五层共挤医用输液膜吹塑机组的设计.doc

五层共挤医用输液膜吹塑机组的设计38塑料科技PLASrICSSCI.&TECHNOLOGYNo1(Sum.165)February2005文章编号i1005.336o(2oos)ol-oo38-o7五层共挤医用输液膜吹塑机组的设计张浩翔,王伟,毕建坤(1.大连冰山橡塑股份有限公司,辽宁大连116033;2.辽宁工学院机械工程学院,辽宁锦州121000)摘要:以挤出机(S卜-45×30,S卜_65×30,9o×30)一sJGM.一Fl500×5五层共挤医用输液膜吹塑机组为例,全面介绍了机组的主,辅机及系统的设计理念,并对主,辅机各装置的性能以及目前国内外的水平进行了评述.关键词:医用输液膜;五层共挤;吹塑机组中图分类号:TQ320.663文献标识码:B大连冰山橡塑股份有限公司设计制作的五层共挤医用输液膜吹塑机组,于今年8月在上海双鸽实业股份有限公司试车成功.这不仅仅填补了我国塑机行业中的一个空白,更重要的是证实了我国塑机制造业完全具备了向更高级的塑机技术领域进军的能力.医用输液膜长期以来,一直完全依赖进口.我国是个拥有13亿人口的大国,随着国力的增强,医疗卫生事业的发展,对医用输液膜的需求量是非常可观的.大连冰山橡塑股份有限公司以市场为导向,及时看准了这一难得的商机.引进技术,组织人力,设计出的机组具有合理工艺路线:挤出机(S卜45×30,S卜-155×30,×30)一SF1500×5”五层共挤医用输液膜吹塑机组”,这一设计具有国内领先水准.1制品的规格及要求任何设备的设计,其最终目的无疑是生产出符合要求的高品质的制品.因此,必须首先明确产品的规格及产品质量的要求.1.1产品规格厚度:O.17ram;幅宽(折幅):1400ram.1.2产品质量要求幅宽:1400ram±20ram;厚度:O.17ram-t-O.02ram;膜的外观质量要求执行国家标准:GB/T4456-1996;作者简介:张浩翔(1943),男,教授级高级工程师,从事塑料机械设计研究工作.收稿日期:2004-10-15膜的物理机械性能:纵向拉伸强度>12(MPa);横向拉伸强度>12(MPa);纵向断裂伸长率>200%;横向断裂伸长率>200%;膜收卷时的表面温度与室内温度之差<5C;膜卷表面平整,两端整齐.特别指出:(1)根据医用膜的特殊性严格要求在整个吹膜生产过程中薄膜无褶皱,以防止薄膜两层问发生相对错动,从而影响到制品质量的下降.(2)内冷却的进风,必须使空气净化率达到99.99%的高指标.1.3原料种类及配比原料种类及配比是依据制品的性能要求而确定的.医用输液膜的性能要求是:首先应具有良好的气体阻隔性,以保证输液膜内的注射药液在一定的期限内,其品质不发生任何的变化.其次,应具有相当高的机械物理性能,不易被撕裂和摔破.同时应具备良好的热封性能,不会造成任何泄漏现象.当然,输液膜袋还应富有弹性和柔软性等等,因此常见的输液膜的原料种类不外是:PA,EVOH,PE,PP,Tie,SEBS等.物料配比:一般来讲,PE约占6o%70%;PP,PA(或EVOI-I)约占10%15%;Tie和SEBS约占5%10%.依据不同的原料种类及配方,其分配比例也会相应有所差异.2结构简介及设计理念为了方便评述,图1给出了”五层共挤医用输液膜吹塑机组”的总体布置.张浩翔,等五层共挤医用输液膜吹塑机组的设计392.1主机五台塑料挤出机,是我公司根据用户的物料配比而设计的新产品.在螺杆,机筒,减速器,主电机功率等诸方面都做了准确的计算和选型,以便更好地适应不同流动性能的原料的塑化和挤出.下面,以挤出PE物料的SJ90×30塑料挤出机为例,作一简单介绍.2.1.1SJ_一9O×3o塑料挤出机参数生产能力(使用用户原料时):150180kh;螺杆转速:10一lo0r,rnin;螺杆结构:双螺纹,屏障销钉型螺杆:螺杆材质及处理:38C0A优质氮化钢经氮化处理,氮化层深度为0.400.70ram,硬度940HVl0(腿c67).主电机(变频电机):型号:YVP315M,-.6;功率:90kw.987654213图l五层共挤医用膜吹塑机组的总体布置I主机(共五台);2换网装置;3制冷及通风管道;4叠加机头;5机头小车;6外冷风环;7内冷装置;8稳泡装置;9机架;IO人字板;1I旋转器;12电晕处理器;13自动切割收卷装置题,参见图2.从以上参数可以看出:主机采用大功率的变频电机.这是处理低流动熔体物料的主要措施.此外,在螺杆设计上,对某些影响到剪切力的关键结构,作了相应的改进设计,以适应低流动性的物料.在保证充分塑化的前提下,尽量减少功率消耗.2.1.2减速器的设计主机减速器也是一个关系能否保持长期稳定工作的重要部件之一.因此,在设计思想上,必须首先保证满足功率的需求,应单独配置油泵润滑及油冷却器,而且应该设置油温显示和过滤网堵塞报警装置.此外,为提高工作可靠性,我公司在止推轴承及密封件上,均采用同类的国外知名品牌来配套,以充分体现高品质的使用性能.2.2辅机2.2.1换网装置设置换网装置的目的是净化物料,提高制品的质量.塑化后的熔体经滤网后方可进入机头.脏物堵塞滤网时,将引起熔体压力的升高.通过熔体压力传感器,可随时反映熔体压力,并在达到设定值时,声光报警,随即换网.换网方式可以手动,也可以采用液压油缸实现半自动换网.其关键是如何消除在高压状态下的漏料问图2手动换网装置1手柄;2滑板;3销;4支撑套;5密封环;6分流体;7锥形环;8连接体;9多孔板;10密封环;11调整螺母;12O形密封圈:13固定板本公司所设计的手动换网装置,其结构可以使滑板2与其两侧的密封环5,l0之间实现零间隙,随之从根本上解决漏料的问题.而这一功能只需通过转动调整螺母ll,就能轻松地实现,并且这种调整在任何状态下均能进行.应该说,这种结构十分合理,也相当先进.2.2.2ADSs”机头本公司采用了目前世界上最为先进的”ADSS”机头,该型机头亦称双螺旋模块叠加式共挤出吹塑机头,张浩翔,等五层共挤医用输液膜吹塑机组的设计参见图3,其主要优点可归纳如下.匿361,50”ADSS机头(1)”ADSS机头在同机头中提供了双倍数量的层数”ADSS”机头的每一层模板,其上,下二面都有一条形状,尺寸相同,但方向相反的流道.正由于这一双螺旋的结构,使得每一层模板生产的薄膜实际上是由二层组成.达到了传统模头二层共挤才能达到的生产二层薄膜的效果这就意味着五层复合的共挤出机头.实际上可以生产十层薄膜.也就是说,”ADSS”机头提供了双倍的层数,这无疑将提高熔融物料加热的均匀性,流动性和混合性能,最终体现在每一层薄膜上的是厚度精度的提高.当然,这样也提高了薄膜的整体厚度精度.(2)”ADSS”机头每层模板均可为物料提供单独的区域在每层模板上,均可根据其所要加工的物料粘度,流速,层厚及其在整个制品结构中的作用,物料的降解特性和该层的比例来设计其熔体的分流系统.这在一般的共挤机头中是很难单独做到的.(3)层间隔热”ADSS”双螺旋叠加式模头系统结构优势是:其层间隔热技术第一次真正做到了各原料层间的绝热.每一层模板都有一套分流板,并用螺栓将它们连接成为一个整体.形成一个完整的模头系统.每个模板都有一个单独的温拄区域.每层模板的两侧都有充满空气的间隙,在相邻的两个模板之间有可能存在最大6o的温度差.这样就可以允许加工处理高温树脂的模板与加工处理低温树脂的模板相毗邻.从某种角度讲,层间隔热可以说是”ADc,”机头的最大卖点之一.(4)锥形模块锁定装置”ADSS”机头的锥形锁定模块的结构设计,使机头的装配更容易,并保证了模块间的精确对中性.这一点对用户来|兑尤为重要.这种结构设计.可以使用户非常方便地对机头进行拆卸清洗和组装.除此之外.该机头还具有诸多的优点.如:可以适用于不同的内部膜泡冷却系统IBc,但却不妨碍熔体的流动;机头内部的熔体压力比较低;整个机头的安装高度较低,有利于操作人员很方便地接近工作等等,在此就不再赘述了.2.2.3冷却系统冷却系统分二部分:一是膜泡的外冷却,二是膜泡的内冷却.在方案设计上应考虑到医用输液膜的膜泡直径为891rmn(当制品折径为1400mm时),膜泡的厚度为O.140.18mm.则相对上牵引辊至地面的高度在设计上需谨慎考虑.原则上讲,这一高度应越低越好,这不仅涉及到机组设备的价格和设备操作的便利性,更涉及到用户厂房的高度及用户的总投资;但过低叉圈4双风遭凤环1内风圈;2风圈托盘;3风碗;4风厢5风唇;6进风腔;7内风腔;8连接环;9密封拴;lO一12密封圈;/3手柄l4手柄球张浩翔,等五层共挤医用输液膜吹塑机组的设计4l无法达到薄膜应有的冷却要求,尤其在我国南方,夏天炎热高温的周边环境使薄膜的冷却更加难以实现.因此,方案设计在考虑膜泡外冷却的同时,也应该考虑到膜泡的内冷却.如果能使用经空气冷却器冷却后的风,就能更好地满足薄膜冷却的要求,当然这是更合理的设计方案.冷却系统虽然大体上分为内冷却,外冷却二部分,但实际上,当采用冷风内冷却时,则由三部分所组成,即双风道冷却风环(外冷却),内冷却系统和制冷及通风管道.2.2.3.1双风道风环参见图4.这种冷却风环就其结构设计而言,至少是目前国内的顶级水准.首先,它具有双风道,即通过空气冷却器,离心风机的冷却风,进入风环后将有二个通道.其一,通过风圈托盘2和风唇5直接吹向机头的模口,以便获得最佳的冷却效果;其二,冷却风通过内风圈1和风圈4所构成的通道,以一定的角度吹向膜泡,在进一步加强冷却膜泡的同时,起到扶托膜泡和定型膜泡管坯的作用.本风环除完成上述二通道作用外,通过风碗3锥形表面上的大量通孑L,当高速气流途经其表面时,形成二次进风,起到进一步增强冷却的效果.除此之外,在结构设计上,还配置多个手柄l3,可以方便地转动风圈,获得调节风量的效果.整体风环各零部件均由铸铝制成,重量轻且美观.2.2.3.2内冷却系统我公司在内冷却系统中,采用的是德国依博罗公司(EBRO)的技术及气动蝶阀,并附有先进的排风测温表,可以直接显示冷却膜泡内层后所排出的气体温度.内冷却的基本原理如下:通过制冷系统的空气冷却器的冷却风,经风机,自动控制阀(即自动比例蝶阀),机头,内风环,吹向膜泡的内壁(即内层).经热交换后的风流随之上升至吸风管口,在风机的作用下被吸入机头,又经过手动调节阀被吸排至室外,这就是内冷却的流程.需要附加说明的是,在医用输液膜的内冷却系统中,必须增添”空气净化器”.这是因为,对于医用输液膜这一特殊制品,其卫生要求内冷却空气必须达到99.99%以上的净化度,才能与输液袋内层的薄膜相接触,否则是绝对不允许的.此外,在内冷却中,要保持整个流程,如工艺要求所确定的那样,其中光电探测头(即超声波传感器)的作用是至关重要的.当冷却风经机头,内风环后,吹向膜泡内壁时,它不仅起到冷却膜泡的作用,同时,也使膜泡吹鼓起来.当吹鼓到我们工艺所确定的膜泡直径时,我们希望始终恒定保持在这一泡径上,而这一任务就是由光电探测头来实现的.根据制品的幅宽,工艺人员首先可以确定膜泡的泡径,然后将光电探测头安装在泡径相应的位置上,即光电探测头有效的工作行程范围内.这样,光电探测头就会根据与膜泡之间的距离的变化,发出相应的电讯号,通过自动控制阀,相应改变阀门开启的大小,改变流通的风量,从而使泡径始终稳定在所确定的数值上.例如,当进入膜泡的风量稍多时,膜泡的泡径就会相应增大,而探头与膜泡之间的距离就会相应减少,这一减少值就会使探头发出相应的电讯号,通过气路的自动控制,使自动蝶阀相应减少开启的流通面积,使进入膜泡的风量减少,这样增大的泡径又恢复到原来的设定值,反之亦然.内冷却的作用不仅加速膜泡的冷却而且对制品的质量也是至关重要的.大量的实践证实,内,外相结合的冷却,使制品的外观质量,尤其是薄膜的透明度,得到了明显的改善.其二,采用光电探测头,在稳定泡径的同时,也严格控制了制品幅宽的精度.此外,据来自用户的反映,设置内冷却的吹膜设备,工人在操作上十分简便,尤其在开机提膜时,能自动达到所需的泡径,不必由操作工通过多次测检膜宽后,才能逐步形成稳定生产.2.2.3.3制冷及通风管道参见图1,这部分由制冷系统和通风管道组成.制冷系统包括:制冷机,水箱,水泵,空气冷却器等装置;而通风管道实际上除所有风管外,还包含离心风机.这部分的设计难度集中在空气冷却器和水冷机组主要参数的确定.2.2.4稳泡装置稳定装置的设计原则,应该具备以下三点:(1)制品的幅宽规格应该在其允许的膜泡直径范围内;(2)能使膜泡得到较好的稳定,且使膜泡表面不受任何磨损和存在任何拉伤的痕迹;(3)稳泡装置与膜泡接触的高度,应能随膜泡的大小及冷却状况作适当的调整,并且这种调整和操作应是简便的.本机组所设计的稳泡装置中,其稳泡辊采用轻质42张浩翔,等五层共挤医用输液膜吹塑机组的设计合金制作,而且与膜泡接触的表层均经硬化处理.在操作上,依据用户的需求,可选择手动或自动两种方式.2.2.5上牵引装置本设备的上牵引装置由旋转器,牵引辊装置及人字板组成.因有旋转器,这部分亦被称为”旋转入字板”.”旋转人字板”是”旋转机头”的升级产品.这在世界上已被公认,使用旋转器的目的是通过360的反复旋转可使生产的薄膜周边厚度在收卷时均匀分配,不会在膜卷上形成”高山”和”峡谷”,这样整个膜卷十分平整.因此,当膜卷从挤出吹塑线上卸下进入后序设备(如印刷机,贴合机,制袋机等)时,就不会由于膜卷径向的不均匀性,造成薄膜线速度的差异,从而引起薄膜不同位置的忽松忽紧,最终导致操作中断,严重影响生产线的正常工作和制品的质量.此外,若将”旋转人字板”与”旋转机头”相比较,笔者认为:其差异之一,“旋转机头”易造成薄膜表层的斜纹路,其形成原因是由于膜泡尚未完全冷却,就被迫旋转所致,从而使后序工作,例如印刷等会因薄膜表层的斜纹路而产生薄膜“跑偏”现象.这种现象的产生,无疑使后序工作受到严重的不良影响.差异之二,”旋转机头”因工作条件的恶劣,往往难以长期克服漏料现象的产生.除此之外,在多层挤出,尤其是平面叠加机头中往往是难以采用”旋转机头”的,或者说,根本无法采用这种方式.因此”旋转人字板”的产生可以说是塑机发展的一种必然.旋转器是”旋转人字板”的核心装置,在设计上必须考虑以下几个问题,参见图5.(1)”旋转器”装置本身的结构稳定性过去,国外的”旋转器”也都存在着稳定性欠缺的问题.装置的摇摆无疑将导致薄膜的偏移及起皱.(2)薄膜经过”旋转器”中的旋转棒时,其摩擦力会使薄膜引起轴向偏移和褶皱,尤其在小直径的旋转棒上,这种倾向会更严重.(3)在正常工作时,薄膜覆盖在旋转棒表面的面积是一直在变化的,而且变化量是较大的.如何严格控制气流出口和沿旋转棒的轴向分布,使薄膜始终得到均匀的浮动,这是十分重要的.可以说,过去国外引进的”旋转器”以及国内厂商生产的”旋转器”多少都存在着上述三方面的问题.而目前大连冰山橡塑股份有限公司从加拿大AlphaMarathon公司引进的”旋转器”技术,在这三方面都做出了很大的改进,生产出了自己独特的,先进的”旋转器”.其设计理念是:(1)旋转棒以及其它惰辊均安装在四个圆形支撑环上,层叠式安装(参见图5).其作用相当于大型推力轴承,个轴承代表一个回转平面,回转平面中的旋转棒以及惰辊均以零间隙驱动回转,因此,相互之间可以保持精确的位置.此外这种结构明显可以看出,强度,刚性非常好,十分稳定,有效减少了薄膜的偏移和起皱.该结构不仅安装方便,安装高度也相对较低,很适合安装在对高度有限制的厂房中.(2)由于薄膜和旋转棒之间的摩擦力,使薄膜在旋转棒上会发生少量的移动.为消除薄膜的偏移和褶图5旋转器张浩翔,等五层共挤医用输液膜吹塑机组的设计43皱,HFO在两个旋转棒之间加有二个惰性辊,使薄膜以相反方向从第一个旋转棒进入第二个旋转棒,这样在第一个旋转棒上产生的偏移,在第二个旋转棒上由于薄膜偏移的方向相反而获得了补偿.(3)为了保证薄膜在旋转棒上得到均匀的浮动,HFO设计了自己独特的流动气体的分配系统技术,而且这种设计可以使操作者不必再进行灵敏调整.除此之外,HFO的风机固定在机架上,从车间外吸入空气.因为室内空气充满了挥发性的短链和粘稠的聚合物分子,所以很容易将旋转棒的内孑L堵塞,外部空气就可以防止这个问题的产生.整个装置由PLC控制,可实现遥控操作.在用户现场的多次试车中,我们对由于旋转器的存在而产生的薄膜褶皱现象,进行了深入的探究,并且在操作工艺上和原设计的图纸上,作了大胆的创新和修改,已经可以消除褶皱现象的产生.具体来说,我们主要在旋转器的旋转速度上,涡旋泵的供气压力和风量上,旋转器薄膜入口和出口的二根导辊上作了特殊的处理,有效的消除了薄膜的褶皱现象,而这一点对医用输液膜来讲,是尤为重要的.图6自动收卷切割装置外形图1卷取装置;2收卷机机架;3牵引辊装置;4下卷机构;5自动上卷装置;6分剖装置;7中心辅助卷取装置;8张力平衡装置;9压杆装置;10收卷机辊排;11地脚;12气动系统;l3液压系统22.2.6电晕处理器参见图1,电晕处理的目的是为了增加薄膜表面粘附张力,以提高印墨在表面的粘着,涂敷,复合等性能.本机组在该部分的设计中增加了一个吸尘排风装置,使在电晕处理过程中所产生的臭氧等物质,可以迅速排放到室外,以避免对生产车间造成环境污染.2.2.7自动收卷切割装置收卷切割装置是一个十分重要,关键的部分.收卷表面是否平整,端面是否整齐直接影响到下道印刷工序的质量,也是衡量本机组技术水准的一个重要考核指标.本机组的自动收卷切割装置是在加拿大AlphaMarahton公司最新成果的基础上,依据用户的某些特殊要求而设计出来的,其外形图参见图6,工作原理参见图7.图7自动切割收卷装置流程1纤编装置;2测压元件;3牵引辊;4浮动装置;5扩展辊;6橡胶辊;7空气喷嘴;8切刀;9膜卷;10压力臂;11中心卷辅助装置图8中心卷辅助装置张浩翔,等五层共挤医用输液膜吹塑机组的设计从工作原理图上可以看出,本装置是集纠偏,恒张力,牵引,薄膜展平,切割,自动上卷,卷取,卸卷,自动计量功能于一体,主要技术规范如下.收卷形式:摩擦式;收卷速度:3.333mm/min;切割形式:无杆气缸自动切割;换卷方式:自动;气涨收卷轴:2套;附纠偏系统:±0.10mm;最大卷径:b80Omm;最大卷重:1000kg;附长度计数器;附安全保护装置.需要着重说明的是,本收卷装置在设计上为保证可靠运行,刻意增添了一个中心卷辅助装置,参见图8.众所周知,对摩擦式收卷来说,最初的收卷质量决定着整个收卷工序的成败.设置中心卷辅助装置的目的是在收卷一开始,就能使动力直接传递给气涨轴.此时的气涨轴不仅自身具有转动扭矩,而且还有摩擦收卷的动力协助,其收卷的可靠性及质量是完全有保证的.中心卷辅助装置的设置,可以说是先进设计理念的一个充分体现.实际上,相对于绝大多数的薄膜制品来说,不用中心卷辅助装置,也可以实现自动收卷,也就是说,单靠摩擦式收卷就可以了,这种状况约占全部制品的80%.但约有20%就就需要中心卷辅助装置了.例如,薄膜的表面是十分光滑的,薄膜是较宽较厚的,膜卷直径是较大的以及需要在收卷装置上作在线分切等情况.本收卷切割装置另一个先进的设计理念是,它采用的不是单一恒定的张力,也就是说,它分段采用了不同数值的恒张力.其中有的张力值取决于薄膜从架子顶端的旋转器至地面收卷装置的行进状况,即应该使薄膜在该区域内保持着一恒定的良好的张紧状态.有的张力值完全可以由操作者根据不同的制品来决定.对如今要求越来越苛刻的制品来说,这一点是本装置区别其它收卷装置的一个明显的特征,无疑是本装置设计上的一个耀眼的亮点.2.2.8电控在电控设计上,主要着重两方面:一是主机和辅机分别联网控制;二是机组各主要参数均可通过触摸屏直接阅览.先进的电控设计理念,使整个机组的技术先进性得到充分的显示.3结束语挤出机(S卜_45×30,5×30,sJ一95×30)一SJGM-F1500×5)五层共挤医用输液膜吹塑机组,以领先的设计理念,先进的技术构成,严格的工艺制作,献给了用户一个高品质的产品.诚然,由于我们的水平和经验的关系,不成熟的地方甚至错误也在所难免,尚希望广大读者批评指正.参考文献:1北京化工大学,华南理工大学.塑料机械设计M.第二版.北京:轻工业出版社,1995.2吴熙,复巨敏译.塑料加工原理及实用技术M.北京:中国轻工业出版社,1991.10310.3RafaelJ.Casfillo.PI.ASnCSMACHINERY&AUX1LIARIES.2OO2,January.AComprehensionDescriptionofExtrudedFive-layerBlown-filmLineforMedicalTransfusionZhangI-Iaoxiang,WangWei2,BiJiankun(1.DalianBinshanRubber&PlasticCo.,Iad.,Dalian116033,China;2.MechanicalEngineeringCollege,LiaoningInstituteofTechnology,Jinzhou121000,China)Abstract:Tointroducethefivelayerbolwnfilmlineforproducingmedicaltransfusionfilm,withanillustrationofSJGM一1500x5eoextrudedblownfilmline,itintroducedtheideaofmachinedesign,involvingthemachineofscrewextruder,auxiliaryequipmentsandeletricaleontrolingsystem.Italsodiscussedtheperformancesofextrusionmachineandauxiliaryequipmentsandtheirdevelopinglevelsathomeandabroad.Keywords:Medicaltransfusionfilm;Fivelayerco-extrusion;Blownfilmextrusionline