提高塑料挤出机生产能力的关键问题研究Word格式文档下载.docx

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100kV、±

200kV级的高压软电缆；

现代农业工厂化的迅猛发展，促使了各种专用电缆的发展，如土壤加热电缆，自控温电缆等。

又如对所有需要防火的场合又必须有各种等级的阻燃（不延燃）或耐火的电线电缆；

还有各种防止生物伤害——如防鼠、防白蚁、防霉、防鸟啄的电线电缆；

对于需要安全防范的公共场合，如金融、宾馆、安全型住宅小区以及博物馆之类，要装上自动探测头及集中显示的监控系统，就要安装专用的射频电缆网等等，不胜枚举。

在国民经济中占有相当比重、量大面广的产品类别由于电线电缆已广泛应用于经济体系运转中所使用的设施、装备器材中，特别是庞大的电力传输系统和信息传递系统，并服务于一切社会活动中并深入到每一个家庭和个人的日常生活中，因此电线电缆产品已达到了无处不在的状态。

而且仍在随着社会经济的活动内容从深度到广度进行台阶式跳跃发展；

加上人们对生活水平和生活质量的要求不断提高，仍持续地推动着电线电缆产品品种的发展和生产量的增加。

因此在二十世纪九十年代中期，一位未来学家曾预言：

二十一世纪将是线（电线电缆）的世界。

我国的电缆工业是1949年新中国成立后，从无到有，突飞猛进地发展起来的。

到目前为止，无论是工艺装备水平还是产品技术水平都达到和接近世界先进水平。

特别从用铜量（包括用铝的折算值）和总产值来将，我国电缆工业的规模处于世界前三名之内。

例如，2000年我国电缆工业总产值已达900亿元，约占全国国民经济总产值的1%，约占机电工业总产值的4%、电机电器工业的17%在机电工业的135个行业中，产值规模仅次于汽车工业而名列第二。

应该指出，线缆产品的需求与国民经济的增长速度和人民生活水平的提高密切相关，而且与基础性建设的投入量关系更为直接。

第一章设备和辅助设备

电线电缆的塑料挤包是采用连续挤压方式进行的。

通过挤塑机用螺杆挤压，将塑料包到导体或缆芯上，构成电线电缆的绝缘层、屏蔽层、内护层和外护套。

塑料挤出机的类型很多，以螺杆直径分类，分别使用于挤制各种规格的电线电缆。

1.1主机设备

挤塑机是由挤压系统、传动系统和加热冷却系统等组成。

1.1.1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，被螺杆连续的挤向机头。

1.螺杆

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、耐热和耐腐蚀的合金钢制成。

2.机筒

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，机筒应有足够的厚度、刚度，内壁应光滑，但在新式挤塑机中为提高输送效率，常在机筒内壁开有纵向沟槽。

在机筒的外面装有电阻或电感加热器、测温系统及冷却系统。

3.料斗

料斗通常为锥形容器，其容积至少应能容100L用料。

料斗底部装有截断装置。

根据需要有的料斗装有抽真空、搅拌、加热等推进装置。

亦有自动的加料料斗，计量配料料斗。

4.机头和模具

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，并将熔体均匀、平稳地导入模套中，并赋予塑料必要的成型压力，模芯模套适当配合形成截面不断减小的环形间隙，使熔体在芯线周围形成连续密实的管状包覆层，机头中的多空板能使机头和机筒对中定位，贝宁感能支承过滤网对熔体产生反压力，机头上还装有模具校正和调整装置，能调整和校正模芯模套的同心度。

1.1.2传动系统

传动系统的作用是驱动螺杆，供给在挤出过程所需要的力矩和转速。

通常由电动机、减速箱和轴承等组成。

要求螺杆转速稳定，不随其负荷的变化而变化，以保证制品质量均匀一致。

但在不同场合下又要求螺杆能变速，以达到一台设备能挤出不同塑料和不同制品的要求。

1.1.3加热与冷却系统

加热与冷却是塑料挤出过程能够进行的必要条件，加热系统由外部加热器加热，使温度升高，以达到工艺操作所需要的温度。

冷却装置是为了保证塑料在不大于工艺要求的温度范围内而设定的。

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、机脖、机头各部分。

加热装置由外部加热机筒内的塑料，使之升温，以达到工艺操作所需要的温度。

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。

具体说就是为了排除螺杆旋转的剪切摩擦产生的多余热量，以免温度过高使塑料分解、焦烧或定型困难。

为此必须对机筒、螺杆和料斗进行冷却。

机筒冷却分为水冷和风冷两种。

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；

但在料斗座出的冷却，一是为了加强读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。

挤塑机的辅助设备主要包括放线装置、校正（退火）装置、预热装置、冷却装置、牵引装置、喷码记米器、火花试验机、收（排）线装置等。

1.2辅助设备

1.2.1放线装置

放线装置有单盘和双盘两种为提高生产效率，放线装置趋向大容量和双盘放线，以利于高速连续挤出。

其结构型式有无轴式和有轴式；

单盘或双盘放线；

活动式或固定式；

张力控制或自由放线；

放线架手动升降开档或自动上盘放线。

其基本要求是：

放线速度要均衡而不应有跳动；

线盘的装卸要方便、迅速；

运转灵活，安全可靠性大；

能为连续生产提供保障等。

1.2.2校正装置

塑料挤出废品中最常见的一种是偏心，而线芯各种型式的弯曲则是产生绝缘偏心的重要原因之一。

在护套生产中，护套表面的刮伤也往往是由缆芯的弯曲造成的。

因此，校正装置是塑料挤出过程中必不可少的。

其型式主要有：

滚筒式；

滑轮式；

绞轮式；

压轮式等。

1.2.3预热装置

缆芯线芯预热对于绝缘和护套挤出都是必要的。

对于绝缘，尤其是薄层绝缘，不允许气孔的存在，通过预热可以彻底清除表面的水分、油污。

对于护套来讲其主要作用在于烘干缆芯，防止由于潮气的作用使护套中出现气孔的可能。

预热还可以防止挤出中塑料因骤冷而残留内压力的作用。

在挤塑过程中，预热可消除冷线进入高温机头，在模口出与塑胶接触时形成悬殊温差，避免塑胶温度的波动而导致挤出压力的波动，从而稳定挤出质量。

1.2.4冷却装置

成型的塑料挤包层在离开机头后，应立即进行冷却定型，或则会在重力的作用下发生变形。

冷却的方式通常采用水冷却，并根据水温不同分为急冷和缓冷。

急冷对塑料挤包层定型有利，但对结晶高聚物而言，易于在挤包层组织内部残留内应力，导致使用过程中产生龟裂，因此结晶高聚物必须采用缓冷，即经过热水、温水、冷水三段冷却。

目前的冷却装置有：

浸浴式、喷淋式和喷雾式。

1.2.5火花检验机

为了发现并消除线芯塑料绝缘层的薄弱结构，及时发现挤出中的缺陷，最大限度的减少废品，一般在冷却装置后安装有高频火花检验机，对线芯绝缘层或护层进行耐压试验。

1.2.6牵引装置

挤塑机组中的牵引装置，主要是实现电线电缆挤塑过程的连续直线运动，一般由单独电动机驱动。

其型式分为双轮式、履带式和轮带式。

1.2.7收排线装置

在许多挤塑机组中，排线与收线是单独传动的，但收排线之间有着严格的同步要求。

即为实现收线盘制品排列均匀整齐，要求线盘每转一周，排线移动一定的距离，这个距离应等于或略大于制品的外径，而这个距离是由排线丝杠的转速和螺纹结局确定的；

同时收线盘的宽度与排线丝杠的行程必须一致，排线行程的两端与线盘的两个侧板对应。

为此挤塑机组收排线装置应为联合机构，以一定的形式进行机械连锁或电器连锁。

1.2.8其它辅助装置

1.记米器：

能准确记录挤出制品的长度。

2.切断器：

能迅速切断电缆，便于分盘。

3.吹干器：

能迅速吹干挤出层表面水分。

4.印字装置：

分为轮式凸字热印和色带印字，在电缆挤出层表面标明产品型号、规格、电压等级及制造厂商。

1.3电气控制设备

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。

1.4生产中塑料挤出机常见的故障

1.金属异物或小的金属零部件如镙钉或小扳手等工具掉入加料口，导致停机或使螺杆及机筒损坏。

2.润滑系统发生故障，如缺油或严重漏油等，会导致轴承因过热卡死或齿轮因过热而严重磨损等。

3.加工PVC类物料特别容易产生过热分解，分解时产生的氯化物气体会严重腐蚀机筒、螺杆及机头流道表面。

第二章挤塑机的挤塑过程

2.1挤塑机相关控制

2.1.1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。

2.1.2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。

2.1.3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。

2.1.4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。

2.1.5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。

2.1.6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。

2.2挤塑过程

在个各段温度设定好以后，挤出过程要注意塑料的塑化情况，以免产生不合格产品，现介绍一下挤塑过程。

塑料挤出机是热挤压设备，成盘的电线电缆线芯，放在放线盘架上，并保证线芯在生产过程有一定的张力，在经过张紧装置后进入机头，挤包塑料层或护套层。

塑料颗粒自动加入料斗后，由于螺杆的转动，进入机膛，一方面继续加热，一方面由于螺杆的转动搅拌，促使塑料塑化，推向机头，从模套口挤出，完整紧密地挤包在电线电缆的线芯上。

为控制好塑料的厚度和挤出的压力，应调节好模芯和模套间的距离，使塑料层均匀。

有牵引带动，挤包完整的电线电缆，经过火花机实验，然后整齐卷线在收排线架的线盘上。

机组中各单机采用单机传动，各机组之间的各种速度可分别调整。

螺杆和牵引速度应相互配合好，保证电线电缆外径和塑料层均匀放线和收排线速度要和电线电缆的速度配合好，防止出现质量问题。

要按工艺规定控制好温度，选配好模具，经常观察加温系统的变化、外径的变化、速度的变化，防止塑料层偏心、焦烧、塑化等不良现象。

2.2.1螺杆的职能

螺杆在挤出过程中由于温度的作用，把塑料塑化压实，并排除多余气体。

根据塑料在挤塑机中物态变化、流动情况和螺杆的基本职能大致分为三段：

加料段、压缩段和熔融段。

（1）加料段

加料段又称预热段，其主要职能是对塑料进行压实和输送。

此段螺杆表面光滑，颗粒状塑料从料斗进入机筒螺杆后，开始被预热加温。

在旋转螺杆的作用下，通过机筒内壁和螺杆表面的摩擦作用向前输送和压实。

塑料在此段基本上保持固态，预热好的塑料由螺杆旋转推进熔融段开始塑化。

加料段前螺纹应深一些，长度从零到螺杆总长的75﹪不等。

挤出结晶聚合物较长，硬性非结晶聚合物次之，软性非结晶聚合物较短。

（2）熔融段

熔融段又称压缩段，其主要作用是将加料段送来的塑料进一步压实和塑化，并将塑料中夹有的空气压回到加料口出排出，并改善塑料的热传导性能。

这一段螺槽应该是压缩型的，螺纹要比加料段的浅些，其工作过程是：

当塑料从加料段进入塑化段后，随着塑料的继续向前输送，由于螺槽变浅，以及滤网、多孔滤板和机头的阻碍作用，塑料中形成了高压，故塑料被压实。

同时开始熔融，随着推进过程，液相不断增加，固相不断减少，塑料在此由固体状态变成熔融状态，全部或大部分转变为粘流体。

此段长度主要和塑料的粘流温度（或熔点）等性能有关，熔化范围宽的塑料，如聚氯乙烯是塑化段最长，可占螺杆的整个长度；

熔化温度范围窄的聚乙烯塑化段长度约占螺杆全长的45～50％；

而熔化温度很窄的聚合物，如聚酰胺等，塑化段甚至只有一个螺距的长度。

（3）均化段

此段又称为熔融段，作用是将塑化段已经塑化好的粘流态塑料，在温度的持续作用下，塑化的更加均匀。

塑化均匀的塑料熔体由螺杆的搅拌推动使塑化的更加均化的更加均匀的塑料定压、定量和定温地从机头中挤出。

这一段也称为定量段或压出段，约占螺杆全长的20～25％。

为避免螺杆头部形成料流“死区”，常将螺杆头设计成锥形或半圆形，它能节制料流，消除波动，提高螺杆的塑化能力。

第三章塑料挤出原理及影响生产能力的因素

塑料挤出过程中，装入料斗中的塑料借助重力或加料螺旋进入机筒中，有螺杆的旋转推力不断地向前推进，同时塑料受到螺杆的搅拌和挤压作用，并且在机筒外热及塑料与设备之间剪切摩檫热的作用下转变为粘流态，在螺槽中形成均匀连续的料流，到达机头后，经模芯和模套间的空隙，几包与电缆线芯周围，形成密实的绝缘或护套层。

在塑化过程中塑料沿螺杆轴向被螺杆推向机头移动过程中。

经历着温度、压力、粘度、甚至化学结构的变化，这些变化，在螺杆不同区段明显的分为是那种情况来研究。

1.加料段——固体输送理论;

2.熔融段——熔融理论；

3.均化段——熔体输送理论。

这些理论不同程度上揭示了物料性质、挤出机结构参数和工艺条件对熔融过程和输送流率的影响。

这为改进挤出机的结构设计，制定合理的工艺条件，选个材料提供了理论依据，从而提高塑料挤出机的生产能力。

3.1固体输送理论

在挤出过程中，加入螺槽中的固体物料，由旋转螺杆螺纹的推力作用，向前推进，在机头阻力的作用下，物料不断地被压实，开始塑化和未被塑化的物料连续整齐排列，形成充塞与整个送料段螺槽的有弹性的“固体塞”。

如固体塞和机筒的摩擦力很大，和螺杆的摩檫力很小时，物料将不随螺杆旋转，而呈“固体塞”状向前推进。

一般情况下，固体塞的实际运动可分解为轴向运动和刚体运动两部分。

因此，机筒作用在固体塞上的摩擦力也可以分解为周向和切向两个分量，前者可以导出力的平衡方程式，后者可以导出力矩的平衡方程式。

在固体输送研究中，较有代表性是达涅耳（Darnell）和莫尔（Mol）以固体对固体摩擦的静力平衡方程为基础建立起来的固体输送理论。

3.1.1达涅耳——莫尔理论的假设

塑料在螺槽中形成固体塞，且流速衡定，密度不变，同时固体塞所受压力只沿螺杆方向变化。

固体塞与螺槽的所有边相接触，且他们的摩擦系数与压力无关是常数。

忽略固体塞密度的变化以及重力、螺棱顶面与机筒间隙的影响。

螺槽是矩形，且槽深不变。

机筒相对螺杆运动，螺杆则相对静止不动。

3.1.2固体输送率

在以上假设条件下，通过对固体塞沿螺杆前进的运动分析得出加料段的输送速率的近似表达式：

（式1—1）

式中：

-----固体输送率

n--螺杆与机筒之间的相对转速

--螺槽深度

---机筒内径

---螺纹升角

e---螺棱法向宽度

---固体输送角

-----螺槽平均宽度

由上式可以看出：

（1）输送速率

与转速n和螺槽深度

成正比，并与螺杆直径的平方近似的成正比关系。

这与实验结果相近。

（2）输送速率与固体输送角密切相关；

角与螺杆的结构参数、物料压力、物料和螺杆表面即物料与机筒表面的摩擦力有关。

实际角的取值范围为0-90度。

考虑两种极限：

a.

固体塞与螺杆之间的摩擦力很大，恨它与螺杆粘附在一起，而机筒与固体塞之间的切向摩擦力很小，这时当机筒以速度运动时，就会出现机筒与固体塞打滑，固体塞紧抱螺杆的情况，

b.固体塞与螺杆间的摩擦力很小，而机筒与固体塞间的切向摩擦力很大，当机筒转动时，这时固体塞的切向分速度等于机筒表面的速度，这种情况相当于螺杆转动，固体塞像螺母一样只作轴向移动，且机筒与固体塞间的轴向摩擦力越小，固体塞前进就越容易。

（3）上述结论已被实验证实，对固体塞输送区的研究还表明：

a.固体输送区所消耗的动力主要在机筒上，且转变为摩擦热；

b.在固体输送区尽早建立较大的压力有利于稳定挤出过程；

目前在加料段的机筒内壁开设带锥度的纵向沟槽并对此段进行强力冷却，就是对上述研究结果的具体应用。

工作中对螺杆进行冷却，可以降低螺杆表面与物料的摩擦系数，有利于输送速率的提高，从而提高了挤塑机的生产能力。

3.2挤出量

挤出量是挤塑机的重要特性参数，是挤出理论的重要研究内容之一。

如上所述挤出过程中塑料流动是人为的将螺杆按某工作特性分为三个部分，事实上，螺杆本身是一个整体；

塑料沿螺杆全长上的物态变化，是逐渐连续发生、发展并完成的，并不存在一个两相界面。

为此，对挤出量就有了两个假设，把塑料由固态转为粘流态的全过程假定发生并完成在变化区段的所谓“粘结点”，而塑料被压实则假定发生并完成在变化区段的所谓“填实点”，由此人为的将全部物料分为两部分，即“粘结点”前的固体部分和“粘结点”后的流体部分。

对于一个结构合理的挤出机构，由于挤出具有连续性的特点，其固态下的挤出量与粘流态下的挤出量应绝对相等（逸出的气体忽略不计），因此挤出量即可由两部分之一求得，一般都以后段的流体力学方法计算，对等距不等深螺杆的挤出量计算公式是：

——挤出量（

）；

V——螺杆在推进方向的速度（

b——螺槽宽度（

）

——填实点螺纹深度（

——端部螺纹深度（

g——重力加速度（

p——挤出压力（

η——塑料粘度（

L——填实点到端部螺纹展开长度（

）。

挤出量计算公式来看，影响挤出量的因素主要是：

1.挤出压力越大，挤出量就越小。

挤出压力是推力与其反作用力形成的，挤出压力大则反作用力大，而反作用力是回流（倒流和漏流）产生的根源，故挤出压力越大，对正流的抵消作用也就越大，从而使挤出量减少。

2.螺槽越浅，挤出量越稳定。

在挤出过程中，因温度、螺杆速度的微小变