彭紅光
(南京藝工電工設(shè)備有限公司,江蘇 南京 211199)
南京某公司設(shè)計(jì)的冷喂料橡膠擠出機(jī)(以下簡(jiǎn)稱擠出機(jī))主要應(yīng)用于電工專用設(shè)備領(lǐng)域,服務(wù)于電線電纜行業(yè)。筆者總結(jié)多年的設(shè)計(jì)、制造和使用情況,為使擠出機(jī)達(dá)到穩(wěn)定的產(chǎn)量和質(zhì)量,要求加料、輸送、塑化擠出的速率保持恒定,否則會(huì)引起產(chǎn)量和質(zhì)量的波動(dòng)。為了將膠料連續(xù)供給擠出機(jī),擠出機(jī)上設(shè)有加料裝置,加料裝置結(jié)構(gòu)的合理性直接影響擠出機(jī)產(chǎn)量的大小和產(chǎn)量的穩(wěn)定性,同時(shí)也會(huì)影響到設(shè)備運(yùn)行安全。加料裝置按加料方式可分為自由加料和強(qiáng)制加料?,F(xiàn)對(duì)擠出機(jī)的幾種加料方式進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹,并針對(duì)旁壓輥加料裝置在使用過程中出現(xiàn)的問題給出改進(jìn)方法。
自由加料裝置如圖1所示。自由加料方式在加料口及加料段中,不附加任何其他裝置,只是在機(jī)筒的加料入口處設(shè)置與螺桿外徑形成的楔形間隙,該間隙低過加料口底部中心,因此帶狀或片狀膠料能順利地被旋轉(zhuǎn)的螺桿帶入機(jī)筒內(nèi)。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但由于靠重力來自行進(jìn)料,所以膠料的形體尺寸及料位高度的變化都會(huì)造成加料的不均勻。在機(jī)頭的反壓作用下,這種加料方法經(jīng)常導(dǎo)致進(jìn)料口物料有堆積現(xiàn)象,而在加料不足的狀態(tài)下,又容易產(chǎn)生物料打滑現(xiàn)象,從而影響擠出機(jī)的生產(chǎn)效率及擠出穩(wěn)定性[1]。強(qiáng)制加料又分為旁壓輥加料和螺旋嚙合加料,這里僅介紹旁壓輥加料。旁壓輥加料是在加料口安裝一個(gè)與螺桿平行且具有一定速比的旁壓輥,當(dāng)膠料加入時(shí),膠料在螺桿與旁壓輥的共同作用下被擠壓送入機(jī)筒,實(shí)現(xiàn)加料過程,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖1 自由加料示意圖
圖2 旁壓輥加料示意圖
采用旁壓輥加料時(shí),當(dāng)旁壓輥壓膠速度大于楔形間隙的吃膠速度時(shí),則能保證經(jīng)過旁壓輥的膠料注滿楔形間隙,楔形間隙中的膠料會(huì)建立起一種背壓,它將會(huì)極大地促進(jìn)膠料通過楔形間隙。這一背壓的效果就相當(dāng)于增加了一個(gè)加料推力,改善了膠料在楔形間隙中運(yùn)動(dòng)的力學(xué)條件,使得膠料更容易通過楔形間隙,加快運(yùn)動(dòng)速度,這種效果隨著背壓值的增加而增大[2]。因此,旁壓輥加料的效率比自由喂料高,這也是旁壓輥加料生產(chǎn)能力比自由加料高的原因。一般情況下,使用旁壓輥加料比自由加料生產(chǎn)能力能提高15%~25%,但由于強(qiáng)制加料的結(jié)構(gòu)原因,功率消耗也會(huì)增加5%~10%。整體上比較,旁壓輥加料優(yōu)勢(shì)十分明顯,因此,在冷喂料橡膠擠出機(jī)的應(yīng)用上,旁壓輥加料正在逐步取代自由加料。
在擠出機(jī)中,改進(jìn)前旁壓輥加料裝置如圖3所示,電機(jī)通過皮帶輪和減速器將動(dòng)力傳遞給輸出軸,在花鍵連接下,動(dòng)力傳遞給螺桿,同時(shí)通過輸出軸和喂料輥上的一對(duì)齒輪副將動(dòng)力傳遞給旁壓輥,實(shí)現(xiàn)了螺桿和旁壓輥的嚙合運(yùn)動(dòng)。膠料從加料口進(jìn)入后,被螺桿和旁壓輥一起帶動(dòng)進(jìn)入機(jī)筒內(nèi)。
圖3 改進(jìn)前加料裝置示意圖
在多年的使用過程中,旁壓輥加料裝置出現(xiàn)的問題主要有以下幾個(gè)方面:(1)膠料進(jìn)入加料口以后,受到螺桿和旁壓輥的拖拽、擠壓,同時(shí)受到機(jī)筒膛壓的反向作用,部分膠料向旁壓輥兩側(cè)移動(dòng),從左、右擋膠板側(cè)縫中漏出,進(jìn)入兩側(cè)的軸承座內(nèi),導(dǎo)致軸承卡死,進(jìn)而造成齒輪副或旁壓輥損壞。(2)膠料通過螺桿和旁壓輥之間的間隙時(shí),對(duì)螺桿和旁壓輥產(chǎn)生反向作用力,使螺桿變形,加劇螺桿和機(jī)筒間的摩擦,使旁壓輥?zhàn)冃?,造成旁壓輥和擋膠板相互擠壓,導(dǎo)致機(jī)械故障。(3)開機(jī)過程中,由于加料部位溫度變化,造成進(jìn)料的不穩(wěn)定,導(dǎo)致擠出機(jī)產(chǎn)量的不穩(wěn)定,影響制品品質(zhì)。(4)由于零件加工和裝配過程中的精度誤差,造成齒輪副的嚙合不到位,齒面局部接觸,影響齒輪副的承載,甚至可導(dǎo)致齒輪副的損壞。
筆者結(jié)合多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),為了解決旁壓輥加料裝置使用過程中出現(xiàn)的問題,從以下幾個(gè)方面對(duì)該加料裝置做出改進(jìn)。改進(jìn)后旁壓輥加料裝置如圖4所示。
圖4 改進(jìn)后喂料裝置示意圖
(1)對(duì)于漏膠所造成的機(jī)械故障,一方面要改進(jìn)密封結(jié)構(gòu),減少膠料的滲漏量。改進(jìn)前的加料裝置在擋膠板和軸承座之間都設(shè)置了迷宮式機(jī)械密封,以達(dá)到密封效果。而在實(shí)際使用過程中,旁壓輥?zhàn)餍D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),擋膠板靜止,在極高的機(jī)筒壓力的反作用下,柔軟的膠料仍然會(huì)從旁壓輥端面和擋膠板側(cè)面的細(xì)小縫隙中滲漏,直接進(jìn)入迷宮式機(jī)械密封,不斷累積后進(jìn)入外側(cè)的軸承座,最終導(dǎo)致軸承卡死。改進(jìn)后,嚴(yán)格控制了旁壓輥端面和擋膠板側(cè)面的間隙,一般為0.15~0.20 mm適宜;間隙太小會(huì)造成旁壓輥和擋膠板相互間擠壓,間隙太大會(huì)造成大量漏膠。旁壓輥和擋膠板接觸的軸頸上加工了返料螺紋槽,左側(cè)軸頸為右旋螺紋槽,右側(cè)軸頸為左旋螺槽,返料螺紋槽的設(shè)置對(duì)阻止膠料的滲漏起到一定的作用。同時(shí),經(jīng)改進(jìn)后,左、右擋膠板與軸承座都不直接接觸,中間保持了較大間隙,從旁壓輥和擋膠板縫隙中滲漏出的細(xì)小膠片由于沒有壓力作用,很難堆積,會(huì)直接從旁壓輥軸頸表面掉落;在旁壓輥?zhàn)髠?cè)軸頸外圓周位置增加一個(gè)小刮刀,及時(shí)刮掉滲漏出的細(xì)小膠料,更有效地消除膠料的堆積。通過以上措施,極大地減少了膠料的滲漏量,對(duì)于無法避免的極少量漏膠,能及時(shí)排除,最終消除了由于漏膠堵塞造成的各種機(jī)械故障。
(2)如何使膠料盡快進(jìn)入機(jī)筒內(nèi),減少膠料給螺桿和旁壓輥的壓力。改進(jìn)前,在機(jī)筒加料口位置設(shè)有一偏心圓楔形區(qū),雖然對(duì)膠料的輸送起過渡作用,但由于偏心圓在圓周上距離太短,過渡時(shí)間太短,膠料對(duì)螺桿和旁壓輥的作用力仍然很大。改進(jìn)后,在加料口機(jī)筒部位設(shè)有一段與螺桿螺紋旋向相反的內(nèi)螺紋(圖5),當(dāng)螺桿與加料段機(jī)筒作相對(duì)回轉(zhuǎn)時(shí),在螺桿上的外螺紋及特加于機(jī)筒加料口的內(nèi)螺紋的共同作用下將物料拽入機(jī)筒內(nèi)。卷切、擠壓向壓縮段輸送,并使大部分混入物料內(nèi)的空氣從加料口中排除,反螺紋的升角一般稍大于螺桿螺紋的升角,或與其相同,反螺紋升角稍大,該螺紋對(duì)膠料產(chǎn)生的軸向推動(dòng)力及速度大于螺桿螺紋產(chǎn)生的軸向推動(dòng)速度,兩者之間產(chǎn)生一速度差,反螺紋起到強(qiáng)制喂料的作用。因此,加料段的結(jié)構(gòu)雖然沒有增加任何零部件,但由于機(jī)筒內(nèi)加入了反螺紋,使單螺桿擠出機(jī)在加料段卻起到了類似雙螺桿的強(qiáng)制加料作用。實(shí)踐證明,加入膠料的厚度對(duì)加料量也有很大影響。假定螺桿和旁壓輥的徑向間隙為s,則加入的膠條厚度為(1.1~1.2)s為適宜,此時(shí)加料量明顯比膠條厚度小于s時(shí)要大。在電線電纜行業(yè),國產(chǎn)膠料厚度一般為2~3 mm,螺桿和旁壓輥的徑向間隙一般為8~12 mm,因此一般情況下,對(duì)于小規(guī)格螺桿直徑的擠出機(jī),加料不要超過3層,對(duì)于大規(guī)格螺桿直徑的擠出機(jī),加料不要超過5層。如果加入的膠料疊加層數(shù)過多,厚度太厚,強(qiáng)制加入后對(duì)旁壓輥和螺桿的擠壓力很大,會(huì)增大螺桿和旁壓輥的彎曲變形,加速磨損甚至導(dǎo)致斷裂。此外,在結(jié)構(gòu)尺寸允許的情況下,應(yīng)通過增加旁壓輥的軸頸直徑,選用優(yōu)質(zhì)合金材料,選擇合理的熱處理手段,提高零件強(qiáng)度和耐磨性,達(dá)到增加旁壓輥強(qiáng)度的效果。
圖5 機(jī)筒內(nèi)反向內(nèi)螺紋示意圖
(3)改進(jìn)前的加料座部位帶有冷卻水環(huán),可通常溫冷卻水。在橡膠擠出的生產(chǎn)過程中,擠出剛開始時(shí),螺桿、機(jī)筒和旁壓輥的溫度較低,膠料加入時(shí)較生硬,在螺桿和旁壓輥的擠壓下變形較小,因此加料相對(duì)緩慢,也會(huì)增大對(duì)螺桿和旁壓輥的反作用力;當(dāng)開機(jī)一段時(shí)間后,由于摩擦喂料部位溫度會(huì)逐步升高,加料更加順暢,螺桿和旁壓輥受到的反作用力也會(huì)相對(duì)減小,喂料部位溫度的前后變化導(dǎo)致了生產(chǎn)過程中擠出量的變化,從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。改進(jìn)后,通過增加旁壓輥中心冷卻裝置,配置恒溫式水模溫機(jī),對(duì)旁壓輥、螺桿和加料座冷卻水環(huán)實(shí)現(xiàn)恒溫控制,減少了開機(jī)時(shí)膠料對(duì)螺桿和旁壓輥的反作用力,同時(shí)保證了加料的持續(xù)穩(wěn)定,明顯減小了由于喂料部位的溫度變化導(dǎo)致的加料不穩(wěn)而出現(xiàn)的制品質(zhì)量波動(dòng)。
(4)改進(jìn)前的加料裝置零件均為單獨(dú)加工成型后組裝,由于加工精度的限制和累積誤差的影響,會(huì)導(dǎo)致齒輪副嚙合不到位,嚙合時(shí)齒面局部接觸,影響齒輪副的傳動(dòng)精度和齒面接觸強(qiáng)度,負(fù)載時(shí)甚至?xí)?dǎo)致齒輪損壞。通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝,將加料座體和旁壓輥安裝座組合加工,加料座體內(nèi)孔和旁壓輥安裝孔一次加工成型,既保證了2個(gè)孔的中心距尺寸精度要求,又滿足了孔間的平行度精度要求。左、右擋膠板和2個(gè)旁壓輥安裝座的內(nèi)孔也是一次裝夾加工,較好地控制了4個(gè)孔間的同心度精度,使得擋膠板和旁壓輥之間間隙均勻。此項(xiàng)措施的采用,大大減少了齒輪副的故障率,提高了加料裝置的安全性能。
從使用實(shí)際結(jié)果來看,通過以上改進(jìn)措施,冷喂料橡膠擠出機(jī)的旁壓輥加料系統(tǒng)安全性得到極大提高,突發(fā)性故障被徹底消除,加料穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提升。由此加速了自由加料式橡膠擠出機(jī)的淘汰步伐,推動(dòng)了旁壓輥式冷喂料橡膠擠出機(jī)在電線電纜行業(yè)的普及應(yīng)用。
[1]林孔勇.橡膠工業(yè)手冊(cè)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,1993
[2]林廣義,呂柏源.橡膠冷喂料擠出機(jī)喂料裝置的性能分析[J].橡塑技術(shù)與裝備,2002(7)