擠塑機

擠塑機是一種重要的塑料機械， 大部分的塑料製品的生產與製造都可以依靠擠塑成型實現。擠塑機電機是擠塑機的重要組成部分，是擠塑機的原動機，提供擠塑機螺桿所需要的大推力。針對目前通用的 90 mm 螺桿擠塑機設計了一種低速大轉矩永磁直驅電機，其具有效率高、 功率密度大、 節能性較好、 可靠性高、 控制精度高等諸多優點，但是由於擠塑機工作時料筒中的塑料為高温熔融狀態的塑料膠體， 而永磁電機又直接與擠塑機螺桿連接， 這會對電機的温升產生不良的影響。同時， 永磁電機在進行機電能量轉換時又不可避免地要產生各種損耗， 這些損耗最終都以熱的形式散發到電機和周圍冷卻介質中，那麼，綜合上述兩方面的共同作用， 對電機温升的分析以及冷卻系統的設計是保證永磁電機的可靠運行的重要環節. ^[1]  。

H200型擠塑機經投入使用後 ,發現存在無法長時間連續生產的問題。 當連續生產超過 12h或短時停車後再開車 ,擠出的膠料會伴有焦粒、焦塊現象 ,嚴重影響電纜的製造質量。儘管採取了降低擠塑機各段工藝温度、螺桿轉速以及重新改進擠塑機風冷系統等措施 ,但均未能有效解決上述問題。這給生產大截面電纜造成了嚴重的影響. ^[1] 

該擠塑機在長時間連續生產時膠料在擠塑機中流動不暢 ,有死區致使膠料停留時間過長而過熱焦燒 ,出現焦粒、焦塊。該擠塑機機頸段原設計不合理 ,其不合理處有如下兩點. ^[1]  。

1) 螺桿端部與濾網板間的距離過大,由於螺桿端部與濾網板間的距離過大 ,致使 a-a處截面積增大。 經測算 ,原設計在 a-a處的截面積與螺桿輸料截面積 (螺槽寬×螺稜高度 )之比約為 3. 5∶ 1,膠料在這一區域流動時 ,其面積突然增大而出現渦流。 這一現象可從突然擴大的等效管流 ,且對停車拆下的餘料進行分析 ,同樣得出瞭如下結論: 由於渦流的存在 ,致使膠料滯留 ,進而造成膠料因滯流時間長而過熱焦燒. ^[1]  。

2) 濾網板孔眼總面積過大

原設計濾網板孔眼總面積與導料孔面積之比約為 3 ∶ 1 。 這樣 ,由於濾網板孔眼總面積遠大於導料孔面積 ,致使膠料在流動時 ,受到的阻力增加。 這一現象可從突然縮小的等效管流圖中直觀地看出。 由於膠料所受的阻力大 ,因此在濾網板處的應力極不均勻: 中間應力大 ,膠料流動快 ;而邊緣應力小 ,膠料流動緩慢。結果造成膠料在邊緣區域滯留而焦燒 ,邊緣區域的焦燒膠料達到一定量時 ,這一區域的應力將會增加 ,最終把焦料帶出。如此反覆 ,造成了擠出時出現間歇性焦粒、焦塊。根據對停車後拆下來的濾網邊緣區域積存的焦燒料分析 , 上面的結論十分正確. ^[1]  。

擠塑機電磁感應加熱節電器由電磁感應加熱圈和電磁感應加熱控制器組成， 是一種利用電磁感應原理將電能轉換為磁能， 使被加熱鋼體感應到磁能而發熱的一種加熱方式。該裝置採用了鎖相環技術， 由鎖相環控制工作頻率， 自動跟蹤被加熱體固有頻率及其它參數的變化， 由大功率的絕緣柵雙極型功率管（IGBT）全橋組成， 使功率管保持在零電壓開關狀態， 損耗最小， 安全區大， 進一步提高工作效率， 改善功率因數， 達到 98%以上 ^[2]  。

擠塑機受温度控制的電源經電磁感應控制器將工頻交流電整流、 濾波、 逆變成 20~40 kHz的高頻交流電， 高速變化的高頻電流流過線圈會產生高速變化的交變磁場， 當磁場內的磁力線通過導磁性金屬材料時會在金屬體內產生無數的小渦流， 使金屬材料本身自行高速發熱， 從而加熱金屬材料料筒內的塑料， 根據具體情況在料筒外部包裹一定的隔熱保温材料， 可以大大減少熱量散失， 提高熱效率， 節電率可達 30%～50%。因為電磁感應加熱圈本身並不發熱， 而且是採用絕緣材料和高温電纜製造， 所以不存在原電熱圈的電阻絲在高温狀態下氧化而縮短使用壽命的問題， 具有使用壽命長、 升温速度快、 節電效果顯著、 無需維修等優點 ^[2]  。

44台擠塑機， 加熱總功率為 892 kW、年工作 5 000 h， 加熱達到工藝温度後就自動停止加熱， 根據平常機台數據積累， 加熱時間約為工作時間的 60%，年消耗電能 267.6萬 kWh。改造後的擠塑機加熱總功率為625 kW。擠塑機電磁加熱節電器價格按1 660元/kW計， 預計投資625 kW×1 660元/kW=103.75萬元 （電價按 0.68元/kW計算） ^[2]  。

改造前年用電量 892 kW×5 000 h×60%=267.6萬 kWh； 改造後年用電量 625 kW×5 000 h×60%=187.5 萬 kWh； 年節電量 80.1 萬 kWh； 年節約電費80.1萬kWh×0.68元/kWh=54.5萬元； 節約電力267 kW；節電率=80.1 萬 kWh÷267.6 萬 kWh=29.9%； 投資回收期 23個月 ^[2]  。

（1）高效節能。熱效率高達 95%以上， 由於是定向加熱， 同等條件下比電阻式加熱方式節電 30%~70%， 預熱時間縮短 2/3。（2）運行可靠、 產品合格率高。多閉環智能控制系統和完善的保護系統， 保證設備長期安全可靠運行。由於改變了傳統的電加熱方式， 減小了被加熱物體的熱慣性， 提高了温控精度， 提高產品的質量和合格率。（3）降低費用。加熱部分採用電纜結構， 加熱電纜本身不會產生熱量， 使用壽命長久。避免了電阻式加熱需要經常維護和定期更換加熱圈的弊病，後期基本無維護費用。（4）改善環境。加熱部分熱量耗散少， 表面可用手觸摸， 改善了生產現場的環境條件 ^[2]  。

據不完全統計， 全國現有塑料生產機械約 160萬台套， 每年還以 15%的速度遞增， 加熱部分的電容量為 2 000 萬 kW， 日用電量約為 2 000 萬 kW×0.5×20 h=2億 kWh，（0.5為機器加熱通斷比， 20 h為機器1天生產的工時）， 按每台機每年 300個工作日計算，全國塑料加工機械全年用電量為 600億 kWh， 若所有的機器都安裝了電磁加熱裝置， 那麼全國節約電能約在 180億 kWh， 這比葛洲壩全年的發電量還多23 億 kWh， 對緩解國家電力緊張， 降低國家投資和降低企業生產成本都有十分積極的作用和意義 ^[2]  。

1) 縮短螺桿端部與濾網板間的距離加長螺桿頭 ,使螺桿端部與濾網板間的距離由原來的 16m m縮短到 6m m。 同時 ,還把平板式濾網板改為 U型濾網板 ,從而大大減少了間距。縮短兩者之間的間距後 ,螺桿輸料截面積與 a-a處截面積之比為 1 ∶ 1,避免因截面積突然變大而出現渦流. ^[1]  。

2) 減少濾網板孔眼總面積改進的設計是將濾網板孔眼的總面積與導流孔面積的比例定為 1. 2 ∶ 1左右。 這樣 ,兩者間的面積相差不大 ,既有利於在濾網板處保持一定的壓力 ,又使壓力分佈比較均勻 ,從而避免了膠料在流動時 ,因邊緣應力過小. ^[1] 

改造前生產工藝複雜， 產品質量不穩定， 既浪費人力又浪費電能。改造後的整個工藝流程全部採用智能化控制系統， 整個控制系統以可編程序控制器和觸摸屏組成， 系統設備的主要工藝參數均可在觸摸屏畫面上設定、 修改， 可編程序控制器根據設定的工藝參數完成系統控制過程。設備操作者完成擠出速度、 加熱温度、 收線張力參數設定後， 即可啓動系統正常運行 ^[2]  。

（1）導體經放線架由 SJ65擠塑機在導體表面擠包耐火內保護層， 經履帶牽引機牽引將電纜繞入電纜盤。（2）將擠包完耐火內保護層的電纜經放線架由SJ150 擠塑機在耐火內保護層表面擠包絕緣層， 經履帶牽引機牽引將電纜繞入電纜盤。（3）將擠包完絕緣層的電纜經放線架由 SJ90擠塑機在絕緣層表面擠包阻燃外保護層， 經履帶牽引機牽引將電纜繞入電纜盤。（4）將經以上 3道工序生產的電纜送進高温硫化房進行高温硫化， 硫化結束將電纜取出進行冷卻後轉入下道工序。高温硫化房由金屬外殼構成， 直徑4 m， 內部四周全部由加熱管構成， 功率為 375 kW，能源消耗大 ^[2]  。

導體經放線架通過轉向輪及夾線器進入儲線器， 出儲線器後通過轉向輪進入包帶牽引機， 包帶牽引輪外部有 2層膠帶， 把導體線芯壓住， 通過調節器調節氣缸內的壓力大小使 2層皮帶夾緊力發生變化，保證有足夠的牽引力， 用 2層膠帶夾線能避免線芯外表面被碰傷， 確保了電纜的質量， 導體經牽引機進入異型精密共擠模頭。導體穿過異型精密共擠模頭時， 由 SJ65擠塑機先擠導體耐火保護層， 再由 SJ150擠塑機擠絕緣層， 最後由 SJ90擠塑機擠阻燃保護層，實現一次共擠過程。擠塑和收線部分均採用先進節能的變頻控制， 該裝置是使用微處理機進行數字控制的高精度交流調速器， 控制功能主要靠軟件。導體從模頭出來後， 直接進入上封閉器， 再進入加熱段， 加熱段由 6節管組成， 每節管由乾式變壓器短路加熱， 分 6個温度控制區， 每節管由導電板、鋁排、 絕緣管、 吊架及乾式變壓器等組成。加熱温度設定由工藝要求給出， 加熱也由快速加熱到設定温度儀表控制， 停止加熱後， 立即轉入保温加熱。根據生產工藝要求， 調節各區的温度， 所有工藝參數均在觸摸屏畫面上設定、 修改。使電纜充分硫化， 確保了電纜的質量 ^[2]  。

加熱段中間為懸垂控制器， 懸垂控制器主要是通過本身的電信號來調節牽引機速度， 使之與牽引機同步， 保證電纜懸浮在管路中間， 在沒進入冷卻段前， 防止擠包電纜脱管劃傷。電纜線從加熱段出來後進入隔離段， 隔離段上有繼電器控制的放氣閥， 目的是把水蒸氣排放出去， 避免水蒸氣進入加熱段， 同時隔離段還能把電纜慢慢冷卻下來， 防止突然冷卻產生水珠和由於電纜絕緣層驟冷而產生的熱應力， 確保電纜質量及使用壽命 ^[2]  。

電纜出隔離段後進入冷卻段， 電纜與水交換熱量， 達到冷卻的目的， 再通過下封閉器進入履帶牽引機， 通過調節壓膠帶氣缸力的大小， 使履帶牽引機的牽引力發生變化， 通過懸垂控制器給的信號，調節直流電動機轉數， 從而使履帶牽引機的速度與包帶牽引機同步。由下牽引機出來進入張力調節器， 張力調節器是調節收線快慢的機構。最後到收線， 線盤纏滿線後下盤， 轉入下道工序。管道裝置集預熱、 加熱、 乾燥、 冷卻於一體， 結構緊湊， 自動化程度高， 熱效率明顯提高， 加熱功率自動跟蹤出線速度， 節能效果十分明顯， 整個生產過程全部智能化控制。 ^[2] 

原工藝流程用電設備總容量 1 416 kW， 年用電量 326.25萬 kWh。改造後的智能化 3 層共擠連續硫化生產工藝流程所用的電能設備總容量 812 kW， 比改造前減少604 kW， 年用電量 187.08 萬 kWh， 比改造前節約電量 139.17萬 kWh， 整個改造投資 185萬元。按每天開機12 h， 年開機320 d， 全年開機3 840 h，電價 0.68元/kWh計算， 因加熱達到工藝温度後就自動停止加熱， 根據平常機台數據積累， 加熱時間約為工作時間的 60%。 ^[2]  改造前用電量： 1 416 kW×3 840 h×60%=326.25萬 kWh； 改造後用電量： 812 kW × 3 840 h × 60% =187.08 萬 kWh； 年節電量： 326.25 萬 kWh-187.08 萬kWh=139.17 萬 kWh； 年節約電費： 139.17 萬 kWh×0.68 元/kWh=94.64 萬元； 節約電力 604 kW； 節電率42.6%； 投資回收期 24個月 ^[2]  。

改造後的生產工藝較改造前相對簡單， 產品質量穩定， 能耗小， 節約了大量的電能， 節電率達40%。工藝採用了連續化作業 ， 提高了產量， 同時減少了半成品搬運， 節省了大量的人力及週轉時間。生產線比改造前佔地減少， 節約了大量的財力 ^[2]  。