摘要：双螺杆挤出机的螺杆元件是由具有特殊几何形状和特殊结构的螺杆轴、螺槽和齿轮等组成。螺杆元件在双螺杆挤出机中起着至关重要的作用，它的加工性能直接影响到挤出制品的质量，因此，双螺杆挤出机对螺杆元件的加工质量提出了较高的要求。笔者根据实践经验，对双双螺杆挤出机螺杆元件的结构和进展进行了探讨。

关键词：双螺杆挤出机；螺杆元件；结构进展

双螺杆挤出机是一种密相挤出机，它的螺杆主要由三个元件构成：定子、转子、模头。螺杆元件的设计与加工是挤出机整体设计中的重要环节，它决定着挤出机的性能。随着双螺杆挤出机向更高产量、更高性能、更高可靠性、更节能环保等方向发展，螺杆元件的研究与开发也在不断地深化，以满足人们对塑料制品更高要求。

一、双螺杆挤出机螺杆元件的结构

1.定径区

螺杆中的定径区是指沿螺槽轴线方向成一定长度的一段螺槽，它是一段可以在恒定轴向压力下输送塑料的区域。根据不同塑料在不同螺杆中的流动状态，通常把定径区划分为四个区：预压缩区：当物料在螺杆中向前运动时，螺杆与物料之间产生剪切力，物料逐渐向外压缩，同时在螺槽中产生轴向压力。这一区域的特征是沿螺槽轴线方向成一定长度的一段，物料从开始向外压缩，直至挤出机口部为止。剪切增厚区：在此区域内，物料受到螺杆的剪切和摩擦作用而产生剪切应力，从而使物料中产生一定的熔融塑化。混合区：在此区域内，螺杆对物料的压力和剪切作用同时存在于螺槽之中。由于这一区域内的物料受剪切力而熔融，因而它是一段具有一定长度和厚度的区域。热散解区：此区域内螺杆对物料施加轴向压力，同时也在螺槽中产生轴向和径向压力。热散解区的特征是：沿螺槽轴线方向，由一对相互啮合的齿轮所形成。这一区域内的螺杆对物料的压力和剪切作用相叠加，从而使物料逐渐向外膨胀。

2.模头区

模头区是挤出机螺杆元件中最复杂的部分，它直接影响到物料在螺杆元件中的流动和塑化质量，因此是挤出机螺杆元件结构中的关键部分。模头区主要由模头体和模头盖两部分组成。模头体是在成型过程中所用材料的最大厚度，其厚度可根据不同的加工要求而采用不同的材料，也可以在一次成型过程中同时完成对模头和模头盖两部分的加工。模头体包括：分流槽、锥形流道、压料腔、长螺槽等。分流槽是用以调节挤出量的一种装置，通过在螺杆元件上设置几条或几十条分流槽来实现对不同形状和大小的物料进行分流。在双螺杆挤出机中，分流槽通常采用具有较高强度和良好耐磨性的材料制成，并与螺杆元件或螺杆连接，以保证分流槽不会因磨损而影响到物料的正常流动。锥形流道是用以控制物料在模头体和模头盖之间流动的一种装置。当挤出物较软时，可采用较小直径的锥形流道；当挤出物较硬时，可采用较大直径的锥形流道。长螺槽是用以提高剪切速度和增大压力的一种装置，通常用不锈钢、铝或铜制成。压料腔是用以在成型过程中将物料从模头体和模头盖之间挤出去。压料腔一般采用硬度较高且耐磨的材料制成，如钢或铜，也可以采用硬质材料制成。压料腔可以用来产生最大剪切力，以克服物料在模头与模头盖之间流动时产生的阻力。长螺槽是用以调节挤出量和控制物料在模头与模头盖之间流动时产生的压力差。

模头盖是用以使物料在模头体和模头盖之间形成一定厚度、并使两部分紧密贴合在一起而成为一个整体的结构。

3.中间区

中间区是指位于两个同向旋转的螺杆元件之间的区域，它在挤出机中起到了类似于双螺杆中的剪切、混合和熔接等作用。中间区的存在使机头具有很高的压力，这种压力比挤出过程中所要求的压力要高得多。在挤出机中，通常是由两根螺杆元件并联构成的，所以中间区也称为并联区。在并联区里，两个元件各自独立旋转，互不影响，相互之间只有短暂的接触。这种形式的挤出机中两个元件可以是刚性或非刚性，可以是单个元件或多个元件组合而成。非刚性元件之间有间隙，所以在挤压过程中可能发生挤压变形，但是由于间隙很小，变形所产生的应力很小，所以对挤出产品的质量影响很小。因此，这种类型的挤出机在挤出过程中几乎不会发生任何变形。这种结构与双螺杆挤出机相比有以下优点：在生产中产生的热量较少。不需要外部冷却装置。工作平稳、操作方便、噪声小、容易维护、减少维修时间等优点。该结构对双螺杆挤出机来说是一种比较理想的形式。这种结构比刚性元件结构更容易制造和维修。

4.螺槽

螺杆元件的螺槽是影响物料的流动和混合性能的重要因素。目前，双螺杆挤出机在加工塑料时，都有一个较宽的螺槽。从理论上讲，双螺杆挤出机可在较宽的螺槽内加工多种不同性质的物料。但由于双螺杆挤出机工作时，螺槽内物料浓度较低，一般在0.1～1 ml/100g物料。若要加工高粘度、高表面张力或大颗粒状物质，则应采用较深的螺槽。另外，双螺杆挤出机对物料混合的均匀性有严格的要求。当双螺杆挤出机在加工塑料时，经常会出现一些影响混合效果的问题。

（1）对双螺杆挤出机来说，螺槽中的物料在混合过程中易发生分散、粘结或固化等现象，这些现象严重时会造成堵塞；（2）如果螺槽深而窄，则物料不易在螺槽中分散、粘结或固化；（3）如果螺槽过浅而宽，则容易产生物料粘壁现象，物料容易堵塞；（4）如果螺杆在加工塑料时，螺杆元件中有一些死角，则易造成物料的混合效果差。目前双螺杆挤出机中螺槽一般深15～20 mm。深15 mm以下的螺槽易造成物料的不均匀混合和粘壁；而深20 mm以上的螺槽易产生物料堵塞现象。因此，为了使双螺杆挤出机能够顺利地加工各种不同性质、不同数量、不同长度、不同形状和不同大小的固体颗粒状物质和混合体系，要对螺槽进行适当的设计。如适当加深螺槽深度可提高混炼效果；加大螺槽宽度可提高混合效果；减少螺杆元件中死角可防止物料粘壁和堵塞。

二、双螺杆挤出机螺杆元件降低成本的技术措施

1.采用低功率的螺杆机

目前双螺杆挤出机的功率一般为15～30 kW，按主机的设计功率为25 kW计算，则双螺杆挤出机的主机功率约为15～30 kW。由于目前双螺杆挤出机的主机功率较大，则物料的输送压力也相应增大，物料的停留时间变短，且剪切速率较大，物料在机筒内停留时间短，故会对物料产生一定程度的热效应。因此，采用低功率的螺杆主机，可以使物料在较短时间内达到较高的温度并流速增快，这样就能减少物料在机筒内停留时间，提高物料的混合程度。同时由于螺杆转速降低了，能量消耗也相应减少了。另外采用低功率螺杆主机后，双螺杆挤出机主机与电机之间的配套关系也发生了变化。由于主机转速降低后电机功率下降，电流变小而电压升高；另外由于双螺杆挤出机主机转速降低后机筒内产生较高温度而减少了机筒内物料对机筒内壁及螺杆、螺槽等部件的冲刷作用，从而减小了磨损。

2.选择合适的螺杆组合

要使螺杆的工作寿命最长，应该选择合理的螺杆组合。如采用双螺杆挤出机，由于其双螺杆相互啮合形成一个螺槽，具有较大的剪切能力，因此要求螺槽比一般单螺杆挤出机的螺槽宽，但又不宜太宽，否则将会出现剪切不充分、物料停留时间短、不能形成连续均匀的料流等问题。同时还要求螺槽应有良好的耐磨性和耐化学性，这样就要求选择具有良好耐磨性能的衬板。双螺杆挤出机不同于单螺杆挤出机，其喂料能力有限，因此其进料量也受到限制，一般要比单螺杆挤出机少一些。一般认为在相同的物料和挤出量下，双螺杆挤出机的投资费用是单螺杆挤出机的1/3～1/2。在双螺杆挤出机中还可以采用多台并联组合的方法，以达到降低投资费用的目的。

3.提高螺杆的使用寿命

螺杆的使用寿命与物料的流变性、温度、压力等因素有关，因此，在设备设计时必须充分考虑以上因素，采取相应的技术措施来提高螺杆的使用寿命。在螺杆头设计上应保证一定的间隙，以满足物料在螺杆头内的停留时间和剪切作用。对于高聚物原料，由于粘度很高，热膨胀系数又很小，若间隙太大则物料易从缝隙中挤出；间隙太小则物料不易均匀分散。对于中聚物原料，由于热膨胀系数很小，可以把间隙设计成中间大、两头小，以减小物料在螺杆头内的停留时间；对于低聚物原料，由于热膨胀系数较大，可以把间隙设计成中间大、两头小。为了提高螺杆的使用寿命，在设计时应注意以下几点：（1）在螺杆设计时应使各部位间隙保持在一定范围内；（2）为降低物料温度，尽量采用高硬度材料制造螺杆；（3）合理选择螺杆转速和转矩。

4.降低螺杆转速

双螺杆挤出机的转速对产量有很大的影响。在相同转速下，螺距越大，产量越大，但过高的转速会造成螺杆的疲劳损伤。根据螺杆传动和加工过程中出现的问题，可以知道高转速比低转速造成的疲劳损伤大得多。虽然较高的转速会带来产量的提高，但是由于单位时间内产生的热量也更多，更容易造成螺杆的过热损坏。

从对螺杆寿命影响方面考虑，采用降低螺杆转速可以在不降低产量的前提下延长螺杆寿命。这是因为当螺杆转速降低时，螺槽内物料流动速度降低，物料在螺槽内停留时间增加，这样可以延长物料在螺槽内的停留时间。即使螺槽内物料混合均匀度有所下降，但是由于物料在螺槽内停留时间增加了，可以一定程度上弥补物料混合不均匀带来的损失。此外，通过对螺杆转速和产量关系的研究发现：在相同产量下，降低螺杆转速可以提高单位时间内产生的热量。这一点是由单位时间内单位能量消耗所决定的。在单位时间内能量消耗相同条件下，当螺杆转速降低时单位时间产生热量增多，这一点也得到了实验数据上的证实。

对于不同长度、不同截面形状和不同转速螺杆组合设备来说，当生产率一定时，产量与螺槽长度、截面形状和转速成正比；与螺槽直径、截面面积成反比。而对于不同直径、不同截面形状和不同转速螺杆组合设备来说，随着产量增加螺槽长度增加则产量减少。因此降低螺杆转速可以提高产量。

5.正确选择螺槽形状

螺旋槽的形状对聚合物物料的混合与塑化有很大影响。一般来说，螺槽是螺旋形的，它对聚合物物料的混合效果最好，对塑化效果最差。目前，国内外有多种新型螺槽形状可供选择。螺槽内壁的粗糙度也会影响到混合效果，同时还会降低剪切率。为获得较好的混合与塑化效果，一般应使螺槽内壁粗糙度 Ra=3～4μm。此外，如果螺旋槽内壁粗糙度较高，还会降低螺槽中流体的剪切速率，这对塑化和混合均不利。所以，在设计螺槽时，应选择有利于混合与塑化的螺槽形状。螺槽深、宽度和长度对混合效果的影响也很大。如果螺槽深太浅，会使混合不充分；如果螺槽深太大或太小，会使混合效果变差。因此，在选择螺槽型时，应综合考虑混合与塑化效果、流动特性、加工难易度等因素。在满足螺杆设计要求的条件下，应尽量采用较深的螺槽以获得较好的混合效果；同时尽量采用较小的螺杆直径以减少螺杆与物料间的摩擦。在设计螺槽型时应选择合理的螺槽形状以使塑料在螺槽中保持良好的流动状态，从而获得较好的混合与塑化效果。

三、结语

总之，目前，双螺杆挤出机螺杆元件的发展已经到了一个全新的阶段，在这个阶段中，我们既要在传统的基础上继续研究创新，又要在新材料新工艺、新结构方面不断地尝试，还要注重对螺杆元件本身的优化设计。作为双螺杆挤出机设备和技术的核心部件之一的螺杆元件，其性能的优劣将直接影响到产品质量和产量。因此，我们要注重对螺杆元件性能的研究和优化设计，以使其达到理想的效果和目的，从而提高产品质量。

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