賈明印 余斌 張勇 潘江如 薛平

(1.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊，830091；2.北京化工大學(xué)，北京，100029)

機械與模具

溝槽機筒單螺桿擠出機固體輸送產(chǎn)量的粒徑模型研究

賈明印1余斌1張勇1潘江如1薛平2

(1.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊，830091；2.北京化工大學(xué)，北京，100029)

在分析機筒襯套溝槽槽深、螺桿螺槽槽深和加工物料粒徑關(guān)系的基礎(chǔ)上,建立了溝槽機筒單螺桿擠出機3種常見的固體輸送段產(chǎn)量粒徑模型，該模型可用于研究機筒襯套溝槽槽深、螺桿螺槽槽深和顆粒物料粒徑對固體輸送機理的影響并定量計算溝槽機筒單螺桿擠出機固體輸送段產(chǎn)量。此外，通過不同的機筒和螺桿組合及不同粒徑的原料在自制的在線模擬試驗機上對該模型進行了驗證和試驗分析。

溝槽機筒 單螺桿擠出機 固體輸送 粒徑模型

傳統(tǒng)單螺桿擠出機的固體輸送機理為摩擦拖曳輸送，其產(chǎn)量較低，能耗較高，建壓能力較弱。針對以上缺點，德國亞琛工業(yè)大學(xué)研究人員率先于20世紀(jì)70年代開發(fā)了固體輸送段機筒襯套內(nèi)表面開設(shè)軸向直槽的IKV擠出機，從而提高了固體輸送段的輸送能力。之后研究者們對IKV擠出機的結(jié)構(gòu)、輸送機理、能耗等進行了較為詳細的研究[1]。隨著IKV擠出機的應(yīng)用，研究者們發(fā)現(xiàn)了其缺陷，如固體輸送段摩擦熱大、擠出能耗大、固體輸送段機筒襯套磨損嚴重等。為彌補IKV擠出機的缺陷，研究者們又開發(fā)了機筒內(nèi)表面開設(shè)螺旋溝槽的單螺桿擠出機，其輸送機理、產(chǎn)量、能耗、摩擦熱等方面均有改善[2]。Rauwendaal等[3]開發(fā)了可調(diào)軸向溝槽機筒單螺桿擠出機，工作中可根據(jù)不同物料的特性需求對機筒溝槽槽深進行自由調(diào)節(jié)；Potente等[4]分析了機筒襯套溝槽槽深和螺桿螺槽槽深對固體輸送機理的作用方式，獲得了單螺桿擠出機產(chǎn)量、壓力和能耗的理論計算公式；北京化工大學(xué)[5]對螺旋溝槽單螺桿擠出機進行了創(chuàng)新研究，提出了雙螺棱推動理論。

對溝槽機筒單螺桿擠出機而言，固體輸送段的輸送機理和產(chǎn)量不僅與固體輸送段機筒、螺桿結(jié)構(gòu)及原料物性的參數(shù)有關(guān)，還與三者的尺寸關(guān)系密切相關(guān)。在分析溝槽機筒單螺桿擠出機固體輸送特性和固相運動規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立一種新型粒徑模型，研究機筒襯套溝槽和螺桿螺槽的結(jié)構(gòu)尺寸與顆粒物料粒徑尺寸的關(guān)系對螺旋溝槽單螺桿擠出機固體輸送段的產(chǎn)量及輸送機理的影響，分析固相層發(fā)生剪切的位置，并進行了試驗驗證。

1 試驗原料及設(shè)備

試驗設(shè)備為自行研制的僅由固體輸送段組成的在線模擬試驗機，結(jié)構(gòu)示意圖見文獻[5]。通過更換機筒和螺桿組合，能夠在線記錄固體輸送段產(chǎn)量、能耗及整機產(chǎn)量等參數(shù)。機筒襯套結(jié)構(gòu)類型有3種，分別是窄螺旋溝槽固體輸送段襯套(a機筒襯套)、寬螺旋溝槽固體輸送段襯套(b機筒襯套)、軸向直槽固體輸送段襯套(IKV機筒襯套)。螺桿結(jié)構(gòu)為正向壓縮固體輸送段螺桿(c螺桿)，螺桿外徑為45 mm，螺桿和機筒襯套組成的擠壓系統(tǒng)分別記為c-a，c-b，c-IKV，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。試驗原料為低密度聚乙烯(LDPE607)，中國石油化工集團公司北京燕山分公司，粒徑為3.0 mm，通過造?？色@得2.0，0.8 mm不同粒徑的試驗原料。

2 溝槽機筒單螺桿擠出機固體輸送粒徑模型

通過對機筒襯套溝槽槽深、螺桿螺槽槽深和顆粒物料粒徑的研究，可建立3種常用的螺旋溝槽單螺桿擠出機固體輸送粒徑模型，如圖1所示，分別為輸送1、輸送2和輸送3，其中d為顆粒物料粒徑，H1為螺桿螺槽槽深，H2為機筒襯套溝槽槽深。

在輸送1中，物料在機筒襯套溝槽和螺桿螺槽的協(xié)同作用下，很快被壓實為密實的固體塞，因固體輸送段機筒溫度較低，原料的抗剪切強度通常足夠大，固體塞不會發(fā)生剪斷，溝槽固體塞和螺槽固體塞將作為整體沿溝槽螺旋角方向向前輸送，輸送機理為正位移輸送。在輸送2中，該輸送狀況對應(yīng)于大槽深高產(chǎn)量擠出加工狀況，此時剪切界面位于機筒襯套溝槽固相和螺桿螺槽固相的界面處。在剪切界面上，整體固體塞若滿足正位移輸送邊界條件，固相將以整體的形式向前輸送，否則摩擦拖曳輸送在剪切界面上起作用，固體塞會發(fā)生剪斷。在輸送3中，該輸送狀況對應(yīng)于擠出粉料的情況，此時剪切界面位于機筒內(nèi)表面處，輸送機理為摩擦拖曳輸送。

溝槽機筒單螺桿擠出機固體輸送段總產(chǎn)量由機筒襯套溝槽產(chǎn)量和螺桿螺槽產(chǎn)量組成。通過溝槽固體塞和螺槽固體塞的運動分析和受力分析及正位移輸送的邊界條件計算，可得溝槽機筒單螺桿擠出機固體輸送段的產(chǎn)量方程，計算公式參見文獻[6]。

3 分析與討論

3.1 不同輸送情況下的產(chǎn)量分析

粒徑模型中機筒襯套溝槽槽深、螺桿螺槽槽深與物料粒徑的關(guān)系表明，當(dāng)使用溝槽機筒和螺桿組合c-a或c-b在加工3.0，2.0，0.8 mm固相顆粒物料時，依次符合輸送1，輸送2和輸送3的情況，且3種輸送情形均屬于正位移輸送。圖2為通過固體輸送段在線模擬試驗機，采用溝槽機筒和螺桿組合c-a，c-b分別加工不同粒徑的物料時得到的固體輸送段產(chǎn)量的試驗值和根據(jù)建立的粒徑模型計算得到的理論值。試驗點1e，2e和3e為使用機筒和螺桿組合c-a分別加工0.8,2.0，3.0 mm粒徑時的試驗值；試驗點1f，2f和3f為使用機筒和螺桿組合c-b時得到的試驗測量值，其中，螺桿轉(zhuǎn)速為40 r/min。

由圖2可知，機筒襯套溝槽內(nèi)產(chǎn)量隨著機筒襯套溝槽槽寬的增加而逐漸增大，因溝槽寬度增大，對應(yīng)溝槽容積也增大，輸送效率增加。另外，試驗獲得的產(chǎn)量數(shù)據(jù)與粒徑模型預(yù)測的產(chǎn)量數(shù)據(jù)能夠較好地吻合。

根據(jù)機筒襯套溝槽槽深、螺桿螺槽槽深與顆粒物料粒徑可知，當(dāng)溝槽機筒和螺桿組合c-a擠出2.0 mm粒徑原料時，滿足輸送2的情況，該輸送情況為正位移輸送。在該輸送情況下，螺桿轉(zhuǎn)速對固體輸送段產(chǎn)量的影響如圖3所示。

從圖3可以看出，不同螺桿轉(zhuǎn)速下，按粒徑模型計算的產(chǎn)量值和試驗值比較吻合，這證明該組合能滿足正位移輸送機理對應(yīng)的粒徑模型。從圖3還可以看出，溝槽產(chǎn)量、螺槽產(chǎn)量及固體輸送段的總產(chǎn)量均隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加而增加，機筒襯套溝槽產(chǎn)量在螺桿轉(zhuǎn)速為50 r/min時接近螺桿螺槽產(chǎn)量的40%，達到8 kg/h，可見通過機筒襯套溝槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，可以提高溝槽機筒單螺桿擠出機固體輸送段產(chǎn)量，并滿足正位移輸送條件，實現(xiàn)物料整體沿機筒襯套溝槽方向前進。

利用機筒和螺桿組合c-IKV加工0.8 mm粒徑的顆粒物料時，符合粒徑模型中輸送3情況，此時整體固體塞的斷裂面位于機筒襯套內(nèi)表面處，固相顆粒物料向前輸送的作用機理為摩擦拖曳輸送。圖4為建立的粒徑模型和傳統(tǒng)的Darnell-Mol理論計算獲得的固體輸送段理論產(chǎn)量曲線以及由在線模擬試驗機獲得的試驗數(shù)據(jù)。

由圖4可知，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，試驗數(shù)據(jù)與粒徑模型理論曲線相一致。但是根據(jù)Darnell-Mol理論的計算結(jié)果，由于忽略了機筒襯套溝槽對固體輸送段整體產(chǎn)量的影響，導(dǎo)致理論曲線與試驗數(shù)據(jù)的誤差逐漸增大，這表明機筒襯套溝槽的固相輸送對整機產(chǎn)量的作用不可忽略，尤其是在機筒溝槽截面積較大和螺桿轉(zhuǎn)速較高的情況下。由圖4還可得，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為50 r/min時，該輸送情況下的總產(chǎn)量為22.75 kg/h，而滿足正位移輸送機理的溝槽機筒和螺桿組合c-a擠出2.0 mm粒徑原料的總產(chǎn)量為27.5 kg/h (如圖3所示)，這充分說明正位移輸送可以顯著提高固體輸送段的產(chǎn)量。

采用a襯套，變化螺桿導(dǎo)程，考察螺桿導(dǎo)程對固體輸送段產(chǎn)量的影響，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出,溝槽機筒單螺桿擠出機固體輸送的產(chǎn)量隨螺桿導(dǎo)程的增加而增加，螺桿轉(zhuǎn)速越高，趨勢越明顯。因?qū)С淘酱螅瑢?yīng)的螺槽寬度越大，根據(jù)產(chǎn)量計算公式可以看出[6]，螺桿螺槽平均寬度越大，螺槽產(chǎn)量越大；此外，因該輸送情況下滿足正位移輸送機理，機筒襯套溝槽固相的輸送角為螺桿的螺紋升角，螺桿導(dǎo)程越大，螺桿的螺紋升角越大，因此，溝槽固相的輸送角越大，溝槽產(chǎn)量也增大，這必然導(dǎo)致固體輸送段總產(chǎn)量的增大。

3.2 產(chǎn)量和電機功率波動

不同螺桿轉(zhuǎn)速下，c-IKV,c-a 2種不同擠壓系統(tǒng)下擠出2.0 mm粒徑原料下的產(chǎn)量和電機功率，如表2所示。

從表2可以看出，c-a組合的產(chǎn)量和電機功率波動最小，c-IKV的產(chǎn)量和電機功率波動最大，c-a 組合的產(chǎn)量波動約為 c-IKV 擠 出 機 產(chǎn)量波動的23.7%，電機功率波動前者約為后者的1.5倍。

4 結(jié)論

a) 溝槽機筒擠出機固體輸送段的產(chǎn)量與機筒襯套溝槽槽深、螺桿螺槽槽深和顆粒物料粒徑密切相關(guān)，并決定了不同的粒徑模型。在粒徑模型中，不同輸送情形下的試驗數(shù)據(jù)與理論曲線之間基本吻合，證明在整體固體塞內(nèi)部確實存在不同的剪切界面，并對應(yīng)不同的固體輸送機理。

b) 隨著機筒襯套溝槽寬度和螺桿導(dǎo)程的增加，固體輸送段的總產(chǎn)量增大。在正位移輸送機理下，溝槽機筒單螺桿擠出機固體輸送段的擠出穩(wěn)定性和電機功率波動均小于摩擦拖曳輸送下的單螺桿擠出機。

[1] Sikora J W. The effect of the feed section groove taper angle on the performance of a single-screw extruder[J]. Polymer Engineering and Science,2001,41(9):1636-1643.

[2] 思語. 螺旋溝槽機筒擠出機[J]. 現(xiàn)代橡塑,2004,16(3):27-28.

[3] Rauwendaal C, Sikora J. The adjustable grooved feed extruder[J]. Int Polym Pro,2000,15(2):4.

[4] Potente H,Schoppner V.A throughput model for grooved bush extruders[J]. Int Polym Proc, 1995,10:289-295.

[5] 苗立榮, 潘龍, 薛平. 單螺桿擠出機螺旋溝槽固體段壓力的實驗研究[J]. 當(dāng)代化工，2011, 40(4):347-350.

[6] Long Pan,Mingyin Jia, Ping Xue, et al. Studies on the solids conveying mechanism in helically grooved single screw extruders[J]. Journal of Wuhan University of Technology-Mater Sci, 2013,28(4):693-700.

新的母料使白色圣誕變成現(xiàn)實

據(jù)“www. britishplastics .co. uk”報道，Silvergate塑料公司發(fā)布了一種白色母料系列，據(jù)說這類母料具有很好的覆蓋性能，正是因為這家英國公司開發(fā)的這種新母料，使得白色圣誕成為現(xiàn)實。位于Wrexham的Silvergate塑料公司已經(jīng)開發(fā)出命名為“簡單白”的系列母料，這類母料成本較低，顏色純正，覆蓋力極強，性價比有優(yōu)勢。“簡單白”系列母料為塑料加工者提供了更高的性能及更低的價格。消費者可以直接與Silvergate塑料公司的技術(shù)員在工廠進行合作，從標(biāo)準(zhǔn)顏色中挑選顏色進行配色以創(chuàng)造出更獨特的白。如果需要的話，“簡單白”系列母料中可以添加其他助劑，包括抗靜電劑及抗菌劑等。新系列母料中還包含一種低磨耗的產(chǎn)品，選擇范圍很廣。

意大利材料公司選擇Imagro作為英國的合作伙伴

據(jù)“www. britishplastics .co. uk”報道，意大利的Xenia材料公司已經(jīng)選擇Imagro作為他們在英國市場上新的開發(fā)及分銷公司。Xenia材料公司的工程師們生產(chǎn)的可以用纖維增強的熱固性復(fù)合材料以及功能性助劑可以用于太空，還可用于包括技術(shù)及運動方面的工業(yè)領(lǐng)域。Imagro公司稱，他們期望Xenia的XECARB及XEARAM系列可以被設(shè)計者們接受，而生產(chǎn)者們則希望得到能替代金屬、且質(zhì)量更輕并對環(huán)境更友好的熱塑性材料。

(以上由中國石化揚子石油化工有限公司南京研究院

黃賦云供稿)

Particle-size Model in Solid Conveying Output of Single Screw Extruder with Grooved Barrel

Jia Mingyin1Yu Bin1Zhang Yong1Pan Jiangru1Xue Ping2

(1.Xinjiang Institute of Engineering, Urumqi, Xinjiang,830091; 2.Beijing University of Chemical Technology,Beijing,100029)

Based on the relations of the depth of helical barrel groove, the depth of screw channel and the particle size of materials, three common particle-size models were built to study the effects of the above parameters on solid conveying mechanism and to accurately calculate the output of single screw extruder with grooved barrel in solid conveying zone. Besides, the model is verified by experiments using different combinations of barrels and screws, and different particlesizes of materials with the online simulation testing machine.

helical groove barrel ; single screw extruders; solid conveying; particle-size model

2014-08-05;修改稿收到日期:2014-12-25。

賈明印，男，博士，研究方向為高分子材料成型技術(shù)與裝備。E-mail：jiamy@mail.buct.edu.cn。

新疆維吾爾自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)研究計劃資助(XJEDU2013S47)。