000,1120,1250,1400,1600,2000(3) 验算带速: (4.20) ,故带速适合(4) 大带轮的基准直径 由表4-5,调整为d=560mm4) 初定轴间距和基准长度(1) 由中心距条件: 0.7 计算得它在532mm和1520mm之间初取=1000mm。(2) 所需基准长度:基准长度 = mm查机械设计教材表8-2取=2000mm.(3) 实际轴间矩： 调整最小轴间矩： 即中心距的变化范围:953mm1043mm5) 验算小带轮包角1： 6) 计算V带根数z：由dd1=200mm和查机械设计教材表8-4a得5.84kw；由,i=2.7和C型带,查机械设计教材表8-4b得=1.27kw；查机械设计教材表8-5得0.95,查表8-2得=0.88。 所以，取皮带根数为5。6) 单根V带的预紧力： 查表8-3查得C型带单位长度的质量q=0.30kg/m所以，=应使带的实际初拉力>7) 作用在轴上的力其力的最小值为: 2.4.2 V带轮的设计V带轮设计要求设计V带轮时应该满足：质量小，结构工艺性好，没有过大的铸造内应力。质量分布均匀，转速高时要经过动平衡实验，轮槽工作面精细加工（表面粗糙度一般为3.2），以减小带的磨损，各槽的尺寸和角度应该保持一定的精度，以使载荷分布较为均匀等。在这个设计中由于皮带轮的直径比较大，所以采用轮辐式结构。皮带轮的材料带轮的材料主要采用铸铁，常用材料为。结构尺寸1.小带轮直径 查表4.10知，ha=4.8mm，由V带的设计计算中知道dd1=200mm所以 da1=4.8x2+200=209.6mm表4.10：轮槽截面尺寸槽型与对应的=Y5.31.604.780.3660>60Z8.52.007.0120.3780>A11.02.758.7150.39>B14.03.5010.8190.411.5>C19.04.8014.325.50.516>D27.08.1019.9370.623>E32.09.6023.444.50.728>2. 大带轮的直径3. 轮缘宽度mm4. A为轮辐数，P为传递功率，n为带轮转速。所以: 5. 节宽 mm, 第三章 挤出机的加热冷却系统挤出机的加热冷却系统是为了保证挤出机能够正常运转，以及保持挤出机有稳定的工艺温度。挤出机中机筒的加热是为了使机筒受热达到一定的温度，冷却是为了使高温机筒把温度降下来。在挤出机挤塑料生产过程中，机筒上有加热和冷却装置交替工作，则使机筒工作时温度恒定在一个挤出塑料化需要的工艺温度范围内，保证了挤出机正常挤塑制品成型生产的顺利进行。塑料的熔融主要依靠机筒的热传导，所以挤出机必须要有足够的加热装置功率。机筒的加热方式，可采用电阻加热，电感应加热或者用载热体加热。加热的控制有位式控制和比例控制。位式控制比较简单，是开关控制，总是全功率加热或者切断，温度波动大。比例控制是按照实际温度和设定温度差来自动选择加热功率，因此热惯性比较小，温度波动小。挤出机机筒的冷却方式可以采用风冷和水冷，风冷方法是用电动风机来吹机筒需要降温的部位，让冷风带走机筒部分热量，以达到机筒降温目的。风冷机筒的特点是机筒降温的速度缓慢。机筒采用循环水冷却降温的速度较快，但长时间使用容易结垢堵塞，因此若要使用水冷方式，应该选用处理过的软化水。3.1 加热和冷却系统的意义和目的加热与冷却是塑料挤出过程能够进行的必要条件。 （1） 现在挤塑机通常用的是电加热，分为电阻加热和感应加热，加热片装于机身 模具压余挤出机、机脖、机头各部分。加热装置由外部加热筒内的塑料，使之升温，以达到工艺操作所需要的温度。 （2） 冷却装置是为了保证塑料处于工艺要求的温度范围而设置的。具体说是为了排除螺杆旋转的剪切摩擦产生的多余热量，以避免温度过高使塑料分解、焦烧或定型困难。机筒冷却分为水冷与风冷两种，一般中小型挤塑机采用 风冷比较合适，大型则多采用水冷或两种形式结合冷却；螺杆冷却主要采用中心水冷，目的是增加物料固体输送率，稳定出胶量，同时提高产品质量；但在料斗处的冷却，一是为了加强对固体物料的输送作用，防止因升温使塑料粒发粘堵塞料口，二是保证传动部分正常工作。3.2 挤出机的加热系统塑料在挤出过程中得到的热量来源有两个，一个是料筒外部加热器供给的热量，另一个是塑料与料筒内壁、塑料与螺杆以及塑料之间相对运动所产生的摩擦剪切热。前一部分热量由加热器的电能转化而来，后一部分热量由电动机传输给螺杆的机械能转化而来。这两部分热量所占比例的大小与螺杆、料筒的结构形式、工艺条件、物料的性质等有关，也与挤出过程的阶段（如启动阶段，稳定运转阶段）有关。 另外，这两部分热量所占的比例在挤出过程的不同区段也是不同的：在加料段，由于螺槽较深，物料尚未压实，摩擦热是很少的，热量多来自加热器；而在均化段，物料已熔融，温度较高，螺槽较浅，摩擦剪切产生的热量较多，有时非但不需要加热器供热，还需冷却器进行冷却。在压缩段，物料受热是上述两种情况的过渡状态，也就是由摩擦剪切产生的热量比加料段多，而比均化段少。因此挤出机的加努冷却系统多是分段设置。从能量的观点来分析。挤出过程有一个热平衡问题。加热器供给的热和摩擦剪切而产生的摩擦热一部分用于使塑料产生物态的变化，另一部分损失掉了。尽管影响这一平衡的因素很多，但在稳定挤出的条件下，这一平衡总是应当维持的。 3.3 挤出机的加热方法挤出机的加热方法通常有三种：液体加热、蒸汽加热和电加热。（1）液体加热 原理是先将加热介质加热，再由它们加热机筒。通过控制介质温度或恒温介质的流量来间接控制机筒熔体的温度。加热系统比较复杂。（2）蒸汽加热 多用于橡胶挤出成型的温控，塑料挤出较少用。（3）电加热 是目前塑料挤出机上应用最多的加热方法，包括电阻加热和电感加热。电阻加热：原理是利用电流通过电阻较大的导线产生大量的热量来加热机筒。这种加热方法所用装置包括带状加热器图（a）、铸铝加热器图（b）和陶瓷加热器图 (c)和云母加热器图（d）等，带状加热器和铸铝加热器应用较多。 图（a ） 图（b） 图（c） 图（d）带状加热器的结构是将电阻丝包在云母片中，外面再覆以铁皮，然后再包围在机筒上。这种加热器的体积小，尺寸紧紧凑，调整简单，装拆方便，韧性好。价格便宜。铸铝加热器是将电阻丝装在于铁管中，周围用氧化镁粉填充，弯成一定形状后再铸造与铝合金中。它除具有体积小、装拆方便等优点，还节省去云母片而节省了贵重材料。电感应加热：是利用涡流在机筒中遇到阻力就发热的原理来加热机筒的，如图d。感应加热器是在机筒的外壁上隔一定间距装上几组外面包以主线圈的硅钢片组成的。从以上几种加热方法，可以看出铸铝加热器成本最低，而效果也恒好，所以本设计中挤出机的加热系统选铸铝加热器 3.4 挤出机的冷却系统挤出机设置冷却系统（和加热系统一起）是为了保证塑料在工艺要求的温度条件下完成挤出成型过程。挤出过程中经常会产生螺杆回转生成的摩擦剪切热比物料所需要的热量多的现象，这会导致料筒内物料温度过高，如不及时排出过多的热量，会引起物料（特别是热敏性塑料）分解，有时也会使成型难以进行。为此。必须对料筒和螺杆进行冷却。3.4.1料筒的冷却现代挤出机的料筒都设有冷却系统。料筒的冷却方法有风冷和水冷。1、风冷风冷比较柔和、均匀、干净，在国内外生产的挤出机上应用较多。但风机占的空间体积大，如果风机质量不好易有声响。一般认为用于中小型挤出机较为合适。2、水冷 与风冷相比，水冷的冷却速度快，体积小，成本低，但易造成急冷，从而扰乱塑料的稳定流动。如果密封不好，会有跑、冒、滴、漏现象。用水管绕在料筒上的冷却系统，容易生成水垢面堵塞管道，也易腐蚀。故完善的水冷系统所用的水不是自来水，而是经过化学处理的水。软化水并经过除氧处理。一般认为水冷用于大型挤出机为好3.4.2 螺杆冷却（1）、冷却螺杆目的：第一，获得最大的固体输送率由固体输送理论知，固体输送率与物料对螺杆的摩擦系数和物料对料筒的摩擦系数的差值有关。即料筒与物料的摩擦系数越大，物料与螺杆的摩擦系数越小，越有利于固体物料的输送。除了在料筒加料段内壁开设纵向沟槽，提高螺杆表面光洁度可以达到此目的以外，还可以通过控制料筒和螺杆的温度来实现。这是因为，固体塑料的摩擦性质在不同条件下受温度影响较大。在某些情况下，对某种塑料而言，其摩擦系数随温度升高而增加，在另外情况下则减少，因此，我们可以针对某种塑料（甚至是同种塑料而牌号不同），通过控制料筒和螺杆在固体输送区的温度而使料筒和物料的摩擦系数与螺杆和物料的摩擦系数的差值最大，以获得最大的固体输送率。第二，冷却螺杆以控制制品质量。经验证明，若将螺杆的冷却孔打到均化段进行冷却，则物料塑化较好，可提高制品的质量。但挤出量会降低，而且冷却水的出水温度越低；挤出量越低。这是因为冷却均化段螺杆会使接近螺杆表面的物料变得胶粘不易流动。相当于减少均化段螺槽的深度。粘度大的物料要特别注意掌握冷却水出水温度不能太低，否则会产生螺杆扭断的事故。从能量利用的观点看，冷却螺杆要损失一部分热量。 （2）、冷却介质也有用油和空气作为冷却介质的。油和空气的优点是不具有腐蚀作用，温控比较精确，也不易堵塞管道。但大型挤出机用水冷却效果较好。3.4.3 料斗座冷却 加料段的塑料温度不能太高，否则会在加料口形成“拱门”，使料不易加入。为此。必须冷却加料斗座。此外，冷却加料斗座还能阻止挤压部分的热量传往止推轴承和减速箱，从而保证了它们的正常工作条件。加料斗座的冷却介质多用水。3.5 挤出机的热平衡分析挤出机以热能（机筒外部的加热）和机械能（电动机转动螺杆）供给机同中的物料，一方面使物料升温、塑化而达到工艺操作所要求的温度；另一方面又使它克服在工作过程中所遇到的各种阻力（如摩擦阻力、粘性阻力）而向外挤出成为制品或半成品。这两种能量是相互联系的。只要改变一种能量的供给速率，就会使对另一种能量的需要发生变化。如外加热系统将物料的温度升高时，黏度就会降低，它对螺杆的阻力就减小，因而所消耗的机械功就小。相反，若螺杆供给物料的机械能愈多（如螺杆的转速高，剪切和挤压物料愈强烈撕），则物料从加热装置中所要获取的能量就愈少。这是因为螺杆的机械能传递于物料后，在物料中以热能的形式出现，故对外加热能的需要量就减少.当螺杆达到一定的转速时，物料所需要的热能将完全从螺杆转动的机械能中获得，而不需要外部加热，这就是所谓的“自热挤出”。从以上的分析可知，挤出机挤出过程中的热量来源与分配可用下式表示： （3.1）式中: 加热系统所提供的能量； 传动系统的机械能通过螺杆对塑料的挤压、剪切和摩擦等转化成的热能； 塑料在挤出过程中所得到的热能；在挤出过程中的热损失，其中包括机筒和机头周围介质（空气）的热交换（对流、辐射），冷却介质（水或空气）从加料斗座、螺杆、机筒等处带走的热能。因为式中反映了挤出机在工作过程中热能各因素之间的关系，因而又称它为“热平衡方程式”。供给挤出机的两种能量的来源所占的比例的大小还与螺杆与机筒的结构形式、工艺条件及塑料的性能有关，而且与挤出过程的阶段有关。如对普通螺杆挤出机来说，为了使物料能连续不断的从料斗进入机筒，在加料斗座一般要进行冷却；而在加料段，因为物料刚刚加入且还未被压实，此处的螺槽较深，则摩擦等产生的热是少的，因此热能多来自外加热器（如果是采用开槽并带锥度的强化进料套筒时，因在这一段将会产生强烈的挤压和摩擦效应而产生大量的热，在这种情况下，则必须强制冷却）；在均化段，因物料已是温度很高的熔融体，此处的螺槽亦较浅，摩擦和剪切所产生的热量亦较多，加上物料在此段还受到最高的反压力，且在一般情况下倒流和漏流也较大，这样也会产生大量的摩擦热，因此在均化段所需要的外部加热量不多，有时甚至会因自然而引起温度超过了工艺条所要求的值而需要冷却；在熔融段，因物料所处的状态是上述两种情况的过渡状态，也就是有摩擦、剪切所产生的热量比加料段的多而比均化段的少。另外，在挤出过程中，由于螺杆转动而摩擦、剪切物料所产生热量的速率也会随着物料的向前输送而慢慢加快。从以上的分析可以说明，为什么在实际操作中，机筒必须是分段加热和冷却，而温度也必须是分段进行控制的原因。机筒分段加热的长度通常每段为螺杆直径的56倍（大机为45倍）。一般挤出机在进料处23D的范围内不设加热装置。3.6 加热功率的确定挤出机加热功率的关系虽然可以用上面的公式来表示，但因为影响热平衡的因素很多，因此目前一般不用它来进行计算。另一方面，采用它来精确计算加热功率在实用上往往无多大必要。因理论上计算得的加热功率是按机筒的预热升温来考虑的，而且它远大于实际所需要的值。这是由于螺杆的转动对物料的摩擦和剪切会产生热量（内热），因此，当挤出机工作稳定以后，一般都不需要外部加热功率来加热，而只是需要设计值的部分功率来加热。由于这些原因，塑料挤出机机筒的加热所需要的功率，目前多根据经验计算。下面介绍几种经验计算方法。按机筒内表面积计算： （3.2）式中 H机筒加热功率（千瓦）； 机筒内径值（厘米）； L/DS螺杆长径比； A单位面积的加热功率（瓦/厘米2）。A的值一般由经验选定。由于各种塑料的性能（如熔点、比热、热容量和熔融潜热等）的不同，在选取A值时应予以注意。目前一般取A34瓦/厘米2。此式未考虑机筒的升温时间，为了表明加热功率与加热部件的总重量、升温时间和加热效率之间的关系，可由下式计算； （3.3）式中 G加热部件（包括机筒和螺杆）的重量（公斤）； T加热温度与加热部件初温之差（）； C机筒及螺杆的比热。一般取C=0.128千焦/公斤. ； t加热时间（小时）； 加热效率（一般取0.5）； H加热功率（千瓦）。由于挤出机的结构参数的不断发展，因此其加热功率也相应有所变化。例如排气挤出机的长径比较大，机筒的增长则其加热功率也会相应的增加。因此在设计时，应以近期国内外同类型机台的加热功率作参考来确定所需要的加热功率。如图5-1所示为目前国内外不同直径的挤出机加热功率H值的统计曲线。图中为常用的范围（影线部分）；为目前加热功率的最大值，对于长径比较大的挤出机可取这一范围的值；下图中的为我国系列推荐的加热功率。我国系列标准（JB129173）推荐的挤出机的加热功率及加热的分段数列于图中，可供设计时参考。加热功率H值的统计图第四章 挤出机的控制系统塑料挤出机的控制系统包括加热系统、冷却系统及工艺参数测量系统，主要由电器、仪表和执行机构（即控制屏和操作台）组成。其主要作用是：控制和调节主辅机的拖动电机，输出符合工艺要求的转速和功率，并能使主辅机协调工作；检测和调节挤塑机中塑料的温度、压力、流量；实现对整个机组的控制或自动控制。 挤出机组的电气控制大致分为传动控制和温度控制两大部分，实现对挤塑工艺包括温度、压力、螺杆转数、螺杆冷却、机筒冷却、制品冷却和外径的控制，以及牵引速度、整齐排线和保证收线盘上从空盘到满盘的恒张力收线控制。4.1 挤塑机主机的温度控制电线电缆绝缘和护套的塑料挤出是根据热塑性塑料变形特性，使之处于粘流态进行的。除了要求螺杆和机筒外部加热，传到塑料使之融化挤出，还要考虑螺杆挤出塑料时其本身的发热，因此要求主机的温度应从整体来考虑，既要考虑加热器加热的开与关，又要考虑螺杆的挤出热量外溢的因素予以冷却，要有有效的冷却设施。并要求正确合理的确定测量元件热电偶的位置和安装方法，能从控温仪表读数准确反映主机各段的实际温度。以及要求温控仪表的精度与系统配合好，使整个主机温度控制系统的波动稳定度达到各种塑料的挤出温度的要求。挤出机温度控制的原理图及其其中电器的符号代表的含义见下图和表显示的是温度控制的方法，使用的仪表及其特点。挤出机的温控电器原理图温度控制的方法以及所用仪表的特点控制方法使用仪表特点变压器控制变压器、温度计由操作者调整变压器或变阻器，直到物料从几筒方向所吸收的热量和加热速度平衡。此法难于适应塑料所要求的温度变化（如摩擦热的变化）。位式调节XCT101型XCT102型动圈式温度XCT103型调节指示仪当热电偶测得温度与设定的温度相同时，继电器能立即切断加热电器，停止加热（亦可按通冷却系统进行冷却），但由于机筒热惯性的影响，机筒会在设定的温度附近波动。时间比例控制当不考虑控制冷却系统时，可用XCT-103，当要考虑控制冷却系统时可用XCT-141,XCT-141 即是XCT-103与XCT101的综合当指示温度接近设定温度时，仪表使继电器出现周期性的接通、断开、再接通、再断开的间歇动作。而且，指示指针愈接近设定温度指针时，接通时间亦愈缩短，断开时间愈长，因而受仪表控制的加热功率的平均值与温度的偏差成比例的。当温度达到定温值时，仪表自动接通冷却系统或者完全切断加热系统。因这种方法是由于当测定温度接近设定温度时能自动地减少平均加热功率，所以较位节式，它的波动要少，但因动作频繁，寿命较短。 4.2 挤塑机的压力控制为了反映机头的挤出情况，需要检测挤出时的机头压力，由于国产挤塑机没有机头压力传感器，一般是对螺杆挤出后推力的测量替代机头压力的测量，螺杆负荷表（电流表或电压表）能正确反映挤出压力的大小。挤出压力的波动，也是引起挤出质量不稳的重要因素之一，挤出压力的波动与挤出温度、冷却装置的使用，连续运转时间的长短等因素密切相关。当发生异常现象时，能排除的迅速排除，必须重新组织生产的则应果断停机，不但可以避免废品的增多，更能预防事故的发生。通过检测的压力表读数，就可以知道塑料在挤出时的压力状态，一般取后推力极限值报警控制。4.3. 螺杆转速的控制螺杆转速的调节与稳定是主机传动的重要工艺要求之一。螺杆转速直接决定出胶量和挤出速度，正常生产总希望尽可能实现最高转速及实现高产，对挤塑机要求螺杆转速从起动到所需工作转速时，可供使用的调速范围要大。而且对转速的稳定性要求高，因为转速的波动将导致挤出量的波动，影响挤出质量，所以在牵引线速度没有变化情况下，就会造成线缆外径的变化。同理如牵引装置线速波动大也会造成线缆外径的变化，螺杆和牵引线速度可通过操作台上相应仪表反映出来，挤出时应密切观察，确保优质高产。4.4 外径的控制如上所述为了保证制品线缆外径的尺寸，除要求控制线芯（缆芯）的尺寸公差外，在挤出温度、螺杆转速、牵引装置线速度等方面应有所控制保证，而外径的测量控制则综合反映上述控制的精度和水平。在挤塑机组设备中，特别是高速挤塑生产线上，应配用在线外径检测仪，随时对线缆外径进行检测，并且将超差信号反馈以调整牵引或螺杆的转速，纠正外径超差。4.5 收卷要求的张力控制为了保证不同线速下的收线，从空盘到满盘工作的恒张力要求，希望收排线装置有贮线张力调整机构，或在电气上考虑恒线速度系统和恒张力系统的收卷等等。4.6 整机的电气自动化控制这是实现高速挤出生产线应具备的工艺控制要求，主要是：开机温度联锁；工作压力保护与联锁；挤出、牵引两大部件传动的比例同步控制；收线与牵引的同步控制；外径在线检测与反馈控制；根据各种不同需要组成部件的单机与整机跟踪的控制。参考文献1 濮良贵，纪名刚. 机械设计第八版,西北工业大学机械原理及机械零件教研室编著 2005,122 陈世煌. 塑料成型机械第一版， 化学工业出版社，2005,23 邓星钟等编著的机电传动控制第四版，华中科技大学出版社，2006,104 范钦珊