韓民園，鄭建利，朱開金，2，陳亞麗

(1.山西北方興安化學(xué)工業(yè)有限公司，太原 030008;2.太原工業(yè)學(xué)院，太原 030008)

0 引言

單螺桿擠出機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、良好的性價(jià)比等特點(diǎn)，廣泛用于塑料、橡膠、纖維等聚合物的擠出加工，成為聚合物加工中最重要的一類擠出機(jī)。螺桿是擠出機(jī)的核心部件，實(shí)踐表明，螺桿設(shè)計(jì)得合理與否，對(duì)擠出制品的產(chǎn)量和質(zhì)量有重大影響［1］。普通螺桿在擠出過程中，存在較高的壓力波動(dòng)和溫度波動(dòng)，極易導(dǎo)致產(chǎn)量的波動(dòng)、制品尺寸的波動(dòng)及產(chǎn)品性能的下降。擠出過程因涉及到固體力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、流變學(xué)、高分子物理等多學(xué)科相關(guān)問題而十分復(fù)雜，因而難以得到準(zhǔn)確定量的公式進(jìn)行螺桿設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)研究仍是螺桿設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)采用螺旋壓伸工藝生產(chǎn)雙基推進(jìn)劑，已有40余年的發(fā)展歷史，與澆鑄工藝、模壓擠鑄工藝、油壓工藝等火藥生產(chǎn)工藝相比，單螺桿擠出成型加工工藝因具有生產(chǎn)過程連續(xù)、自控程度高、設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作容易，且產(chǎn)品質(zhì)量均一穩(wěn)定、重現(xiàn)性好、生產(chǎn)效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛應(yīng)用，形成了較大的生產(chǎn)規(guī)模。然而，在壓制不同品號(hào)的藥料時(shí)，通常只是在相對(duì)固定的設(shè)備上進(jìn)行工藝條件的選擇與優(yōu)化，而針對(duì)擠出設(shè)備的改進(jìn)，特別是核心部件螺桿結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，所做的工作還十分有限，極大地限制了單螺桿擠出設(shè)備的適應(yīng)范圍。尤其是隨著高能量、低感度、低特征信號(hào)為特征的改性雙基推進(jìn)劑的應(yīng)用［2］，使原有的螺壓工藝很難適應(yīng)，加工條件苛刻，產(chǎn)品質(zhì)量不易保證，如控制不好，極易發(fā)生物料在機(jī)筒內(nèi)“打滑”現(xiàn)象。這樣不僅使生產(chǎn)無法進(jìn)行，而且也是很危險(xiǎn)的，迫切需要研制適于改性雙基推進(jìn)劑生產(chǎn)的新型螺桿。通過研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺桿對(duì)改性雙基推進(jìn)劑加工工藝的影響，找出適于改性雙基推進(jìn)劑加工的優(yōu)化的螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)新型改性雙基推進(jìn)劑的研制生產(chǎn)和螺桿的設(shè)計(jì)加工有著重要指導(dǎo)作用。采用流動(dòng)性能相似的改性雙基推進(jìn)劑代用料進(jìn)行螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的預(yù)先研究，有利于提高研究效率，降低研制成本和研制風(fēng)險(xiǎn)，是研制改性雙基推進(jìn)劑適用螺桿的重要基礎(chǔ)。目前，關(guān)于螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究結(jié)果，已在改性雙基推進(jìn)劑產(chǎn)品研制中獲得了較好效果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料和實(shí)驗(yàn)設(shè)備

以典型改性雙基推進(jìn)劑配方為基礎(chǔ)，通過吸收、離心驅(qū)水、光輥壓延造粒制造出流變特性與之相似的改性雙基推進(jìn)劑代用料，用于工藝實(shí)驗(yàn)。改性雙基推進(jìn)劑代用料以硝化棉(NC)、惰性增塑劑(DZ-1)、惰性固體填料(YT-1)為主要成分。其組分含量的確定，以代用料與真料的流動(dòng)性相似為依據(jù)。采用油壓機(jī)對(duì)改性雙基推進(jìn)劑代用料與真料的流動(dòng)性(80℃)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，前者的出藥壓力和出藥速度分別為28.15 MPa、0.303 m/min，后者的出藥壓力和出藥速度分別為24.06 MPa、0.294 m/min，二者出藥速度很接近，流動(dòng)性相似，且以代用料的擠出壓力略高，這符合代用料設(shè)計(jì)原則，以便于考察設(shè)備的安全負(fù)荷，故選擇此改性雙基推進(jìn)劑代用料作為實(shí)驗(yàn)用料。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用德國(guó)進(jìn)口的Brabenda PLV-151型φ19 mm單螺桿擠出機(jī)，配置φ5 mm圓形口模。

1.2 螺桿主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇與制作

螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)改性雙基推進(jìn)劑的擠出加工工藝有重要的影響，針對(duì)加工物料易燃易爆、加工工藝參數(shù)范圍窄、產(chǎn)品塑化質(zhì)量要求嚴(yán)等特性，選擇螺桿壓縮比(ε)、螺距(s)、螺桿頭錐度(α)及螺桿直徑(d)作為螺桿設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究。其中，各參數(shù)的主要作用如下:

(1)螺桿壓縮比是指螺桿加料段第1個(gè)螺槽的容積與均化段最后1個(gè)螺槽的容積之比，表示物料通過螺桿的全過程被壓縮的程度。壓縮比越大，物料受到的擠壓作用也就越大，排除物料中空氣的能力就越大。加工各種塑料的常用的幾何壓縮比為1.6～3.7，個(gè)別小至1，大至8［1］。壓縮比的選用須充分考慮加入物料的狀態(tài)(粉狀或粒狀等)、熔融密度、物料粘度、熱敏性的要求等不同情況。對(duì)于改性雙基推進(jìn)劑來說，首先應(yīng)考慮粒狀物料在加料時(shí)的松密度和經(jīng)螺桿擠出塑化后的密度變化，其物理壓縮比約為1.23～1.43;其次，要考慮在擠壓壓力作用下物料的壓縮性、在加料段的裝填程度及制品性能所要求的密實(shí)性等因素，其幾何壓縮比的選定應(yīng)大于物理壓縮比;第三，在推進(jìn)劑產(chǎn)品擠出過程中，由于加工物料的粘度較高，成型溫度范圍窄，通常選用的螺桿壓縮比在2.0左右?？紤]到過大的壓縮比，不僅影響螺桿強(qiáng)度、增加擠壓負(fù)荷，且易加大均化段長(zhǎng)度，導(dǎo)致“倒料”危險(xiǎn);壓縮比過小，則達(dá)不到產(chǎn)品塑化要求。因此，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，拓展壓縮比的研究范圍至1.6～2.2，以研究壓縮比增大或減小對(duì)擠出工藝的影響。

(2)螺距決定物料在機(jī)筒內(nèi)停留時(shí)間，影響物料的混合塑化，對(duì)擠出物溫度、機(jī)頭溫度及功率消耗有一定影響［3］。根據(jù)加工工藝的特殊要求，有時(shí)為了在有效的加工長(zhǎng)度內(nèi)減少物料在機(jī)筒內(nèi)停留的時(shí)間而適當(dāng)加大螺距。

(3)螺桿頭錐度對(duì)物料的安全加工與穩(wěn)定擠出有重要作用。適宜的魚雷頭或平準(zhǔn)頭頭部，對(duì)物料的混合和受熱都有良好效果，有利于增大料流壓力、消除脈動(dòng)現(xiàn)象，適于擠出粘度大、導(dǎo)熱性差的熱敏性物料［4］。反之，若物料在螺桿頭部滯留過久，易引起物料分解，不利于安全生產(chǎn)和提高產(chǎn)品質(zhì)量。

(4)螺桿直徑?jīng)Q定著成型制品的形狀大小和生產(chǎn)效率。如果螺桿直徑選擇不當(dāng)，便會(huì)導(dǎo)致多種不合理的情況。用大直徑螺桿生產(chǎn)小制品，只能在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，擠出機(jī)使用既不經(jīng)濟(jì)，也容易因?yàn)檩^高的機(jī)頭壓力而損壞設(shè)備。反之，用小直徑螺桿生產(chǎn)大制品，會(huì)因機(jī)頭缺料而產(chǎn)生制品缺陷［1］。

對(duì)螺桿直徑、壓縮比、螺桿頭錐度及螺距4個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分別確定三水平，然后按照四因素三水平正交設(shè)計(jì)法［5］所確定的螺桿參數(shù)組合，設(shè)計(jì)制作9種螺桿，并進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在一定的工藝條件(加入物料溫度(70±5)℃;機(jī)筒夾套水溫度(90±5)℃;螺桿轉(zhuǎn)速15 r/min)下，選用1.2節(jié)中9種螺桿對(duì)改性雙基推進(jìn)劑代用料進(jìn)行擠出工藝實(shí)驗(yàn)，研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)螺桿對(duì)其機(jī)頭壓力、螺桿扭矩、出料速度的影響程度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工藝研究目標(biāo)的選擇

針對(duì)改性雙基推進(jìn)劑產(chǎn)品加工過程的易燃易爆、物料流動(dòng)性差、高負(fù)載等特點(diǎn)，并結(jié)合改性雙基推進(jìn)劑產(chǎn)品研制的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，選擇機(jī)頭壓力、螺桿扭矩、出料速度作為工藝研究的目標(biāo)，可較好地表征安全加工要求、設(shè)備承載能力、產(chǎn)量及物料加工的難易程度。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)螺桿結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)進(jìn)行了四因素三水平設(shè)計(jì)(見表1)，選用L9(34)正交表，進(jìn)行螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)擠出工藝影響的正交實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見表2，正交實(shí)驗(yàn)計(jì)算見表3，表中因素A表示壓縮比(ε)，因素B表示螺距(s)，因素C表示螺桿頭錐度(α)，因素D表示螺桿直徑(d)。

表1 正交實(shí)驗(yàn)的因素與水平Table 1 The factors and levels of orthogonal experiment

根據(jù)表2的測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)頭壓力、螺桿扭矩、出料速度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正交分析，分析結(jié)果見表3，表中 ai、bi、ci(i=1、2、3)分別表示機(jī)頭壓力、螺桿扭矩、出料速度各自對(duì)應(yīng)的水平i 3次測(cè)試值加和;RjP、RjT、RjV分別表示ai、bi、ci3組參數(shù)中的大數(shù)減小數(shù)所得的極差值，各因素的合適水平見表4。

對(duì)表2～表4的數(shù)據(jù)分析如下:

(1)從表2數(shù)據(jù)可知，9號(hào)性能較好，其對(duì)應(yīng)的設(shè)備負(fù)荷較低、產(chǎn)量較高，基本滿足安全生產(chǎn)加工要求。

(2)從表3中極差(Rj)的計(jì)算數(shù)據(jù)可看出:

對(duì)機(jī)頭壓力和扭矩的影響次序均為B＞D＞A＞C，顯然B和D是主要影響因素。限于改性雙基推進(jìn)劑加工的特殊性，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，希望機(jī)頭壓力低一些，螺桿扭矩小一些，這對(duì)安全加工和減小設(shè)備承載負(fù)荷是有利的。其中，因素B的三水平、因素D的二水平對(duì)機(jī)頭壓力的影響最大，而因素B的三水平、因素D的三水平對(duì)螺桿的扭矩影響最大。這說明B和D是較重要的因素，在設(shè)計(jì)中要特別注意。

對(duì)出料速度的影響次序?yàn)镈＞A＞C＞B，顯然因素D和因素A是主要影響因素。其中以因素D的一水平、因素A的二水平影響最大。出料速度高，表明物料易于加工，表觀粘度低，產(chǎn)量大。同樣，D和A在設(shè)計(jì)中也要特別注意。

表2 不同螺桿的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 The experimental data of different screw

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果正交分析Table 3 The orthogonal analysis of the experimental results

表4 各因素的合適水平Table 4 The suitable level of every factor

(3)從表3正交分析計(jì)算數(shù)據(jù)中可分別得出，影響機(jī)頭壓力、螺桿扭矩、出料速度的各因素合適水平及相應(yīng)螺桿參數(shù)組合的較理想水平分別為 A3B3C3D2、A3B3C3D3、A1B3C3D2。對(duì)上述螺桿參數(shù)組合進(jìn)行綜合對(duì)比，從正交設(shè)計(jì)的原理上來講，螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)組合A3B3C3D2是較理想水平。從生產(chǎn)實(shí)際來講，確保加工過程安全是改性雙基推進(jìn)劑產(chǎn)品研制與生產(chǎn)的首要問題，其次才是質(zhì)量與產(chǎn)量。因此，對(duì)改性雙基推進(jìn)劑安全加工有重要影響的機(jī)頭壓力，其對(duì)應(yīng)的螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)也應(yīng)為重點(diǎn)考慮。綜上所述，螺桿參數(shù)組合的理想水平為A3B3C3D2。

3 結(jié)論

(1)三水平的螺距和二水平的螺桿直徑依次是影響機(jī)頭壓力或螺桿扭矩的主要因素;二水平的螺桿直徑、一水平的壓縮比依次為影響出料速度的主要因素。

(2)由因素A(壓縮比)的三水平、因素B(螺距)的三水平、因素C(螺桿頭錐度)的三水平及因素D(螺桿直徑)的二水平組成的螺桿參數(shù)組合，是有利于改性雙基推進(jìn)劑安全加工的綜合性能理想的螺桿參數(shù)組合(A3B3C3D2)。

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