袁文清，黃興元，王都陽

（南昌大學機電工程學院聚合物成型實驗室，南昌 330031）

熱風循環(huán)熔融塑料回收造粒機的設計和樣機試驗*

袁文清，黃興元，王都陽

（南昌大學機電工程學院聚合物成型實驗室，南昌 330031）

在分析國內(nèi)廢舊塑料回收現(xiàn)狀以及傳統(tǒng)塑料回收工藝的基礎上，遵循機械設計原理，設計出熱風循環(huán)熔融廢舊塑料回收造粒機，將廢舊塑料經(jīng)熱風加熱熔融后，再由單螺桿將熔融塑料擠出造粒。其中重點介紹了熱風循環(huán)熔融塑料系統(tǒng)以及螺桿的幾何參數(shù)設計。遵循結(jié)構(gòu)設計方案，制造出熱風循環(huán)熔融塑料回收造粒機的物理樣機，并用該樣機進行塑料回收試驗，試驗驗證了熱風熔融塑料回收的可行性和研究價值，同時針對試驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題提出了一系列解決方法，為后續(xù)的改進和進一步研究工作提供了可靠依據(jù)。

熱風熔融；塑料回收；結(jié)構(gòu)設計；樣機試驗

塑料制品自20世紀問世以來，具有成本低、質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕、加工方便、高絕緣和美觀實用等特點，塑料制品被廣泛應用于家電、汽車、建筑、電子電器、信息科技及通訊、包裝等各個方面［1-3］。但是由于塑料制品易破損、難于自然降解、易老化，因此廢棄物中廢舊塑料所占的比例日益增加，它所造成的環(huán)境污染亦日趨嚴重，廢舊塑料的回收再利用也越來越得到重視。我國塑料企業(yè)的規(guī)模越來越大，但是我國廢舊塑料的回收率并不高，所以塑料回收造粒機設備在我國有著廣大的客戶群體和商業(yè)機遇，尤其是生活中廢舊塑料的回收造粒機等設備的研發(fā)具有很廣闊的發(fā)展空間。我國廢舊塑料的處理方法主要是填埋和焚燒，這不但不能將廢舊塑料回收再利用，反而加劇了對環(huán)境的污染。廢舊塑料回收不僅保護環(huán)境，節(jié)約資源，同時也符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，所以廢舊塑料回收造粒機有著很大的研究價值。研發(fā)廢舊塑料回收設備不僅可以解決污染問題，同時更重要的是解決我國塑料資源短缺的現(xiàn)狀，促進我國塑料工業(yè)的發(fā)展和進步。

目前，有許多學者、研究團隊以及企業(yè)等在研究廢舊塑料的回收造粒機［3-5］，但大部分的研究都是在傳統(tǒng)塑料擠出工藝和設備的基礎上進行部分機構(gòu)和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的改進，真正完全自主研發(fā)并能夠投入實際生產(chǎn)應用的塑料回收造粒機較少。塑料簡單再生技術國內(nèi)應用的年限較長，比較成熟，其傳統(tǒng)的工藝流程是：廢舊塑料收集→篩選→破碎→清洗→烘干→熔融→切粒。由于傳統(tǒng)工藝的各個環(huán)節(jié)都需要專門的設備，成本高，工作噪聲大，易產(chǎn)生粉塵和污水，且易造成二次污染。針對二次污染問題，吳利剛［6］、劉志等［7］、林小明［8］、吳鎮(zhèn)宇［9］分別發(fā)明了消除廢舊塑料粉塵以及廢舊塑料回收過程中產(chǎn)生的有害氣體的塑料回收機，但這僅改善了傳統(tǒng)工藝中其中的一個環(huán)節(jié)，不能徹底解決問題。

周獻華［10］提出了熱風循環(huán)熔融塑料回收的工藝，這是塑料回收造粒中的一個全新工藝，該工藝免去了傳統(tǒng)工藝中的破碎環(huán)節(jié)，降低了成本，也減少了二次污染，同時熱風循環(huán)使得熱能能夠循環(huán)利用，降低了能耗，節(jié)約能源。根據(jù)該工藝的設計理念，陳丹［11］設計了立式熱風循環(huán)熔融塑料造粒機和控制系統(tǒng)，但是設計存在缺陷，螺桿調(diào)速困難，沒有切粒裝置，無法完成造粒；熊秋亮［12］在立式的基礎上改進設計出臥式熱風循環(huán)熔融塑料回收造粒機，雖然解決了立式所存在的問題，但是螺桿擠出機構(gòu)設計存在缺陷，熔融塑料不能經(jīng)螺桿擠出。立式和臥式熱風循環(huán)熔融塑料回收造粒機都無法達到設計要求，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

筆者基于立式和臥式熱風循環(huán)熔融塑料回收造粒機所存在的問題，分析廢舊塑料的材料屬性以及塑料熔融后的性能情況，遵循機械設計和塑料熔融再生的原理，采用結(jié)構(gòu)化和一體化設計方法重新設計了新型熱風循環(huán)熔融塑料回收造粒機，以達到在實現(xiàn)熱風循環(huán)熔融塑料的同時能夠由螺桿順利擠出造粒的目的。詳細介紹和分析了該塑料回收造粒機熱風循環(huán)系統(tǒng)以及單螺桿的結(jié)構(gòu)、設計尺寸和相關功能。按照設計方案和實際要求，制造出新型試驗樣機，用該樣機進行塑料回收試驗，研究熱風循環(huán)熔融塑料回收的試驗方法，驗證該結(jié)構(gòu)設計方案是否合理可行，能否有效和穩(wěn)定地回收廢舊塑料，并找出所存在的問題，以便加以改進和完善，最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

1　熱風循環(huán)熔融塑料回收造粒機的結(jié)構(gòu)設計

1.1整體結(jié)構(gòu)設計

熱風循環(huán)熔融塑料回收造粒機的總體原理設計方案如圖1所示（圖中箭頭表示熱風循環(huán)路徑）。熱風熔融塑料回收造粒機主要機械機構(gòu)包括熱風循環(huán)熔融機構(gòu)、攪拌機構(gòu)、螺桿擠出機構(gòu)、傳動機構(gòu)和造粒機構(gòu)。該設備主要用于熔融回收廢舊塑料并進行擠出造粒，實現(xiàn)廢舊塑料的回收再利用。加熱風箱、風機以及加熱管組成的熱風循環(huán)加熱系統(tǒng)向塑料主箱體內(nèi)提供恒定溫度的熱風，對廢舊塑料進行加熱熔融，再通過攪拌機構(gòu)和篩網(wǎng)將熔融的廢舊塑料送入螺桿的進料口，然后經(jīng)螺桿擠出機構(gòu)擠出，最后在螺桿擠出口的切粒機構(gòu)對擠出的塑料進行造粒。整套設備全部集成為一體，容易操作（可一人完成），運行高效節(jié)能，并且零部件的加工和組裝均較方便，不僅便于維修和更換，更節(jié)約了人力和物力，降低了制造成本。

圖1　熱風熔融塑料回收造粒機原理圖

1.2熱風循環(huán)熔融系統(tǒng)的設計

熱風循環(huán)熔融系統(tǒng)主要包括箱蓋、風機、加熱管、熔融箱體和外箱體，具體結(jié)構(gòu)設計方案如圖2所示（圖中箭頭所示為熱風循環(huán)方向）。

圖2　熱風循環(huán)系統(tǒng)原理圖及熔融箱體圖

該設計方案是所研究的塑料回收造粒機的主要創(chuàng)新點，傳統(tǒng)的廢舊塑料需經(jīng)過清洗、破碎及烘干后再熔融造粒，而采用熱風循環(huán)熔融可以直接將廢舊塑料投入到熔融箱體內(nèi)進行熔融。熱風循環(huán)熔融系統(tǒng)工作時處于密封狀態(tài)，廢舊塑料通過料斗口進入到熔融箱體內(nèi)，熔融箱體采用一體化設計，兩邊對稱各布置有3個通氣孔。加熱風箱與熔融箱體的氣孔兩側(cè)密封焊接，加熱風箱內(nèi)裝有風機和加熱管：加熱管的作用是對加熱箱體內(nèi)的空氣進行加熱，而風機將熔融箱體內(nèi)的空氣經(jīng)氣孔抽入加熱風箱的箱體內(nèi)，經(jīng)由加熱管加熱后再送入到熔融箱體內(nèi)將廢舊塑料熔化，如此往復循環(huán)，確保了熔融箱體內(nèi)能夠一直保持所需的溫度。當熔融箱體內(nèi)廢舊塑料熔融后經(jīng)過篩網(wǎng)流入到螺桿機筒內(nèi)。

1.3螺桿的設計

廢舊塑料擠出成型工藝具有應用廣泛、產(chǎn)品樣式多、連續(xù)喂料、生產(chǎn)效率高、操作簡便以及成本低等優(yōu)點。擠出成型主要設備是擠出機，擠出機主要分為單螺桿擠出機、雙螺桿擠出機、往復式單螺桿擠出機和行星螺桿擠出機等，而單螺桿擠出機是聚合物成型工業(yè)中最重要的擠出機類型［13］。單螺桿擠出機最突出的優(yōu)點是相對成本低、結(jié)構(gòu)設計簡單、堅固耐用以及可靠。單螺桿擠出機能加工幾乎所有類型的聚合物，設計要求非常廣泛，性價比較高。

螺桿是廢舊塑料擠出生產(chǎn)線的基礎零部件，也是最重要的一個組成部分?，F(xiàn)在的螺桿幾何學非常復雜，螺桿的設計對于非常有經(jīng)驗的工程師來說也面臨很大的困難。螺桿擠出結(jié)構(gòu)的設計不可能一步到位，需要進行多次試驗并加以優(yōu)化改進。螺桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有：螺桿直徑D、長徑比L/D、螺距S、螺槽寬度W、螺棱寬度e、螺紋升角φ、螺棱間隙C、螺槽深度H等，其形狀尺寸參數(shù)如圖3所示。

圖3　單螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)

常規(guī)的工業(yè)生產(chǎn)用的單螺桿擠出機分進料段、壓縮段（熔融段）和計量段（均化段）3段，筆者所設計的螺桿不需要具備輸送、壓縮和塑化的功能。所研究的熱風循環(huán)熔融塑料回收造粒機和傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)用的塑料擠出機不同，廢舊塑料在進入螺桿機筒內(nèi)時已經(jīng)是熔融狀態(tài)，且螺桿機筒外安裝有帶式加熱圈，對機筒進行加熱，保持塑料的熔融溫度不變，從而使得熔融塑料在螺桿機筒內(nèi)能夠順利擠出，不會因為溫度降低而使其冷卻凝固粘結(jié)在機筒和螺桿上。

遵循螺桿的設計原理，綜合考慮所研究螺桿的加工難易度以及成本問題，采用加工制造簡單、成本低的等距變深螺桿的設計，如圖4所示。

圖4　螺桿擠出機構(gòu)

螺桿的有關結(jié)構(gòu)設計參數(shù)如表1所示。

表1　螺桿參數(shù)

2　電路控制系統(tǒng)

熱風熔融塑料需要熔融箱體內(nèi)的溫度保持在所回收塑料的熔融溫度附近，溫度過高容易造成塑料燃燒或者發(fā)生熱降解，從而使回收后的塑料失去再利用的價值，溫度過低無法使塑料熔融，不能使其順利經(jīng)螺桿擠出造粒。所以，需要對加熱管以及加熱線圈的加熱時間進行準確控制，這就需要通過設計一套溫度檢測控制系統(tǒng)來實現(xiàn)上述功能。

溫度控制系統(tǒng)的交流接觸器、溫度顯示調(diào)節(jié)器以及熱電偶是主要部件，另外還有旋鈕開關、空氣開關（總開關）等。整套加熱系統(tǒng)有24根功率為900 W的加熱管以及3個功率為500 W的加熱線圈，其中加熱箱體內(nèi)的加熱管由兩個交流接觸器各控制一半，加熱線圈單獨由一個交流接觸器控制。試驗用的額定電壓是380 V，所以試驗用的溫度顯示調(diào)節(jié)器以及交流接觸的額定電壓要與之對應。每個溫度顯示調(diào)節(jié)器都可以設置一個溫度值，同時顯示由連接的熱電偶檢測到的溫度值。當檢測的溫度值高于所設定的溫度值時，交流接觸器接收信號發(fā)生動作，斷開開關，停止加熱；當檢測到的溫度值低于所設定的溫度值時交流接觸器又會做出動作，連接開關，繼續(xù)加熱，如此達到對溫度的定點控制。具體的電路圖如圖5所示。實際電路控制實物圖如圖6所示。

圖5　溫度控制系統(tǒng)電路圖

圖6　實際電路控制實物圖

除了溫度控制外，還有攪拌電機、螺桿電機和風機的接線控制。這些電機的連接正確與否關系到電機能否按照試驗要求進行運轉(zhuǎn)，尤其是攪拌電機和螺桿電機的連接更為重要。如果三相電接反，電機反轉(zhuǎn)，就不能進行正常的攪拌和擠出，在不確定的情況下可以通過試觸法進行判斷。

3　樣機試驗

試驗是檢驗設計方案是否可行的唯一標準。通過試驗，可以知道所設計的機構(gòu)是否符合設計要求，同時也能在初步試驗的基礎上，為后續(xù)進一步的研究和設計提供實際可靠的依據(jù)，更好更快地設計出符合實際要求的熱風循環(huán)熔融塑料回收造粒機。由于筆者所研究的設備是創(chuàng)新型研究，設計機理與傳統(tǒng)的塑料擠出機并不相同，所以樣機試驗首先要檢驗各機構(gòu)間的運行是否可靠，是否發(fā)生干涉，以及整體運作時能否將廢舊塑料熔融后順利擠出造粒。試驗物理樣機如圖7所示。

圖7　試驗樣機

由于正常生產(chǎn)工作均是在常溫環(huán)境下，所以樣機試驗的環(huán)境選擇在實際工廠內(nèi)，為了使熔融箱體內(nèi)的溫度盡快達到所回收塑料的熔點，同時也避免熱量的損失，節(jié)約能量，對樣機進行了保溫處理，在樣機箱體外殼設計有一保溫層，向保溫層內(nèi)填充保溫石棉進行保溫?？紤]到試驗過程中的安全性，選擇的具體試驗步驟如下：

（1）啟動總開關，按下加熱管以及加熱線圈的控制開關進行加熱；

（2）啟動風機，將熔融箱體內(nèi)的冷風經(jīng)加熱管加熱后再送入熔融箱體內(nèi)，實現(xiàn)循環(huán)；

（3）設置溫度顯示調(diào)節(jié)器的溫度值，待溫度接近所回收的塑料熔融溫度時將廢舊塑料投入熔融箱體內(nèi)，同時啟動攪拌電機進行攪拌，使塑料受熱均勻；

（4）啟動螺桿電機，帶動螺桿旋轉(zhuǎn)，將熔融塑料擠出；

（5）切粒機構(gòu)進行切粒回收。

試驗以實驗室內(nèi)的廢舊聚丙烯（PP）為原料，其熔融溫度為160～170℃，分別由3個熱電偶檢測加熱箱體、熔融箱體以及螺桿機筒內(nèi)的溫度。在試驗過程中，設置最高熔融溫度170℃作為加熱開關通斷的溫度點，當檢測到熔融箱體內(nèi)的溫度高于所設置的熔融溫度時會自動斷開加熱開關，當溫度低于該溫度值時又會啟動加熱。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的記錄，加熱到160℃需要1 h左右。在測得熔融箱體內(nèi)溫度為130℃時，將廢舊塑料投入熔融箱體內(nèi)，攪拌機構(gòu)的攪拌使得塑料受熱更均勻，觀察發(fā)現(xiàn)廢舊塑料開始熔融，同時啟動螺桿變頻電機（最小轉(zhuǎn)速）。約20 min后隨著攪拌電機的攪拌和擠壓，熔融狀塑料流入到螺桿機筒內(nèi)，并能隨著螺桿轉(zhuǎn)動順利擠出。圖8為試驗用廢塑料以及樣機的熔融擠出時的情況。

圖8　試驗用廢塑料與樣機熔融擠出時的情況

試驗過程中熱風循環(huán)良好，電控系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在樣機不斷擠出熔融塑料的過程中，發(fā)現(xiàn)增加螺桿電機所連接的變頻器的頻率即逐步增加螺桿的轉(zhuǎn)速，熔融塑料在口模的擠出速率也有所提升，但是不夠明顯。試驗中在口模流道出口處使用旋轉(zhuǎn)刀片進行切粒，發(fā)現(xiàn)切粒不均勻，相鄰出口處有顆粒會粘結(jié)在一起。待箱體內(nèi)的塑料全部擠出后，停止試驗，停機冷卻后卸下螺桿機筒，發(fā)現(xiàn)熔融箱體出料口位置的箱壁內(nèi)有冷卻的塑料粘結(jié)。

針對試驗現(xiàn)象和存在的問題，提出以下方法進行解決：（1）將保溫層加厚，增加保溫石棉的用量，確保箱體完全密封，減少加熱時間，節(jié)約電能；（2）更換更精確的熱電偶元件，在箱體上鉆孔，將熱電偶探頭深入到箱體內(nèi)，測量箱體內(nèi)空氣的溫度，這個測量值更接近實際氣體的溫度值，避免溫度加熱過高影響回收塑料的再利用價值；（3）在熔融箱體下部出料口位置外面加一個大功率加熱線圈，確保出料口位置的塑料熔融，順利流入機筒，避免阻塞；（4）重新設計口模，使口模流道數(shù)減少，成直線布置；（5）使用計算機輔助技術，對熔融塑料在螺桿機筒內(nèi)的擠出過程進行數(shù)值模擬分析，結(jié)合實際問題進行分析和改進。

4　結(jié)語

通過模塊化和一體化的設計思路，遵循機械設計原理和熱風循環(huán)原理，結(jié)合塑料回收造粒機所要實現(xiàn)的具體功能，對所研制的新型熱風循環(huán)熔融塑料回收造粒機進行功能模塊化設計，并且制造出該熱風循環(huán)熔融塑料回收造粒機的物理樣機。針對樣機的工作原理，設計出相對應的電控系統(tǒng)，通過電控系統(tǒng)對物理樣機進行實際試驗操作，驗證其能否實現(xiàn)設計的具體功能，達到預期的效果。

試驗過程中，熱風循環(huán)熔融塑料回收造粒機各個機構(gòu)之間運行正常，設備運行穩(wěn)定，能達到設計要求；電控系統(tǒng)運行良好，整個過程僅需一人即可完成，節(jié)省人力；熱風循環(huán)良好，保溫節(jié)能；成功完成了廢舊塑料的熔融擠出造粒。試驗結(jié)果驗證了熱風循環(huán)熔融塑料回收方法的有效性和可行性。

通過樣機試驗的現(xiàn)象和結(jié)果，也發(fā)現(xiàn)了試驗樣機存在的一些問題。由于熱風循環(huán)熔融塑料回收造粒機的研發(fā)和試驗涉及機械、電子控制以及化學等多學科的知識，一次試驗很難成功，針對試驗所出現(xiàn)的問題，綜合考慮機械結(jié)構(gòu)以及原料屬性等多方面的影響因素，為后續(xù)的研究提出了相應的解決辦法。通過計算機輔助技術和樣機試驗相結(jié)合，不斷完善設計方案，最終可以研制出運行穩(wěn)定的符合實際生產(chǎn)需求的熱風循環(huán)熔融塑料回收造粒機。

［1］ 劉明華，李小娟.廢舊塑料資源回收利用技術［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2012. Liu Minghua，Li Xiaojuan.Waste plastic recycling utilization technology［M］. Beijing：Chemical Ιndustry Press，2012.

［2］ 湯桂蘭，胡彪，康在龍，等.廢舊塑料回收利用現(xiàn)狀及問題［J］.再生資源與循環(huán)經(jīng)濟，2013，6（1）：31-35. Tang Guilan，Hu Biao，Kang Zailong，et al.The current situation and problems of waste plastic recycling［J］. Recyclable Resources and Circular Economy，2013，6（1）：31-35.

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［7］ 劉志，林杰.一種塑料造粒機：中國，203344204U［P］.2013-12-18. Liu Zhi，Lin Jie.A kind of plastic granulator：CN，203344204U［P］. 2013-12-18.

［8］ 林小明.一種零排放的再生塑料造粒機：中國，203004102U［P］. 2013-06-19. Lin Xiaoming.A renewable plastic granulator with zeroemission：CN，203004102U［P］.2013-06-19.

［9］ 吳鎮(zhèn)宇.一種塑料造粒機：中國，103481396A［P］.2014-01-01. Wu Zhenyu.A kind of plastic granulator：CN，103481396A［P］. 2014-01-01.

［10］ 周獻華.熱風熔融塑料回收造粒機及其控制系統(tǒng)研究［D］.南昌：南昌大學，2011. Zhou Xianhua.Study on hot air heating molten plastic recycling extruder and control system［D］.Nanchang：Nanchang University，2011.

［11］ 陳丹.熱風循環(huán)加熱塑料回收造粒機實驗研究與設計［D］.南昌：南昌大學，2013. Chen Dan.Study on hot air circulation heating plastic recycling granulator and experiments［D］.Nanchang：Nanchang University，2013.

［12］ 熊秋亮.臥式熱風熔融廢舊塑料擠出造粒機研究［D］.南昌：南昌大學，2014. Xiong Qiuliang.Study on horizontal hot melt extrusion granulator of recycling waste plastics［D］. Nanchang：Nanchang University，2014.

［13］ White J L，Potente H.螺桿擠出［M］.何紅，金志明，譯.北京：化學工業(yè)出版社，2005. White J L，Potente H. Screw extrusion［M］. Translated by He Hong，Jin Zhiming. Beijing：Chemical Ιndustry Press，2005.

Design and Prototype Test of Hot Air Circulation Molten Plastic Recycling Granulator

Yuan Wenqing， Huang Xingyuan， Wang Duyang
（Polymer Processing Research Lab， School of Mechanical and Electric Engineering， Nanchang University， Nanchang 330031， China）

Based on the analysis of the domestic current situation of the waste plastics recycling and on the basis of traditional plastic recycling technology，following the principle of mechanical design，a molten waste plastic recycling granulator with hot air circulation was designed. The waste plastic was heated and melted by the hot air，and then the molten plastic was extruded and granulated by a single screw. The hot air circulation system and geometric parameters design of the screw were focused on. Following the structure design project，the physical prototype of hot air circulation molten plastic recycling granulator was produced，and a test of plastic recycling with the prototype was conducted. The test verified the feasibility and research value of hot air molten plastic recycling. At the same time，a series of solutions to the problems found in the test were put forward，which provides the reliable basis for the subsequent improvement work and further research.

hot air melt；plastic recycling；structure design；prototype test

TQ320.5

A

1001-3539（2016）03-0074-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.03.015

*江西省科技計劃項目（20122BBG70069-2012），江西省教育廳科學技術研究項目（GJJ3049-2013），江西省專利產(chǎn)業(yè)化專項計劃（20143BBM26043）

聯(lián)系人：黃興元，教授，博士生導師，主要從事聚合物成型理論與裝備研究

2015-12-31