锥形双螺杆挤出机螺杆设计.pdf

第卷第期年月中国塑料锥形双螺杆挤出机螺杆设计冯连勋荣通珊董力群北京化工大学机械系北京摘要本文较为系统地介绍锥形双螺杆挤出机螺杆的结构形式、基本参数以及各功能段参数的设计依据。关健词锥形双螺杆结构参数设计一、青双锥型普通型高效双锥型近年来,国内锥形双螺杆挤出机发展迅速。由于螺杆锥形结构的特点,锥形双螺杆挤出机适用于粉状的加工,尤其在干混粉料直接挤出成型制品和造粒中得到广泛应用。螺杆是挤出机的心脏,螺杆参数设计的正确与否直接影响到挤出机性能。我们根据多年来在研究和设计过程中所收集的大量资料以及总结出的经验,首次在国内系统地就锥形双螺杆挤出机螺杆主要参数的设计原则和设计依据作一简要介绍。二、螺杆基本结构形式锥形双螺杆挤出机自六十年代问世以来已经近三十年,其螺杆基本结构经历了从初级的普通型到双锥型超锥型,从双锥型到高效双锥型的发展阶段“见图。高效双锥型可以有效地提高螺杆塑化能力和挤出机挤出产量,进而达到提高生产效率的目的,而目前在国内生产的锥形双螺杆挤出机中,绝大多数螺杆的结构仍然是初级的普通,一一目目卜一一止止卜一国国一巴二吧二口甩巴一,一一一一一一一一一图锥形双螺杆基本结构形式型。收稿日期一,三、基本参数锥形双螺杆挤出机是在完全啮合式异向旋转平行双螺杆挤出机基础上发展的,螺杆区别主要在于其形状。由于锥形螺杆的锥度很小,在很短的螺杆长度上可以近似地视为平行双螺杆,因此可以利用平行双螺杆挤出机的计算公式进行近似计算。挤出产量根据关于多螺杆挤出机的挤出产量可以导出双螺杆挤出机的挤出产量犷。式中为挤出产量犷为两螺杆啮合后形螺槽容积。为螺杆转速为物料密度万为年月中国塑料螺纹头数,了为输料效率,在实际生产中,加料口处的螺槽一般采用不完全加料方式充料,即形螺槽并非完全被物料充满,物料在两螺杆之间的间隙也会产生漏流。形螺槽容积用下式计算厂二丁澳一刀兀一“了厂一“兀一粤兀一式中为螺杆直径,。为螺杆轴线中心距为螺纹导程。式中计算出的角度应换算成弧度。螺杆直径锥形双螺杆挤出机的螺杆小端直径在范围内。螺杆直径可根据挤出产量确定。螺杆直径沿螺杆长度是个变量。普通型螺杆大端直径与小端直径之比,双锥型及高效双锥型螺杆大端直径与小端直径之比。螺槽深度普通型锥形双螺杆的螺槽深度沿螺杆长度不变,按双锥型及高效双锥型原理设计的螺杆,螺槽深度沿螺杆长度渐变。螺杆头部的螺槽深度,一般为小端直径的。螺杆长径比锥形双螺杆的长径比定义为螺、杆长度与平均直径之比,一般在范围内。平均直径为二,。二二。螺杆轴线中心距两根螺杆啮合后的轴线中心距为一。式中为螺槽深度氏为顶隙。螺杆轴线中心距沿机筒一也是个变量。占。相对较小,计算中有时可以忽略不计。螺杆转速锥形双螺杆挤出机和平行异向双螺杆挤出机一样,主要用于加工,为了避免在高剪切下受到热损伤,螺杆最大圆周速度受到一定限制,型材挤出为,管材挤出为,造粒为,因此,螺杆转速一般都在,大型机在左右,中型机在左右,小型机在左右。二二上述参数如螺杆直径、螺杆长度、螺杆锥角等有着密切关系,通常用迭代法确定。此外,设计时,分配齿轮箱设计、分配齿轮直径及寿命等应一并考虑。四、螺杆各功能段参数螺杆全长按功能一般分成四段加料段、塑化段压缩段、排气段和挤出段计量段或者分成五段加料段、预塑化段预压缩段、塑化段、排气段和挤出段。加料段参数上述参数确定以后,首先根据挤出产量确定加料段螺槽容积,再由犷确定螺纹导程,和螺纹头数。螺纹导程,可以恒定不变,也可以逐渐减小,以实现物料连续压缩,但增加了加工难度。加料段螺纹头数影响到物料在加料段的升温效果,螺纹头数多,螺杆传热表面积大,有利于冷料的升温。但是,螺纹头数过多时,一方面使得加工复杂化,且螺棱窄,强度削弱,热容量小,传热效果反而差另一方面由于螺槽窄而深,会出现因螺杆圆周速度及物料的散落性能而造成的加料困难。加料段螺纹头数一般为,视螺杆直径而定。加料段长度,原则上取决于被加工物料的熔融特性以及螺杆的总长。为了适应不同锥形双螺杆挤、出机螺杆设计物料或配方的加工要求,加料长度相对较长,一般约为螺杆总长。若在加料段和塑化段之间设置预塑化段,则加料段长度可较短,但从加料口前缘到加料段结束至少应保持两倍以上加料段螺纹导程的长度。预塑化段在一定程度上使加料段输送的物料压实,有利于物料塑化。有时为了增加混炼效果,可在预塑化段快结束的螺棱上开设沟槽。预塑化段的螺纹导程和头数根据预塑化段的螺槽容积犷确定,螺槽容积则根据与加料段螺槽容积厂的压缩比来确定。塑化段参数锥形双螺杆挤出机的塑化能力主要基于物料在塑化段的塑化效果,其影响通过从外部改变机筒和螺杆的温度是无法补偿的。由于塑化段螺槽容积相对较小和加料段的强制输送作用,经加料段预热的物料在此段被充分压实,并受到较强烈的剪切和摩擦而达到半塑化结块状态。塑化段的螺纹导程和头数八根据塑化段的螺槽容积厂确定,螺槽容积犷则根据与加料段螺槽容积犷的压缩比来确定。此压缩比在范围内选取。压缩比过小,物料不密实,影响塑化效果压缩比过大,输送物料的阻力大、压力高,造成物料局部过热,且大的螺杆分离力会导致机筒螺杆的磨损。另外,塑化段过长也会出现上述负效应。在塑化段过长或螺纹过密的极端情况下,甚至还会出现,即使机器不过载,加料段也无法进料的现象。塑化段长度相对较短,约为螺杆总长的。排气段参数物料在排气段应呈结块状,不能从排气口有粉料抽出,但又是未塑化完全的,否则气体裹在熔体中无法排出。物料在排气段同样受到挤压和捏合,表面物料不断更新,有利于气体的逸出。螺槽容积必须足够大,使物料不能完全充满。螺槽容积太小会造成排气口冒料,而导致真空排气系统的堵塞。因此,排气段的槽容积犷应为倍的加料段螺槽容积犷,越大越保险。但是,螺槽容积过大,螺纹的导程势必也大,使得物料输送效率大大降低,另外,大的螺旋升角使得螺杆轴向断面形状严重变形,为防止两螺杆咬合,不得不增大两螺杆间的侧隙。排气段螺纹头数应尽可能多,呀可以得到大的螺杆表面,排气口又不致被一条螺棱堵住。为了获得更好的排气效果,排气段螺棱顶部可开设与螺棱相垂直的浅沟槽。排气段长度必须满足两个要求由塑化段出来的结块状物料在通过排气口之前就应该被挤入排气段螺槽从排气口到排气段结束也应有足够的长度,以便能够将物料挤入挤出段的螺槽。排气段长度一般为排气段螺纹导程的倍,约占螺杆总长的一。长于此的排气段毫无意义,反而浪费螺杆长度。排气口至排气段起始点的距离应。挤出段参数挤出段的主要功能是使物料进一步塑化并建立压力,以克服机头阻力挤出物料。设计时机头压力一般按照计算。物料达到的最终塑化的效果与机头压力密切相关,因为压力是在挤出段中沿一定螺杆长度逐渐建立起来的,这一长度随机头压力的不同而不同。在实际生产中,不同制品所需机头压力不同,为保证物料在较低的机头压力下充分塑化,挤出段必须有足够的长度。挤出段长度应为最大机头压力情况下压力建立所需螺杆长度的倍,约占螺杆总长的。挤出段螺槽容积厂过大会造成物料不能年月中国塑料完全充满螺槽,导致物料完成塑化太迟,均质性差,进而影响制品质量挤出段螺槽容积过小会造成“吃不了”现象的出现,因排气段回流阻力小,物料的堆积最终导致排气口冒料,即使排气段很长也无既于事,因为对结块状物料的压实不可能超过熔体的密度,严重时会导致机器过载和短期内磨损。挤出段螺槽容积厂根据挤出产量计算犷月式中为挤出产量为熔体密度,。为姻杆转速,月为熔体输送效率。或者根据挤出段挤出产量理论上应大于加料段挤出产量的原则来计算。挤出段的螺纹导程和头数几根据挤出段螺槽容积厂确定。螺纹导程可设计成逐渐增大的形式,以抵消由于螺杆锥形结构造成的螺槽容积的减小,得到恒定的螺槽容积,保证了在高生产率下物料仍可处于较低的应力载荷状态下,防止物料过热。但加工难度增大。为了减小因两螺杆相互啮合所造成的输料不均匀性和由此产生的压力和产量波动,挤出段螺纹头数一般为。顶隙占和侧隙乙两螺杆之间的顶隙占和侧隙占是影响压力流和塑化效果的重要参数。顶隙伽小,两螺杆对物料的涅合作用大,有利于物料塑化,但间隙中的压力高,螺杆与机筒的挤压力大,易磨损。根据经验顶隙一般为,视螺杆直径并由螺杆头部轴线中心距和轴线夹角而定。侧隙占小,则物料漏流小,输送效率高,侧隙,大,物料漏流大,增大混合效果。侧隙,与螺杆直径和所选顶隙有关,一般应使,对物料的流动阻力与顶隙占对物料的流动阻力近似相等。螺杆各功能段的侧隙可以不相同。经试验,如要改变已到达排气段的物料的塑化效果,除了改变塑化段与加料段压缩比的方法外,还可以通过改变加料段、预塑化