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        單螺桿擠出機(jī)螺桿的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

        2016-11-21 02:51:44蔣欣
        橡塑技術(shù)與裝備 2016年20期
        關(guān)鍵詞:單螺桿擠出機(jī)熔融

        蔣欣

        (南京市鼓樓區(qū)塑順擠塑螺桿設(shè)計(jì)咨詢中心,江蘇 南京 210029)

        單螺桿擠出機(jī)螺桿的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

        蔣欣

        (南京市鼓樓區(qū)塑順擠塑螺桿設(shè)計(jì)咨詢中心,江蘇南京210029)

        塑料已超過(guò)了金屬等傳統(tǒng)材料而成為發(fā)展最快的材料,其制品已經(jīng)廣泛深入到各行各業(yè)之中。單螺桿擠出機(jī)作為一種重要的塑料擠出設(shè)備,由于其螺桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選用不當(dāng),一些擠出機(jī)沒有發(fā)揮出應(yīng)有的效益,存在著各種浪費(fèi)。本文敘述了幾種基本的螺桿類型,以及設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的因素。

        單螺桿擠出機(jī);螺桿;設(shè)計(jì);改進(jìn)

        單螺桿擠出機(jī)是目前生產(chǎn)實(shí)際中使用最廣泛的擠出設(shè)備,也是最基本的擠出機(jī),它可以對(duì)幾乎所有的熱塑性塑料進(jìn)行擠出。盡管出現(xiàn)了一些新型的擠出機(jī),但作為一款經(jīng)典的擠出設(shè)備,單螺桿擠出機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中仍占有相當(dāng)重要的地位。

        單螺桿擠出機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、價(jià)格較低、操作方便、工藝易控、生產(chǎn)效率高、應(yīng)用范圍廣、可連續(xù)化、自動(dòng)化生產(chǎn)等特點(diǎn)。

        單螺桿擠出機(jī)最重要的部件是螺桿,有擠出機(jī)“心臟”的稱謂。通過(guò)螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)機(jī)筒內(nèi)的塑料產(chǎn)生擠壓作用,使塑料產(chǎn)生移動(dòng),得到增壓,獲得由摩擦生成的熱量,從而完成固體輸送、熔融塑料、混合均化熔體的作用。

        1 螺桿的種類

        1.1普通螺桿

        普通螺桿是指常規(guī)全螺紋螺桿,根據(jù)螺距(導(dǎo)程)和螺槽深度的變化,螺桿可分為等距變深螺桿、等深變距螺桿和變距變深螺桿,其中以等距變深螺桿在塑料擠出中應(yīng)用最廣。等距變深螺桿又可以分為全漸變螺桿(圖1)、兩段式螺桿(圖2)和三段式螺桿。三段式螺桿根據(jù)擠出材料的不同再分為漸變型螺桿(圖3用于非結(jié)晶型塑料)、突變型螺桿(圖4,用于結(jié)晶型塑料,熔融段較短,一般為3~5D)。

        圖1 全漸變螺桿

        圖2 兩段式螺桿

        圖3 漸變型螺桿

        圖4 突變型螺桿

        普通螺桿是發(fā)展最早的螺桿,但在使用過(guò)程中,人們發(fā)現(xiàn)這種螺桿固體輸送能力不高,存在轉(zhuǎn)速提高后帶來(lái)的塑化不良、熔料過(guò)熱及波動(dòng)加劇等缺點(diǎn)。如果不改變螺桿結(jié)構(gòu),僅通過(guò)調(diào)整螺桿參數(shù)、生產(chǎn)工藝條件等手段,將不會(huì)對(duì)塑料的擠出產(chǎn)量、質(zhì)量有根本性的改觀。這樣人們?cè)跀D出理論的指導(dǎo)下和通過(guò)不斷地實(shí)踐摸索,對(duì)普通螺桿的結(jié)構(gòu)做出了重大改進(jìn),出現(xiàn)了各種各樣的新型螺桿(特殊螺桿)。這些螺桿在提高擠出產(chǎn)量,改善塑化質(zhì)量,減少產(chǎn)量波動(dòng)、壓力波動(dòng)、溫度波動(dòng),降低能量消耗,特別是提高混合均勻性和分散性方面都發(fā)揮了自己的作用,取得了滿意的效果。

        1.2分離型(BM)螺桿

        分離型螺桿是20世紀(jì)60年代初研制出的一種新型螺桿,其特點(diǎn)是在相當(dāng)于三段式螺桿熔融段的位置引入一條副螺棱,使擠壓系統(tǒng)內(nèi)的物料在輸送和塑化過(guò)程中,固相和液相分開,形成固相槽和液相槽,并且副螺棱外徑略小于主螺棱外徑。分離型螺桿有四種基本類型(圖5),可根據(jù)不同的塑料種類有選擇的使用。

        圖5 分離型螺桿

        分離型螺桿克服了普通螺桿的不少缺點(diǎn),如轉(zhuǎn)速明顯提高、熔融效率高,是一次質(zhì)的飛躍,但也存在以下的不足:其固相槽越來(lái)越窄,使固體床與機(jī)筒壁的熱交換面積越來(lái)越小,不利于固體的熔融;而液相槽越來(lái)越寬,熔料反而得到機(jī)筒越來(lái)越大的加熱面積,不利于降低熔體的溫度。

        1.3Barr螺桿

        針對(duì)分離型螺桿的上述缺點(diǎn),人們開發(fā)了Barr 螺桿(圖6)。Barr螺桿與分離型螺桿一樣引入副螺棱,只是開始時(shí)的副螺棱導(dǎo)程較大,當(dāng)液相槽的寬度達(dá)到一定程度時(shí),副螺棱與主螺棱平行。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是固相槽寬度保持恒定,固體物料始終有較大面積與機(jī)筒接觸,有利于熔融。

        圖6 Barr螺桿

        圖7 混煉型螺桿(圓柱銷形)

        圖8 混煉型螺桿(菱形)

        圖9 混煉型螺桿(方形)

        1.4混煉型螺桿

        混煉型螺桿有圓柱銷形的(圖7)、菱形的(圖8)、方形的(圖9)等。這些混煉元件按一定的方式排列,可疏可密;根據(jù)需要,既可設(shè)置在熔融段,也可設(shè)置在均化段。如果混煉元件設(shè)置在熔融段,可將固體床打碎,破壞兩相流動(dòng),增加固、液相的接觸面積,促進(jìn)熔融。如果混煉元件設(shè)置在均化段,則通過(guò)多次分流、匯合,改變流動(dòng)方向,使熔體組分與溫度均化。

        1.5屏障型螺桿

        屏障型螺桿的屏障元件一般分為直槽屏障段(圖10)和斜槽屏障段(圖11)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:在一段外徑等于螺桿直徑的圓柱上,交替開有數(shù)量相等的進(jìn)料槽和出料槽,而槽的法向截面形狀根據(jù)需要可以是半圓形或者是倒梯形。按物料的流動(dòng)方向,進(jìn)料槽和出料槽之間的筋在徑向低于螺桿外徑,其間隙值δ稱為屏障間隙。矮筋是物料從進(jìn)料槽進(jìn)入出料槽的唯一通道,亦可稱之為屏障筋。當(dāng)物料到達(dá)屏障段起始端后,即被分成若干股進(jìn)入進(jìn)料槽,其中只有熔料和粒度小于屏障間隙δ的固體小顆粒,才能越過(guò)矮筋(屏障筋),進(jìn)入出料槽,小顆粒在矮筋上受到了剪切作用,大量的機(jī)械能變成熱能,使小顆粒熔融。

        圖10 屏障型螺桿(直槽)

        圖11 屏障型螺桿(斜槽)

        1.6波形螺桿

        波形螺桿可分為單槽波形螺桿(圖12)和雙槽波形螺桿(圖13)。單槽波形螺桿,采用單螺棱,等距,螺槽深度沿螺桿軸向按一定的規(guī)律變化,由淺變深再變淺(槽底呈波浪形),并以2S的周期出現(xiàn)。物料在該段螺槽中移動(dòng),會(huì)受到重復(fù)的壓縮和膨脹,從而加速固體床的崩潰,對(duì)物料的塑化和混合非常有利。雙槽波形螺桿是在主螺槽中間引入一條副螺棱(外徑低于主螺棱),將主螺槽分成兩部分,每個(gè)螺槽深度沿螺桿軸向按一定的規(guī)律變化,由淺變深再變淺,并以S的周期出現(xiàn),相鄰螺槽峰谷交錯(cuò)。雙槽波形螺桿除了對(duì)物料有壓縮和膨脹的作用外,物料在越過(guò)副螺棱時(shí),還要經(jīng)受短暫而強(qiáng)烈的剪切,其效果要好于單槽波形螺桿。

        圖12 單槽波形螺桿

        圖13 雙槽波形螺桿

        2 螺桿的選擇及設(shè)計(jì)要考慮的因素

        選擇和設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)穆輻U形式對(duì)擠出生產(chǎn)是非常重要的,要考慮的因素也很多,現(xiàn)僅就原材料這方面作些探討。

        (1)物料的特性及外在狀況。如塑料顆粒的形狀、大小、松密度,熔融溫度及熔融狀態(tài)下粘度、流動(dòng)性、熱穩(wěn)定性等。

        (2)塑料的種類。顯然不同的塑料是有差別的,甚至是相差很大。有些塑料是可以共用一根螺桿的,而有些則必須是分開使用的。早期的生產(chǎn)往往是品種多、數(shù)量少,因而一根螺桿打天下(通用型螺桿);現(xiàn)在則多為品種少、數(shù)量多的情況,這樣就需要有針對(duì)性地設(shè)計(jì)專用型螺桿了。

        (3)原材料的組成?,F(xiàn)在許多產(chǎn)品的原材料已不是單一樹脂了,而是根據(jù)實(shí)際需要,由兩種甚至兩種以上的樹脂按比例的共混,并加入各種添加劑。出于環(huán)保、資源再利用及降低成本的目的,塑料回收料的使用也比較普遍了,并且將其按需要的比例摻入到原材料中。這些也同樣需要有針對(duì)性地設(shè)計(jì)專用型螺桿。

        適合的就是好的,這也同樣適用于螺桿。各種形式的螺桿都有自己的優(yōu)點(diǎn)和不足,在設(shè)計(jì)和選擇螺桿時(shí),要揚(yáng)長(zhǎng)避短,既可用單一形式的螺桿,也可是多

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