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塑料挤出生产线中冷却水槽的设计与改进
点击:11 日期:2017-3-23 16:32:01

        摘要: 分析了冷却水槽在塑料挤出生产中存在的问题,提出了其设计的基本原则; 通过对冷却效率的计算分析,
指出设计时必须考虑的因素和相应的解决方法,给出了针对水槽现有问题的改进思路和方法。
        作为改性塑料生产线中不可缺少的装置,冷却水槽对塑料料条冷却时间和温度的控制尤为重要[1 - 2]。根据挤出生产线的产能,冷却水槽一般将长度控制在4 ~ 6 m 左右,挤出的料条进入靠近机头一端的水槽开始冷却,料条出水后在余下水槽上方沿着尼龙材质的导轮牵引,先后经过除水机和切粒机生产出塑料粒子。粒子常见的缺陷与水槽冷却效果有着密切的关系,如粒子长条,粉末超标和粒子水分超标,由于过水时间长,粒条冷却时间长,导致料条脆性和含水量增加,这类情况时就需要通过减少过水量来控制,此外切粒机切料黏粒、连粒则是由于粒子韧性大,不宜切断,需要加长过水使料条充分冷却[3 - 5]。因而,对于保证产品质量而言,需要在实际生产中准确控制冷却时间和温度,其前提就是要用合适的水槽设备进行定量的分析,得出统计规律和经验结论,从而服务实际生产。
1 冷却水槽的设计
1. 1 设计原则
        尽可能使料条冷却均匀,便于后续切粒工序的进行; 车间设备维修调整时,水槽移动和水平度水槽底部污垢的定期清洗; 考虑水槽的使用成本和安装检修。调节需要简单省力; 考虑水槽使用中水面出现泡沫的清理和水槽底部污垢的定期清洗; 考虑水槽的使用成本和安装检修。
1. 2 冷却效率的计算
        对冷却水槽进行设计,必须先对其使用环境进行了解,明确设计的目标。对水槽换热效率进行计算时,提出如下基本假设[6]: 初始状态下,水槽装满常温的水; 水槽水温保持恒温状态,即冷却过程中,料条降温释放的热量等于出水管所排水吸收的总热量; 计算过程中料条处于动态平衡状态,位于水槽中的料条长度始终不变; 不考虑外界空气与水和料条之间的对流换热情况。
        根据现有设备的使用情况进行分析,需要测量以下的基本数据: 塑料料条浸入水中时的温度为T料条1,离开水面时的温度为T料条2,料条的比热容c料条,料条浸入水中的长度为L,料条浸入水中的质量为M料条,切粒机的牵引速度为V,生产产量为S,进水管中水温为T进水,进水流量为V进水,出水管中水温为T出水,出水量为V出水,水的密度为ρ。水槽冷却过程中,总的热量保持平衡,即料条降温释放的热量Q料条等于出水管所排水吸收的总热量Q出水,列出热平衡方程如下:
                   Q料条= Q出水                                  ( 1)
即c料条·M料条( T料条1 - T料条2) = c水·ρ·V出水( T出水- T进水)( 2)
其中,M料条= L·S /V ( 3)
        从式( 1) 、( 2) 、( 3) 中可以看出,料条浸入水中冷却效果与出水管、出水量密切相关,在水槽设计的参数计算中,要充分考虑生产的产能,切粒机的相应参数和水槽摆放的总长度。通常为达到理想的冷却效果,理论上需要将进水量和出水量开到最大,同时料条的过水距离尽可能增加。实际上,为了控制切粒的效果和减小粉末,需要对过水时间和距离进行必要的调整来实现。
1. 3 设计方法
        首先,根据厂房的布置情况和水槽的摆放位置,初步确定水槽的长度、宽度和高度; 其次进行进出水管道相关技术参数的选取和计算,根据挤出机生产产量的最大值S ( 单位是kg /h) ,切粒机的最大牵引速度V ( 单位是m/s) ,料条浸入水中的最短长度L( 单位是m) ,运用上述公式( 2) 和( 3) 计算出水量的最大值V出水( 单位是m3 /h) 。然后根据冷却循环系统中水的流速( 单位是m/s) ,从而可以计算出出水管的最大管径,进水管管径的大小与出水管相等。需要注意的是,为了提升冷却效果和方便后续设备升级,需要在水槽设计过程中将计算值取大一些。
        其次,料条过水和脱水的过程中,需要料条支架辅助,其位置和数量往往取决于冷却效果,通常视其过水长度而定,若过水距离长,则需要在水中走S 形曲线,保证料条充分冷却。料条支架分为固定支架和可移动支架,固定支架由于拆卸安装困难,需要保证足够长的寿命,其支架上的滚轮为金属材质且在料条的作用下可以绕轴自由转动。最后,为方便料条入水,入水一端的水槽设计为倾斜45°料条经过支架进入脱水器时,料条摆动抖落下的水经常会洒落在水槽外面,设计时需要增加支架和水槽末端的距离。
2 冷却水槽的改进
2. 1 原有冷却水槽装置存在的问题
        老旧生产线在冷却水槽的设计和安装过程中,没有过多地考虑实际生产可能会出现的一些问题,因而在使用过程中往往费时费力,具体表现在以下几个方面:
        ( 1) 水槽整体移动困难,水平度不高。水槽底座支撑部分为两根焊接结构的矩形钢管,水槽中装满水时移动很费力,此外,装拆卸螺杆时挪动水槽困难,也给工人增加了劳动力,不利于实际生产高效操作,并且由于厂房地面不平整等原因,导致水槽部分倾斜,可能会出现溢水的现象。
        ( 2) 水槽进出水设计不合理。由于水槽只设计了一个进水管和一个出水管,注水时先关闭出水管,同时打开进水管,当水位到达一定程度时再打开出水管放水,从而使水槽中的水位保持在一个稳定的状态。实际上,由于出水管打开的时间无法精确控制,可能导致进水速度始终大于出水速度,最终水槽中的水会溢出。此外,由于料条出水后在水槽上方的胶辊导轮上牵引运动,料条沾水滴落入水槽中会产生白色泡沫,不符合生产过程中的6S 标准,同时清污不方便。
        ( 3) 水槽靠近挤出机机头部分的温度不可控。靠近机头部分的水槽温度过高或过低,都会产生大量不合格品。挤出机刚开机时由于工艺参数不稳定,会产生一定的隔离料,其中水槽初始温度过低也是一个重要原因。生产过程中由于出水速度慢等原因造成水槽温度过高,影响冷却效果,同样会造成次品。
2. 2 冷却水槽装置的改进
        针对老旧水槽中存在的问题和不足之处,对其提出了一些改进想法和设计,具体包括以下几个方面:


        ( 1) 水槽移动分为两个部分,一是水槽整体位置保持不变,槽体移动,移动方式可以是在槽体与底部支架之间安装滚轮,或者是齿轮齿条装置,外加一个摇柄把手辅助,如图1 所示; 二是水槽整体可以移动,可以通过在底部支撑架下方安装四个小轮子实现,由一对万向小轮和一对同向小轮组成。对于水槽水平度,一方面可以设法提高地面平整度,另一方面在支撑架中部装上梯形螺纹升降杆件,起到辅助支撑和调节水平的作用,如图2 所示。
        ( 2) 水槽进出水设计分为进水设计和出水设计,进水口可以安装在远离挤出机机头一端的槽体上部,为避免大口径流入水量过大,造成水滴溅落,可以将大口径进水口换成一排小口径进水口,使进水量平稳。同时进水口位于槽体上部,可以有效地与水槽中的水进行对流换热,将水面上的泡沫冲走进入槽体两侧的溢水口,减小泡沫现象。出水口安装在挤出机机头一端的槽体底部,辅助过滤网过滤,为了保证水槽中水位平稳和泡沫量少,需要使进水量大于出水量,同时在槽体两侧安装溢水装置,使多余的水连同泡沫一起被带走,达到清洁的作用,如图3 所示。


        ( 3) 水槽冷却温度和时间可控,在进出水口两端各安装一个温度计,可以通过实时观测其温度来调节料条的冷却温度。冷却时间即过水量,传统的胶辊支架焊接固定在槽体上无法自由移动,过水距离一定,无法调节其冷却时间,现在改用可滑动式卡扣胶辊支架,既可以使胶辊放置在水槽上方,也可以将其倒置放在水槽中,胶辊随着料条的牵引绕中心轴转动,较小自身的磨损,如图4 所示,便于过水时间的调节操作,提高工艺相符率。对水槽温度变化与料条切粒的容易程度以及成品粉末现象之间的规律进行统计总结,可以针对料条过水时间的长短和水槽温度的
高低来制定准确的工艺标准,从而减少不可控环节,提高产品质量。
3 结论
        冷却水槽作为塑料挤出行业和相关行业中的常用设备,其设计的优劣对生产中的使用和成本有重要影响。本文通过将以上的设计和改进思路融入水槽设计中,加工后安装的新水槽在实际生产中使用更加方便省力,提高了工艺相符率和产品合格率,经济实用,可以在改性塑料行业大力推广。

 
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