1、节能的高速高效挤出机设计和制造 广州励进新技术有限公司 李桦挤出机是聚烃类塑料管材挤出生产线的主机，其中最广泛使用的主机是单螺杆挤出机，它决定了生产线的主要性能。单螺杆挤出机已有几十年的发展历史，虽然至今它的工作原理和主要结构没有根本性的变化，但经过业界的不懈努力和创新，其基本性能在不断提高。一方面所生产的管材向大口径高压力等级方向发展；一方面所生产的管材向高速薄壁方向发展。广州励进公司在从事高速铝塑复合管生产线、钢塑复合管生产线、稳态 PPR 生产线和 RTP 生产线等复合管型生产线研发和制造中，配套的挤出机必须满足管壁薄、管周长要求高、速度快等特殊要求，通过大量实践，摸索出和普通厚壁 PE
2、 管用挤出机的特性。往大口径和高速的要求这两个方向的发展，都意味着挤出量的增加和管材质量的提高。如何达到这样的性能，各生产厂商都有自己的招数，但有些方法是共通的。 1.提高螺杆的转速这是影响一台挤出机产能最关键的因素。螺杆转速不仅是提高对物料的挤出速度和挤出量，更重要的是使挤出机在实现高产量的同时得到好的塑化效果。 以往要提高挤出机产量，主要的办法是加大螺杆直径。虽然螺杆直径增大后，在单位时间内挤出的物料会增加。但挤出机不是螺旋输送机。螺杆除了挤出物料，还要对塑料进行挤压、搅拌、剪切，使塑料塑化。在螺杆转速不变的前提下，大直径大螺槽的螺杆对物料的搅拌、剪切效果不如小直径的螺杆。 因此，现代挤出
3、机主要通过提高螺杆转速的方法提高产能和制管质量。 普通挤出机的螺杆转速，传统的挤出机是 60 转到 90 转（每分钟，下同）。而现在一般已提高到 100120 转。高速一点的挤出机达到了 150 转到 180 转。国外报导某挤出机生产厂商生产的挤出机螺杆转速在 200 转以上，甚至达到了1000 多转。 螺杆直径不变而提高螺杆转速，螺杆所承受的扭矩会增大，扭矩达到一定程度时，螺杆有被扭断的危险。但是通过改进螺杆的材料和生产工艺，合理设计螺杆结构，缩短进料段长度，提高物料的流速，降低挤出阻力，可以减少扭矩、提高螺杆的承受能力。如何设计最合理的螺杆，在螺杆能够承受的前提下，最大限度地提高螺杆转速，
4、这需要专业人员通过大量试验获得。 同样螺杆直径的挤出机，高速高效的挤出机比常规的挤出机所消耗的能量多，电机功率要加大是必须的。高速的 65挤出机，要配 55 千瓦至 75 千瓦的电机。高速的 75 挤出机，要配 90 千瓦至 100 千瓦的电机。高速的 90 挤出机，要配150 千瓦至 200 千瓦的电机。这比普通挤出机所配置电机功率大一至二倍。 同样螺杆直径的挤出机配了较大的电机，看起来是费电，但如果按产量计算，高速高效的挤出机要比常规的挤出机节能。例如一台普通型的 90 挤出机，电机为 75 千瓦，产能是 180 公斤，每挤出一公斤物料消耗 0.42 度电。而一台高速高效的 90 挤出机，
5、产能是 600 公斤，电机是 150 千瓦，每挤出一公斤物料只消耗 0.25 度电，单位挤出量的耗电量只有前者的 60%，节能效果是显著的。而且这还只是比较了电机的耗能，如果再把挤出机上加热器和风机等装置的用电量考虑进去，能耗的差别就更大。大螺杆直径的挤出机要装较大的加热器，散热面积也增大。因此同样产能的两台挤出机，高转高效的新型挤出机机筒小一些，加热器耗能比传统的大螺杆挤出机的少，在加热方面也节约了不少电。 在加热器功率方面，高速高效的挤出机与螺杆直径相同的普通挤出机相比，并不因产能增加而增大加热器的功率。因为挤出机的加热器耗电，主要是在预热阶段，在正常生产时，物料熔化的热量主要是通过消耗电
6、机电能转化而来，加热器的导通率很低，用电量并不大。这在高速挤出机中更加明显。 因此，高速高效挤出机= 节能挤出机 下表是广州励进公司设计的两种挤出机产能和能耗的对比： AD-45 机 AD-65 机 AD-90 机机型普通螺杆 高速高效螺杆 普通螺杆 高速高效螺杆 普通螺杆 高速高效螺杆电机功率（kw） 5.5 15 45 75 75 150螺杆转速 60 120 90 180 90 180产能（kg/h） 15 60 90 250 180 600产能/电机功率 0.37 0.25 0.50 0.30 0.42 0.252、改进螺杆结构螺杆结构是影响挤出机产能的主要因素。如果没有合理的螺杆结构
7、，想简单地提高螺杆转速以提高挤出量，违背了客观规律，是不会成功的。 高速高效螺杆的设计基于高转速。这种螺杆在低转速时的塑化效果会差些，但在螺杆转速提高后塑化效果逐渐改善，达到设计转速时得到最佳效果。这时既有较高的产能，也能有合格的塑化效果。 BM 型螺杆（在融熔段设置主付螺棱的分离型螺杆）是一种高效低阻力螺杆。但简单的 BM 型螺杆还不能满足要求，在普通 BM 型螺杆基础上加以改进，设置适当的混炼、销钉剪切元件，是在高转速运行时提高物料通过量及改善塑化效果的有效方法。 高速高效的螺杆在很多细微的地方可以进行优化设计，通过大量的实验进行改进，从而得到优异的性能。2009 年初广州励进公司设计的最
8、近出厂的一套 RTP（热塑性柔性纤维增强管）生产线，所配套的大直径挤出机，实测使用 PE100和 PE-RT 的产量都超过 120KG/小时。 3.设计先进的机筒结构机筒结构的改进，主要是改进进料段的温度控制和设置进料槽。这种独立的进料段全长就是一个水套，用先进的电控装置对水套温度控制。 水套的温度是否合理，对挤出机的稳定工作和高效的挤出非常重要。水套温度过高，会使原料过早软化，甚至原料颗粒表面产生熔融而削弱了原料与机筒内壁间的磨擦力，从而降低了挤出推力和挤出量。但温度也不能过低，温度过低的机筒会使螺杆转动阻力过大，超过了电机的承载能力时会造成电机起动困难或转速成不稳定。广州励进公司运用先进的
9、传感器和 PLC 控制技术，对挤出机水套进行监测和控制，从而把水套温度自动控制在最佳的工艺参数范围内。 在机筒进料段设置梯形的强力送料槽技术，可大幅度提高挤出机的挤出能力。广州励进公司并对机筒采用分体式设计，设置一个可拆卸的进料段机筒，使较易磨损的送料段在磨损后可以单独更换，有助于提高设备的使用寿命。4.优化减速机选用在结构基本相同的前提下，减速机的制造成本大致与其外形尺寸及重量成正比。因为减速机的外形和重量大，意味着制造时消耗的材料多，另所使用的轴承也比较大，使制造成本增加。 同样螺杆直径的挤出机，高速高效的挤出机比常规的挤出机所消耗的能量多，电机功率加大一倍，减速机的机座号相应加大是必须的
10、。但高的螺杆速度，意味着低的减速比。同样大小的减速机，低减速比的与大减速比的相比，齿轮模数增大，减速机承受负荷的能力也增大。因此减速机的体积重量的增大，不是与电机功率的增大成线性比例的。如果用挤出量做分母，除以减速机重量，高速高效的挤出机得数小，普通挤出机得数大。 以单位产量计，高速高效挤出机的电机功率小及减速机重量小，意味着高速高效挤出机的单位产量机器制造成本比普通挤出机低。 两种挤出机的减速机参数对比： AD-45 机 AD-65 机 AD-90 机机型普通螺杆 高速高效螺杆 普通螺杆 高速高效螺杆 普通螺杆 高速高效螺杆减速机型号 133 146 173 200 250 280减速机速比
11、 16 8 16 8 16 8减速机重量（kg） 141 206 268 505 810 980产能（kg/h） 15 60 90 250 180 600产能/减速机重量 9.40 3.43 2.98 2.02 4.50 1.635、采用先进的电机驱动器在变频器技术还未普遍应用的时候，传统的大挤出量的挤出机，一般采用直流电机和直流电机控制器。因为以前一般认为直流电机比交流电机的功率特性比较好，调速范围比较大，在低速段运行时比较稳定。另大功率变频器比较昂贵，这也限制了变频器应用。 近年来变频器技术发展比较快，矢量型的变频器实现了无传感器控制电机转速和扭矩，低频特性有了长足的进步，价格也下降得比较
12、快。变频器与直流电机控制器相比，最大的优点是节能。它使能耗与电机负荷成正比，负荷重就增加能耗，电机负荷下降就自动调低能耗。这在长期应用中的节能效益是非常显著的。6、采取多重减振措施高速的挤出机容易发生振动，过大的振动对设备的正常使用及机件的使用寿命是非常有害的。因此必须采取多重措施以减少挤出机的振动，以提高设备的使用寿命。 挤出机最容易产生振动的环节是电机轴和减速机的高速轴。首先，高转挤出机要配置高质量的电机和减速机，避免因电机转子和减速机高速轴振动而成为振动源。第二是要设计一个好的传动系统。广州励进公司采用了双节弹性联轴器传递电机与减速机间的扭力。这种联轴器有两个弹簧片关节，可以在两根少量不
13、同心的轴间传递扭力时不产生振动。如果采用皮带轮系传递电机动力，有减振作用的皮带对避免电机的振动传递到减速机有利，但如果皮带轮本身的动、静平衡不好，也会造成新的振动。因此要采用经过动、静平衡试验的优质皮带轮和高质量的皮带。 注意提高机架的刚性、重量和加工、装配各个方面质量，也是减少挤出机振动的重要环节。一台好的挤出机在使用时不用地脚螺栓固定，也基本上没有振动。这依赖于机架有足够的刚性和自重。另要加强各部件的加工和装配的质量控制。如加工时控制好机架上下平面的平行度，减速机安装面与机架平面的垂直度等。在装配时要认真测量电机和减速机的轴高度，严格地配制减速机垫块，使电机轴与减速机输入轴同心。以及使减速
14、机安装面与机架平面的垂直。 通过对各环节的优化设计和精心制造，高速高效的挤出机各方面性能有了明显的提升。这大大降低的挤出机能耗，提高了产品的质量，顺应当今社会节能减排的潮流。 近年来，在国际上一种全新种类的挤出机电机正脱颖而出：环形、高转矩、永磁性的同步电机，2009 年 6 月，笔者在美国芝加哥塑料展上看到不少这类的产品，包括辛辛那提、巴顿公司和其他公司。同步电机有着与众不同的空圆筒或圆环形状，它有比其它形式的电机多出 10 倍以上磁极对。这是它们为什么能在低速(20-500rpm)下能产生高扭矩(200011,000Nm)的原因。在这个速度范围下，电机可以不通过减速箱而直接与挤出机的推力轴
15、承进行联接。 在 NEP 展览会上展示的实验型同步电机这样电能所产生的扭矩直接传递到螺杆上，几乎完全没有传动环节，也就避免了传动过程中的能量损耗。一般说来，圆柱齿轮减速机的传动效率在 8595%之间，皮带轮系的传动效率在 7080%之间。如果一台传统的挤出机使用了一对皮带轮及一个减速机进行传动，那总的传动效率最高可能达到 75%左右，也可能低至 60%。也就是说，传统的挤出机电机所产生的能量，在传动环节就有 4025%变成热量散失到空气中。全国有数以万计的挤出机在工作，这样浪费的能源是非常巨大的。 新型电机实际不产生振动或噪音，几乎不需要保养。它们是被水冷的，无尘，不用润滑油。结构紧凑，运行安静。它们的高转矩性能实现了更高的产量，并且一直在变得越来越高。它们在其由零开始的整个速度范围内还提供稳定的扭矩，而交流和直流电机在低速下会丧失扭矩。新型电机比组合在一起的交流电机和变速箱较小。它们也易于被安装，所需接线较少。实用化的同步电机挤出机现在这种环形同步电机已从实验室和中间试验车间中走出，相信很快就进入到中国的挤出机和管材生产线制造厂商的车间中。
