单螺杆挤出机的工作原理介绍

单螺杆挤出机是聚合物加工中应用最广泛的设备之一，主要用来挤出造粒，成型板、管、丝、膜、中空制品、异型材等，也可用来完成某些混合任务。

1.单螺杆挤出机的基本结构

单螺杆挤出机的结构如图4-8所示。它主要有由挤出系统（即塑化系统）、传动系统、供料系统、加热冷却系统和控制系统五大部分组成。

挤出系统主要由螺杆和机筒组成，是挤出机的关键部分，其作用是使塑料塑化成均匀的熔体，并定量、定压地挤出机头。传动系统主要由电动机、调速装置与传动装置组成，其作用是向螺杆提供所需的转矩和转速。供料系统由原料干燥机、上料机和料斗组成，其作用是为机筒提供原料，使挤出平稳进行。加热冷却系统由加热器和冷却装置构成，其作用是保证挤出过程在工艺要求的温度下进行。控制系统由各种电器、仪表和相关的执行机构组成，其主要作用是保证挤出过程在设定的工艺条件下进行。

2.单螺杆挤出机的工作过程

塑料自加料装置经料斗进入机筒中（此时机筒已加热到工艺所要求的温度），在旋转的螺杆推进作用下（物料受机筒内壁和螺杆表面的摩擦拖曳的作用），物料被向前输送并压实。在加料段的末端，塑料由于不断经过被加热的机筒内壁及摩擦热的作用而逐渐达到粘流态温度，并开始熔融。当塑料从加料段进入熔融段后，由于螺槽逐渐变浅（螺槽的容积逐渐变小），以及过滤网、分流板和机头的阻碍作用，塑料被进一步压实并形成了高压。与此同时，塑料受到来自机筒外热、螺杆和机筒的强烈搅拌、混合、剪切及摩擦作用，温度不断升高，熔融的塑料量不断增加，未熔融的塑料固体不断减少。到熔融段的末端时，固态的塑料已绝大部分或全部熔融。熔融的塑料在进入均化段后将进一步被塑化和均匀化，并使之能被定压、定温、定量地从机头挤出，而后经机头口模、冷却、定型、牵引等辅机，最后得到所需的塑料挤出制品。

3.常规单螺杆挤出机用于混合时存在的问题

在单螺杆挤出机中，物料自由料斗加入到由口模挤出，经历了固体输送、熔融、熔体输送、混合等区段。在固体输送区，不会发生固体粒子间的混合；在熔融区的固相内各颗粒之间仍没有相对移动，因而也不会发生混合；而在熔体输送区，物料在前进方向的横截面上形成了环状层流混合，因此在单螺杆挤出机中，只有当物料熔融后，混合才得以进行。就分散混合而言，其关键是剪

图4-8 单螺杆挤出机的典型结构

1—法兰 2—分流板 3—螺杆 4—冷却水管 5—加热器 6—机筒 7—齿轮泵 8，10—电动机 9—轴承 11—料斗 12—齿轮减速箱 13—旋转接头 14—V带轮 15—主电动机 16—减速箱体 17—机体 18—安全防护罩

切应力。要想获得大的剪切应力，必须提供高的剪切速率，这就要求在熔体输送区有小间隙的高剪切区，而且要使熔体多次通过这样的高剪切区。而常规单螺杆挤出机一方面因为螺槽较深，无高剪切区；另一方面在其挤出过程中，固液相共存于一个螺槽内并形成两相流动，且这种两相流动不能打破。所以，常规单螺杆挤出机的混炼效果不理想。

4.新型单螺杆挤出机

为提高常规单螺杆挤出机的混炼效果，人们在以下两方面做了努力：一是对 螺杆和机筒的结构进行改型设计，二是在螺杆上设置各种类型的混炼元件，从而产生了一批以分离型螺杆、屏障型螺杆、销钉型螺杆、DIS螺杆、波状螺杆等为代表的新型螺杆（如图4-9～图4-13所示）。这些新型的螺杆和混炼元件，在工作过程中，一方面能提供大应变、高剪切，并不断调整料流的界面取向，使之与剪切方向处于最佳角度；另一方面，能破坏两相流动，把固液相搅和在一起，并对熔融料流进行分割，增加界面，打乱了常规螺杆上熔体的稳态流动，从而大大有利于熔体的均化，提高了混炼效果。

图4-9 分离型螺杆

a）BM型螺杆 b）等距Barr螺杆

图4-10 屏障型螺杆

a）直槽屏障型螺杆 b）斜槽屏障型螺杆 c）三角槽屏障型螺杆 d）双屏障带混炼头螺杆

图4-11 销钉型螺杆

a）方销形螺杆 b）菠萝形螺杆 c）斜齿形螺杆

图4-12 DIS螺杆

图4-13 波状螺杆

a）偏心波状螺杆 b）轴向波状螺杆

1—主螺纹 2—附加螺纹

目前，应用较多的新型螺杆结构是在螺杆的均化段前端设置屏障段，如图4-10所示。另外一种结构是在螺杆的前段设置一些不规则的销钉，从而打乱熔料的流动方式，分成多股乱流，然后再重新组合，结构如图4-11所示。

5.单螺杆挤出机主要技术参数

（1）螺杆直径 指螺杆的公称外径，一般用D表示，单位mm。

（2）螺杆的长径比 指螺杆工作部分的长度L（有螺纹部分的长度，即由加料口中心线到螺纹末端的长度）与螺杆的外径D之比，即L/D。

（3）螺杆的转速范围 一般用n_min～n_max表示，其中，n_min表示最低转速，n_max表示最高转速，单位r/min。

（4）螺杆驱动电动机功率 用P表示，单位kW。

（5）挤出机机筒加热功率 用E表示，单位kW。

（6）挤出机的生产能力 用Q表示，单位kg/h。(www.xing528.com)

6.单螺杆挤出机的操作规程

（1）开机前的准备工作

1）用于挤出生产的物料应达到所需干燥要求，必要时还需进一步干燥。

2）根据产品的品种、尺寸，选好机头规格，按下列顺序将机头装好：装机头法兰→模体→口模→多孔板及过滤网。

3）接好压缩空气管，装上芯模电热棒及机头加热圈，检查用水系统。

4）调整口模各处间隙均匀，检查主机与辅机中心线是否对准。

5）起动各运转设备，检查运转是否正常，发现故障及时排除。

6）开启电热器，对机头、机身及辅机均匀加热升温，待各部分温度比正常生产温度高10℃左右时，恒温30～60min，使机器内外温度一致。

（2）开机操作 开机是生产中的重要环节，控制不好会损坏螺杆和机头，温度过高会引起塑料的分解，温度太低会损坏螺杆、机筒及机头。开机步骤如下。

1）以低速起动开机，空转，检查螺杆有无异常及电动机、安培表电流有无超载现象，压力表是否正常。机器空运转时间不宜过长，以防止螺杆与机筒刮磨。

2）逐步少量加料，待物料挤出口模时，方可正常加料。在塑料未挤出之前，任何人不得处于口模前方，防止出现人员伤亡事故。

3）塑料挤出后，即需将挤出物慢慢引上冷却定型、牵引设备，并事先开动这些设备。然后根据控制仪表的指示值和对挤出制品的要求，将各环节作适当调整，直到挤出操作达到正常的状态为止。

4）切割取样，检查外观是否符合要求，尺寸大小是否符合标准，快速检测性能，然后根据质量要求调整挤出工艺，使制品达到标准要求。

（3）停机操作

1）关闭上料系统，停止加料。

2）将挤出机内的塑料尽量挤净，以便下次操作。

3）待物料基本排空后，关闭主机电源。

4）关闭各段加热器、冷却水泵电源、润滑油泵电源，最后关闭总电源。

5）关闭各进水管阀门。

（4）注意事项

1）挤出聚烯烃类塑料时，通常在挤出机满载的情况下停机（带料停机），这时应防止空气进入机筒以免物料氧化，从而在继续生产时影响产品的质量。对聚氯乙烯类塑料，也可采用带料停机，届时先关闭料门，降低机头连接体（法兰）处温度10～20℃，待机身内物料挤净后停机。

2）停机后需要清理机头时，打开机头连接法兰，清理多孔板及机头各个部件。清理时，应使用铜棒、铜片，清理后涂少许机油。螺杆、机筒的清理，必要时可将螺杆从机尾顶出，清理后复原，一般情况下可用过渡料清理。

7.单螺杆挤出机的维护和保养

1）物料内不允许有杂物，严禁金属和砂石等坚硬物进入料斗和机筒。

2）挤出机系统内使用的冷却水通常是软水。硬度小于5DH，无碳酸盐硬度小于2DH，pH值7.5～8。

3）开机时应注意安全起动，螺杆只允许在低速下起动，停机时先停加料装置，严禁无料空运转。

4）停机后应及时清理机筒、螺杆及主辅料加料口，并检查是否有结料块存在，严禁低温开机及带料反转。

5）日常应注意各润滑点及两个串列推力轴承处的润滑，螺杆密封接头是否有泄漏等，如发现问题应及时停机整修。

6）经常注意电动机中电刷的磨蚀，及时维护或更换。

7）长时间停车时，对机器要有防锈、防污措施。

8.单螺杆挤出机常见故障及处理方法（见表4-7）

表4-7 单螺杆挤出机常见故障及处理方法

（续）