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        新型螺桿的設計方法

        返回列表 來源:未知 瀏覽: 發布日期:2017-08-02 13:09【
        摘要:所謂新型螺桿,是相對于常規全螺紋三段螺桿而言的。新型螺桿在原理、結構設計上有許多特點,它們是在常規全螺紋三段螺桿的基礎上發展起來的,目前已得到廣泛應用。
        所謂新型螺桿,是相對于常規全螺紋三段螺桿而言的。新型螺桿在原理、結構設計上有許多特點,它們是在常規全螺紋三段螺桿的基礎上發展起來的,目前已得到廣泛應用。
        所謂新型螺桿,主要是指:
        分離型螺桿
        分流型螺桿
        屏障型螺桿
        組合型螺桿
        4.1  常規全螺紋三段螺桿存在的問題
        1、熔融效率低、塑化混煉(染色、加填充物)不均勻1) 傳熱途徑
        由熔融理論知,固體床熔融的熱源有兩個:
        一是來自加熱器的外熱。
        一是發生在熔膜中的剪切熱,
        后者是主要的。如果能使固體床在其消失之前始終能以最大的面積與料筒壁相接觸,則可以獲得最大的熔融效率。
        2) 固體床變窄,傳熱面積減少,熔融效率低,擠出量不高在常規三段螺桿中,熔融段有固體床和熔池同居一個螺槽中,熔池不斷增寬,固體床逐漸變窄,從而減少了固體床與料筒壁的接觸面積,減少了料筒壁直接傳給固體床的熱量,降低了熔融效率,致使擠出量不高。
        3) 固體床易破碎,固體碎片傳熱慢,剪切力小,不易熔融a. 固體床易破碎:在常規三段螺桿中,當固體床寬度減少至它的初始寬度的10%時。其物理性質極不穩定,固體床易解體,形成固體碎片。
        b. 固體碎片被融體所包圍,不能直接獲得外部熱量,傳熱慢固體碎片混到已熔的塑料中,為熔體所包圍,不能直接與料筒壁接觸而獲得外部加熱器的熱量,只能從包圍它們的熔體中獲得熱量。由于熔融聚合物傳熱性能很差,完全將這些碎片熔融將是很困難的,也是很慢的。
        c.漂浮在熔體中的固體碎片受的剪切力很小,很難從剪切獲得熱量固體碎片被融體所包圍,成漂浮狀態,基本上沒有剪切發生。
        4)部分物料得不到徹底熔融,另一部分物料則過熱,導致溫度、塑化極不均勻。
        由于上述因素,使固體床不能徹底地熔融。相反,已熔的物料由于與料筒壁相接觸,仍能從料筒壁和熔膜中的剪切獲得熱量,使溫度繼續升高。這樣一來,就形成一部分物料得不到徹底熔融,另一部分物料則過熱,導致溫度、塑化極不均勻。
        2、壓力波動、溫度波動和產量波動大。
        較高頻率的波動,與螺桿回轉頻率一致,它是由螺桿的旋轉引起的,特別易發生在固體輸送過程中;低頻波動,它是由于熔融過程的不穩定性(可能是由于固體床周期性地解體)所引起的;更低頻率波動,其周期可以是幾分鐘或幾小時,它是由溫控系統的穩定性差或環境因素的變化  (如電網電壓不穩定)所引起的。
        這些波動中以第一、二種影響最大,而這又與螺桿設計有關。常規全螺紋螺桿由于其固有的問題而不可能減少和消除這些波動,這就影響到產品的質量新型螺桿的設計
        3、加工物料適應性差
        常規全螺紋三段螺桿往往不能很好適應一些特殊塑料的加工或進行混煉、著色等工藝過程。
        4、目前常采取的解決辦法
        為克服常規螺桿存在的上述缺點,目前在常規三段螺桿上常用的方法就是:1)加大長徑比;2)提高螺桿轉數;3)加大均化段的螺槽深度等。
        這些措施無疑取得了一定的成效,但成效有限,因為采取上述措施并沒有從根本上改變常規螺桿所存在的固有缺點,這就促使人們突破常規全螺紋的形式,探索創造新的螺桿結構。
        4.2  幾種常見的新型螺桿
        針對常規螺桿存在的問題,對擠出過程進行了深入的研究,在大量實驗和生產實踐的基礎上,發展了各種新型螺桿。與常規螺桿相比,其優點如下:
        提高了擠出量,
        改善了塑化質量,
        減少了產量波動,壓力波動和在MD方向的溫度波動、TD方向的溫差,提高了混合的均勻性和填加物的分散性。
        新型螺桿越來越得到廣泛的應用。新型螺桿的形式很多,但尚無一個全面的科學的螺桿分類,下面僅就目前較為流行的分類方法,重點地介紹幾種。
        4.2.1  分離型螺桿(主副螺紋螺桿)
        設計思路:固液相盡早分離,固體盡快熔融,液相低溫擠出,保證質量,提高產量針對常規全螺紋三段螺桿因固液相共存于同一螺槽中所產生的缺點,采取措施,將已熔融的物料和未熔融的物料盡早分離,從而促進未熔物料更快的熔融,使已熔融物料不再承受導致過熱的剪切,而獲得低溫擠出,在保證塑化質量的前提下提高擠出量。
        其典型代表是BM螺桿。也叫主副螺紋螺桿。
        1、BM螺桿的原理
        1)結構原理
        根據熔融理論所揭示的物料在螺槽中的熔融規律,在螺桿的熔融段再附加一條螺紋,這兩條螺紋把原來一條螺紋所形成的螺槽分成兩個螺槽,一條螺槽與加料段螺槽相通,另一條螺槽與均化段相通。前者用來盛固相,后者用來盛液相。附加螺紋與料筒壁的間隙δ要比原來的螺紋(主螺紋)與料筒壁的間隙δ大。
        2)熔融機理
        當固體床形成并在輸送過程中開始熔融時,已熔的物料將越過間隙δ而進入液相螺槽,而未熔融的固體粒子不能通過δ而留在固相螺槽中。
        由于主階螺紋的螺距不等,液相螺槽由零逐漸變寬,直至達到均化段整個螺槽的寬度,但其螺槽深度則保持不變;固相螺槽由寬變窄,至均化段其寬度變為零,但其螺槽深度則由加料段螺槽深度至均化段螺槽深度。
        在液相螺槽寬度為零的那一點固液相開始分離,在固相螺槽的寬度為零的那一點熔融完成。全部熔融的物料經均化段均化,定壓定量定溫地擠入機頭。
        2、BM螺桿的特點
        1)優點:
        a.塑化效率高,塑化質量好,由于固液相分離;
        b.產量、壓力、溫度波動小,由于沒有固體床解體;c.排氣性能好,由于固液相分離,不混合;
        d.單耗低,由于塑化效率高,減少了能耗;;
        e.適應性強,可用于多種用途、適用多種物料
        f.耐掃膛性能好,由于固液相分離,固體顆粒不能嵌入數值較小的主螺紋與機筒的縫隙中;g.能實現低溫擠出,已熔融物料不再承受導致過熱的剪切,而獲得低溫擠出。
        2)缺點
        a. 加工制造困難。由于主附螺紋螺距不等給加工制造帶來很多困難而影響它的推廣;b. 熔融能力受到限制。由于它的固體床的寬度是由寬變窄,因此不能自始至終保持固體床與料筒壁之間的最大接觸面積而獲得來自料筒壁的最多熱量,從而使熔融能力受到限制;c. 可能引起螺槽堵塞而產生擠出不穩定。固體床在寬度方向要發生形變,如果設計不當,即固體床因熔融而發生的寬度的減少與固相螺槽寬度的減少不一致,有可能引起螺槽堵塞而產生擠出不穩定。
        3) 解決辦法--- Barr螺桿
        針對 BM螺桿的這一缺點,人們研制出Barr螺桿。
        這也是一種分離型螺桿。它與BM不同之處是:
        a.主附螺紋的螺距相等。固相螺槽和液相螺槽的寬度自始至終保持不變。
        b.螺槽深度變化。固相螺槽由加料段的深度漸變至均化段的槽深,而液相螺槽深度由零漸變至均化段的槽深。
        c.加工比較方便。
        從理論上這樣就能使固相始終保持與料筒的最大接觸面積,因而具有較高的熔融能力。
        4.2.2  屏障型螺桿
        1、設計思路:
        屏障型螺桿就是在螺桿的某部位設立屏障段,使未熔的固相不能通過,并促使固相熔融的一種螺桿。
        2、結構原理:
        下面是一種常用的直槽屏障型螺桿的屏障段。
        1)在圓柱面上等距地開了若干縱向溝槽,分兩組;
        2)一組是進料槽,其出口在軸線方向是封閉的;
        3)另一組是出料槽,其入口在軸線方向是封閉的;
        4)兩組槽相間。將進料槽和出料槽隔開的棱面與料筒之間的間隙大小不等,一半為δ(正常螺桿與機筒的間隙),另一半為△(大于正常螺桿與機筒的間隙)。
        2)熔融機理
        工作時,物料由進料槽流入。只有熔融的物料和粒度小于間隙△的固相碎片才能越過△(即圖中劃剖面線處)而進入出料槽,而那些未熔的粒度較大的固相碎片被屏障阻擋。
        新型螺桿的設計
        a.剪切作用
        熔料和未熔融但能通過△的固相碎片在通過△時,受到強烈的剪切作用。
        b.混合作用
        進入出料槽的物料在槽中產生渦流而得以混合。
        4、特點
        a.如果設計得當,這種帶有屏障段螺桿的產量、質量、單耗等項指標都優于常規全螺紋三段螺桿。
        b.從制造方面來說,也比較容易。
        c.它適于加工聚烯烴類塑料。
        5、屏障螺桿的設計
        關于屏障螺桿的設計包括兩個方面,一是屏障段本身的設計,一是屏障段設在螺桿上的位置。
        1)屏障段本身的設計
        屏障段的主要參數有屏障長度L、剪切間隙△、剪切長度I、流通面積F,屏障槽數ω。
        ①剪切間隙△
        它的大小影響著剪切速率和剪切強度,對擠出量、質量、壓力、單耗都有影響。
        a.△一般不宜取得過大,因為這樣會降低屏障段的剪切混合效果;b.但也不能太小,否則會降低產量,因為產量與△3成正比。
        ②屏障段長度L
        L不宜過大,否則會增加沿程的阻力。整個屏障段長度約(1—2)D。對容易塑化的物料(如聚乙烯)可取短些,而對難塑化的物料可以取長一些,其具體數值視螺桿直徑大小而定。
        2) 屏障段設在螺桿上的位置
        如果作為螺桿頭設在計量段末,應當使得物料到達屏障段時,殘余固相最好保持在X/W=0.2-0.3,這樣能發揮屏障頭的最大功效,即可獲得塑化好、產量高、波動小的低溫擠出。
        3)其它形式的屏障段
        a.斜槽屏障段,在改進自潔性的同時,增大了對物料的推進作用。
        b.三角形溝槽屏障段,進料槽的入口較寬,隨著料流在屏障上翻越,逐漸縮小進料槽的寬度,同時增大出料槽的寬度。
        c. 屏障段可以是一段,也可以將兩個屏障段串接起來,形成雙屏障段。
        4.2.3 分流型螺桿
        1、設計思路:
        在螺桿的某一部位設置許多突起部分或溝槽或孔道。將螺槽內的料流分割,以改變物料的流動狀況,促進熔融、增強混煉和均化的一類螺桿。
        銷釘螺桿是它們的代表。
        2、熔融機理
        如前所述,常規全螺紋三段螺桿的一系列缺點是由于在擠出過程中固液相共存于一個螺槽并形成兩相流動造成的,固相不易熔融。
        設置銷釘的作用如下:
        1)打碎固體床,增大傳熱面積,對料流產生摩擦剪切將固體床打碎,破壞熔池,打亂兩相流動,并將料流反復地分割,改變螺槽中料流的方向和速度分布,使固相和液相充分混合,增大固體床與熔體之間的傳熱面積,對料流產生一定阻力和摩擦剪切,而促進熔融。
        2)通過銷釘將熔料多次分割、分流而增加對物料的混煉、均化和填加劑的分散性,獲得低溫擠出。
        其分流原理如下:
        3、設計
        銷釘的設置位置、數目和大小要根據所加工的物料、加工的要求和設置銷釘的目的來確定。
        1)位置設置
        a.如果設置銷釘是為了增加熔融速率,銷釘一般要設在熔融區;b.如果是為了混煉、均化和獲得低溫擠出,銷釘一般設置在均化段。
        2)銷釘的排列形式
        銷釘的排列有各種形式,如人字形,環形等。
        3)銷釘之間的距離
        銷釘之間的距離不應超過銷釘直徑的1.5倍,
        4)銷釘的直徑和數量與螺桿直徑的關系如下:
        螺桿直徑    銷釘直徑    銷釘數目(環形排列)
        50         約3            30
         
        90            4            34
        115          5            36
        150         5.5          42
        200         6.4          48
        5)銷釘形狀
        銷釘可以是圓柱形的,也可以是方形的,或菱形的;可以是裝上去的,也可以是銑出來的。
        新型螺桿的設計
        4、特點
        1)銷釘螺桿可以提高產量(可提高30一100%),
        2)減少 MD方向溫度波動和TD方向的溫差(如國外某廠家的一種銷釘螺桿頭,可以使TD方向溫差僅為l℃),3)改善塑化質量,提高混合均勻性和填充物的分散度,獲得低溫擠出。
        4)與其它新型螺桿相比,銷釘螺桿的一個突出優點是加工制造容易。
        4.2.4  組合螺桿
        以上我們介紹了幾種新型螺桿??梢钥闯觯?/span>
        分離型螺桿是在熔融段附加螺紋或螺槽,它只能和原螺桿作成一體;屏障型、分流型螺桿多在均化段或熔融段來增設非螺紋形式的各種區段,我們稱之為螺桿元件。它們可以與螺桿做成一體,也可以用連接的方法加到螺桿本體(由加料段和壓縮段組成)上。根據這些區段的作用的不同,將它們分別稱為輸送元件、壓縮元件、剪切元件、均化元件等等。
        1、結構組成
        1)組合螺桿由螺桿主體和各種不同職能的螺桿元件(如輸送元件、壓縮元件、混煉元件、剪切元件等)組成的。
        2)改變這些元件的種類、數目和組合順序,可以得到各種特性的螺桿,以適應不同物料和不同制品的加工要求,并找出最佳工作條件。
        不同職能的螺桿元件 :
        2、特點
        組合螺桿突破了傳統常規全螺紋三段螺桿的框框,螺桿可以不再是整體的,也可以不再是由三段組成。這是螺桿設計中的一大進步。
        1)可根據需要,任意組合。
        2)最大特點是適應性強,專用性也強,易于獲得最佳的工作條件,在一定程度上解決了“萬能”和“專用”之間的矛盾。得到了越來越廣泛的應用。
        3)這種螺桿設計較復雜,在直徑較小的螺桿上結構實現有困難。
        4.3  新型螺桿設計中應注意的幾個問題
        所謂新型螺桿,就是螺桿上采用各種混煉段,或改變常規全螺紋三段螺桿結構型式的那些螺桿。
        它們是在常規全螺紋三段螺桿的基礎上發展起來的,盡管有別于常規全螺紋三段螺桿,但其中心問題還是圍繞著提高擠出產量和擠出質量。
        它們在擠出機中所處的位置和常規全螺紋螺桿相同,因此。在前一節中我們介紹的評價螺桿的標準和設計螺桿應當考慮的因素同樣適用于新型螺桿。
        但是,為了合理地選擇和設計各種新型螺桿。有必要強調以下幾點。
        1、首先必須確切地弄清各種新型螺桿的工作原理,以及其適用的場合。
        這是因為,不同的新型螺桿有不同的作用,因而有不同的適用場合。
        1)一種是以混煉作用為主的新型螺桿,如銷釘螺桿、DIS螺桿。顯然,這一種新型螺桿適于混煉,獲得均勻的熔體2)一種是以剪切作用為主的新型螺桿。如屏障型螺桿。,這一種則適于塑化物料(但不適于熱敏性物料的加工)。
        2、選擇理想的混煉元件和剪切元件的位置
        由前面介紹的幾種新型螺桿可知,混煉元件和剪切元件多在計量段(或占一部分壓縮段)設置,不宜太靠近加料段。這是因為過早地設置混煉元件會阻礙固體物料移動,增大料流阻力,減少出料量。
        一般說來,混煉元件的位置大約在固相分布函數x/w=O.3左右比較合適。因為這樣能發揮混煉元件的最大作用。
        3、螺桿熔融能力必須和均化、輸送能力相匹配。
        1)在螺桿上增設混煉元件后,很可能會提高熔化速率,這時應當加大輸送效率,否則物料會因在料筒中停留時間較長,超過所需溫度而有過熱分解的可能。反之,會造成塑化不良現象。
        2)只有當輸送效率高時,我們才能采用強力的混煉元件和剪切元件,以保證足夠的塑化能力;
        3)當輸送效率較低時,只能采用中等強度的混煉元件和剪切元件;
        4)當輸送效率很低時,增設混煉元件和剪切元件反而有可能導致料溫過高而產生物料變質、分解。
        設置混煉元件和剪切元件時,必須注意到每一種元件都有其各自最理想的工作條件,只有在這個理想的工作條件下(或其附近)它才能很好的工作。因此不加分析地使用混煉元件和剪切元件或盲目地在一根螺桿上迭加多種元件想以此得到好的效果的做法是不足取的。
        新型螺桿的設計及其最佳工作條件的選擇并非一件容易的事。但是,在擠出理論的指導下。通過理論分析,實驗驗證和生產實踐,還是有可能達到這一目標的。
         
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