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      單螺桿擠出機螺桿的設計與改進

      2016-11-21 02:51:44蔣欣
      橡塑技術與裝備 2016年20期
      關鍵詞:單螺桿擠出機熔融

      蔣欣

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

      單螺桿擠出機螺桿的設計與改進

      蔣欣

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

      塑料已超過了金屬等傳統(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。單螺桿擠出機作為一種重要的塑料擠出設備,由于其螺桿的結構設計、選用不當,一些擠出機沒有發(fā)揮出應有的效益,存在著各種浪費。本文敘述了幾種基本的螺桿類型,以及設計時要考慮的因素。

      單螺桿擠出機;螺桿;設計;改進

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

      單螺桿擠出機具有結構簡單、性能穩(wěn)定、價格較低、操作方便、工藝易控、生產(chǎn)效率高、應用范圍廣、可連續(xù)化、自動化生產(chǎn)等特點。

      單螺桿擠出機最重要的部件是螺桿,有擠出機“心臟”的稱謂。通過螺桿的轉動,對機筒內(nèi)的塑料產(chǎn)生擠壓作用,使塑料產(chǎn)生移動,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用于非結晶型塑料)、突變型螺桿(圖4,用于結晶型塑料,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,但在使用過程中,人們發(fā)現(xiàn)這種螺桿固體輸送能力不高,存在轉速提高后帶來的塑化不良、熔料過熱及波動加劇等缺點。如果不改變螺桿結構,僅通過調(diào)整螺桿參數(shù)、生產(chǎn)工藝條件等手段,將不會對塑料的擠出產(chǎn)量、質(zhì)量有根本性的改觀。這樣人們在擠出理論的指導下和通過不斷地實踐摸索,對普通螺桿的結構做出了重大改進,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、壓力波動、溫度波動,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60年代初研制出的一種新型螺桿,其特點是在相當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,如轉速明顯提高、熔融效率高,是一次質(zhì)的飛躍,但也存在以下的不足:其固相槽越來越窄,使固體床與機筒壁的熱交換面積越來越小,不利于固體的熔融;而液相槽越來越寬,熔料反而得到機筒越來越大的加熱面積,不利于降低熔體的溫度。

      1.3Barr螺桿

      針對分離型螺桿的上述缺點,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,只是開始時的副螺棱導程較大,當液相槽的寬度達到一定程度時,副螺棱與主螺棱平行。這種結構的優(yōu)點是固相槽寬度保持恒定,固體物料始終有較大面積與機筒接觸,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,既可設置在熔融段,也可設置在均化段。如果混煉元件設置在熔融段,可將固體床打碎,破壞兩相流動,增加固、液相的接觸面積,促進熔融。如果混煉元件設置在均化段,則通過多次分流、匯合,改變流動方向,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)。其結構特點是: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。按物料的流動方向,進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。矮筋是物料從進料槽進入出料槽的唯一通道,亦可稱之為屏障筋。當物料到達屏障段起始端后,即被分成若干股進入進料槽,其中只有熔料和粒度小于屏障間隙δ的固體小顆粒,才能越過矮筋(屏障筋),進入出料槽,小顆粒在矮筋上受到了剪切作用,大量的機械能變成熱能,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,會受到重復的壓縮和膨脹,從而加速固體床的崩潰,對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。雙槽波形螺桿除了對物料有壓縮和膨脹的作用外,物料在越過副螺棱時,還要經(jīng)受短暫而強烈的剪切,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 螺桿的選擇及設計要考慮的因素

      選擇和設計適當?shù)穆輻U形式對擠出生產(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,這樣就需要有針對性地設計專用型螺桿了。

      (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性地設計專用型螺桿。

      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)點和不足,在設計和選擇螺桿時,要揚長避短,既可用單一形式的螺桿,也可是多

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      燕豐 供稿

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      TQ320.663

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