注射塑化系统设计研究（六）

【资料简介】

  4  注塑机筒加热功率设计

    注塑机筒加热功率是注塑机的一项重要的技术参数，直接关系到塑化的质量、塑化能力和能耗。注塑机筒加热功率的设计，设计人员一般在设计中对其没有引起足够的重视，而且传统的设计方法与设计思路上也有缺陷。有关设计的参考资料上都推荐注塑机筒加热功率的设计原则是，首先根据机械强度确定的机筒外径，然后根据其表面积按（3～3.5）W/cm2原则配制加热功率，或者根据机筒螺杆的重量及其热性能来配制加热功率。在设计中，为降低成本，往往把机筒外径尽量减小，这样，降低了配制的加热功率。用户在实际使用中，特别是塑化焓值高的塑料，反映塑化加热功率不够，影响了塑化质量和降低了生产效率。例如，一些用户成型PP制品，感到国产注塑机配置的机筒加热功率达不到成型要求，不得不使用热容量大的加热功率高的陶瓷加热圈，或者在加工过程中，降低塑化转速，即延长塑料的塑化时间，以达到塑化所需的热量。

   4.1  机筒加热功率的功能

   注射塑化,约70%的热能来自螺杆的剪切热,约30%的热能来自机筒加热圈提供的热能。 机筒加热功率在塑化过程中主要有两个功能：熔化冷料，辅助塑化。辅助塑化：一是补偿塑化热量损耗，二是提供塑化的一部分热量。塑化阶段结束后,熔融由机筒和固体场之间的纯热传导决定。

   4.2  机筒加热功率设计的思路

    机筒加热功率的设计，首先要了解塑化的原理和塑化能量平衡的原理，塑化就是对塑料原料施加热能达到熔化的注射状态，塑化需要大量的热能，塑化需要能量根据塑化原料本身的特性而定，每种塑料塑化所需要的热能差异很大。塑化需要能量来自两个方面：一部份来自螺杆剪切和与机筒内壁摩擦生热而得到热能，一部份来自机筒加热功率提供的热能。在塑化过程中，有一部分热能损耗掉，同时得到加热功率热能的补偿。在此过程中，机筒加热功率必须达到保持恒定的塑化温度的要求，才能保证塑化质量和熔体流动的要求。机筒加热功率的设计必须使之设计的加热功率适合常用塑料塑化需要的热能，并使之有一定的余量。纵观工业发达国家制造的注塑机与国内制造的注塑机两者同一螺杆直径的加热功率相比，前者比后者高60%至70%，这里涉及到如何设计加热功率。一般是先设计机筒外径，然后根据机筒外径与长度按其表面积3.5W/cm2确定加热圈功率，而对加热圈加热的主要功能—塑料塑化能力所需要的能量，基本上不予研究。对此，我们必须要充分认识到，按机筒表面积（3—3.5）W/cm2配制加热功率，是指对普通材质制造的加热圈设计功率寿命所容许热容量设计的极限，而不是指对塑化能力所需热能配制的设计值。作者认为，根据机筒加热功率的功能，机筒加热功率的设计，其出发的思路是应把加热功率与塑化能力、塑料的热性能直接起来，即加热功率应满足塑化能力所需热能的要求，机筒表面积即机筒外径首先要满足加热功率设计的要求，即应根据塑化能力所需加热功率来设计机筒外径。一般机筒外径表面积只要满足塑化所需加热功率的要求，其机筒强度及热性能能够达到要求。长期以来，把注塑机筒加热功率的设计与机筒表面积直接起来，这是设计中的误导，必须加以纠正。

   4.3   塑化加热功率的设计原则

    根据塑化能量平衡的原理，塑化能量平衡近似可用下式表示[1]：

   N_Q = N_T —N_J —N_P             （4-1）

   N_T = E_TG_S                                 （4-2）

    式中:

   N_Q 塑化施加的加热功率kW；

    N_T：塑料熔融所需功率 kW；

    N_J：塑化施加的机械功率 kW；

    N_P：塑化背压施加的机械功率 kW；

    N_P =9.81×GS×ΔP×ts /K       （ 4-3）

   ΔP：塑化背压 MPa；

    K： 功率换算系数 K = 10300 cm/kg/kWh[1]；

    ts： 塑化时间  h.。

    E_T： 焓 J/g。SAN；360；PVC：360；PS：270；PA6：600；     PP：590；PC：590；HDPE：800；LDPE：690；PA66：750；PMMA：210；POM：420；AS：335；ABS：400。[1]

    G_S：塑化能力 g/s。

    N_J = M_J×n×η_J /9550  kW        （4-4）

   式中:

M_J:  油马达扭矩 N·m;

M_J =103 q× p /2π     N m     （ 4-5）

    式中:

q ：油马达排量 L/r；

p ：工作压力 MPa 。

η_J: 油马达效率，径向柱塞低速高扭矩油马达效率一般取0.88；

n： 速化转速  r/min。

    4.4   塑化所需功率的确定

    塑化所需功率的确定是设计机筒加热圈功率的前提。确定塑化所需功率，首先要确定具有代表性的塑料塑化所需功率，以适应加工的范围。塑化能力和注射速率把PS作为确定的对象，塑化加热功率用哪一种塑料作为确定塑化加热功率的对象，作者认为，应把焓值高的塑料作为塑化加热功率的对象，因为，焓值高的塑料在塑化时所需功率大。PS焓值低，不能作为塑化加热功率设计的对象，HDPE焓值高，作为塑化加热功率设计的对象，具有代表性。本节根据作者对塑化加热功率设计的思路，在同一台注塑机上塑化PS及HDPE，作所需塑化加热功率的比较，以说明塑化加热功率对象的设计。

   以一台2500kN合模力的注塑机为例,螺杆直径60mm,转速180r/min。 塑化PS，塑化能力45g/s，塑化压力5MPa，塑化背压0.5MPa，塑化时间14.2s。塑化HDPE塑化能力35g/s,油马达排量0.6L/r,塑化压力12MPa，塑化背压1MPa，塑化时间15s。。

    4.4.1  塑化PS所需功率

  PS塑料在塑化能力下，所需总功率:

  N_T = G_S × E_T = 45 × 270 = 12.15 kW

   G_S ：塑化能力 g/s ；

    E_T ：PS焓：270J/g = 270 Ws/g

    油马达塑化扭矩M_S：

    M_J = 0.6L/r×103 ×5/2π= 477.5 N m

   油马达对螺杆施加的机械功率:

   N_J = M_J×n×η_J /9550= 477.5×180×0.88/9550= 7.92 kW

    塑化背压施加的机械功：

    N_P = 9.81×45×1×0.004/10300 ≈0

     机械功率提供给塑料熔融焓：

      N_J/G_S = 7.92/45 = 176 Ws/g ＜E_T = 270 Ws/g

    上式说明提供的机械功率满足不了塑化所需总功率，塑化的34.8%功率需要由加热圈提供能量，加热圈须提供功率:NQ

    N_Q = N_T - N_J = 12.15-7.92 = 4.3 kW

    4.4.2  塑化HDPE所需功率

   HDPE塑料熔融所需总功率:

    N_T= G_S × E_T = 35 × 800 = 28 kW

    E_T：HDPE焓：800J/g = 800 Ws/g

   油马达塑化扭矩MS：

    M_J = 0.6L/r×103 ×12/2π=1146 N m

     油马达对螺杆施加的机械功率:

    N_J = M_J×n×η_J /9550 =1146 ×180×0.88/9550= 19 kW

   塑化背压施加的机械功：

    N_P =9.81× 35×1×0.004/10300 ≈0

    机械功率提供给塑料熔融焓：

       NJ/GS =19/35 = 542 Ws/g ＜ET

= 800 Ws/g

   上式说明塑化的32.25%功率需要由加热圈提供功率，加热圈须提供功率:NQ

      N_Q = N_T - N_J = 28-19 =9 kW