挤塑机的工作原理解析Word文档格式.docx
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我国铁路主要技术装备水平的提升，为电气化机车铜合金接触线、机车车辆用线、绕组线等提供了市场。
"
期间，铁道部仍需要3.5ＧＷ以及相应的220ｋＶ变电所设备和线路。
5000ｋｍ新建电车线路，如果按一半单线、一半双线考虑，大约要1.3万吨接触线。
加上相应的车厢更新换代及维修，大约需要9～10万公里机车车辆线。
核电站用电线电缆有一定的需求量。
到2010年，核电装机容量已实现2000万千瓦，而到2020年核电将达到4000万千瓦，占当时装机总容量5%左右。
目前泰山二期、三期工程、岭澳核电站工程、连云港核电站工程建设进展顺利，山东、福建、江西、湖南等省均积极筹划建设核电站。
平均每新建100万千瓦核电站带来１亿元人民币产值的核电电站用电线电缆产品需求。
船舶工业的发展将给船用电缆带来生机，同时船用电缆的更新换代将加快。
2007年我国造船已达到420～550万吨左右，需各种船用电缆达到1.7万ｋｍ左右。
工业发展将使电动机用量增加以及家电工业产品的升级，电机绝缘等级从Ｂ级向Ｆ级转换将加快漆包线更新换代，促使绕组市场的稳步发展。
据统计：
全世界电线电缆用铜量2006年为1200万吨，其中电磁漆包线约为240.6万吨，中国约为62万吨。
目前绕组线的总量超过90万吨，预计将以5～6%的速度递增。
城市的发展将带动城市轨道交通的发展，将促使各种阻燃电缆的应用。
隧道和地铁车站用电照明电缆也是一大亮点。
根据目前我国电线电缆行业市场预测，可知用铜量增长大约每年递增7～8%，预计到2015年圆铜杆的需求量为420～460万吨，市场缺口将达60万吨以上。
本设计就挤塑的原理及在挤塑工艺过程中出现的各种情况进行了详尽的分析和研究.并且就出现的质量问题给予了解决的方法.
第1章挤塑机的工作原理
挤塑机的工作原理是：
利用特定形状的螺杆，在加热的机筒中旋转，将由料斗中送来的塑料向前挤压，使塑料均匀地塑化（即熔融），通过机头和不同形状的模具，使塑料挤压成连续性的所需要各种形状的塑料层，挤包在线芯和电缆上。
1.1塑料挤出过程
电线电缆的塑料绝缘和护套是采用连续挤压方式进行的，挤出设备一般是单螺杆挤塑机。
塑料在挤出前，要事先检查塑料是否潮湿或有无其它杂物，然后把塑料预热后加入料斗内。
在挤出过程中，装人料斗中的塑料借助重力或加料螺旋进人机筒中，在旋转螺杆的推力作用下不断向前推进，从预热段开始逐渐地向均化段运动；
同时，塑料受到螺杆的搅拌和挤压作用，并且在机筒的外热及塑料与设备之间的剪切摩擦热的作用下转变为粘流态，在螺槽中形成连续均匀的料流。
在工艺规定的温度作用下，塑料从固体状态转变为熔融状态的可塑物体，再经由螺杆的推动或搅拌，将完全塑化好的塑料推入机头，到达机头的料流，经模芯和模套间的环形间隙，从模套口挤出，挤包干线芯或缆芯周围，形成连续密实的绝缘层或护套层，然后经冷却和固化，制成电线电缆产品。
1.2挤出过程的三个阶段
塑料挤出主要依据的是塑料所具有的可塑态。
塑料在挤出机中完成可塑成型过程是一个复杂的物理过程：
包括了混合、破碎、熔融、塑化、排气、压实并最后成型定型，这一过程是连续实现的。
然而习惯上，人们往往按塑料的不同反应将挤塑过程，人为的分成各个不同阶段；
塑化阶段（塑料的混合、熔融和均化）；
成型阶段（塑料的挤压成型）；
定型阶段（塑料层的冷却和固化）。
1.2.1塑化阶段
也称为压缩阶段。
它是在挤塑机机筒内完成的，经过螺杆的旋转作用，使塑料由颗粒状固体变为可塑性的粘流体。
塑料在塑化阶段获得热量的来源有两个方面：
一是机筒外部的电加热；
二是螺杆旋转时产生的摩擦热。
起初的热量是由机筒外部的电加热产生的；
当正常开车后，热量的取得则是由螺杆旋转物料在压缩，剪切、搅拌过程中与机筒内壁的摩擦和物料分子问的内摩擦而产生的。
1.2.2成型阶段
它是在机头内进行的，由于螺杆旋转和压力作用，把粘流体推向机头，经机头内的模具，使粘流体成型为所需要的各种尺寸形状的挤包材料，并包覆在线芯或导体外。
1.2.3定型阶段
它是在冷却水槽中进行的，塑料挤包层经过冷却后，由无定型的塑性状态变为定型的固体状态。
1.3塑化阶段塑料流动的变化
塑化阶段，塑料沿螺杆轴向被螺杆推向机头的移动过程中，经历着温度、压力、粘度、甚至化学结构的变化，这些变化在螺杆的不同区段情况是不同的。
塑化阶段根据塑料流动时的物态连续变化过程又可分成三个阶段：
加料段（又称破碎段）；
熔融段（又称塑化段）；
均化段又称均压段）。
各段对塑料挤出产生不同的作用，塑料在各段呈现不同的形态，从而表现出塑料的挤出特性。
1.3.1加料段
首先就是为颗粒状的固体塑料提供软化温度，其次是以螺杆的旋转与固定的机筒之间产生的剪切应力作用在塑料颗粒上，实现对软化塑料的破碎。
而最主要的则是以螺杆旋转产生足够大的连续而稳定的推力和反向摩擦力，以形成连续而稳定的挤出压力，进而实现对破碎塑料的搅拌与均匀混合，并初步实行热交换，从而为连续而稳定的挤出提供基础。
在此阶段产生的推力是否连续均匀稳定、剪切应变率的高低，破碎与搅拌是否均匀都直接影响着挤出的质量和产量。
1.3.2熔融段
经破碎、软化并初步搅拌混合的固态塑料，由于螺杆的推挤作用，沿螺槽向机头移动，自加料段进人熔融段。
在此段塑料遇到了较高温度的热作用，这时的热源，除机筒外部的电加热外，螺杆旋转的摩擦热也在起着作用。
而来自加料段的推力和来自均化段的反作用力，使塑料在前进中形成了回流，回流产生在螺槽内以及螺杆与机筒的间隙中，回流的产生不但使物料进一步均匀混合，而且使塑料热交换作用加大，达到了表面的热平衡。
由于在此阶段的作用温度已超过了塑料的流变温度，加之作用时间较长，致使塑料发生了物态的转变，与加热机筒接触的物料开始熔化，在机筒内表面形成一层聚合物熔膜，当熔膜的厚度超过螺纹顶与机筒之间的间隙时，就会被旋转的螺纹刮下来，聚集在推进螺纹的前面，形成熔池。
由于机筒和螺纹根部的相对运动，使熔池产生了物料的循环流动。
螺棱后面是固体床（固体塑料），物料沿螺槽向前移动的过程中，由于熔融段的螺槽深度向均化段逐渐变浅，固体床不断被挤向机简内壁，加速了机筒向固体床的传热过程，同时螺杆的旋转对机筒内壁的熔膜产生剪切作用，从而使熔膜和固体床分界面的物料熔化，固体床的宽度逐渐减小，直到完全消失，即由固态转为粘流态（可塑态）。
此时塑料分子结构发生了根本的改变，分子间张力极度松弛，若为结晶性高聚物，则其晶区开始减少，无定形增多，除其中的特大分子而外，主体完成了塑化，即所谓的“初步塑化”，并且在压力的作用下，排除了固态物料中所含的气体，实现初步压实。
1.3.3均化段
具有这样几个突出的工艺特性：
这一段螺杆螺纹深度最浅，即螺槽容积最小，所以这里是螺杆与机筒间产生压力最大的工作段；
另外来自螺杆的推力和筛板等处的反作用力，是塑料“短兵相接”的直接地带；
这一段又是挤出工艺温度最高的一段，所以塑料在此阶段所受到的径向压力和轴向压力最大，这种高压作用，足以使合于塑料内的全部气体排除，并使熔体压实、致密。
该段所具有的“均压段”之称即由此而得。
由于高温的作用，使得经过融熔段未能塑化的高分子在此段完成塑化，从而最后消除“颗粒”，使塑料塑化充分均匀，然后将完全塑化熔融的塑料定量、定压地由机头均匀地挤出。
1.4．挤出过程中塑料的流动状态
挤出过程中，由于螺杆的旋转使塑料推移，而机筒是不动的，这就在机筒和螺杆之间产生相对运动，这种相对运动对塑料产生摩擦作用，使塑料被拖着前进。
另外，由于机头中的模具、多孔筛板和滤网的阻力，又使塑料在前进中产生反作用力，这就使塑料在螺杆和机筒中的流动复杂化。
通常将塑料的流动状态看成是由以下四种流动形式组成的。
1.4.1正流
是指塑料沿着螺杆螺槽向机头方向的流动。
它是由螺杆旋转的推挤力产生的，是四种流动形式中最主要的一种。
正流量的大小直接决定着挤出量。
1.4.2倒流
又称逆流，它的方向与正流的流动方向正好相反。
它是由于机头中的模具、筛板和滤网等阻碍塑料的正向运动，在机头区域里产生的压力（塑料前进的反作用力）造成的。
由机头至加料口形成了“压力下的回流”也称为“反压流动”。
它能引起生产能力的损失。
1.4.3横流
它是沿着轴的方向，即与螺纹槽相垂直方向的塑料流动。
也是由螺杆旋转时的推挤所形成的。
它的流动受到螺纹槽侧壁的阻力，由于两侧螺纹的相互阻力，而螺杆是在旋转中，使塑料在螺槽内产生翻转运动，形成环状流动，所以横流实质是环流。
环流对塑料在机筒中的混合、塑化及热交换影响很大，塑料所以能在螺杆中混合、塑化成熔融状态，
环流使物料在机筒中产生搅拌和混合，并且利于机筒和物料的热交换，它对提高挤出质量有重要的意义，但对挤出流率的影响很小。
1.4.4漏流
它也是由机头中模具、筛板和滤网的阻力产生的。
不过它不是螺槽中的流动，而是在螺杆与机筒的间隙中形成的倒流。
它也能引起生产能力的损失。
由于螺杆与机筒的间隙通常很小，故在正常情况下，漏流流量要比正流和倒流小得多。
在挤出过程中，漏流将影响挤出量，漏流量增大，挤出量将减小。
塑料的四种流动状态都不能以单独形式出现，就某一塑料质点来说，既不会有真正的倒流，也不会有封闭的环流。
熔体塑料在螺纹槽中的实际流动是上述四种流动状态的综合，以螺旋形轨迹向前的一种流动。
1.5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：
（1—1）
Q--挤出量（
／分）；
V--螺杆在推进方向的速度（cm/分）；
b--螺槽宽度（cm）
h
--填实点螺纹深度（cm）；
--端部螺纹深度（cm）；
g--重力加速度（cm/分2）；
p--挤出压力（kg/
）；
η--塑料粘度（kg／cm·
分）
L--填实点到端部螺纹展开长度（cm）。
挤出量计算公式来看，影响挤出量的因素主要是：
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、螺杆速度的微小变化，将导致挤出压力的变化。
从挤出量计算公式第二项可以知道，当螺槽深度较大时，（h12
h22）之值将很大，即使挤出压力发生微小变化，也将引起第二项式的大量波动，影响挤出量的大幅度波动螺槽宽度越大，螺槽容积越大，则挤出量越大。
但不能一味地加大螺槽宽度来提高挤出量，因加宽螺槽宽度，将使螺纹厚度减小或塑化路径缩短，前者使螺纹耐磨强度降低，后者使塑化能力降低。
螺纹深度要适当，太浅则挤出量小；
太深则形成挤出量不稳，并影响塑化均匀性。
1.6挤出质量
挤出质量主要指塑料的塑化情况是否良好，几何尺寸是否均一。
即径向厚度是否一致，轴向外径是否均匀。
决定塑化状况除塑料本身之外，主要是温度和剪切应变率及作用时间等因素。
挤出温度过高不但造成挤出压力的波动，而且导致塑料的分解，甚至可能酿成设备事故，因此挤出温度应按工艺温度控制。
而减小螺槽深度，增大螺杆长径比，虽然有利于塑料的热交换和延长受热时间，满足塑化均匀，但将影响挤出量，又为螺杆制造和装配造成困难。
所以确保塑化的重要考虑应是提高螺杆旋转对塑料所产生的剪切应变率，以达到机械混合均匀，挤出热交换均衡，并由此为塑化均匀提供保障。
这个应变率的大小由螺杆与机筒间的剪切应变力所决定，其剪切的应变率数值的为：
（1—2）
其中：
Δ--为剪切应变率（l/min）；
D--为螺杆直径（cm）；
N--为螺杆转速（r／min）；
H--为螺槽深度（cm）。
由此可见，在保证挤出量的要求下，可以在提高转速的情况下加大螺槽深度。
此外，螺杆与机筒的间隙也对挤出质量有影响，间隙过大时则塑料的倒流、漏流增加，不但引起挤出压力波动，影响挤出量；
而且由于这些回流的增加，使塑料过热而导致塑料焦烧或成型困难。
1.7挤出理论的研究
塑料挤出理论的研究就是根据塑料在挤出机中的三个历程--即从加料区的固态到过渡区（熔融区）的固态--粘流态、直到均化区的粘流态这三种物理过程进行研究。
挤出机的挤出理论主要分成三个职能区进行研究，即一般所谓加料区的固体输送理论、熔融区的熔融理论和粘流体输送理论。
理论不同程度上揭示了物质性质、机器结构参数和工艺条件对熔融过程、输送流率的影响，为改进挤出机结构、制定合理的工艺条件、选择材料等提供了依据。
1.7.1固体输送理论
在挤出过程中，加入螺杆中的固体塑料，由旋转螺杆的推力作用，向前推进，在机头阻力作用下，物料不断被压实。
开始塑化和尚未塑化物料连续整齐排列，形成充塞于整个送料段螺槽有弹性的“固体塞”。
根据这一现象，利用固体对固体摩擦的静力平衡方程为基础，建立了固体输送理论。
1.7.2熔融理论
熔融理论是建立在热力学、流变学基础上的一种理论。
在加料段末段与加热机筒接触的物料开始熔化，在筒内表面形成一层聚合物熔膜，当熔膜的厚度超过螺纹顶与机筒之间的间隙时，就会被旋转的螺纹刮下，聚集在螺纹的前面，形成熔池。
由于随着温度的不断提高及螺杆的剪切作用，熔池不断扩大。
影响熔融段长度的因素主要是物料特性、流率、螺杆转速、机筒温度和物料初温。
1.7.3熔体输送理论
熔体输送理论又称为流体动力学理论，它是研究螺杆均化段如何保证塑料彻底塑化，并使之定压、定量、定温挤出，以获得稳定的质量和产量。
第2章挤出设备和辅助设备
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，将塑料包到导体或线芯上，构成电线电缆的绝缘层、屏蔽层、内护层、和外护套。
2.1塑料挤出设备生产线
塑料挤出机组通常由放线装置及放线张力装置、校直装置、预热装置、挤塑机（主机）、冷却装置、火花试验机、计米装置、牵引装置、收线装置及控制系统等组成。
为保证不停机换盘，连续生产，放线装置由两台放线设备组成，导体或缆芯从放线装置放出后，经校直装置进入预热装置，导体在预热加热后可消除导体线芯残余应力，增加伸长率和柔软性。
挤塑机把塑料加工成高温的粘流态并连续的挤向机头，导体或缆芯通过机头时，挤包成一定厚度的塑料绝缘层或外护套，然后在水槽或管道内水冷或气冷，冷却定形后的电线电缆制品，在牵引装置拖动下作直线运动，使加工过程稳定连续的进行，最后由首先装置收绕在收线盘上。
下图为塑料挤出机的主要组成：
5
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1
10
图2―1塑料挤出生产线
1－放线装置2－张紧轮3－预热器4－塑料挤出机5－自动加料装置
6－水槽7－计米器8－牵引轮9－收排线装置10－控制屏
2.2主机设备
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。
2.2.1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15～30倍，以使塑料得到充分加热和充分塑化为原则。
3料斗
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模具机头
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以便于调整和校正模芯和模套的同心度。
挤塑机按照机头料流方向和螺杆中心线的夹角，将机头分成斜角机头（夹角120o）和直角机头。
机头的外壳是用螺栓固定在机身上，机头内的模具有模芯坐，并用螺帽固定在机头进线端口，模芯座的前面装有模芯，模芯及模芯座的中心有孔，用于通过芯线；
在机头前部装有均压环，用于均衡压力；
挤包成型部分由模套座和模套组成，模套的位置可由螺栓通过支撑来调节，以调整模套对模芯的相对位置，便于调节挤包层厚度的均匀性。
机头外部装有加热装置和测温装置。
2.2.2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。
2.2.3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加热装置
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
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。
2.3辅助设备
塑料挤出机组的辅机主要包括放线装置、校直装置、预热装置、冷却装置、牵引装置、计米器、火花试验机、收线装置。
挤出机组的用途不同其选配用的辅助设备也不尽相同。
如还有切断器、吹干器、印字装置等。
2.3.1校直装置
塑料挤出废品类型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。
在护套挤出中，护套表面的刮伤也往往是由缆芯的弯曲造成的。
因此，各种挤塑机组中的校直装置是必不可少。
校直装置的主要型式有：
滚筒式（分为水平式和垂直式）；
滑轮式（分为单滑轮和滑轮组）；
绞轮式，兼起拖动、校直、稳定张力等多种作用；
压轮式（分为水平式和垂直式）等。
2.3.2预热装置
缆芯预热对于绝缘挤出和护套挤出都是必要的。
对于绝缘层，尤其是薄层绝缘，不能允许气孔的存在，线芯在挤包前通过高温预热可以彻底清除表面的水份、油污。
对于护套挤出来讲，其主要作用在于烘干缆芯，防止由于潮气（或绕包垫层的湿气）的作用使护套中出现气孔的可能。
预热还可防止挤出中塑料因骤冷而残留内压力的作用。
在挤塑料过程中，预热可消除冷线进入高温机头，在模口处与塑胶接触时形成的悬殊温差，避免塑胶温度的波动而导致挤出压力的波动，从而稳定挤出量，保证挤出质量。
挤塑机组中均采用电加热线芯预热装置，要求有足够的容量并保证升温迅速，使线芯预热和缆芯烘干效率高。
预热温度受放线速度的制约，一般与机头温度相仿即可。
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，否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。
急冷就是冷水直接冷却，急冷对塑料挤包层定型有利，但对结晶高聚物而言，因骤热冷却，易在挤包层组织内部残留内应力，导致使用过程中产生龟裂，一般PVC塑胶层采用急冷。
缓冷则是为了减少制品的内应力，在冷却水槽中分段放置不同温度的水，使制品逐渐降温定型，对PE、PP的挤出就采用缓冷进行，即经过热水、温水、冷水三段冷却。
2.4电气控制设备
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。
2.4.1温度控制系统
挤塑机的温度控制系统是由电加热和冷却组成，以实现挤塑机各区域温度的升降和调节，控制适当温度可保证挤出质量。
1温度控制机理
安装在挤塑机上的电加热器和冷却风机是主要的控制机构。
由于电加热具有升温、降温迅速的特点，而温度过高和过低都是挤出中要绝对避免的，所以电加热必须有一套灵敏度相当高的温度调节装置尤溪般包括有自动测量仪器、控制仪表，以及有效的冷却设施。
在加温和挤出过程中，测温元件热电偶随时测得的热电势信号被送到控温仪，经放大处理后与温度设定值比较，温度仪表指示不到设定值时，则继续加热，如接近或到达设定值，则按不同的调节规律仪表发出不同的指示信号。
2挤塑机的温控部位
根据挤出原理，挤塑机各部位的温度应有差别，可以用设置
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