挤出吹塑中空成型机塑化装置的创新设计

2019-09-19邱建成林一波何建领

塑料包装 2019年4期

关键词：塑化挤出机衬套

邱建成林一波何建领

（苏州同大机械有限公司）

0. 挤出机主要组成与介绍

挤出吹塑中空成型机的塑化装置包括塑化平台、挤出机等。目前国内外挤出吹塑中空成型机使用最多的是单螺杆。

随着工业技术的发展，塑化平台从以往的单一功能到具有升降、转动、左右平移等复合功能。

图1 具有前后、左右平移功能的塑化平台

在图1所展示的可以前后、左右平移的塑化平台，在高速生产机型中还要求机头在短时间内抬升一定高度，因此还需增加转动功能。在设计塑化平台时，还要从提高使用方便性装配快速准确方面入手，做到电气线路、气路、水路横平竖直、整齐划一、易于辨识等。同时设计平台时要采用国际通用的标准，注重安全方面的考虑。

挤出吹塑中空成型机多数采用普通单螺杆挤出机，挤出机主要包括驱动装置、机筒螺杆、加热冷却装置、换网装置，如图2所示。

图2 塑化平台俯视图

驱动装置一般采用直流电机或三相异步电机（配变频器）输出转速和扭矩，再通过皮带或联轴器连接到减速机。

近年来很多厂家采用减速机直连电机的形式，其结构紧凑、效率高、美观、噪音低等等；大功率电机直连减速机是未来多年的发展趋势。

低速大扭矩交流伺服电机在低速范围下具有较好的转矩输出特性，其结构简单、体积小、效率高、响应迅速、过载能力强；采用低速大扭矩交流伺服电机直接驱动螺杆，可以省去减速机，实现对机械负载的直驱，提供系统的传动效率和控制精度以及系统运行的可靠性，降低能耗。

目前在注塑机行业已经实现伺服电机直驱螺杆，挤出吹塑中空成型机领域只有国外少数厂家可以提供。

采用伺服电机直驱是未来多年的挤出吹塑中空成型机一个发展方向。

机筒螺杆是挤出机最核心的部件，在具体使用中根据需要加工的物料特性需要配套专用的机筒螺杆。

对挤出吹塑中空成型机来说大多情况下加工的是聚乙烯，高速化和高效化是现代挤出机的重要发展方向。

1. 挤出机开槽衬套的基本设计与控制

早期的机筒内部是全部光滑的。1968年，德国亚堔工业大学塑料加工研究所研发的机筒开槽挤出机，被作为轴向直槽机筒螺杆挤出机的标志。随着螺杆转动，螺杆螺槽内物料与机筒和机筒沟槽内物料存在相对运动，聚合物材料之间的内摩擦系数是聚合物材料与光滑金属间外摩擦系数的1.5-5倍，因此沟槽机筒单螺杆挤出机能显著地提高固体物料输送效率。随后国内外众多先驱对机筒沟槽参数进一步深入研究，在槽轴向长度、槽深度、槽数量、槽锥度、加工工艺参数等等已经得到的很好的验证。直开槽加料段的沟槽结构形式通常是直线型，与螺杆轴线平行。直开槽的断面形式有矩形、三角形、锯齿形等。矩形断面沟槽多用于粒状原料，圆形（三角形）断面沟槽用于加工粉状原料。沟槽的长度在2.5~6 D（D为螺杆直径）范围内。沟槽个数大约为螺杆直径的1/10。沟槽深度必须大于颗粒的最大尺寸，一般在 1~4 mm。沟槽宽度与螺杆直径有关。沟槽尺寸如表1所示。

表1 机筒沟槽基本尺寸

表2 加工HDPE粉料的开槽衬套轴向锥形沟槽参数

很多情况下，机筒的开槽处设计为单独的零件，该零件称为开槽衬套。

1.1 开槽衬套沟槽的基本数据：

开槽衬套沟槽的最优化形状设计应该由塑料材料实验来确定，从实验中得出沟槽的数量n近似为：

式中D为螺杆直径，n为沟槽的数量。

加工HDPE或是HMWHDPE粉料时，开槽衬套的轴向锥形沟槽参数可参考表2选择。

沟槽的入料锥角β，对于 HDPE，β可取15°，对于粉料，β可取至5°。

沟槽的长度 L，根据实验与实际应用，L可取（3~5）D（D为螺杆直径）。

加工粒料时，开槽衬套的沟槽深度、宽度与塑料原料的尺寸、形状有关，沟槽的宽度应大于粒料的平均尺寸，沟槽深度h可取粒料平均尺寸的1/2，沟槽宽度b可参考表2-3选择。

表3 加工粒料的开槽衬套沟槽宽度参数

需要强调说明的是：机筒进料端开槽的数据由于挤出机采用的塑料原料的不同，或者是采用的原料分子量的不同，其具体参数也会不同，需要针对不同的塑料原料与原料的分子量来确定这些具体参数的设置。而往往这些具体参数的设定的背景是需要做许多繁复的试验、测试和计算机模拟及计算。

1.2 开槽衬套的温度控制：

开槽衬套在充分冷却的情况下，加工HMWHDPE粉料时，产量可以提高180%，能效可提高20%以上，这是因为衬套被充分冷却时，在进料段建立了很高的压力，因此需要增加螺杆的工作扭矩。因为 HMWHDPE粉料的剪切应力较高，可以明显提高输送能力，所以也利于提高能效。

但开槽衬套充分冷却需要消耗较大的能量，会使螺杆的驱动装置增加能量或使机筒增加升温的能耗。因此改善开槽衬套挤出机的能效主要是选择较好的衬套冷却温度，理论分析与实践证明，一般情况下，只要塑料原料固体床与衬套接触的界面上不产生塑料熔膜，较高的衬套温度和较低的螺杆温度有利于提高挤出机的产量。

根据塑料原料品种的不同，衬套温度也不同，对于普通的 HDPE、LDPE、PP等塑料原料，衬套温度可控制低一些（40~60℃），对于HMWHDPE、LLDPE等塑料原料，衬套温度可控制高一些（60~90℃）；对于一些工程塑料衬套温度可控制更高一些，如 ABS为 90~110℃，PA6为 140~180℃。此外，开槽挤出机开始工作时，开槽衬套的温度可以设置高一些，有利于适当降低开机时的功率输入，正常运行后可以适当降低衬套的温度，以保证输送量的稳定。可在挤出机开槽衬套的部位设置自动控温装置，可使挤出机的运行状况处于较好的节能状态和适用不同塑料原料对衬套温度的要求。

1.3 减少开槽衬套及进料段前端磨损的措施：

从多年使用的情况看，“IKV”结构也还是存在一些缺陷，比如螺杆与机筒的进料段前端约4~10倍螺杆直径的区域以及开槽衬套磨损较快，磨损后生产效率会很快下降；虽然加强这一区段的冷却能够减缓部分磨损，也能部分提高挤出量，但冷却所带走的能量会明显偏高。在这一部位上，采用双金属螺杆和双金属机筒可以明显提高耐磨性能1-2倍以上，价格提高仅约为50%。从投入产出比来说是可行的。目前，多家螺杆制造公司已经能较好的制作双金属螺杆和双金属机筒，采用高压速（HP/HVOF）全面合金披覆的熔射技术使合金层全面覆盖螺杆的所有表面。并将机筒的表面合金含钨10%提高到30%及50%，能较好的解决“IKV”螺杆进料段前端螺杆、机筒磨损较快的问题。同时改善螺杆进料段的设计也能提高耐磨的能力，如将进料段螺棱设计成为双螺棱结构能有效改善磨损情况。

对于已经磨损的螺杆机筒，应将其及早更换。否则，为弥补其产量降低所花费的用电费用将很快冲抵设备更新的费用。从工厂的实际来考察，当挤出机的产量下降5%时，就应及时进行更换，不然产量将很快就会下降10%以上。以致造成更多的人工和电能浪费。

目前在国内众多生产企业，从实际生产成本出发，大都采用简易化的开槽机筒。随着高速化高效化的发展，一些中空成型机制造厂家在研制IKV结构挤出机的基础上，将分离型螺杆与屏障型螺杆形式与IKV结构形式有机地结合在一起，研制出了高效率、综合性能优良的单螺杆挤出机，并将其用于挤出吹塑中空成型机上，取得了较好的使用效果。

在今后一段时间国内还是以开发实用的IKV挤出机为主要趋势之一。

提高固体物料输送效率的最新研究是机筒上开设与螺杆螺纹方向相反的螺旋沟槽从而实现固体物料的正位移输送。在提高固体物料的输送效率的同时，要提高物料的熔融效果，螺杆的设计要采用更加复杂的结构，提高物料的熔融效率和混炼效果。螺旋沟槽机筒将是挤出机机筒的发展趋势之一。

2. 挤出机螺杆的基本设计与参数

在挤出机的各个环节中，螺杆设计的好坏往往是关键的一环，螺杆参数和结构的适当更新往往有可能促使挤出机生产率有较大的提高，质量有较大的改善，扩大挤出机的使用范围。

螺杆是挤出机的心脏，是挤出机的关键部件，螺杆的性能好坏，决定了一台挤出机的生产率、塑化质量、填加物的分散性、熔体温度、动力消耗等。是挤出机最重要的部件，它可以直接影响到挤出机的应用范围和生产效率。通过螺杆的转动对塑料产生挤压的作用，塑料在机筒中才可以发生移动、增压以及从摩擦中获取部分热量，塑料在机筒中的移动过程中获得混合和塑化，黏流态的熔体在被挤压而流经口模时，获得所需的形状而成型。与机筒一样，螺杆也是用高强度、耐热和耐腐蚀的合金钢制造而成。

由于塑料的种类很多，它们的性质也各不相同。因此在实际操作中，为了适应不同的塑料加工需要，所需的螺杆种类不同，结构也有各有差别。以便能最大效率的对塑料产生最大化运输、挤压、混合和塑化作用。

图3 熔体在螺杆、机筒中的流动示意图

表示螺杆特征的基本参数包括以下几点：直径、长径比、压缩比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺杆和机筒的间隙等。

最常见的螺杆直径D大约为45~150毫米。螺杆直径增大，挤出机的生产效率也显著提高。螺杆工作部分有效长度与直径之比（简称长径比，表示为 L/D）通常为 10~42。L/D大，能改善物料温度分布，有利于塑料的混合和塑化，并能减少漏流和逆流。提高挤出机的生产能力，L/D大的螺杆适应性较强，能用于多种塑料的挤出；但L/D过大时，会使塑料受热时间增长而发生降解，同时因螺杆自重增加，自由端挠曲下垂，容易引起机筒与螺杆间的摩擦而擦伤，并使制造加工困难；增大了挤出机的功率消耗。过短的螺杆，容易引起混炼的塑化不良。根据塑料熔料的特性，可根据以下的几个方面来考虑选择长径比。

2.1 长短螺杆的优点：

1）长螺杆的优点：

① 有更高的生产效率和熔体挤出量；

② 塑化熔融效果更好，有更好的混炼和更加均匀的输出；

③ 熔体具有较高的挤出压力；

④ 能够充分利用热能，相对节能。

2）短螺杆的优点：

① 物料在机筒内停留时间短，热敏性塑料受热时间短，这样可减少降解的机会；

② 塑化的机器占用空间小；

③ 扭矩要求低，使螺杆强度和驱动功率要求会低一些。换件修理时成本低一些。

机筒内径与螺杆直径差的一半称间隙δ，它能影响挤出机的生产能力，随δ的增大，生产率降低。通常控制δ在0.1-0.6毫米左右为宜。δ小，物料受到的剪切作用较大，有利于塑化，但δ过小，强烈的剪切作用容易引起物料出现热机械降解，同时易使螺杆被抱住或与机筒壁摩擦，而且，δ太小时，物料的漏流和逆流几乎没有，在一定程度上影响熔体的混合。螺旋角Φ是螺纹与螺杆横断面的夹角，随Φ增大，挤出机的生产能力提高，但对塑料产生的剪切作用和挤压力减小，通常螺旋角介于10°到30°之间，沿螺杆长度的变化方向而改变，常采用等距螺杆，取螺距等于直径，Φ的值约为17°41′；压缩比越大，塑料受到的挤压比也就越大。螺槽浅时，能对塑料产生较高的剪切速率，有利于机筒壁和物料间的传热，物料混合和塑化效率越高，反而生产率会降低；反之，螺槽深时。情况刚好相反。因此，热敏性材料（如聚氯乙烯）宜用深螺槽螺杆；而熔体粘度低和热稳定性较高的塑料（如聚酰胺），宜用浅螺槽螺杆。

常用的挤出吹塑中空成型机中较多采用普通单螺杆，因其产品的工艺特性，螺杆的转速一般在100转/每分钟以内。这类普通螺杆结构上可以分为加料段、过渡段、计量段与混炼段。

图4 普通三段式单螺杆结构图

2.2 普通单螺杆概述

1）普通单螺杆的特点：

长径比 L/D为（15~28）/1；进料段长度L1为（4~8）D；计量段长度L3为（6~10）D。

2）普通单螺杆的工作过程：

塑料进入固体输送段，随着螺杆的旋转，塑料在多种摩擦力共同作用下被强制地往前输送，塑料也由松散状态压缩成密实状态（改善了物料的传热性，有助于塑料的融化，这个密实的固态料块在基础理论的文献中常被称为“固体塞”）。在传导热的作用下，与机筒接触的塑料开始熔化产生一个薄的熔膜。熔膜中由于各部分熔体间的运动速度不同，在塑料的大分子之间通过内摩擦也产生了大量的热量，这种作用产生的热量称为剪切热。在传导热和剪切热的共同作用下，在压力升高的同时，塑料逐渐融化，最后由固体状态变成流动着的熔体状态。流动的熔体由于多种复杂原因，可能存在温度、速度、压力等差异，熔体通过混炼段提高了混合的均匀度，减低了在温度、速度、压力方面的差异。

3）塑料及塑料三态：

塑料有热固性和热塑性二大类，热固性塑料成型固化后，不能再加热熔融成型。而热塑性塑料成型后的制品可再加热熔融成型其它制品。

热塑性塑料随着温度的改变，产生玻璃态、高弹态和粘流态三态变化，随温度重复变动，三态产生重复变化。

① 三态中聚合物熔体不同的特征：

玻璃态：塑料呈现为刚硬固体；热运动能小，分子间力大，形变主要由键角变形所贡献；除去外力后形变瞬时恢复，属于普弹形变。

高弹态：塑料呈现为类橡胶物质；形变由链段取向引起大分子橡胶黏流态作出的贡献，形变值大；除去外力后形变可恢复但有时间依赖性，属于高弹形变。

粘流态：塑料呈现为高粘性熔体；热能进一步激化了链状分子的相对滑移运动；形变不可逆，属于塑性形变

② 塑料加工与塑料三态：

塑料玻璃态时可切削加工。高弹态时可拉伸加工，如拉丝纺织、挤管、吹塑和热成型等。粘流态时可涂复、滚塑和注塑等加工。

当温度高于粘流态时，塑料就会产生热分解，当温度低于玻璃态时塑料就会产生脆化。当塑料温度高于粘流态或低于玻璃态趋向时，均使热塑性塑料趋向严重的恶化和破坏，所以在加工或使用塑料制品时要避开这二种温度区域。

4）为适应不同状态的要求，通常将挤出机的螺杆分成三段：

① 加料段 L1(又称固体输送段)，熔融段L2(称压缩段)，均化段 L3(称计量段)。这就是通常所说的三段式螺杆。塑料在这三段中的挤出过程是不同的。加料段的作用是将料斗供给的料送往压缩段，塑料在移动过程中一般保持固体状态，由于受热而部分熔化。加料段的长度随塑料种类不同，可从料斗不远处起至螺杆总长75%止。大体上说，挤出结晶聚合物最长，硬性无定形聚合物次之，软性无定形聚合物最短。由于加料段不一定要产生压缩作用，故其螺槽容积可以保持不变，螺旋角的大小对本段送科能力影响较大，实际影响着挤出机的生产率。通常粉状物料的螺旋角为30°左右时生产率最高，方块状物料螺旋角宜选择15°左右，而球形物料宜选择17°左右。

加料段螺杆的主要参数：螺旋升角ψ一般取17°～20°，螺槽深度H1，是在确定均化段螺槽深度后，再由螺杆的几何压缩比ε来计算。加料段长度 L1由经验公式确定：对非结晶型高聚物L1=(10%～20%)L对于结晶型高聚物L1=(60%～65%)L

② 压缩段(迁移段)的作用是压实物料，使物料由固体转化为熔融体，并排除物料中的空气；为适应将物料中气体推回至加料段、压实物料和物料熔化时体积减小的特点，本段螺杆应对塑料产生较大的剪切作用和压缩。

为此，通常是使螺槽容积逐渐缩减，缩减的程度由塑料的压缩率(制品的比重/塑料的表观比重)决定。压缩比除与塑料的压缩率有关外环与塑料的形态有关，粉料比重小，夹带的空气多，需较大的压缩比(可达4~5)，而粒料仅2.5~3。压缩段的长度主要和塑料的熔点等性能有关。熔化温度范围宽的塑料，如聚氯乙烯 150℃以上开始熔化，压缩段最长，可达螺杆全长100%(渐变型)，熔化温度范围窄的聚乙烯(低密度聚乙烯105~120℃，高密度聚乙烯 125~135℃)等，压缩段为螺杆全长的 45~50%；熔化温度范围很窄的大多数聚合物如聚酰胺等，压缩段甚至只有一个螺距的长度。

压缩比ε：一般指几何压缩比，它是螺杆加料段第一个螺槽容积和均化段最后一个螺槽容积之比。要有足够的压缩比，把小块状的塑料压实成为密实的熔体而不包含气泡。压缩比低时容易夹杂气泡。当回收料、粉末料或是微小料较多时，通常压缩比可选择较高。但是，压缩比较高时，聚烯烃在渐变段容易产生融料块，导致螺杆和机筒的磨损加快。

③ 均化段(计量段)的作用是将熔融物料，定容(定量)定压地送入机头使其在口模中成型。均化段的螺槽容积与加料段一样恒定不变。为避免物料因滞留在螺杆头端面死角处，引起分解，螺杆头部常设计成锥形或半圆形；有些螺汗的均化段是一表面完全平滑的杆体称为鱼雷头，但也有刻上凹槽或铣刻成花纹的。鱼雷头具有搅拌和节制物料、消除流动时脉动(脉冲)现象的作用，伴随增大物料的压力，降低料层厚度，改善加热状况，且能进一步提高螺杆塑化效率。本段可为螺杆全长20~25%。

均化段螺杆的重要参数：螺槽深度H3=(0.02～0.06)Ds，长度L3=(20%～25%)L。

普通单螺杆为了增大挤出量，必须提高螺杆转速或加深计量段槽深。这必然使固体熔体相变点往机头方向移动，如果不加大螺杆的长径比，便有可能在挤出制品中混有未熔化的固体残余物，使塑化质量下降。普通螺杆还有一个较大的缺点，既是有较高的压力波动、温度波动和产量波动，直接导致了制品尺寸波动和性能下降。这些不足主要是由于普通螺杆的先天不足所造成的，因此，出现了许多新型的螺杆设计。

2.3 新型螺杆设计

新型螺杆设计主要基于加工物料的特性而各有不同，在挤出中空吹塑行业主要采用 HDPE、ABS、PVC、PC等。新型螺杆的结构型式相当多，到目前各国已公示的专利大约有三百余种。其主要有分流型、屏障型、分离型、变流道型、强制输送的IKV系统等等。下面对各功能型螺杆作简单介绍：

分流型螺杆是指在螺杆一定部分安装销子、圆柱、锥体等分流元件，或直接在螺杆上沟槽增加凸起、开分流孔的螺杆。下图三种分流型螺杆分流元件位于螺杆的头部，分别是经典的DIS螺杆（具有贯穿孔）、具有4组斜槽分流元件串联螺杆、疏松连续分流元件螺杆。

图5 DIS螺杆、多组斜槽分流元件串联

分流型螺杆分流元件一般设在螺杆的熔融段尾部（促进物料熔融）或螺杆头部（促进物料混合）。普通螺杆整块的固体从大块逐渐熔化到完全熔化需较长时间，有分流元件的螺杆，塑料通过分流元件时固相团块被剪切分离，形成细小的固相颗粒，熔化时间大大缩短。设置在计量段或螺杆头部的分流元件能打乱料流、减少温度波动和压力波动。因此合理设计分流元件既能提高螺杆产量也能提高螺杆塑化质量。

分离型螺杆是指能将螺槽中固液相快速分离挤出的螺杆，典型分离型螺杆有BM螺杆和XLK螺杆等，BM 型分离螺杆在挤出中空行业使用较为普遍。BM 型分离型螺杆指在物料开始熔融的区域设置两条螺距不等螺纹如图6所示。

图6 分离型螺杆

主螺纹螺距为A，副螺纹螺距为B，副螺纹与机筒的间隙比主螺纹与机筒间隙大，因此固相熔融形成的熔膜越过间隙进入液相槽中，未熔固相仍留在固相槽内。图2-5中带有横杠的螺槽为液相槽，主螺纹螺槽为固相槽，图中可以清楚看出随着物料前进方向固相区间越来越窄，液相区间越来越宽的结构，适应了熔融理论所指出的液相愈来愈多，固相愈来愈少到消失的现象。

分离型螺杆具有如下优点：

① 加速固相熔化；

② 有效减少压力波动、温度波动、产量波动；

③ 减少塑化后熔体中的气泡量。从以上可以在螺杆上设置分离功能段能提高塑化的产量和稳定性。

变流道型螺杆是通过塑料在螺杆上流道截面形状或截面积大小的变化，来达到保证塑料塑化和增强混炼的目的，其主要代表是波形螺杆。

图7 波形螺杆

波形螺杆的特点是在计量段螺槽底径根据一定的规律作波状变化，这样计量段的槽有规律的深浅变化。螺槽与机筒间距最小时称为波峰，间距最大时为波谷。每当熔料流到波峰处，由于螺槽较浅，剪切作用加剧，内部发热增多，促进了固相的熔化。

但波峰的高剪切时间较短，熔料迅速流向波谷，波谷处螺槽深，截面积大，熔料停留时间长，剪切作用减弱。熔料经历几个波峰波谷循环能使固相快速熔化，加速了机械混合和热量扩散。波形螺杆与屏障型螺杆、分离型螺杆相比较，在整个螺杆上没有死角，不易因为高剪切造成塑料分解；塑料中混入金属杂质或其它硬质颗粒无法通过屏障型或分离型，而波形螺杆没有这个弊病。

经典IKV螺杆与普通螺杆相比较，螺杆上三个功能段（输送段、塑化段你、均化段）分别在螺杆三段上独立完成的。

图8可以看出在直径45 mm螺杆的第二段螺纹上沿轴杆轴向铣有几条均布的沟槽，塑料在这些分流槽的作用下通过机械位移的办法固液相之间进行了强烈的混合和热交换，最后完全熔融。螺杆的第三段实际是一个销钉型分流元件，塑料在该段实现温度均化、压力均化、组分均化。实践证明IKV在保证塑化质量好的前提下，产量可以大幅度提高。

图8 典型IKV螺杆

图9 Kautex螺杆

图10 异形分离型螺杆

中空挤出吹塑机用来吹塑HDPE制品时，通常具有一定比例的各种助剂与回料、新料混合，这就需要挤出机具有较为广泛的适应性。图9中在螺杆的熔融段增加了一条反向螺纹，反向螺纹是一个带锥度的螺纹，当物料通过反向螺纹时，由于与机筒的间隙变小，加剧了物料内部的剪切作用，加速了固体团块的分散。此螺杆在螺杆头部增加一段 5D以上分流原件、在螺杆尾部采用沟槽机筒强制送料，螺杆的产量高而且塑化质量好。

图11为苏州同大机械公司研制的挤出机螺杆，该螺杆在尾部有沟槽机筒强制送料，螺杆的第二段采用分离型，且副螺纹具有一定的锥度，在整个分离段不存在死角位置，因此混入物料中的微小硬质颗粒可以顺利通过，大大提高螺杆的适应性。该螺杆具有较长的均化段、头部分流元件理论上能将料流分成256股，因而该螺杆的温度均匀性、组分均匀性、压力均匀性都非常好。

在加工高分子量聚乙烯时，由于其分子量较高，分子链之间缠结密度大，熔体粘度极高，临界剪切速率很低。在吹塑一些大型塑料桶与储槽、大型路障、吹塑托盘、汽车保险杆与油箱、大型航标主体、桌面板、工矿设备的零部件等都会用到高分子量的聚乙烯，因为高分子量聚乙烯与普通聚乙烯相比具有自润滑性、耐冲击、耐磨损、耐腐蚀、耐应力开裂、强度高等优点。

但是现有普通螺杆在塑化这类物料时不仅产量不高，塑化质量也不太稳定。苏州同大机械有限公司通过长期攻关，研制出了适应此类物料的专用挤出机，如图11。

图11 同大高分子量聚乙烯挤出机示意图

从图 11中可以看出该挤出机的机筒采用沟槽结构，在这一部位上，采用双金属螺杆和双金属机筒可以明显提高耐磨性能1-2倍以上，价格提高仅约为50%。输送段螺纹增加一副螺纹（螺棱较主螺纹窄一些）形成双螺棱结构能有效改善磨损情况。

螺杆的第二段采用分离型，且副螺纹具有一定的锥度，在整个分离段不存在死角位置，因此混入物料中的微小硬质颗粒可以顺利通过，大大提高螺杆的适应性。螺杆头部采用齿式分流元件，物料经过此处时经过12次强烈剪切和混合，针对高分子量的聚乙烯能实现温度均匀、压力均匀、组分均匀。经实际挤出验证该挤出机同普通螺杆相比产量提高180%，塑化质量也大大提高。

挤出机的驱动装置主要由电动机（交流或直流）+联轴器（皮带）+减速箱组成。在挤出普通聚乙烯物料一般采用变频器驱动交流电机，而在挤出高分子量聚乙烯物料时因其需要更大的扭矩而采用直流电动机驱动。这种驱动形式受电机结构及工作原理的限制，其控制和响应相对较慢，加减速时间相对较长，不利于系统实现闭环控制；由于减速机的存在，系统维护成本较高。

目前在挤出中空吹塑行业也紧随注塑机行业引入了低速大转矩永磁电机直接驱动螺杆。低速大转矩永磁电机在低速范围下具有非常好的转矩输出特性，其结构简单、体积小、效率高、响应迅速、过载能力强、可靠性高，这不仅可以满足挤出机对速度和转矩的需求，而且可以省去减速机，实现对机械负载的直驱，可以在很大程度上提高系统的传动效率与控制精度以及系统运行的可靠性，减低系统维护成本，降低能耗。

国外已有同行将低速大转矩永磁电动机应用于中空挤出吹塑机，并取得较好的效果；但是对于35KW以上的直驱永磁电动机还未见报道。

3. 挤出机的传动与驱动装置

3.1 挤出机的传动装置

挤出机的传动装置采用减速箱，有多种形式的减速箱可供选择，通常较多采用低重心的减速箱。图12，两种低重心单螺杆挤出机专用减速箱。

图12 两种低重心单螺杆挤出机专用减速箱

这种形式的减速箱重心较低，有利于降低中空成型机上部平台的重心，减少设备的振动，增强整体设备的稳定性，同时有利于降低设备的总体高度。

图13，两种不同形式单螺杆挤出机减速箱。

图13 两种不同形式的单螺杆挤出机减速箱

图14所示，大中型中空成型机的挤出机示意图。

图14所示的大中型中空成型机的挤出机是这样工作的，直流电动机3转动时通过联轴器8带动减速箱的轴转动，减速箱经过减速后带动挤出机的螺杆转动，输送经过加热后的熔融塑料。在挤出机的出口端设置了前支架 7，以保持挤出机的稳定性。直流电动机的下部设置机架 1，用于支承直流电动机。测速发电机用于检测直流电动机的转速，以方便控制直流电动机的转速。冷却风机对直流电动机进行冷却，防止因温度过高而损害直流电动机。

图14 大中型中空成型机的挤出机示意图

此外，现许多中空成型机的挤出机电动机采用变频器控制转速，其基本机械结构差不多，只是在直流电动机的位置安装了三相异步电动机。

3.2 挤出机的驱动装置

挤出机减速箱主要是直流电动机或变频电动机通过联轴器或是带轮传动来驱动的。由于HMWHDPE等塑料材料所具有的黏弹性较高的特性，因此需要挤出输送的起动力矩较大。目前，中空成型机采用直流电动机或变频电动机进行驱动的较多，从实际使用的效果来看，这两种驱动方式均能满足使用的要求。对于大型以及超大型中空成型机的挤出机的驱动，从多年使用的状况来看，一般采用直流电动机进行驱动比采用变频电动机的启动力矩会好一些，特别是加工分子量较高、熔体粘度较强的塑料材料时更是这样。

从近几年变频器的研发与技术进步情况来看，一些变频器的启动力矩也在提升，值得关注。

直流电动机驱动器是一种将三相交流电转换为直流电的电子整流装置，它主要由可控硅元件和电路控制板组成，到目前为止，经历了多种控制模式的转变过程，已实现数字化电路控制。

变频器是一种将输送到异步电动机的三相交流电的工作频率进行变化的电子装置，使三相异步电动机实现因为供电频率发生变化而使电动机的转速发生改变。

图15，两种直流电动机驱动器外形图。

图15 两种直流电动机驱动器外形图

图16，几种变频器的外形图。

图16 几种变频器的外形图

国内多家企业的直流驱动器产品在挤出吹塑中空成型机设备上使用良好。直流电动机驱动器（调速器）的接线简图如图17所示。

图17 直流电动机驱动器（调速器）接线简图

图18所示，变频器外部接线简图。

图18 变频器外部接线简图

特别注意：图17，18所示均为接线简图，在具体接线工作中，需要按照控制器产品的安装、使用说明书进行认真操作。因为设备制造厂家的不同，具体接线会有较大的差别，需要区别对待。

挤出机新型驱动方法：

挤出机的电机驱动是减低能耗关键部件，目前采用新型的驱动方法有以下几种：

① 永磁同步电动机

永磁体作为转子产生旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应，感应三相对称电流，此时转子动能转化为电能，永磁同步电机作发电机用；此外，当定子侧通入三相对称电流，由于三相定子在空间位置上相差 120°，所以三相定子电流在空间中产生旋转磁场，转子旋转磁场中受到电磁力作用运动，此时电能转化为动能，永磁同步电机作电动机用。永磁同步电机与普通交流变频电机比它是高效率、高力矩惯量比、高能量密度，是个环保低碳电机。普通交流电机采用变频器驱动，永磁同步电动机需要采用专用驱动器驱动。

图19 几种不同驱动方式的电动机外形图

永磁同步电动机与普通异步电动机相比，具有如下优势：

A. 效率高——这里所说的效率高不仅仅指额定功率点的效率高于普通三相异步电动机，而是指其在整个调速范围内的平均效率。永磁同步电动机的励磁磁场由永磁体提供，转子不需要励磁电流，电机效率提高，与异步电动机相比，任意转速点均节约电能，尤其在转速较低的时候这种优势尤其明显。

B. 启动转矩——永磁同步电动机一般也采用异步起动方式，由于永磁同步电动机正常工作时转子绕组不起作用，在设计永磁电动机时，可使转子绕组完全满足高起动转矩的要求，例如使起动转矩倍数1.8倍上升到2.5倍，甚至更大。

C. 对电网运行的影响——因为异步电动机的功率因数较低，异步电动机启动时要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网输变电设备及发电设备中有大量无功电流，进而使电网的品质因数下降，加重了电网及变电设备及发电设备的负荷，同时无功电流在电网、输变电设备及发电设备中均要消耗部分电能，造成电力电网效率变低，影晌了电能的有效利用。同样由于异步电动机的效率低，要满足输出功率的要求，势必要从电网多吸收电能，进一步增加了电网能量的损失，加重了电网负荷。在永磁电动机转子中无感应电流励磁，电机的功率因数高，提高了电网的品质因数使电网中不再需安装补偿器。同时，因永磁电动机的高效率，也节约了电能。

D. 体积小，重量轻——由于使用了高性能的永磁材料提供磁场，使得永磁电动机的气隙磁场较感应电动机大为增强，永磁电动机的体积和重量较感应电动机可大为缩小。例如11 kW的异步电动机重量为220 kg，而永磁电动机仅为92 kg，相当于异步电动机重量的45.8%。

基于以上对比优势，目前，永磁同步电动机比普通三相异步电动机更高效，更加节能。

② 直驱伺服电动机

直驱伺服电动机的驱动方式见图20。

图20 直驱伺服电动机联结外观图

直驱伺服电动机的驱动方式的技术优势：

① 取代减速机构，节约设备成本；

② 降低噪音；

③ 全速度范围、宽负载范围内保持高效率；

④ 功率因数高；

⑤ 提高动态响应；

⑥ 结构紧凑，减小设备体积以及占地面积；

⑦ 提高控制精度，提升制品品质；

⑧ 提高 MTBF(平均无故障时间)指标；

⑨ 大为减少日常维护工作量；

⑩ 螺杆拆装方便。

目前直驱伺服电动机的主要塑机应用领域：塑料管材生产线、注塑机等领域。在挤出吹塑机行业直驱伺服电动机直接启动挤出机螺杆在一些吹塑机制造厂家进行了研究与试验，有待于进一步的研究与试用，目前还处于研究试验阶段。

3.3 螺杆材料与新工艺：

螺杆是挤出机的关键部件，作为螺杆的材料必须具备耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高强度等特性，同时还应具有切削性能好、热处理后残余应力小、热变形小等特点。

对于挤出机螺杆的材料，具体几点要求：

① 力学性能高。要有足够的强度，以适应高温、高压的工作条件，提高螺杆的使用寿命；

② 机械加工性能好。要有较好的切削加工性能和热处理性能；

③ 耐腐蚀和抗磨性能好；

④ 取材容易。

为提高螺杆的耐磨性能，对单螺杆来说可采用整根螺杆超音速火焰喷涂的加工工艺；这种加工工艺是一种新型的热喷涂技术。其工作原理是：由小孔进入燃烧室的液体燃烧，如煤油，经雾化与氧气混合后点燃，发生强烈的气相反应，燃烧放出的热能使产物剧烈膨胀，流经喷嘴时受到约束形成超音速高温焰流。此焰流加热加速喷涂材料至基体表面，形成高质量涂层。超音速喷涂碳化钨，可以有效的抑制碳化钨在喷涂过程中的分解，涂层不仅结合强度高，且致密，耐磨损性能优越，其耐磨性能大幅度超过等离子喷涂层，也超过了电镀硬铬层，已经广泛的应用在高效螺杆的生产加工中。

双螺杆常采用螺棱堆焊镍基合金粉，镍基合金粉内加一定量的碳化钨。堆焊合金通常是沿螺棱表面加工出一条U型槽，然后沿U型槽堆焊出合金条，来改善螺杆表面的硬度。