摘要：螺杆是冷喂料挤出机的一个核心部件，它在挤出机的性能参数中起着决定性的作用。本文将螺杆从宏观功能上分成三个功能段，依据挤出理论结合生产实践分别对螺杆的喂料功能段、塑化功能段和挤出功能段的各种螺杆构型进行了较详尽较系统的分析，以便更容易理解和掌握各种螺杆构型的工作原理，希望对螺杆设计和选型有所帮助。另一方面螺杆又是由众多的结构几何参数所组成。因此螺杆几何参数的确定和选择直接关系着挤出机的使用性能。本文分析了螺杆几何参数影响挤出过程的理论依据，进而对各几何参数进行选择和确定，为螺杆和挤出机的设计、选型提供依据和参考。

1.前言

    在橡胶工业中，螺杆挤出机是橡胶加工的重要设备，它广泛应用在轮胎制造、胶管制造、密封胶胶条制造、电线电缆和防水材料制造等等。在挤出机中，螺杆是一个核心部件，它在挤出机的性能参数中起着决定性的作用。从挤出机的发展史中就充分证明了这一点：使用的是短长径比的等距不等深或收敛螺杆，因没有塑化功能，只能用在橡胶制品的压型功能上，即出现了的热喂料挤出机；由于热喂料挤出机需要庞大的供胶设备，既浪费能源，浪费占地面积，劳动强度大，挤出制品质量低等问题，因此，加大了螺杆的长径比，提高了胶料在挤出过程中的剪切历程，以便提高螺杆的塑化能力，出现了大长径比的普通螺纹螺杆，即从热喂料挤出机发展到普通冷喂料挤出机；由于普通冷喂料挤出机的螺杆没有塑化元件结构，塑化能力达不到挤出工艺要求，在此背景下，螺杆的塑化段增加了主副螺纹结构，出现了主副螺杆（即强力剪切）冷喂料挤出机；主副螺纹挤出机虽然解决了塑化能力问题，但它只是简单的剪切作用，对塑化和混合作用还满足不了高质量橡胶制品的要求，因此，又将螺杆的塑化段发展成机筒销钉螺杆，则出现了销钉冷喂料挤出机。并为此，先后出现了繁多的挤出机品种，如：挡板挤出机、传递型挤出机，销钉/主副螺纹型挤出机等等。

    在挤出机中，机筒/螺杆系统有三大作用：一是输入胶料的作用，即为挤出机的喂料段。它是决定挤出机生产能力的前提，只有吃料多，才能输出得多；但是吃料多必须给予消化，则机筒/螺杆系统第二个作用就是塑化作用，此段即为挤出机的塑化段；在挤出过程中胶料通过喂料段、塑化段，至此胶料已完成了塑化作用，为了获得制品稳定的质量，机筒/螺杆系统第三个作用就是稳定挤出作用，即计量作用，此段称挤出段。我们根据螺杆在机筒的辅助组合下，把螺杆分成三个功能段，一是喂料段，二是塑化段，三是挤出段。为了便于分析和应用，我们将螺杆构型分解成上述三个功能段的构型并进行分析，以便更容易理解和掌握螺杆构型的设计原理，希望对螺杆设计有所帮助。

    在橡胶螺杆挤出机中，螺杆是挤出机的核心部件，而螺杆又是由众多有关的几何结构参数所组成，几何参数的选择是否正确，直接影响挤出机的使用性能。长期以来，螺杆的几何参数主要沿用热喂料挤出机和普通冷喂料挤出机螺杆的几何参数。随着螺杆构型的发展和变化，螺杆几何参数也有很大的变化。因此，很有必要对现代冷喂料挤出机螺杆结构几何参数进行分析，在分析的基础上对螺杆结构的主要几何参数进行选择和确定。这些几何参数主要包括：螺杆直径（D）；螺杆长径比（L/D）；螺纹升角（θ）和导程（S）；螺杆的几何压缩比（ξ）；螺槽深度（H）；螺纹断面形状（r ，θ ，e）；销钉的排数（N）、个数（n）与销钉直径（d）；主副螺纹长度（l）与高低差（△），螺杆和机筒之间的间隙（δ）以及螺杆头的形状与尺寸。

2.橡胶挤出机螺杆构型分析

2.1喂料段螺杆构型分析

    喂料段螺杆主要有两个作用：一是能限度和速度吃进胶料；二是保证吃进的胶料能有效地迅速输送到塑化段。对于前者主要采用旁压辊喂料装置以及新近出现的螺旋啮合喂料装置，主要考虑螺杆的构型和与之相配合的机筒结构。 

  移动角 的大小是挤出机生产能力高低的一个决定因素。当 =0，生产能力为0；当 =90时，生产能力达到值。最终必须使胶料的摩擦系数 减小，而与机筒的摩擦系数 增加。根据上述原理出现了许多类型喂料段螺杆构型，分类如下： 2.1.1喂料段机筒构型

2.1.1.1轴向沟槽机筒构型

    如图1所示为轴向沟槽的机筒构型。它主要是通过各种形状的轴向沟槽提高胶料与机筒的摩擦系数，以便提高生产能力。在机筒衬套设置沟槽的尺寸见表1，本表尺寸适用于塑料挤出，对橡胶挤出而言，其槽深可作较大增加。 

2.1.1.2螺旋形沟槽机筒构型
    根据研究，在喂料段机筒衬套内壁开设螺旋形沟槽以代替轴向沟槽，其吃料和输送效果更好，注意螺旋形沟槽的方向要与螺杆螺纹旋向相反，其结构如图2所示。在Φ150销钉挤出机喂料段衬套上有四条来复线沟槽，槽宽60 mm，槽深5mm,导程480 mm。来复线状的沟槽从喂料口的底部开始，向机头方向推进，在螺槽收尾处，采用较平缓的斜坡过渡线圆弧过渡。

2.1.2喂料段螺杆构型

2.1.2.1喂料段普通螺杆构型

    喂料段普通螺杆构型有三种结构。如图3a所示为等距等深螺杆，这种结构简单、加工容易，但没有压缩比，在普通冷喂料挤出机不宜使用，因为不容易建立挤出压力和剪切功能较弱，但在销钉挤出机中，也常常采用这种螺杆构型，因为销钉挤出机塑化功能很强，对挤出机喂料段螺杆的剪切功能没有特殊要求。如图3b所示为等距不等深螺杆，他克服了等距等深螺杆上述的缺陷，但在小规格挤出机中，螺杆的根部的强度与刚度不好保证，容易产生垫杆现象。如图3c所示为等深不等距螺杆（收敛螺杆），它既克服了上述两种螺杆的缺点，同时它更符合挤出过程胶料变化状态，有利于喂料段沟槽体积的扩展，进而提高吃料能力，这种螺杆按传统方法加工比较困难，一般需用专用数控螺杆加工机床。 

2.1.2.2喂料段多头螺纹螺杆构型
    喂料段多头螺纹螺杆构型包括普通多头螺纹螺杆和复合多头螺纹螺杆。如图4所示为普通多头螺纹螺杆构型。这里多头一般指四条螺纹，它主要是为了提高喂料时的吃料频率，使吃料比较均匀，进而保证挤出过程的稳定性。但是如果螺纹头数的增加会影响螺槽的有效容积，削弱吃料能力，因此往往设计成螺纹升角较大的构型。

 如图5所示为喂料段复合多头螺纹螺杆构型。它由二种不同导程的螺纹复合而成：其中二条螺纹为主螺纹有相同的导程，另两条螺纹均布设置在主螺纹中，其导程不同于主螺纹的导程，因此在加工中，主辅螺纹产生干涉，产生不规则螺纹形状，同时由于副螺纹高度比主螺纹低，而且高度都是递减的，从而形成了螺棱宽度、螺槽深度和螺棱形状不规则的螺杆构型。这种构型的设计目的是为提高吃料效率、吃料性能和稳定喂料段的输送性能。在传统的销钉挤出机中，一般都采用这种喂料段螺杆构型，加工比较困难。在螺旋啮合冷喂料挤出机中，上述功能都可以得到满足，因此可以采用普通螺纹螺杆代替这种复合多头螺纹螺杆。

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