挤出机螺旋槽加料段固体输送特性研究--《华南理工大学》2011年硕士论文
挤出机螺旋槽加料段固体输送特性研究
【摘要】：挤出成型是聚合物成型加工的重要方法之一。目前的螺杆挤出机大部分采用直开槽衬套的强制进料结构,其固体输送区具有压力过高,挤出过程不平稳,螺杆、料筒磨损严重等缺点。本文研制的螺旋沟槽单螺杆挤出机,采用螺旋开槽衬套的强制进料结构,可以改善固体输送特性,提高挤出产量,降低挤出能耗。
本文主要研究螺旋沟槽单螺杆挤出机的固体输送特性。以自行参与设计的螺旋沟槽单螺杆挤出机为研究对象,在北京化工大学建立的弧板模型以及双螺棱推动理论基础上,推导了螺旋沟槽单螺杆挤出机的能量消耗方程。验证了北京化工大学提出的螺旋沟槽单螺杆挤出机由摩擦拖曳输送向正位移输送转换的边界条件方程,并根据正位移输送边界条件方程、挤出产量和能耗方程指导了强制进料螺旋沟槽衬套的设计,并应用于实际生产。
理论分析和讨论了机筒加料衬套几何结构参数:长度、槽数、槽宽、槽深及螺旋角,螺杆结构参数,工艺参数,物料参数等对固体输送段压力、挤出产量和能耗的影响规律。本文用自行设计的螺旋沟槽单螺杆挤出机进行实验,通过改变物料、螺杆转速等,分析强制进料螺旋开槽衬套结构对固体输送特性的影响,并利用螺旋沟槽单螺杆挤出机和传统挤出机进行HDPE与PPR产量、能耗对比实验。研究结果表明:螺旋沟槽单螺杆挤出机具有良好的正位移输送特性,输送能力好,生产能力大。理论和实验研究具有较好的一致性,实际挤出产量与理论计算分析比较吻合,挤出产量相比原来提高了20%～30%。
本文推导了螺旋沟槽单螺杆挤出机的能量消耗方程,丰富了双螺棱推动理论。本文采用的强制进料螺旋开槽衬套几何结构参数的设计思路,有助于形成挤出机螺旋槽加料段的设计规范,指导螺旋加料衬套及整机的设计,为挤出生产线降低能量消耗、提高挤出产量提供有力的指导。
【学位授予单位】：华南理工大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2011【分类号】：TQ320.5
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400-819-9993导读：新型螺杆设计的IKV系统工作原理和结构特点（一），设计单螺杆时螺杆的挤出量是按计量段的流体动力学理论公式来考虑的，西德亚琛工业大学塑料加工研究所（IKV）和巴基苯胺苏打厂（BASF）的一些研究工，设计并且生产了性能优越的挤出机，IKV螺杆的强制输送作用主要是依靠螺杆机筒在加料段的特殊结构来完成的，IKV系统的机筒加料区设计有强力冷却系统，其斜度为15度（BASF系统）到1度40分（IKV系统中华鸿螺杆: http://www.hhscrew.com/
新型螺杆设计的IKV系统工作原理和结构特点（一）
在七十年代以前，设计单螺杆时螺杆的挤出量是按计量段的流体动力学理论公式来考虑的。这时，挤出量受机头压力影响较大，而且与粘度有关。螺杆的几个机能---输送，压缩，熔融和均化等---在螺杆的三段上是互相重叠的。由于种种原因它们相互影响。例如，由于所加入的塑料原料松散性不好，料斗中搭桥现象的存在以及入口处几何形状不合理.....这些因素往往导致加料段充满状态不稳定，塑料的压缩状态也不稳定，达到一定压力的压缩点的位置一会儿超前，一会儿延后。此外，由于塑料在螺杆上熔化点的位置不仅决定于机筒的热传导情况，剪切热产生的情况和塑料的热性能，而且还直接决定于塑料的压缩状况，即决定于压缩点的位置和压力升高状况。为此，如果压缩点在螺杆上摆动，势必会导致熔融点也在螺杆上摆动，压力，温度和产量都会发生波动，当转速提高后这个现象更为严重。
通过采取一些措施固然会对上述不足有所改进，例如通过强制计量加料可以该善加料的稳定性，采用混合原件和加长计量段会减少熔料的波动。但是另外一些问题仍未很好解决，例如：塑料在螺杆上压实不足，压力形成迟缓；塑料在螺杆上除了轴向移动外，还存在相当严重的径向滑动，因此输送效率很低，一般只有0.3-0.5；挤出量受机头压力影响较大等等。
从七十年代开始，西德亚琛工业大学塑料加工研究所（IKV）和巴基苯胺苏打厂（BASF）的一些研究工作者进行了一些列研究，设计并且生产了性能优越的挤出机。这种机器的主要特征是在螺杆加料段依靠强制加料来提高螺杆的输送效率，同时依靠设置于熔融段和计量段上的混炼原件来保证输送能力提高后的挤出质量。螺杆的三个功能---输送，塑化和均化---分别在螺杆三段上独立地完成（图10-40），克服了普通螺杆几个功能互相重叠和由此而来的不稳定和波动现象。
IKV螺杆的强制输送作用主要是依靠螺杆机筒在加料段的特殊结构来完成的。在机筒加料区上安装了带有锥孔的衬套，套上开有形状不同的纵向沟槽。这时，由于塑料与机筒的摩擦力大大增加，加料区产生了高达800-1500kgf/cm2的压力（图10-41），塑料被压成密实的固体塞，它像一个螺母由于地在螺杆轴向向前移动，打滑，回流现象大大减少，这就大大地提高了输送效率，一般都在0.6-0.85范围内。与此同时挤出量也大幅度提高。从图10-42可以看出:45挤出机以n=125rpm情况下加工聚乙烯时挤出量达到100kg/Hr以上，这个数值相当惊人的。 华鸿螺杆: http://www.chinascrew.com.cn/
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IKV加料区产生的高压一直传到螺杆加料段之后的各段，这就使得这种螺杆的挤出性能非常稳定，机头压力对生产率的影响很小，波动也大大减轻。
由于高压和高摩擦的影响，在机筒加料段产生了大量的摩擦热，这些热量有可能使用纵向沟槽内的塑料熔化，产生的熔料渗入固体塞中，破坏了固体输送，降低了输送效率。为了防止这个情况出现，IKV系统的机筒加料区设计有强力冷却系统，它推迟了熔膜的出现从而保证了高的输送效率（图10-43）.
当螺杆转速提高后输送效率η，有所下降（图10-44），这是由于高速下从料斗往螺槽中装料的困难以及压力传递的困难所引起的。
机筒纵向沟槽的断面形状很多，有矩形、三角形、锯齿形、半圆形等等。一般情况下选用矩形，并且在3-5D长度内将此矩形纵向沟槽的深度逐渐减少至零，华鸿螺杆: http://www.chinascrew.com.cn/
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其斜度为15度（BASF系统）到1度40分（IKV系统中的K6N衬套）不等，也有没有斜度的衬套（ZRN衬套）。它们的结构如图10-45所示。设计时沟槽的断面尺寸可按表10-10选取，沟槽的数目大约是直径1/10，沟深必须大于颗粒的最大尺寸，宽度也与螺杆直径有关。
我国华南工学院对开槽的形状与加料段螺槽的深度进行了研究。它们认为：对Φ45挤出机来说，加料段螺槽深度在3-5mm范围内时，随着槽深增加输送效率大幅度的增加，当槽深大于5mm后，输送效率增加已不明显。在几种纵向沟槽中，以锯齿形沟槽和矩形沟槽的效果为最好（图10-46）。
机筒加料段开槽衬套与随后各段之间，最好用隔热垫分开，以免加料段的冷却水带走机筒塑化段的热量。
在输送效率提高以后，塑料在螺杆上停留时间很短，此时必须在螺杆的熔融区和计量区采取结构上的措施才能保证塑料的熔化和均化。一般有两个办法，一是在加料段之后的机筒上安装单位面积发热量较大的加热元件（例如陶瓷式加热器），第二个办法是在螺杆的压缩段和计量段采用混炼元件来保证塑料的挤出质量。典型的IKV螺杆如图10-47所示：他由功能完全独立的三段组成，在螺杆全长上螺槽深度为4mm。第一段L；长度为9.2D,在纵向开槽衬套的作用下塑料取得了稳定的高挤出量。在螺杆第二段的螺纹上铣出几条纵向沟槽，塑料纸这些分流槽，的作用下通过机械位移的办法固液相之间进行了强烈的混合和热交换，最后达到完全熔融的目的。螺杆的第三段实际上是一个销钉型分流元件，已经熔化华鸿螺杆: http://www.chinascrew.com.cn/
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的塑料纸此处实现组分的均化，热均化和机械的均化。这三段的好的前提下，产量可以提高100%左右。
第二段和第三段的结构可以是多种多样的，图10-48的结构采用了分离型螺杆来作为第二段。也可以采用屏障型元件来作第二段。图10-49表示了第三段的另一种结构，这种结构的机筒上加工有很多突块，它们和螺杆第三段上的方销钉一起更加改善了熔料的混合质量。还有机筒上安装可径向伸缩的销钉，它能柑橘不同的支配工艺要求改变混合程度，既能保证混合度要求，又不致因阻力过大而温升过高（图10-50）.
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锥形双螺杆强制喂料机技术说明：　　1）电机功率：11kw，台湾“安川”变频调速器。 　　2）喂料螺杆：锥形双螺杆强制下料，氮化镀铬处理，表面光洁度高。 　　3）喂料体：内表面抛光、镀硬铬处理，光洁耐磨。 　　4）喂料斗：内表面抛光、镀硬铬处理，光洁耐磨。锥形双螺杆强制喂料机说明：双锥（锥双）强制喂料机采用特制的自结啮合式螺杆，进行喂料，密封好无漏粉，锥双强制喂料机具有强力向前连续输送物料发挥流水线加工的优势。锥双强制喂料机具有连续输送物料和自动清洁的功能等优点。物料经由喂料装置的螺旋咬住，连续均量的供给主机吞进，锥双强制喂料机调速系统可调节控制喂料量的大小，从而替代人工喂料操作，避免人工喂料的不均、易出安全事故的情况，达到节约、安全、高效的目的，是高填充，锥形双螺杆强制喂料机难填充场合所常选用的喂料设备装置。
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新型螺杆设计的IKV系统工作原理和结构特点
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透明加工应如何选择合适的螺杆料筒?
PC料是聚酸酯的简称，因其应用领域广泛，已成为五大中增长速度最快的通用工程塑料。那么PC塑胶原料加工生产中，PC料专用注塑机螺杆和料筒应该如何选择呢？
PC料的特性:
1.非结晶性塑料，无明显的熔点， 玻璃化温度140℃-160℃,熔融温度215℃-225℃，成型温度230℃ -320℃；
2.粘度大，加工温度高，范围窄，易分解，选用螺杆时避免过热的现象；
& 3.对水分敏感，高温下树脂易水解，干燥温度120℃-130℃，时间4小时左右。
螺杆的选择
1．L/D针对其热稳定性好、粘度大的特性，为进步塑化效果尽量选取大的长径比；
2．由于其熔融温度范围较宽，加料段长，均化段短，压缩比适中，为增加塑化效果可选用屏障型过胶头；
3．如加进 阻燃剂 或玻璃 纤维 增强的 PC 料，可选择使用耐腐蚀耐磨优质不锈钢螺杆以及三小件。
新型螺杆设计之强制输送的途径有哪些?
为了得到固体的强制输送，IKV系统是一种结构简便的方案，它得到了广泛的应用。但由于这种系统必须在加料段建立高压和强制冷却，因此不可避免地会来上述的缺陷。
& 很多研究工作者的实践表明：为了达到强制输送目的，IKV系统并非是唯一的方案。根据流体的连续方程，可以到处：
& 显然，只要能保证从料斗中加到加料段螺槽中的塑料能及时地压实，获得较高的体积密度 &；只要能减小料粒之间的打滑，保证塑料像螺母一样的在螺杆上移动，获得尽可能大而稳定的轴向速度V；只要能有合理的横截面A，那末，都可以得到较高的生产率和较大的输送效率。属于按这些原理设计的强制输送系统如下所述：
& 1.轴向强制输送系统
& 这种装置依靠轴向摆动的套筒式活塞来进行强制输送。目前推广于粉料挤出和塑料废料的加工，但当前还处于试验阶段。
& 2.双螺杆强制输送系统
& 这种装置是在单螺杆挤出机的加料段增加一供料螺杆来实现强制输送，供料螺杆采用锥形螺杆有助于轴承的布置。这种机器于1971年的欧洲塑料展览会上便已由西德沃勒（Werner）和弗莱德尔（Pfleiderer）厂展出。
& 3.蜗轮式强制输送系统
& 这种系统的特点是依靠和螺杆相啮合和蜗轮来封闭螺槽从而达到强制输送的目的。蜗轮随螺杆的旋转而旋转，保证塑料只能前进而不能滑移退回。
& 4.单独驱动的锥形套强制输送系统
& 这种系统的特点是在螺杆加料口处套有一单独传动的锥形螺杆，相应地在锥形机筒上也开有纵向沟槽，锥形螺杆的转速与主螺杆可以不相同，这样便可控制压入主螺杆的塑料量，从而实现了可调节的强制输送。
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