螺纹的螺槽深度.pdf

可以分为浅槽深螺杆 中等槽深螺杆和深槽 深螺杆 如图1和2所示 各种螺纹头数螺 a 单头螺纹 b 双头螺纹 c 三头螺纹 图1 不同螺纹头数n的螺杆横截面示意图 杆具有各自在各种特性上的优缺点 而各种 槽深螺杆也具有不同优缺点 具体反映在螺 杆元件的挤出特性 混合特性和功耗特性几 个方面 在具体物料加工过程中 由于不同 挤出阶段对螺杆元件的要求不同 单一槽深 单一头数螺杆元件就难以很好地发挥出各自 的优点 要想解决这一问题 我们首先分析 一下各种螺杆元件的基本特性 包括挤出特 性 混合特性和功耗特性 a 浅槽型 b 中槽深型 c 深槽型 图2 不同槽深h的螺杆横截面示意图 1 螺杆元件特性 1 通过分析具体各种螺杆元件在挤出特 性 混合特性和功耗特性各个方面的优缺点 在螺杆组合时就可以有针对性地根据具体加 工物料和具体加工工艺要求充分发挥利用其 优点达到挤出混合过程的最终要求 本文将着重分析螺纹头数和槽深对各种 特性的影响 为了分析方便 定义 2 k ho Rs 式中 k 无量纲槽深 ho 最大螺槽深度 Rs 螺杆外径 对于每种螺杆元件 由于其具有同一的 螺杆横截面形状 其几何参数是统一的 下面 我们分析不同螺纹头数和不同槽深条件下 螺杆元件的自由体积百分比 VF Vb 式中 VF 流道体积 Vb 型孔体积 Vb反映了挤出机可能的输送能力的大 小 高自由体积百分比意味着可能的输送能 力大 螺杆扭矩承载能力百分比 M T Cl3 MT Cl3 max 式中 MT Cl3 螺杆扭矩等级参数 MT Cl3反映了螺杆元件可承受的最大 剪切强度 是表征啮合同向双螺杆挤出机混 炼能力的一个主要参数 高扭矩等级参数意 味着设备在当量工作空间内具有较强的做功 能力 不同螺纹头数和不同槽深条件下 这两 个参数如图3所示 图中可以看出三头螺纹 有较高的扭矩等级参数百分比 但是其自由 体积百分比受到限制 其可能的输送量受到 限制 而单头螺纹的自由体积百分比可以较 大 但是其螺杆的扭矩等级百分比则相对较 74 同向双螺杆挤出机变头变径变深螺杆组合及其应用 小 其混合承载能力受到一定的限制 图3 自由体积百分比和螺杆扭矩能力等级 百分比与槽深和螺纹头数之间的关系 每种螺杆元件的工作特性 挤出特性 混 合特性和功耗特性 与多种参数有关 主要与 螺杆几何参数 物性参数 工艺参数等有关 螺杆几何参数包括螺纹头数 中心距 螺杆外 径 螺纹导程 螺杆与机筒间隙 螺杆与螺杆 间隙 物性参数包括物性流动参数如幂律指 数 稠度 工艺参数包括螺杆转速 加料量和 温度设定等 这里将讨论螺纹头数和螺槽深 度对各种工作特性的影响 111 正向螺元件 正向螺纹元件无量纲槽深对流量影响如 图4所示 螺纹头数对流量影响如图5所示 图4 无量纲槽深对流量的影响 图5 螺纹头数对流量的影响 图中可以看出 正向螺纹元件存在一个最佳 槽深k 3 对应最大流量 但是此k 3 是与其 它各种参数密切相关的 通常情况下 螺槽 深度在0 k 3 范围内 这意味着加大槽深有 利于提高流量 螺纹头数对流量影响显而易 见 单头螺纹流量大于多头螺纹元件 也就是 说 单头螺纹元件输送特性较好 正向螺杆元件无量纲槽深对混合能力 平均剪切强度 的影响如图6所示 螺纹头 数对平均混合能力影响如图7所示 图中可 图6 k对混合特性的影响 图7 螺纹头数对混合特性的影响 以看出 螺槽越深 平均剪切强度越低 平均 混合能力就越弱 多头螺纹的平均混合能力 较单头螺纹弱 这是由于相同槽深条件下 多 头螺纹的自由体积百分比比单头螺纹大 虽 然其提供的剪切应力和应变较大 其总体平 均剪切相对较小 而更为重要的原因是单头 螺纹螺棱与机筒接触面积大 其小间隙内产 生的剪切较大 而该部分空间对物料实际有 效混合贡献甚微 从挤出过程有效性分析 多头螺纹元件流道内即螺槽内的平均剪切强 度较单头螺纹元件高 正向螺纹元件无量纲槽深对功耗特性 螺杆扭矩 的影响如图8所示 螺纹头数对 图8 k对扭矩特性的影响 2000年9月中 国 塑 料 75 功耗特性的影响如图9所示 随着槽深加 大 物料受平均剪切强度较小 螺杆扭矩小 而对于单头螺纹来说其螺杆与机筒接触面 大 间隙内剪切较大 该部分空间消耗较大部 分功率 造成螺杆扭矩上升 图9 螺纹头数对扭矩特性的影响 112 反向螺纹元件 反向螺纹元件中无量纲槽深和螺纹头数 对挤出特性 混合特性和功耗特性的影响分 别如图10 11 12 13 14 15所示 从图中可 以看出 反向螺纹元件无量纲槽深对流量的 影响也呈抛物线型曲线关系 对应一定的压 力差参数 工艺参数和物料特性 存在一个最 图10 螺纹头数对流量的影响 图11 k对流量的影响 佳k 3 无量纲槽深 在此槽深条件下 既可以 起一定的阻力元件作用 又可以使产量达到 最大化 而与正向螺纹元件特性相反 多头螺 纹元件的挤出特性明显优于单头和双头元 件 无量纲槽深的增大使物料承受平均剪切 应力和应变减小 混合能力下降 而螺纹头 图12 螺纹头数对混合特性的影响 图13 k对混合特性的影响 图14 螺纹头数对扭矩特性的影响 图15 k对扭矩特性的影响 数对反向螺纹元件中平均剪切应力影响较 小 其特性类似于正向螺纹元件 无量纲槽 深对螺杆混合特性即对螺杆扭矩影响与平均 剪切相仿 螺纹头数对扭矩影响则可以看出多 头螺纹螺杆扭矩要小于单头螺纹和双头螺纹 113 捏合盘元件 捏合盘元件在螺杆元件中主要起混合作 用 混合作用的大小取决于捏合盘的排列方 向 正向排列 中性排列和反向排列 错列角 76 同向双螺杆挤出机变头变径变深螺杆组合及其应用 度和捏合盘片的宽度大小 在聚合物加工过 程中混合作用可分为分散性混合和分布性混 合两种 捏合盘元件对两种混合过程有不同 程度的作用 分布性混合主要取决于捏合盘 的螺纹头数 错列角和捏合盘片宽度 分散性 混合主要取决于捏合盘片单片的几何参数包 括中心距 外径 螺纹头数和间隙大小 本文 主要讨论螺杆槽深和螺纹头数对设备混合性 能的影响特性 由同向双螺杆挤出机螺杆几何学原理可 以看出 整根螺杆可以被认为具有一定截面 形状的轴连续或不连续 以一定错列角度扭 转变形而成的 连续扭转形成螺纹元件 非连 续扭转就成为捏合盘元件 两种元件的差别 仅在于螺旋角度不同 螺纹元件和单片捏合 盘元件在诸多特性上有相似之处 尤其是混 合特性和扭矩功耗特性 由螺杆螺纹元件的上述特性分析中可以 得出单片捏合盘片元件的各种特性 由于捏 合盘片的螺旋角为0 其既不存在正向螺纹 的输送能力也没有反向螺纹的反阻力作用 其流量输送能力为0 而无量纲槽深和螺纹 头数对捏合盘的平均剪切强度和扭矩功耗特 性有相同的影响 如图6和图7所示 分散 性混合的关键在于混合设备能够提供的最大 剪切强度和最大剪切应变的大小 分散性混 合的最终体现是在混合组分的最终粒径大小 是否满足物料体系各种强度性能上的要求 在捏合盘元件中 平均剪切强度的大小足以 反映出分散性混合能力大小 以上是对分散性混合影响的讨论 而对 于分布性混合 螺槽深度的影响则相对较小 起主要作用的是螺纹头数 根据混合理 论 3 分布性混合程度的好坏直接取决于物 料流动时料流的分散股数 物料在正向压力 作用下不断被分割 各组分在物料空间位置 不断置换过程中得到均匀化 在捏合盘片组 中每个槽内的物料越过一盘片时被分为双 股 如此反复 对于单个盘片组成的捏合盘 其分流能力为 Sn 2 n 1 式中 Sn 分流数 n 盘片数 对于各种螺纹头数的捏合盘 其总分流 数分别为 单头螺纹 Sn 2 n 1 双头螺纹 Sn 3 2 n 1 三头螺纹 Sn 5 2 n 1 显而易见 多头螺纹的分布性混合能力 明显优于单双头螺纹 这一点对于强调各组 分均化作用的各种作业过程十分重要 除分 流作用以外 捏合盘中的回流过程对物料的 均化过程也起着很大的作用 上述分布性混 合情况对于中性捏合盘尤其典型 2 变头变径变深螺杆组合 由上述分析中可以看出 不同螺纹头数 元件和不同槽深元件有各自优缺点 如何在 上述理论基础之上将不同元件优点加以综合 利用并避开其不足之处 以满足挤出过程中 不同阶段对螺杆组合要求和不同性质加工物 料和配方对挤出螺杆的基本要求 是本文的 讨论重点 螺杆组合实际上是将各种不同性能螺杆 元件沿螺杆轴向针对不同的挤出功能段进行 排列组合 挤出过程是根据各段功能不同 可以划分为下述5个典型区段 固体输送 熔 融段 混炼段