开槽机筒单螺杆挤出机的对比研究大全
    点击:2759 日期:2015-1-22 10:18:36
    开槽机挤出成型具有生产效率高、适应性强、用途广等优点,几乎适应于所有高分子材料的加工。而单螺杆挤出机作为聚合物挤出成型加工中最基本的装备之一,一直以来都得到了足够的重视。在单螺杆挤出理论中,固体输送量决定着单螺杆挤出机的产量,且固体输送段消耗的功率比较大,在某些情况下,甚至达到整根螺杆消耗功率的60% 左右。因此,单螺杆挤出机固体输送段的性能直接决定了单螺杆挤出机的生产效率和挤出特性。   单螺杆挤出机中应用最多的是光滑机筒,光滑机筒挤出机的固体输送机理为摩擦拖曳输送,其缺点主要包括:
    (1)对物料性能要求苛刻,难以实现高黏度、低摩擦系数物料的输送和稳定挤出;
    (2)产量低,固体输送段建压能力差;
    (3)比能耗大。针对上述缺陷,德国亚琛工业大学塑料加工研究所和BASF 的研究人员对如何提高固体输送率进行了一系列研究,率先于20世纪70年代提出了基于强制输送的IKV 固体输送理论,并设计了相应的IKV挤出机。IKV 挤出机是最早的沟槽机筒挤出机,其典型结构特征在于机筒加料段内壁开设有轴向直槽,通过在机筒加料套内壁开槽将物料输送过程中的动力由物料与机筒间的外摩擦力转化为物料与物料间的内摩擦力,有效增大了固体塞输送的动力,提高了输送效率。随后研究者又发明了机筒开设螺旋沟槽的单螺杆挤出机,使单螺杆挤出机的比产量(Q1′)、比能耗(N1)上升一个新的台阶。    笔者针对轴向直槽机筒单螺杆挤出机和螺旋沟槽机筒单螺杆挤出机的结构特点、固体输送机理和优缺点进行了详细的对比分析,并对其挤出性能进行了对比研究。  
    1、轴向直槽机筒单螺杆挤出机   
    1.1 结构特点    固体输送机筒或机筒衬套内壁开设纵向沟槽,纵向沟槽的长度为3~5 D(D 为螺杆直径),沟槽深度大于颗粒的最大尺寸,数值与螺杆直径有关,沿纵向在固体输送段末端逐渐减小为零,沟槽数目大约是螺杆直径的1 ∕10。    沟槽横向截面形状一般为三角形、半圆形、矩形、倒梯形、锯齿形,其中以矩形沟槽为主。   
    1.2 输送机理    机筒开设轴向直槽,因沟槽深度一般大于固相   粒子直径,沟槽螺棱推力小于固相之间的内摩擦力,固相必然在沟槽与螺槽的界面处被剪断。固体输送段机筒开设轴向直槽的输送模型因此,固体输送段机筒开设直槽的单螺杆挤出机的固体输送机理与光滑机筒挤出机一样,均为摩擦拖曳输送。因固体塞被剪断,沟槽界面处的摩擦力为固相与固相之间内摩擦力,沟槽之间的机筒面为固相与机筒之间的外摩擦力,因此,剪断面处的摩擦力一部分为外摩擦力,一部分为内摩擦力,剪断面类似单螺杆挤出机的机筒面,剪断面的摩擦系数可等效为机筒的摩擦系数。因此,机筒开设轴向直槽的单螺杆挤出机的等效机筒摩擦系数为[5]:    式中:fz 为机筒等效摩擦系数;n 为机筒衬套开设的沟槽数目;b 为沟槽宽度;Db 为螺杆外径;fb 为塑料固相与机筒的摩擦系数;fi 为塑料固相与固相之间的内摩擦系数。   在摩擦拖曳输送中,输送动力为等效机筒面的摩擦拖曳力,因固相的内摩擦系数约为外摩擦系数的5 倍[5],当机筒开设轴向直槽后,机筒的等效摩擦系数可显著提高,因此,输送动力得到加强,输送效率得到提高,这也是机筒开设轴向直槽可提高单螺杆挤出机固体输送效率的根本原因。   
    1.3 优缺点
    当机筒开设轴向直槽后,机筒等效摩擦系数增加,输送动力增强,由此带来固体输送产量高、建压能力强、挤出稳定性好等一系列优点。但存在以下缺点:
    (1)物料在输送过程中受到强烈的剪切作用,导致固体输送段产生大量的摩擦耗散热,固体输送段需要强制冷却,加大了额外的能耗;
    (2)物料输送中产生的高剪切、高摩擦热,导致对不同加工物料的适应性差;
    (3)因固体塞内部受到较大的周向剪切,固体输送段压力梯度太大,导致机筒加料衬套磨损大,设备成本增加;
    (4)虽然产量较大,但挤出机整体的Q1′ 减小,N1 加大,不节能。    
    2、螺旋沟槽机筒单螺杆挤出机   
    2.1 结构特点    固体输送机筒或机筒衬套内壁开设螺旋沟槽,沟槽螺纹旋向与螺杆螺纹旋向相反。沟槽螺纹升角范围为0 < θ  < 90°,一般情况下取30°<  θ  < 60°,沟槽深度小于粒子直径,沟槽宽度大于粒子直径,螺棱较窄,沟槽数目在满足机筒衬套强度的要求下尽量较多,沟槽横向截面形状以矩形沟槽为主。
    2.2 输送机理固体输送段机筒开设螺旋沟槽时,因沟槽深度小于粒子直径,固体塞一部分嵌在机筒衬套沟槽内,一部分嵌在螺杆螺槽内。当螺杆旋转时,固体塞在机筒衬套沟槽螺棱推进面和螺杆螺棱推进面的共同推动下,类似在相对转动的平行弧板间沿衬套沟槽螺旋角方向运动,只要固体塞不会在沟槽和螺槽界面处发生剪切,固体塞将整体沿沟槽螺旋角方向运动,从而实现正位移输送。   螺旋沟槽机筒的固体输送过程类比剪刀模型,螺杆螺棱推进面和衬套螺棱推进面类似剪刀的两刃,固体塞类似被剪的板,剪刀两刃之夹角α 与两螺棱推进面的夹角180°–(φ+θ)类似(φ 和θ 分别为螺杆和螺旋沟槽的螺旋升角)。对剪板而言,两刃夹角α 越大,板则打滑而不能剪断,两刃夹角α 越小,板则不打滑而容易被剪断。对于固体输送而言,要求两螺棱推进面的夹角180°–(φ+θ)大,不使固体塞被剪切而让其打滑;当然,两螺棱推进面的夹角也不是越大越好,太大会影响固体输送流率。    机筒开设螺旋沟槽的核心思想是避免固体塞发生周向剪切,实现单螺杆挤出机由拖曳输送向正位移输送转变。要想避免固体塞在分界面处被剪断,实现整体固体塞沿沟槽方向正位移输送,则应满足如下边界条件:τ  ≤ p · fi,即分界面上的剪切力τ 小于界面内摩擦力fi。因此,机筒开设螺旋沟槽时,沟槽固相和螺槽固相能否整体实现正位移输送,主要由界面剪切力决定。    螺旋沟槽机筒不同剪断面对应的输送机理若界面剪切力满足边界条件,则沟槽物料与螺槽物料为整体输送,输送机理为正位移输送;若分界面处不满足正位移输送的边界条件,如图4b所示,固体塞在界面处发生剪断,则剪断面下层物料将随螺杆运动,是普通的摩擦拖曳输送,输送动力是界面内摩擦力,剪断面上层物料由于结构尺寸限制,只能卡在衬套沟槽和螺杆螺槽内,上层物料必然为正位移输送。此种情况下,剪断面处的界面相当于下层物料的机筒面,因简单面处均是内摩擦力,则下层物料的等效机筒摩擦系数完全为内摩擦系数,输送能力大大增强。总体上,因剪断面上层物料为正位移输送,剪断面下层物料为摩擦拖曳输送,这种情况可称为部分正位移输送。若界面剪切力大于粒子的抗剪强度,则粒子将在沟槽处被剪断,在此情况下,只有沟槽内的物料为正位移输送,沟槽以下均为摩擦拖曳输送,这种输送情形可称为假性正位移,这是较差的结构设计,在实际结构设计中应该避免的。螺旋沟槽机筒单螺杆挤出机的固体塞输送实物图从图中可以看出,固体塞在输送过程中,沟槽固相和螺槽固相没有在剪切界面上发生剪切断裂,沟槽中的固体塞与螺槽中的固体塞在机筒衬套沟槽推进面推力和螺杆螺槽推进面推力的作用下作为整体沿机筒衬套沟槽螺旋角方向向前输送。这也充分证明,通过合理的结构设计,螺旋沟槽机筒单螺杆挤出机固体段可以实现正位移输送。
    2.3 优缺点
    通过螺旋沟槽机筒的合理设计,可实现单螺杆挤出过程的正位移输送,从而有效克服传统摩擦拖曳输送带来的缺陷,其优点包括:
    (1)因固体塞不会发生周向剪切,而且沟槽和螺槽均有输送,因此Q1′大,N1 小;
    (2)建压能力强,而且压力梯度平缓;
    (3)挤出稳定性好。    螺旋沟槽机筒单螺杆挤出机能够大幅度提高单螺杆挤出机的产量,但是伴随着固体输送产量的大幅提高,后续功能段无法实现高固体输送效率下物料的有效熔融,易造成熔融质量和混炼效果差的缺陷。  
    3、挤出性能对比    Q1′、N1、Pw1(固体输送段的实验能耗)和m1(固体输送段的实验产量)是反映单螺杆挤出机挤出性能的主要评价指标,单螺杆挤出机机筒开设螺旋沟槽和轴向直槽的挤出性能分别如表1 和表2 所示。    其中,螺杆结构参数为:螺杆直径为45 mm,螺槽深度为3.2 mm,螺棱宽度为4.5 mm,螺杆长度为261 mm ,螺杆仅有固体输送段组成;螺旋沟槽衬套的结构参数为:螺纹升角为45°,沟槽深度2 mm ,沟槽宽度由8.5 mm 逐渐过渡为7.7 mm,螺棱宽度为5.5 mm,沟槽头数为8 ;轴向直槽衬套结构参数为:沟槽深1.5 mm,沟槽宽度为8 mm ,螺棱宽度为9.6 mm,沟槽头数8。原料为燕山石化PE-LD 607 ,原料粒径为3.0 mm,通过造粒得到粒径为1.0 mm颗粒。为验证机筒开设螺旋沟槽和轴向直槽的单螺杆挤出机的输送机理,在实验中,螺旋沟槽机筒衬套的实验原料粒径为3.0 mm,轴向直槽机筒衬套的实验原料粒径为1.0 mm。   从表1 和表2 可以看出,相同的螺杆转速下,机筒开设螺旋沟槽的单螺杆挤出机的Q1′ 均大于轴向直槽机筒挤出机,而N1 均小于轴向直槽机筒挤出机,这充分说明机筒开设螺旋沟槽的优势。因为二者沟槽结构不同,输送机理不同,由此带来挤出性能的巨大差异。另外,转速越高,这种性能差距越大。   
    4、结论
    机筒开设轴向直槽的单螺杆挤出机的输送机理仍为摩擦拖曳输送,通过正确的沟槽结构设计,可实现螺旋沟槽机筒单螺杆挤出机的正位移输送。螺旋沟槽机筒单螺杆挤出机在Q1′、N1 等挤出性能指标方面均远优于轴向直槽机筒单螺杆挤出机。