挤出机螺旋绞刀的设计与选择.doc

挤出机螺旋绞刀的设计与选择
王洪平
(武汉理工大学)
摘要：本文介绍了挤出机螺旋绞刀的类型和结构；阐述了螺旋绞刀主要参数的设计原则，以及螺旋绞刀转速对挤砖的
影响和的选择方法，分析螺旋绞刀的失效机理和修复方法。
关键词：挤出机；螺旋绞刀；结构；参数；选择
在挤出机中，泥料是被不断旋转的螺旋绞刀叶片推动前进的，连续不断的绞刀叶片是推动泥料连续前进的“运载工具”。叶片合理的螺旋角和最佳转速是挤出机优质高产的基本条件。一种挤出机的产量，在挤出压力和配置动力一定的情况下，泥缸和绞刀的设计就显得很重要，而在泥缸的缸径和长度一定的情况下，绞刀的设计和选择就尤显重要。
本文将就挤出机螺旋绞刀设计与选择问题作一些探讨，希望能给挤出机设计和使用者带来帮助。
1 螺旋绞刀的类型与结构
1．1螺旋绞刀的分类
螺旋绞刀是挤出机的主要工作部件，图l为某型号挤出机的螺旋绞刀结构。它一般由四节绞刀组合而成，作用是使位于绞刀螺旋空间内的泥料借助于绞刀的旋转，由受料部分推向挤出机的机头和机口，经过挤压而形成密实的、符合尺寸要求的泥条。螺旋绞刀安装在挤出机内的水平轴上，轴的一端装在滚动轴承或滑动轴承上，另一长悬臂端则穿人挤出机的受料箱和泥缸，并少许插入机头约20～50ram。螺旋绞刀的种类很多，按几何形状可分为圆柱形和圆锥形绞刀；按螺距可分为等螺距和变螺距绞刀；按旋向可分为左旋和右旋绞刀；按结构又可分为整体式和镶片式绞刀；按材料则可分为铸铁、铸钢和钢板焊接绞刀。
1．2螺旋绞刀的结构
螺旋绞刀组的各节绞刀由于所处位置和担负任务不同，其结构也有所不同。通常一组(副)螺旋绞刀由受料段、输送段和挤压段等绞刀所组成。
(1)受料段
受料段绞刀位于受料箱进料口的长度范围内，其作用是接受泥料并把泥料推向泥缸。当采用变螺距绞刀时，受料段绞刀的螺距最大，而采用圆锥形绞刀时，受料段绞刀的直径最大，因此它的受料和输送效果较好。
(2)输送段
输送段绞刀位于泥缸的封闭内腔，主要作用是继续输送泥料，此外，还有对泥料进行搅练、匀化和挤压的作用。
(3)挤压段
挤压段绞刀位于绞刀组最前端，它的作用是沿机头横断面均匀挤压和分布泥料，以及在这个断面造成均匀的压力，使泥料通过机头和机口而成型。螺旋绞刀组各段绞刀的螺旋夹数也不尽相同。在受料段和输送段绞刀一般都是单头螺旋，只有前端的挤压段绞刀，做成1／4．一112圈螺距的双头螺旋。这是因为挤压段绞刀采用双头螺旋的结构后，可以均匀地压缩泥料，减小坯条中的内应力，以减小制品在干燥、焙烧中的变形和裂纹，同时还可使绞刀轴上的轴向载荷均匀对称地分布，进而增强挤出机的工作稳定性。为了适应机头壁向机口方向的倾斜，减小动力消耗，更有效地压实泥料，挤压段绞刀叶片还具有50左右的前倾角。同时，为减小泥料在脱离绞刀时产生空心，挤压段绞刀的轮毂通常制成截头圆锥形，而最前端的压紧螺栓头部为球形。
1-3螺旋绞刀各组的联接
螺旋绞刀组各节绞刀之间存在一个相互连接的问题，即为使相邻绞刀叶片在连接时具有平滑过渡，各节绞刀的联接方式有连接形和非连接形两种。凡绞刀轮毂端面与叶片厚度中心线重合的形式叫做连接形，例如，受料段绞刀的前端，输段绞刀的两端以及挤压段的后端都要和彼此相邻段的绞刀相连，它们的连接形式都属于这一类。另一种联接方式叫做非连接形，它是指前、后端无相邻绞刀可连接的，即轮毂端面与叶片外边缘重合的形式，例如，受料段绞刀的后端属于这一类。
2螺旋绞刀主要参数的确定
2．1螺距和导程的选择
螺旋绞刀的螺距是指绞刀相邻叶片上对应两点间的轴向距离。螺旋绞刀的导程是指绞刀上某一点沿同一条螺旋线旋转一周时，其轴向移动的距离。正确选择螺旋绞刀的螺距有重要的意义。在其他条件相同时，绞刀的螺距加大。则挤出机生产能力也相应提高，这是因为绞刀旋转一周时，螺距
大的绞刀，泥料沿轴中心线向挤出机机头所走过的行程要比螺距小的行程大。挤出机结构中所采用的一般是受料段绞刀螺距大些，输送段次之．挤压段最小，这样方可使泥料挤压密实。
实际上，要求泥料在螺旋绞刀旋转时沿轴向作直线运动是不可能的。这是由于绞刀螺旋面和泥料之间以及泥料与泥缸内壁之间产生摩擦力，还有机头内的泥料挤压后所产生的反压力，使泥料的运动发生变化。一方面是向机头方向的前进运动，使泥料的运动发生变化，另一方面是绕绞刀轴的旋转运动。泥料沿这两个方向运动的结果，就成为复杂的螺旋线运动。当螺旋绞刀的螺距超过一定范围时，螺旋面作用于泥料的挤压力将减小，使泥料和螺旋面的滑动相应增大，因而生产效率随之降低。
2．2螺旋角的确定
绞刀叶片在不同半径的各个圆周上的螺旋角是不相等的。外径上的螺旋角最小，轮毂处的螺旋角最大。通常所说绞刀螺旋角是指绞刀叶片在平均直径上的螺旋角。其计算公式为：伽一口2q蠢2丽q翻 (1)式中，卜绞刀叶片平均直径上的螺旋角(。)；卜绞刀螺距(m)；卜绞刀叶片平均直径(m)，
其中，D=D+d／2；卜绞刀外径(m)；d——轮毂直径(m)。
上式表明：绞刀螺旋角的正切函数与螺距成正比。即绞刀螺距加大，螺旋角也大；螺距减小，则螺旋角也小。绞刀螺旋角太小，虽对泥料有较大的挤压力，是得到致密制品的条件之一，但挤出机绞刀向前推进泥料的速度降低，生产效率也随之降低。螺旋角太大，不仅使挤出机的动力消耗增大，而且增加了泥料随同绞刀的回转运动，也会使挤出机的产量下降。国产挤出机螺旋绞刀的螺旋角一般在15。一230范围内，这样可获得较高的挤出速度。
2．3螺旋绞刀圈数的确定
在螺旋绞刀的螺距和转速一定的情况下，总圈数越少，挤出机的产量就越高。但总圈数过少，泥料容易产生回流，进而降低挤出机的产量和挤出压力。而且总圈数过少，对泥料的搅练、均化的过程减短，也就不能保证制品的质量。反之，若总圈数太多，增大了机体尺寸，动力消耗也增大。因此，螺旋绞刀总圈数一般应不少于3圈，国产主要型号挤出机螺旋绞刀总圈数为3．5～6．5，而大多数为4。螺旋绞刀总圈数应根据泥料的性质和对挤压力的要求进行选择。当泥料的塑性指数偏高时，对泥料搅练、均化的过程不必过长，总圈数可以少些。反之，总圈数可以适当增加。当要求的挤压力低时，总圈数可少些。反之，总圈数应多些。
2．4轮觳尺寸的确定
螺旋绞刀轮毂的尺寸也影响到挤出机的产量和制品的质量。轮毂尺寸大，绞刀的有效挤压面积小，挤出机的产量下降。同时，轮毂尺寸大，泥料脱离轮毂时造成的空心也大，使制品的密实度下降。所以，在保证强度和刚度的前提下，应当尽量选择小尺寸的轮毂直径。铸钢、焊接结构螺旋绞刀的轮毂直径，一般取所在绞刀轴的1．3～1．5倍。
2．5旋转方向的确定
绞刀轴的旋转方向，应根据绞刀的螺旋方向来确定。判断绞刀的螺旋方向是否与旋转方向相符合，可按下述方法进行。将螺旋绞刀直立在面前(或俯视绞刀)，其可见螺旋线自左向上升的为右旋，反之，其可见螺旋线自右向左上升的为左旋。另一种判断方法是：沿着泥料前进的方向看，在垂直于绞刀轴线的平面内，右旋绞刀的回转方向应为逆时针，左旋绞刀的回转方向应为顺时针。综上所述，绞刀旋转方向的判断可以归纳为一个法则，即右旋左转，左旋右转。如图2所示的绞刀，其町见螺旋是自右向左上升的，因此是左旋绞刀。其回转方向应为顺时针，即左旋右转。
3螺旋绞刀转速的确定
3．1 绞刀转速对挤砖性能的影响
(1)转速与离心作用的关系
转速快，离心作用力大，泥料横流量大，泥料分层移动形成的剪切平面的面积大，泥料结合力差。在泥料含水率偏高，容易造成泥料随主轴转动而转动。转速慢，离心作用力小，如有设计合理的封闭泥缸与较好的螺旋绞刀排列，可以避免或减少泥料分层与层剪切平面的面积，使水和空气比较均匀地分布于各段，泥料结合力好，促使制品质量有所提高。
f2)转速与反压力的关系转速快，反压力大，回泥多，螺旋绞刀磨损大，也是造成挤泥机泥缸发烧的条件之一，某些设备甚至整机跳动。转速慢，反压力减小，回泥量减少。转速快，轴向扭矩小，对泥推力小。由于挤泥机主轴与压泥板的转速成正比(一般为l：1。5)，当转速高时，在意外(落入硬物)的情况下，压泥板击打硬物或硬物在双线绞刀受卡，容易造成悬臂主轴(靠轴承)断裂或压泥板齿轮损坏，或由于回泥多造成上推轴承过载而碎裂。
(3)转速与机械稳定性及电机负荷
转速慢，轴向扭矩大，对泥料推力大，不容易造成设备损坏事故。转速快，机头、机口上下摆动严重，机械稳定性差；转速慢，机械稳定性较好(采用浮动轴后更好)。转速快，电动机负荷高；转速慢，电动机负衙低。
3．2最佳绞刀转速的确定
不同规格、形式的挤出机，其螺旋绞刀的转速各不相同，有十几转二十几转，直至五十转左右。在一定范嗣内绞刀转速过高时，挤出机的效率虽能提高，但与此同时却增加了挤出机的负荷与动力消耗。导致机械产生较大的磨损。在同样条件下，直径大的绞刀比直径小的绞刀的外缘网线速度大，所以大直径绞刀的转速应当慢于小直径绞刀。但是，挤出机的产量不会一直随着绞刀转速的提高而增加的。当绞刀转速增加到一定程度时，挤出机的产量增加得有限，甚至还会下降。因此其中必然存在一个最佳转速问题。在最佳转速时，挤出机产量随转速的提高『而上升；超过最佳转速时，产量的增加量变小或下降。动力消牦增大，反而使零件磨损加剧。
最佳转速是通过试验获得的。如JZ400型挤出机生产普通砖，经过试验螺旋绞刀转速在0．85ds时的效果最好。当然，随着泥料性质等因素的不同，最佳转速也是不一样的。
目前的生产中，螺旋绞刀的圆周线速度一般采用1．O～1．2m／s是适宜的。因此，螺旋绞刀的转速可由下式计算。
胛胛=：—竺— l(2一)J
xD
式中，n——螺旋绞刀转速(转，分)；、一螺
旋绞刀圆周线速度(m，s)；D——螺旋绞刀直径(m)。
例如，已知13=0．4 In，取v-1．1 nds，则
露：黑：曼旦=52．55删14 04 腔=一=一=3Z．)]mm 万D 3． ×．
1
此外，在选择螺旋绞刀转速时，还应考虑如下的因素：
(1)当泥料塑性适中时，绞刀转速可以取偏高的值，反之应偏低；
(2)当泥料成型含水率低时，绞刀转速应取得低些，反之应选取较高的值；
(3)当封闭缸长度较大时，螺旋绞刀转速应选取较低的值，反之转速可选得高一些。
4螺旋绞刀的使用与失效
4．1绞刀与泥缸衬及压泥板的间隙
螺旋绞刀与泥缸衬套之间的间隙，对挤出机的生产能力有着重大的影响。当这个间隙过大时，在挤出机生产过程中将产生严重的?fI}漏(即返泥)现象。这是因为机头、泥缸前端高压区的泥料通过间隙被压向后端的低压区，返回受料箱。当挤压力越大，返泥现象就越为严重。这不仅会大大降低挤出机的产量．导致泥缸发热，而且也是坯条断面产生螺旋的原因之一。螺旋绞刀与压泥板(或压泥辊)之间的间隙过大，将会削弱压泥装置的作用，减少进入受料段绞刀的泥料，降低挤出机的生产能力。因此，当螺旋绞刀、泥缸衬套和压泥板(或压泥辊)之一磨损较多后，要及时修复或更换，使之保持正常的间隙。新挤出机出厂时，螺旋绞刀与泥缸衬套和压泥板(或压泥辊)的间隙，应当保持在2～3mm，最大不应超过5mm。
4．2绞刀轴的结构和支撑方式
绞刀轴的作用是将电动机的动力(或扭矩)传递给螺旋绞刀，并使泥料向前输送和挤压成型。螺旋绞刀与绞刀轴配合表面的形式和联接方式有(见图3)：圆柱形键(图3a)，圆柱形切向键(图3b)，正方式(图3c)和正六边形(图3d)等绞刀轴。国内大多数挤出机的绞刀轴都是前、后轴承支承着。前轴承由双列向心球面滚子轴承和推力向心球面滚子轴承组合而成，并安装在受料箱后壁的轴承室内。后轴承也采用双列向心球滚轴承。绞刀轴后端通过十字浮动联轴器和减速箱的输出轴连接。绞刀轴前端的悬臂段安装螺旋绞刀。挤出机工作时，泥料给绞刀轴的轴向及压力由前轴承组的推力轴承承受。前后轴承中的双列向心球面轴承承受作用在绞刀轴上的径向载荷，并具有自位调心的功能。从保证绞刀轴运转平稳的角度来说，绞刀轴前后轴承的中心距离自然越大越好。但该距离过大，机器的外形尺寸和重量随之增加，很不经济。若两轴承中心距太小，则悬臂相对较长，挠度大，会使绞刀轴运转不平稳，挤出机产生摇头现象。实践证明：在有后轴承的情况下，若绞刀轴前轴承中心至绞刀前端的距离为L1，绞刀轴前后轴承中心距离为L2，则绞刀轴要保持平衡运转，必须保证L2几。≥0．7。4．3绞刀的失效由于绞刀叶片外缘和根部的两处泥料质点沿轴向的运动速度是相等的，而绞刀叶片外缘上泥料质点与绞刀叶片的相对速度，大于绞刀叶片根部上泥料质点与绞刀叶片的相对速度。绞刀叶片在各个圆周上与泥料的相对运动速度，可由下式求得：
v，：至：型：竺
60cosa’
(3)
式中，’，一绞刀叶片在直径圆上与泥料的相对速度(m／s)；D，_泥料质点所在的圆周直径(m)；n——绞刀转速(转／分)；口L泥料质点所在圆周上的螺旋角(o)。
上述计算结果表明：绞刀外圆与泥料的相对速度远大于绞刀叶片根部与泥料的相对速度。而介于二者之间的各圆周上的相对速度，是从外径到轮毂依次减小。
显然，绞刀叶片与泥料相对速度大的部位磨损就大。因此，螺旋绞刀的失效形式是叶片外圈的严重磨损。绞刀的磨损是很快的，其磨损速度除了和绞刀的转速有关外，还与挤压力和土质有关。挤压力大、土质差(如粘土含砂、杂质量多等)，绞刀磨损速度快。一般情况下。一副绞刀生产50万一120万块普通粘土砖，就要进行修复或更换。频繁的修复或更换绞刀，将给砖瓦厂带来很大的麻烦，增加了维修工人的劳动强度．有时甚至影响生产的正常进行。因此，设法提高螺旋绞刀的耐磨性、延长使用寿命，是极为重要的。
4．4绞刀的修复
螺旋绞刀严重磨损而不修复，究竟会带来什么危害呢，主要有以下几点。
(1)由于螺旋绞刀严重磨损，使其与泥缸衬套的间隙加大，泥料反向移动的返泥现象严重，容易导致泥缸发热，降低了挤出机的生产能力。
(2)由于螺旋绞刀严重磨损，减小了绞刀的有效rT作挤压面积。以螺旋绞刀半径磨损30mm计算，JZl50型挤出机绞刀有效挤压面积减少15％，JZ400型挤出机减少30．8％，而小直径的挤出机种影响特别严重。这样，势必大大降低挤出机的产量。
(3)由于螺旋绞刀严重磨损，使外圈泥料失去挤压力，形成泥条四周泥流速度减慢，中心部位泥流速度快，即在泥料横截面上中心部位泥条速度大于外围泥条速度，从而导致制品出现螺旋纹。
(4)由于螺纹绞刀严重磨损，给修复工作带来困难甚至不可修复，使绞刀寿命约缩短。螺旋绞刀组中的输送段绞刀更换一次时，挤压段绞刀则要更换两次。
因此，在使用过程中，螺旋绞刀与泥缸衬套的间隙到了10mm，就应该进行修复，修复的主要手段是补焊，使其保持合适的间隙。

挤出机螺旋绞刀的设计与选择
作者： 王洪平
作者单位： 武汉理工大学
刊名：
砖瓦世界
英文刊名： BRICK & TILE WORLD
年，卷(期)： 2009(2)
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