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大口径双壁聚四氟乙烯软管生产线的研发设计

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PE-HD双壁聚四氟乙烯软管于20世纪80年代初在德国首先研制成功,经过近二十年的发展和完善,已经由单一品种发展到完整的产品系列。PE-HD双壁波纹管在中国的起步较晚,但推广应用十分迅速,目前国内生产该种管材的厂家已达上百家。PE-HD双壁波纹管依赖其自身特有的优势已在排水/排污中占有了越来越大的巿场份额,用以取代混凝土管乃至铸铁管、陶瓷烧制管等。     近年来,双壁聚四氟乙烯软管的发展趋势是追求大口径,其中,UNICOR宣称他们的PE-HD双壁波纹管外径能做到2400毫米,而国内目前还没有能生产这样大管径的设备。大管径成型设备体现了设备制造商的研发能力和制造技术,对国内设备供应商来说,制造大口径双壁波纹管的成型设备还需要从挤出系统、挤出模头和波纹成型系统等方面更新设计理念,真正掌握双壁聚四氟乙烯软管的环刚度计算方法以优化管壁结构。

目前在PE-HD双壁波纹管生产线的标准配置中一般都是采用两台长径比为33:1的高效单螺杆挤出机。所谓的“高效”是指产量相对于传统单螺杆挤出机高,而对物料混炼能力的提高并不是该种挤出机的原始设计目标。对双壁聚四氟乙烯软管而言,随着直径的增大,管材米重会迅速上升,会降低双壁波纹管相对于其它传统排水管的成本优势。为此,对波纹管原料进行必要的改性以提高其弹性模量,进而达到减小米重的目的对大口径双壁聚四氟乙烯软管来说显得尤为迫切。众所周知,传统的单螺杆挤出机的优势更多地体现在结构简单和高挤出压力,而其混炼能力相对较弱,为此人们一直都在努力改进螺杆构型以期在保证传统优势的基础上提高其混炼性能,尽管也取得了一定的进展,但与人们的期望值还有不小的距离。

在塑料改性方面,人们更多地借助于同向双螺杆挤出机和布斯混合机。由于单螺杆挤出机的混炼性能不理想,现在普遍的做法是在同向双螺杆挤出机上混合造粒,然后再用单螺杆挤出机挤出,这显然增加了能耗,提高了最终制品的成本。如果能在一台挤出机上同时完成混炼和挤出的话,则会使生产流程得到简化,制品成本得以降低。为此,研究人员要对挤出理论有深刻的理解,能够巧妙结合目前混炼型和挤出型挤出机的特点,给出完全不同于现有的、一套全新的螺杆设计理念,从而实现一台挤出机既具有同向双螺杆挤出机的混炼效果又能拥有单螺杆挤出机的挤出能力。基于这一指导思想,中云集团正在做一些有益的尝试,目前样机正在研制中,不久就会问世。

复合挤出模头

目前国内外生产PE-HD双壁聚四氟乙烯软管大多采用旋转模头,旋转模头的特点是:体积小,流道清洁,可以消除管材的内应力和清除管材的熔接痕。由于旋转模头的作用,料流是由经向和纬向两个方向合成的,就像织布一样织成,不是堆上去的,因而管材的力学性能好。但由于双壁聚四氟乙烯软管生产工艺的原因,其模头与生产实壁管的模头有很大区别。生产波纹管时,一方面要求模头是双流道结构,同时还受到管材内径的限制,因此,模头的内、中、外三种流道套比较薄;另一方面,由于波纹管成型模块回转半径的限制,要求模头的长度很长,所以波纹管挤出模头实际上是一个很长的悬臂梁。在生产较小管径波纹管时,模头相对较小,由于悬臂而产生的挠度并不是很大,其对挤出聚四氟乙烯软管壁厚均匀性的影响可以通过机头口模调整得以校正;而在生产大口径双壁波纹管时,模头对管材壁厚分布的影响已经非常显著,常规的口模调节已无能为力。为此,UNICOR发明了盘式模头,使得复合模头减小了80%的重量,减少了65%的能耗。

国内研制大口径波纹管时如果也采用类似的盘式模头显然会涉及到专利侵权问题,不过,通过改进现有双壁管模头的设计方法可以消除由于挠度给管材壁厚分布带来的影响,即逆向修正法。逆向修正法的基本原理是:在设计前就计算好模头挠度的大小及其分布,在其后的设计中采用相应的逆向修正。由于逆向修正的模头形状不规则,所以必须使用数控机床加工,采用这种方法设计的模头在实际工作中口模无需调整或少调整。

波纹成型系统

过去双壁聚四氟乙烯软管的直径比较小,双壁波纹成型机都采用“履带式设计”:把成对的成型模块一对接一对地固定在同步相对循环移动的两履带上,形成一排移动中的成型模块。有的两履带水平配置,如UNICOR;有的两履带上下配置,如CORMA。热熔态的外壁就在压力或/和真空的作用下形成波纹外管。波纹外管再和平直的内管熔接成双壁波纹管。

最近的技术发展是生产大口径双壁聚四氟乙烯软管用成型机的“梭式设计”。成对的成型模块不再固定在履带上,而是沿矩形轨迹循环移动。在成型工作区,成对模块是慢速移动;在离开工作区后模块沿外侧轨道快速度返回。

“梭式设计”的优点是只需要数量较少的模块,可以明显降低投资和能耗;同时,在“梭式设计”传动中,一改过去“履带式设计”对成型模具的风冷,而是采用强制水冷,从而使生产速度得以大大提高。

环刚度计算

我们知道,双壁聚四氟乙烯软管一个最重要的考量参数是环刚度。在达到使用要求的环刚度下如何使得单位长度管材的重量最小是问题的关键,也是各国研究双壁波纹管的核心点。波纹管性能的优劣是由成型模具决定的,所以必须掌握环刚度的计算方法并有一套切实可行的计算手段才能确保成型模具的优化设计。

S=EI/D^3

E-材料的弹性模量;

I-管材的转动惯量;

D-管材的有效直径。

材料的弹性模量是由材料本身性能决定的,而作为设备供用商可能更关注于管材的转动惯量的研究。实壁管的转动惯量的计算已有资料给出,但关于结构壁管转动惯量的计算各国研究者都密而不谈,因为它是双壁聚四氟乙烯软管技术的核心之核心。目前国内双壁波纹管设计人员对环刚度的影响因素知之甚少,更别说是精确计算了。很显然,如果没有一套可以实际应用的计算方法,开发国内的大口径双壁波纹管只能是一个美好愿望而已。实际上转动惯量的计算和有效直径D的确定是一个非常复杂的过程,绝不能和一些作图软件所提供的惯性矩混为一谈,以免被误导。

双壁波纹管的大口径化是目前国际上的发展趋势,国内的设备制造商和相关研究人员应该抓住机遇,迎头赶上,而不应走“引进一代,落后一代”的老路子。