螺杆磨损的原因、影响和解决方案

作者:R. Dray Manufacturing公司 Stephen Surley 文章来源:PT塑料网 点击数:8 发布时间:2018-10-29
对挤出和注塑加工而言,进料螺杆的性能非常关键。螺杆的磨损会导致生产效率降低、产品质量问题以及额外的成本。那么,如何才能妥善处理磨损问题呢?阅读本文,您将找到答案。
螺杆磨损的原因、影响和解决方案

典型的进料螺杆磨损

挤出注塑成型中的进料螺杆磨损比较相似,大部分的磨损发生在高压区域中,特别是在过渡段和计量段的最后几圈。很多加工商和供应商推测,这些区域容易发生磨损是因为高压会导致螺杆弯曲,进而造成螺棱外径和机筒内壁的金属相接触,从而引发磨损。这种推论的可能性不大,因为即便机筒内的压力很高,这些力也确实作用在螺杆上,但螺杆各个方向的受力是平衡的。

而导致螺杆弯曲的力是压差产生的,并非通常的高压。不过,螺棱外径与机筒内壁相接触的情况确实会发生,但这是由机械条件造成的,并且预示着潜在的更严重的问题:如不对中问题、齿轮箱损坏、螺杆弯曲、机筒弯曲以及不充分的基础等。许多行业的磨损测试表明,压力和温度的升高会导致摩擦力增大。而过渡段和计量段的最后几圈通常会经历最高的压力和温度,因此可以预测,这是螺棱外径磨损的高发区域。在检查和修复了数千根螺杆后,经验证明这种推断是成立的。

与螺棱外径的磨损非常相似,根部的磨损通常也在这些高压区域中最严重。另外,相比螺棱后侧,螺棱前进侧更易磨损。加工的树脂对螺棱根部磨损的严重程度有很大影响。当树脂中含有诸如玻璃纤维或碳酸钙等磨蚀性填料时,由于未经熔融的颗粒所提供的润滑效果有限,因此当螺棱的前进侧产生压力时,就有可能在进料段中发生严重磨损。另外,填料量和颗粒形状对磨损强度也作用显著。角度比较尖锐的大颗粒更容易导致磨损,而比较小的圆形颗粒造成磨损的程度相对较弱。出于对物理性能的要求,成型一些部件时必须使用填料。而在使用填料时,螺杆的固体输送段磨损更快,为了减缓磨损,通常在聚合物已经熔融的下游阶段来添加填料,因为此时聚合物能提供更好的润滑性。

一些采用了分散混合设计的螺杆拥有某种形式的几何形状倒陷,其目的是对树脂施加高剪切力,以实现更理想的等温熔融并使颜色分散更均匀。如果这种混合设计发生磨损就难以实现充分的分散。屏障式螺棱与分散混合设计非常相似,是通过倒陷促进熔池与固体床的分离。当倒陷的螺棱磨损时,屏障式设计就失去了熔融能力和效率。

性能问题

螺杆磨损通常是一个缓慢的过程,在性能明显降低之前不太容易被察觉。轻微的磨损对整体性能的影响不大,因为可以通过调整机器参数来保持生产率。当螺杆的螺棱和机筒壁之间的径向间隙增大时,漏流是不可避免的。操作人员通常会观察到出料量降低和熔体温度升高的现象,同时也不得不提高螺杆转速以保持所需的出料量,这一过程往往还伴随着更多的能耗。随着径向间隙的增加,螺杆无法产生必需的泵送压力来保持预期的出料量。

显然,径向间隙是计算漏流时的关键变量。常见的经验法则认为,当螺棱间隙达到原始公差的4倍时就需要更换螺杆。但这不是绝对的,还需要考虑所加工树脂的黏度。因为在径向间隙相同的情况下,黏度高的树脂其产出量的损失会相对较少,而黏度低的树脂,其产出量的损失较大。所以,这些经验法则仅作为参考。

为了更好地预测直径磨损的影响,你可以综合总间隙、螺棱宽度、导程、机头压力、黏度和熔体密度等几个因素来计算漏流。如果想要准确地预测挤出量,这些计算会变得非常麻烦,但如果想要预估生产率的损失,却可以得到相当准确的结果。为了帮助加工商和维护部门预测这种生产率上的损失,笔者开发了一个生产率损失计算器,用于估算因螺杆磨损造成的潜在的损失率。这种工具有助于将磨损的严重程度概念化,并帮助团队制定螺杆更换或维修的计划。

当螺棱和机筒之间产生漏流时,该部分材料要承受过大的剪切速率。这会导致熔体温度升高,同时还需要提高转速来维持所需的出料量。较高的熔体温度会造成主要的质量问题,因为在过高的温度下部件的物理性能会显著降低。当加工无定形树脂时,这些高剪切力会导致挤出物焦烧和降解,使废品率变高。

根部磨损通常会产生一些容易导致物料挂料与降解的凹处和区域。它们会成为部件中的黑斑和浪涌。在加工硬质PVC等树脂时,材料降解是一个严重的问题,因为PVC在高温下容易产生盐酸,进而对设备造成腐蚀。在极端情况下,螺棱的侧面会被全部磨损掉,留下很少的底层来支撑表面堆焊材料(如图1所示)。在没有足够支撑的情况下,脆性的表面堆焊材料容易慢慢碎掉,留下粗糙的边缘,减少螺纹宽度,污染挤出物,并可能损坏下游组件。

图1 严重时,螺棱前进侧会被全部磨损掉,导致无法支撑表面堆焊材料
图1在磨损的极端情况下,螺棱根部的前进侧会被“冲洗掉”,只留下很少的底层来支撑表面堆焊材料。由于没有足够的支撑,这些表面堆焊材料的边缘会被削掉

更换还是修复?

不少加工商认为,停机是成功生产的“绊脚石”。所以很多挤出和注塑工厂几乎不会抽出螺杆来记录磨损的情况。紧张的生产计划和维护的复杂性迫使加工企业充分利用现有的设备。“如果它没有坏,就不要去修理”,这可能是很多工厂的做法。

但是,当螺杆的磨损问题已经严重到无法忽视时,这种做法会使加工商陷入困境。因为螺杆的磨损是一个渐进的过程,开始容易被忽视,直到废品率快速上升、能耗显著增加,或者出现严重的故障,才会被发现。如果加工商为了减少停机时间,节省与购买、安装新设备相关的成本,而没有在磨损的早期对螺杆进行修复,反而会因为能耗增加和材料浪费而花费更多的资金。最终,当螺杆无法修复时,等待新螺杆会导致更长的停机时间。

其实,通过基础数据、磨损监控程序以及对螺杆情况的了解,维护部门和工程部门就可以大幅减少停机时间并提高其底线水平。更换高性能的进料螺杆可能很昂贵,但是经验丰富的螺杆制造商可以在更短的时间内用很低的成本对磨损的螺杆进行修复。

不过,在决定是否对磨损的螺杆进行修复之前,要弄清楚几个问题: 

1.整体磨损有多严重?

2.磨损的特征是什么?

3.目前的螺杆设计能否显著改进?

4.表面处理能否得到改善?

当然,如果没有对螺杆的磨损情况进行监测,可能导致磨损程度非常严重,以至于难以甚至根本无法进行可靠的修复。因此,对螺杆磨损情况进行监测非常重要。

修复螺杆的成本取决于磨损的严重程度和所需的工作量。经验丰富的螺杆制造商会检查磨损的螺杆及其加工性能,以确定当前的设计是否值得修复。在某些情况下,一根优化的新螺杆可以显著提高设备整体的盈利能力,在此情况下,取代原来的低效设计是更明智的选择。不过,不要贸然决定放弃旧螺杆,因为磨损的螺杆可能通过重新切割而实现性能的提升。另外,螺杆的堆焊和表面处理也可以得到改善,以提高螺杆的耐磨性和耐腐蚀性,延长螺杆的整体磨损寿命。

许多著名的螺杆供应商都表示,一根螺杆只能修复3~4次,且螺杆的使用寿命与其尺寸以及许多会对磨损严重程度产生影响的因素密切相关。但是对有经验的螺杆制造商而言,多次修复同一根螺杆也并不少见。笔者就曾经遇到过,通过高质量的焊接、对制造螺杆的冶金技术的仔细考量以及适当的螺棱剖面修复,而对同一根螺杆进行了6~8次修复的例子。

在修复过程中,要先将螺杆研磨至均匀的倒陷直径,然后螺棱要重新焊接,以便在其表面施加拥有更高硬度的耐磨堆焊合金(如图2所示),这些合金能提供更好的耐磨性能。在表面堆焊后,还必须将螺杆外径研磨至原始公差(如图3所示)。剩余的悬垂焊缝必须进行型面研磨,以确保尽可能小的螺棱宽度损失。在此过程中,一些不良操作会降低有效的螺棱宽度,这可能会对螺杆性能产生潜在的影响,并使螺杆未来的修复可能性复杂化。为了帮助缓解这些复杂的情况,一些螺杆制造商选择减少焊接的宽度。不过,如果采用这种做法,当这些螺杆研磨到原始公差时,硬面堆焊材料不会覆盖整个螺棱宽度,这会对螺杆的抗磨损性能产生负面影响,因为会有较软的基材暴露在外面。

图2 螺棱焊好后,会在其表面施加一层硬面堆焊材料
图2当螺棱重新焊接后,在其外径上施加了Colmonoy 56号表面堆焊

图3 在施加表面堆焊材料以后,要将螺杆外径打磨至原始公差
图3在表面堆焊后,螺杆外径最后被打磨至原始公差

制定计划

通过适当的基础数据、磨损监控程序以及对螺杆情况的了解,维护和工程部门可以制定高效的维护计划,从而显著减少停机时间并提高盈利能力。在废品率和能耗迅速上升之前,监控螺杆的磨损非常重要。建议不要太快扔掉磨损的螺杆。与经验丰富的螺杆制造商探讨一下修复螺杆的可能性,不仅可以减少停机时间,还能节省花费,因为修复的成本远低于购买新螺杆的费用。另外,为了给多次修复螺杆创造良好的条件,从而减少维护成本,合理的修复操作也是必需的。

总之,一个合理地预防性维护计划要远优于被动式维护。

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