曹 鍵，徐凱宏，谷志新

（東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

在全球資源的日益短缺的大環(huán)境下，節(jié)能環(huán)保的材料越來(lái)越被人們所關(guān)注。而木塑復(fù)合材料（Wood-plastics composites）恰恰符合節(jié)能環(huán)保的要求[1]。它是將塑料與木質(zhì)材料通過(guò)各種復(fù)合方式所制成的一種綠色環(huán)保型復(fù)合材料。既能減少農(nóng)作物、塑料等產(chǎn)生的環(huán)境污染，又能對(duì)廢棄物再利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保[2-3]。木塑復(fù)合材料具有易成型性和易加工性的特點(diǎn)。不但可以任意粘接、切割、涂飾，還具有使用壽命長(zhǎng)、抗蟲蛀強(qiáng)、吸水少等優(yōu)點(diǎn)，故被廣泛應(yīng)用于家具、建材、物流包裝等各個(gè)領(lǐng)域[4]。

擠出機(jī)起源于18世紀(jì)，由英格蘭的Joseph Bramah于1795年制造的手動(dòng)活塞式壓出機(jī)被認(rèn)為是世界上第一臺(tái)擠出機(jī)[5]。隨著技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，根據(jù)螺桿、工藝的不同已經(jīng)研制出了各種類型的擠出機(jī)。雖然單螺桿擠出機(jī)應(yīng)用最早，但其憑借經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、易操作、易改良、使用范圍廣等特點(diǎn)仍然被廣泛應(yīng)用。目前我國(guó)木塑擠出機(jī)行業(yè)其中80%～85%使用的是單螺桿擠出機(jī)[6-7]。文章的水環(huán)流裝置就是基于單螺桿木塑擠出機(jī)裝備設(shè)計(jì)和使用的。

1 木塑材料擠出機(jī)的工作原理

木塑復(fù)合材料的擠出成型原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)擠出機(jī)中螺桿的旋轉(zhuǎn)、擠壓、加熱等一系列方式將塑料和木質(zhì)纖維兩種物料充分熔融、混合。然后通過(guò)螺桿對(duì)機(jī)頭口模的擠壓成型[8]。

木塑擠出機(jī)生產(chǎn)線主要包括主機(jī)和輔機(jī)兩部分。主機(jī)部分由傳動(dòng)系統(tǒng)、擠壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和加熱冷卻系統(tǒng)組成[9]。而水環(huán)流裝置就是作為隔熱冷卻系統(tǒng)的一部分。輔機(jī)部分由冷卻定型箱、牽引機(jī)、切割裝置等組成。木塑擠出機(jī)的主要成型設(shè)備由圖1所示：

圖1 木塑擠出成型設(shè)備的組成Fig 1 Diagram of WPC extrusion molding equipment

木塑擠出機(jī)整個(gè)工作過(guò)程大致如下：首先，將配制好的混合物料通過(guò)加料料斗送入擠出機(jī)中，物料在螺桿的旋轉(zhuǎn)下被向前輸送，在料筒內(nèi)熔融塑化為均勻熔體。然后在螺桿的推動(dòng)下進(jìn)入機(jī)頭口模，從口模中擠出成型。最后在牽引機(jī)的作用下，材料不斷向前運(yùn)送。同時(shí)經(jīng)過(guò)冷卻定型箱冷卻。最后被切割成標(biāo)準(zhǔn)型材制品[10]。在整個(gè)過(guò)程中擠出機(jī)是整個(gè)木塑成型設(shè)備中的最主要的部分。

2 木塑擠出成型工藝的關(guān)鍵因素

影響木塑擠出制品質(zhì)量的可變因素有很多，包括機(jī)頭壓力、擠出速度、溫度、口模間隙、真空定型等[11]。其中溫度、機(jī)頭壓力和擠出速度較為關(guān)鍵的因素[12]。

2.1 機(jī)頭壓力

機(jī)頭壓力的大小直接影響木塑復(fù)合材料的加工性能和外觀質(zhì)量。在木塑材料擠出成型的過(guò)程中，物料在機(jī)筒內(nèi)部同時(shí)受到螺桿的擠壓和機(jī)頭的反作用力，使木塑材料達(dá)到熔體混合、密實(shí)、塑化。當(dāng)機(jī)頭壓力不足吋，會(huì)造成木塑制品的內(nèi)在密實(shí)性差，導(dǎo)致生產(chǎn)不連續(xù)， 制品表面粗糙，外觀質(zhì)量欠佳從而影響擠出質(zhì)量。要得到適合的機(jī)頭壓力，可以通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速和機(jī)頭溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 擠出速度

擠出速度也是影響木塑制品質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。擠出速度主要受螺桿轉(zhuǎn)速，螺桿、料筒和機(jī)頭的結(jié)構(gòu)等因素的影響。在外界條件一定的情況下，螺桿轉(zhuǎn)速直接影響擠出速度。轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，木塑材料塑化和混合不充分。同時(shí)會(huì)在流道內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致物料冷卻固化過(guò)早。對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成影響；轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，機(jī)筒內(nèi)物料受到的摩擦力、擠壓力增大，導(dǎo)致機(jī)筒內(nèi)熱量過(guò)大。會(huì)使木塑材料發(fā)生焦化降解。

2.3 溫度

溫度是木塑復(fù)合材料擠出成型過(guò)程中極其重要的因素，溫度的控制對(duì)擠出制品的質(zhì)量影響非常大，貫穿于整個(gè)木塑擠出過(guò)程中。擠出成型過(guò)程中，物料的熱量來(lái)源于料筒外加熱器傳導(dǎo)的熱和物料被壓實(shí)沿螺槽移動(dòng)過(guò)程中與料筒、螺桿及物料之間相互作用所產(chǎn)生的熱。

擠出溫度過(guò)高會(huì)使物料易降解，熔體的粘度降低，擠出壓力不足，造成制品表面粗糙，強(qiáng)度差，影響擠出質(zhì)量；擠出溫度過(guò)低會(huì)使塑料塑化不良，包裹木粉不充分，也會(huì)影響制品的強(qiáng)度[13]。同時(shí)，整個(gè)過(guò)程對(duì)于口模溫度的控制精度要求很高，溫度過(guò)低或過(guò)高都會(huì)使熔體破裂。溫度的控制包括對(duì)料筒和機(jī)頭的溫度控制。目前經(jīng)過(guò)專家研究木塑擠出機(jī)實(shí)際加工過(guò)程中各段溫度標(biāo)準(zhǔn)如表1所示：

表1 擠出機(jī)各段溫度參數(shù)Table 1 The temperature parameters of extruder

料筒溫度（Ⅰ～Ⅱ）：料筒溫度直接影響木塑材料的混煉塑化效果。在木塑復(fù)合材擠出成型過(guò)程中，為使松散的冷料在加料口附近不黏在一起，保證其在固體輸送段順利輸送，加料段的溫度不宜過(guò)高[14]。當(dāng)物料在進(jìn)料段時(shí)，料筒進(jìn)料段的溫度不宜過(guò)高，應(yīng)控制在165 ℃左右。溫度過(guò)高會(huì)使木塑纖維直接碳化。當(dāng)物料進(jìn)入熔融段時(shí)，料筒的溫度可以升高一些，保持在180 ℃左右。這樣可以使木質(zhì)纖維材料和熱塑性塑料在熔融段充分混合、塑化，從而便于木塑材料在機(jī)頭段的擠出成型。

機(jī)頭溫度（III）：機(jī)頭溫度的高低直接影響木塑材料的成型質(zhì)量。如果機(jī)頭溫度過(guò)高，會(huì)降低木塑材料的熔體黏度。導(dǎo)致機(jī)頭壓力降低，增加定型難度、甚至無(wú)法成型。擠出的制品不僅表面粗糙，而且強(qiáng)度差、不耐用。如果機(jī)頭溫度過(guò)低，會(huì)增大木塑材料的熔體黏度。使熔體流動(dòng)困難，導(dǎo)致物料在料筒內(nèi)過(guò)早冷卻固化，在流道內(nèi)填充不足，使機(jī)頭壓力增加，擠出機(jī)的負(fù)荷加大，成型困難。為了保證熔體的擠出質(zhì)量，機(jī)頭溫度應(yīng)控制在190 ℃左右[15]。

2.4 溫度耦合

在木塑復(fù)合材料擠出過(guò)程中，需要對(duì)溫度進(jìn)行精確的控制，以便合理的設(shè)置溫度參數(shù)，利于擠出成型。而且為了保證擠出產(chǎn)品的質(zhì)量，工藝要求物料在擠出機(jī)機(jī)筒中不同部位有不同的溫度，因此機(jī)筒各個(gè)溫度控制區(qū)域的溫度設(shè)定值不同。但是，由于各區(qū)域在物理空間上相距較近，相互之間的熱量傳遞劇烈，所以區(qū)域之間有強(qiáng)烈的溫度干擾。例如，在系統(tǒng)溫度保持穩(wěn)定的狀況下，提高單一區(qū)域加熱量會(huì)造成其余相近區(qū)域溫度的升高，從而引起多個(gè)區(qū)域的溫度波動(dòng)[16]。這種作用使得各區(qū)域之間的相互依賴性加強(qiáng)，形成緊耦合。

對(duì)于解決溫度耦合問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外大多研究控制算法，解決溫度耦合問(wèn)題。但是對(duì)于解決溫度耦合的冷卻裝置研究，尚無(wú)涉及。只在算法中優(yōu)化，沒(méi)有實(shí)際裝置工藝的支持，還是無(wú)法真正的實(shí)現(xiàn)木塑制備過(guò)程中溫度耦合問(wèn)題的解決。

3 水環(huán)流裝置

3.1 水環(huán)流裝置工藝的總體設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)外對(duì)于解決木塑擠出機(jī)分段溫度耦合問(wèn)題的裝置研究尚少。設(shè)計(jì)一套隔溫解耦合裝置是十分必要的。

本文設(shè)計(jì)的是利用水流循環(huán)，來(lái)阻隔擠出機(jī)各段的溫區(qū)。通過(guò)冷水在裝置內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)，使高溫區(qū)的溫度下降，從而阻止高溫區(qū)的溫度向低溫區(qū)傳遞，影響低溫區(qū)的溫度控制。水環(huán)流只是整個(gè)溫控系統(tǒng)中的一個(gè)創(chuàng)新的隔熱冷卻裝置，需要與溫度傳感器、控制器等共同作用，才能實(shí)現(xiàn)各段溫區(qū)的溫度解耦合。

3.2 水環(huán)流裝置結(jié)構(gòu)

整個(gè)水環(huán)流裝置通過(guò)法蘭連接在各段料筒之間。法蘭(f l ange)連接就是把兩個(gè)管道、管件或器材，先各自固定在一個(gè)法蘭盤上。在兩個(gè)法蘭盤之間，加上法蘭墊，用螺栓緊固在一起，完成了連接。法蘭連接使用方便，能夠承受較大的壓力。

以進(jìn)料段與熔融段之間的水環(huán)流裝置為例，結(jié)構(gòu)如圖2、3所示。在兩個(gè)法蘭之間焊接成一個(gè)套在擠出機(jī)料筒的封閉圓環(huán)柱形套箱。整個(gè)圓柱套箱高五公分、長(zhǎng)兩公分，在箱壁上下分別有進(jìn)水孔和排水孔，分別連接到進(jìn)水管與排水管。

圖2 水環(huán)流裝置等軸圖像Fig. 2 Water circulation device shaft

圖3 水環(huán)流裝置側(cè)視圖像Fig. 3 Water circulation device side view

進(jìn)水管道焊接在環(huán)流套的中央，保持斜向上的角度，使水流沖入在環(huán)流套中，防止直接沖在料筒內(nèi)壁，造成環(huán)流失效。每個(gè)水環(huán)流裝置的進(jìn)水管都分別連接到一個(gè)主管道，運(yùn)行時(shí)控制每個(gè)管道閥門的開關(guān)。這種設(shè)計(jì)方便控制、節(jié)約成本，還可以根據(jù)水環(huán)流裝置數(shù)量的改變?cè)鰷p管道數(shù)量。進(jìn)水過(guò)程如圖4所示：

圖4 進(jìn)水系統(tǒng)示意圖像Fig. 4 Schematic diagram of water system

排水管道焊接在進(jìn)水孔的下方，冷水環(huán)流一圈后從排水孔排出。每個(gè)排水管道連接到集中存水池中，待熱水冷卻到適宜溫度后，可連接到進(jìn)水主管道繼續(xù)使用。實(shí)現(xiàn)裝置水源的循環(huán)使用，節(jié)能環(huán)保。

3.3 水環(huán)流裝置的位置選取與運(yùn)行

在本文中，需要兩個(gè)水環(huán)流裝置，分別安放在整個(gè)擠出機(jī)的進(jìn)料段與熔融段之間、熔融段與機(jī)頭段之間。可以根據(jù)擠出機(jī)的類型、大小、工作段的不同選取不同數(shù)量的水環(huán)流裝置。

以進(jìn)料段與熔融段之間為例，水環(huán)流整個(gè)運(yùn)行過(guò)程如圖5所示。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到熔融段溫度到175 ℃時(shí)，控制器通過(guò)運(yùn)算立即發(fā)出控制信號(hào)，打開水環(huán)流的進(jìn)水閥，冷水從進(jìn)水孔沖入，在水環(huán)流箱內(nèi)與料筒外壁之間環(huán)繞，從排水孔流出。從而實(shí)現(xiàn)阻隔熔融段的高溫傳遞到進(jìn)料段。當(dāng)熔融段溫度減低到設(shè)定溫度后，控制器發(fā)出控制信號(hào)，關(guān)閉水環(huán)流閥門。

圖5 水環(huán)流運(yùn)行過(guò)程示意圖像Fig. 5 Schematic diagram of water circulation process

4 結(jié) 論

該裝置在木塑擠出機(jī)分段溫度控制系統(tǒng)試驗(yàn)中，能夠較好地為分段精度溫度控制的實(shí)現(xiàn)提供幫助。但是，水環(huán)流裝置只是溫控系統(tǒng)中一種創(chuàng)新的阻隔冷卻裝置，要想達(dá)到整個(gè)分段溫度的精確控制還需要有智能的溫度控制算法、精確的溫度傳感器和運(yùn)算能力強(qiáng)大的控制器。整個(gè)溫度控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，已經(jīng)達(dá)到預(yù)期要求?？梢詫?shí)現(xiàn)各段溫度的精確控制，控制精確度可以達(dá)到±0.8 ℃。

此裝置不僅可以用在木塑復(fù)合擠出機(jī)中。還可以根據(jù)設(shè)備的不同和對(duì)象不同，稍加更進(jìn)推廣到其他類型擠出機(jī)和受到分段耦合影響的機(jī)械設(shè)備當(dāng)中。裝置未來(lái)具有很強(qiáng)的推廣性和可行性。

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