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開槽機簡單螺桿超高分子量聚乙烯擠出機的對比研究
信息來自:超高分子量聚乙烯m.yiesion.cn 發(fā)布日期：2012-12-5 瀏覽次數(shù)：105
導(dǎo)讀： 擠出成型具有效率高、適應(yīng)性強、用途廣泛等優(yōu)點，幾乎適應(yīng)于所有的高分子材料的加工，而單螺桿擠出機作為超高分子量聚乙烯管材擠出成型加工中最基本的裝備之一，一直以來都得到了足夠的認識，在單螺桿擠出理論中固體輸送量決定著單螺桿擠出機的產(chǎn)量，且固體輸送段消耗的功率比較大，在某些情況下，甚至達到整根螺桿消耗功率的百分之六十左右。因此，
擠出成型具有效率高、適應(yīng)性強、用途廣泛等優(yōu)點，幾乎適應(yīng)于所有的高分子材料的加工，而單螺桿擠出機作為超高分子量聚乙烯管材擠出成型加工中最基本的裝備之一，一直以來都得到了足夠的認識，在單螺桿擠出理論中固體輸送量決定著單螺桿擠出機的產(chǎn)量，且固體輸送段消耗的功率比較大，在某些情況下，甚至達到整根螺桿消耗功率的百分之六十左右。因此，單螺桿擠出機的生產(chǎn)效率和擠出特性。
單螺桿擠出機中應(yīng)用最多的是光滑機筒，光滑機筒擠出機的固體輸送機理為摩擦拖拽輸送，其缺點主要包括；對物理性能苛刻，難以實現(xiàn)高粘度、低摩擦系數(shù)物料的輸送和穩(wěn)定擠出，產(chǎn)量低，固體輸送段建壓能力差，比能耗大。針對以上缺陷，德國亞堔工業(yè)大學(xué)塑料加工研究所的研究人員對如何提高固體輸送率進行了一些列的研究，率先于二十世紀(jì)七十年代提出了基于強制輸送的IKV固體輸送理論，并設(shè)計了相應(yīng)的IKL擠出機，它是最早的溝槽機筒擠出機，其典型的機構(gòu)特征在于機筒家加料段內(nèi)壁開設(shè)有軸向直槽，通過在機筒加料套內(nèi)壁開槽將物料輸送過程中的動力由物料與機筒間的外摩擦力轉(zhuǎn)化為物料與物料間的內(nèi)摩擦力，有效增大了固體塞輸送的動力，提高了輸送效率，隨后研究者又發(fā)明了機筒開設(shè)螺旋溝槽的單螺桿擠出機，使單螺桿擠出機在生產(chǎn)超高分子量聚乙烯管材的比產(chǎn)量、比能耗上升一個新的臺階。
針對軸向直槽機簡單螺桿擠出機和螺旋溝槽機簡單螺桿擠出機的結(jié)構(gòu)特點、固體輸送機理和優(yōu)點進行了詳細的對比分析，并對其基礎(chǔ)性能進行了對比研究。
1、 軸向直槽機簡單螺桿擠出機
1、1結(jié)構(gòu)特點
固體輸送機筒或機筒襯套內(nèi)壁開設(shè)縱向溝槽，縱向溝槽的長度為3-5D溝槽深度大于顆粒的最大尺寸，數(shù)值與螺桿直徑有關(guān)，沿縱向在固體輸送段末幾件減小為零，溝槽數(shù)目大約是螺桿直徑的十分之一。
1、2 輸送機理
機筒開設(shè)周向直槽，因溝槽深度一般大于固相粒子直徑，溝槽螺棱推力小于固相之間內(nèi)的摩擦力，故鄉(xiāng)必然在溝槽與螺槽的界面處被剪斷。
因此固體輸送段機筒開設(shè)直槽的單螺桿擠出機的固體輸送機理，與光滑機筒擠出機一樣，均為摩擦拖拽輸送。因固體塞被剪斷，溝槽界面處的摩擦為固相與固相之間的內(nèi)摩擦力，溝槽之間的機筒面為固相與機筒之間的外摩擦力，因此剪斷面處的摩擦力一部分為外摩擦力，一部分為內(nèi)摩擦力，剪斷面類似單螺桿擠出機的機筒面，剪斷面的摩擦系數(shù)可等效為機筒的摩擦系數(shù)。
1、3優(yōu)缺點
當(dāng)幾桶開設(shè)軸向直槽后，機筒等效摩擦系數(shù)增加，輸送動力增強，由此帶來的固體輸送產(chǎn)量高、建壓力強、擠出穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但存在以下缺點；物料在輸送過程中受到強烈的剪切作用，導(dǎo)致固體輸送段產(chǎn)生大量的摩擦耗散熱，固體輸送段需要強制冷卻，加大了額外的能耗，物料輸送中產(chǎn)生的高剪切、高摩擦熱，導(dǎo)致對不同加工物料的適應(yīng)性差，因固體塞內(nèi)部受到較大的周向剪切，固體輸送段壓力梯度太大，導(dǎo)致機筒加料襯套磨損大，設(shè)備成本增加，雖然產(chǎn)量較大，但擠出機整體減小，卻不節(jié)能。
2螺旋溝槽機簡單螺桿擠出機
2.1固體結(jié)構(gòu)
固體輸送機筒或機筒襯套內(nèi)壁開設(shè)螺旋溝槽，溝槽螺紋旋向與螺桿紋旋向相反。溝槽螺紋升角范圍為大于0度小于90度，一般情況下取大于30度小于90度，溝槽深度小于粒子直徑，溝槽寬度大于粒子直徑，螺棱較窄，溝槽數(shù)目在滿足機筒襯套強度的要求下盡量較多，溝槽橫向截面形狀以矩形溝槽為主。
2、2輸送機理
固體輸送段機筒開設(shè)螺旋溝槽時，因溝槽深度小于粒子直徑，固體塞一部分嵌在機筒襯套溝槽內(nèi)，一部分嵌在螺桿螺槽內(nèi)，當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)時，固體塞在機筒襯套溝槽螺棱推進面和螺桿螺棱推進面的共同推動下，類似在相對轉(zhuǎn)動的平行弧板間沿襯套溝槽螺旋角方向運動，只要固體塞不會再溝槽和螺槽界面處發(fā)生剪切，固體塞不會再溝槽和螺槽界面處發(fā)生剪切，固體塞將整體沿溝槽螺旋角方向運動，從而實現(xiàn)正位移輸送。
螺旋溝槽機筒的固體輸送過程類比剪刀模具，螺桿螺棱推進面和襯套螺棱推進面類似剪刀的兩刃，固體塞類似被剪得板。對簡板而言，兩刃夾角越小，板則不打滑而容易被剪斷。當(dāng)然兩螺棱推進面的夾角也不是越大越好，太大會影響固體輸送流率。
機筒開設(shè)螺旋溝槽的核心思想是避免固體塞發(fā)生周向剪切，實現(xiàn)單螺桿擠出機由拖拽輸送向正位移輸送轉(zhuǎn)變。要想避免固體塞在分界面處被剪斷，實現(xiàn)整體固體塞沿溝槽方向正位移輸送，則應(yīng)滿足如下邊界條件，因此機筒開設(shè)螺旋溝槽時溝槽固相和螺槽固相能否完整實現(xiàn)正位移輸送，主要由界面剪切力決定。
若界面剪切力滿足邊界條件，則溝槽物料與螺槽物料為整體輸送，輸送機理為正位移輸送，若分界面處發(fā)生剪切，則剪斷面下層物料將隨螺桿運動，是普通的摩擦拖拽輸送，輸送力是界面內(nèi)摩擦力剪斷面上層物料由于結(jié)構(gòu)尺寸限制，只能卡在襯套溝槽和螺桿螺槽內(nèi)，上層物料必然為正位移輸送。在此種情況下剪斷面處的界面相當(dāng)于下層物料的等效機筒摩擦系數(shù)完全為內(nèi)摩擦系數(shù)，輸送能力大大增強�？傮w上，因剪斷面上層物料為正位移輸送，剪斷面下層物料為摩擦拖拽輸送，這種情況可稱為部分正位移輸送。若界面剪切力大于粒子的抗剪強度，則粒子將在溝槽處被剪斷，再次情況下只有溝槽內(nèi)的物料為正位移輸送，溝槽一下均為摩擦拖拽輸送，這種輸送情形可稱為假性正位移，這是較差的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該避免的。
固體塞在輸送加熱中的超高分子量聚乙烯樹脂過程中，溝槽固相和螺槽固相沒有剪切界面上發(fā)生剪切斷裂，溝槽中的固體塞與螺槽中的固體塞在機筒襯套溝槽推進面推力和螺桿螺槽推進面推力的作用下作為整體沿機筒襯套溝槽螺旋角方向向前輸送，這也充分證明，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計螺旋溝槽機簡單螺桿擠出機固體段可以實現(xiàn)正位移輸送。
2.3 優(yōu)缺點
通過螺旋溝槽機筒的合理設(shè)計，可以實現(xiàn)單螺桿擠出過程的正位移輸送，從而有效克服傳統(tǒng)摩擦拖拽輸送帶來的缺陷。螺旋溝槽機筒單螺桿擠出機能夠大幅度提高單螺桿擠出機的產(chǎn)量，但伴隨著固體輸送產(chǎn)量的大幅度提高，后續(xù)功能段無法實現(xiàn)高固體輸送率下物料的有效熔融，易造成熔融質(zhì)量和混煉效果差的缺陷。
3 擠出性能比
相同的螺桿轉(zhuǎn)速下，機筒開設(shè)螺旋溝槽的單螺桿擠出機均大于軸向直槽機筒擠出機，而均小于軸向直槽機筒擠出機，這充分說明機筒開設(shè)螺旋溝槽的優(yōu)勢，因為兩者溝槽機構(gòu)不同，輸送機理不同，由此有巨大差異，另外轉(zhuǎn)速越高這種性能茶幾越大。
結(jié)論
機筒開設(shè)軸向直槽的段落感擠出機的輸送機理仍為摩擦拖拽輸送，通過正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可實現(xiàn)螺旋溝槽機簡單螺桿擠出機的正位移輸送。螺旋溝槽機筒段螺桿擠出機等擠出性能指標(biāo)方面均遠優(yōu)于軸向直槽機簡單螺桿擠出機。
單螺桿擠出機中應(yīng)用最多的是光滑機筒，光滑機筒擠出機的固體輸送機理為摩擦拖拽輸送，其缺點主要包括；對物理性能苛刻，難以實現(xiàn)高粘度、低摩擦系數(shù)物料的輸送和穩(wěn)定擠出，產(chǎn)量低，固體輸送段建壓能力差，比能耗大。針對以上缺陷，德國亞堔工業(yè)大學(xué)塑料加工研究所的研究人員對如何提高固體輸送率進行了一些列的研究，率先于二十世紀(jì)七十年代提出了基于強制輸送的IKV固體輸送理論，并設(shè)計了相應(yīng)的IKL擠出機，它是最早的溝槽機筒擠出機，其典型的機構(gòu)特征在于機筒家加料段內(nèi)壁開設(shè)有軸向直槽，通過在機筒加料套內(nèi)壁開槽將物料輸送過程中的動力由物料與機筒間的外摩擦力轉(zhuǎn)化為物料與物料間的內(nèi)摩擦力，有效增大了固體塞輸送的動力，提高了輸送效率，隨后研究者又發(fā)明了機筒開設(shè)螺旋溝槽的單螺桿擠出機，使單螺桿擠出機在生產(chǎn)超高分子量聚乙烯管材的比產(chǎn)量、比能耗上升一個新的臺階。
針對軸向直槽機簡單螺桿擠出機和螺旋溝槽機簡單螺桿擠出機的結(jié)構(gòu)特點、固體輸送機理和優(yōu)點進行了詳細的對比分析，并對其基礎(chǔ)性能進行了對比研究。
1、 軸向直槽機簡單螺桿擠出機
1、1結(jié)構(gòu)特點
固體輸送機筒或機筒襯套內(nèi)壁開設(shè)縱向溝槽，縱向溝槽的長度為3-5D溝槽深度大于顆粒的最大尺寸，數(shù)值與螺桿直徑有關(guān)，沿縱向在固體輸送段末幾件減小為零，溝槽數(shù)目大約是螺桿直徑的十分之一。
1、2 輸送機理
機筒開設(shè)周向直槽，因溝槽深度一般大于固相粒子直徑，溝槽螺棱推力小于固相之間內(nèi)的摩擦力，故鄉(xiāng)必然在溝槽與螺槽的界面處被剪斷。
因此固體輸送段機筒開設(shè)直槽的單螺桿擠出機的固體輸送機理，與光滑機筒擠出機一樣，均為摩擦拖拽輸送。因固體塞被剪斷，溝槽界面處的摩擦為固相與固相之間的內(nèi)摩擦力，溝槽之間的機筒面為固相與機筒之間的外摩擦力，因此剪斷面處的摩擦力一部分為外摩擦力，一部分為內(nèi)摩擦力，剪斷面類似單螺桿擠出機的機筒面，剪斷面的摩擦系數(shù)可等效為機筒的摩擦系數(shù)。
1、3優(yōu)缺點
當(dāng)幾桶開設(shè)軸向直槽后，機筒等效摩擦系數(shù)增加，輸送動力增強，由此帶來的固體輸送產(chǎn)量高、建壓力強、擠出穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但存在以下缺點；物料在輸送過程中受到強烈的剪切作用，導(dǎo)致固體輸送段產(chǎn)生大量的摩擦耗散熱，固體輸送段需要強制冷卻，加大了額外的能耗，物料輸送中產(chǎn)生的高剪切、高摩擦熱，導(dǎo)致對不同加工物料的適應(yīng)性差，因固體塞內(nèi)部受到較大的周向剪切，固體輸送段壓力梯度太大，導(dǎo)致機筒加料襯套磨損大，設(shè)備成本增加，雖然產(chǎn)量較大，但擠出機整體減小，卻不節(jié)能。
2螺旋溝槽機簡單螺桿擠出機
2.1固體結(jié)構(gòu)
固體輸送機筒或機筒襯套內(nèi)壁開設(shè)螺旋溝槽，溝槽螺紋旋向與螺桿紋旋向相反。溝槽螺紋升角范圍為大于0度小于90度，一般情況下取大于30度小于90度，溝槽深度小于粒子直徑，溝槽寬度大于粒子直徑，螺棱較窄，溝槽數(shù)目在滿足機筒襯套強度的要求下盡量較多，溝槽橫向截面形狀以矩形溝槽為主。
2、2輸送機理
固體輸送段機筒開設(shè)螺旋溝槽時，因溝槽深度小于粒子直徑，固體塞一部分嵌在機筒襯套溝槽內(nèi)，一部分嵌在螺桿螺槽內(nèi)，當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)時，固體塞在機筒襯套溝槽螺棱推進面和螺桿螺棱推進面的共同推動下，類似在相對轉(zhuǎn)動的平行弧板間沿襯套溝槽螺旋角方向運動，只要固體塞不會再溝槽和螺槽界面處發(fā)生剪切，固體塞不會再溝槽和螺槽界面處發(fā)生剪切，固體塞將整體沿溝槽螺旋角方向運動，從而實現(xiàn)正位移輸送。
螺旋溝槽機筒的固體輸送過程類比剪刀模具，螺桿螺棱推進面和襯套螺棱推進面類似剪刀的兩刃，固體塞類似被剪得板。對簡板而言，兩刃夾角越小，板則不打滑而容易被剪斷。當(dāng)然兩螺棱推進面的夾角也不是越大越好，太大會影響固體輸送流率。
機筒開設(shè)螺旋溝槽的核心思想是避免固體塞發(fā)生周向剪切，實現(xiàn)單螺桿擠出機由拖拽輸送向正位移輸送轉(zhuǎn)變。要想避免固體塞在分界面處被剪斷，實現(xiàn)整體固體塞沿溝槽方向正位移輸送，則應(yīng)滿足如下邊界條件，因此機筒開設(shè)螺旋溝槽時溝槽固相和螺槽固相能否完整實現(xiàn)正位移輸送，主要由界面剪切力決定。
若界面剪切力滿足邊界條件，則溝槽物料與螺槽物料為整體輸送，輸送機理為正位移輸送，若分界面處發(fā)生剪切，則剪斷面下層物料將隨螺桿運動，是普通的摩擦拖拽輸送，輸送力是界面內(nèi)摩擦力剪斷面上層物料由于結(jié)構(gòu)尺寸限制，只能卡在襯套溝槽和螺桿螺槽內(nèi)，上層物料必然為正位移輸送。在此種情況下剪斷面處的界面相當(dāng)于下層物料的等效機筒摩擦系數(shù)完全為內(nèi)摩擦系數(shù)，輸送能力大大增強�？傮w上，因剪斷面上層物料為正位移輸送，剪斷面下層物料為摩擦拖拽輸送，這種情況可稱為部分正位移輸送。若界面剪切力大于粒子的抗剪強度，則粒子將在溝槽處被剪斷，再次情況下只有溝槽內(nèi)的物料為正位移輸送，溝槽一下均為摩擦拖拽輸送，這種輸送情形可稱為假性正位移，這是較差的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該避免的。
固體塞在輸送加熱中的超高分子量聚乙烯樹脂過程中，溝槽固相和螺槽固相沒有剪切界面上發(fā)生剪切斷裂，溝槽中的固體塞與螺槽中的固體塞在機筒襯套溝槽推進面推力和螺桿螺槽推進面推力的作用下作為整體沿機筒襯套溝槽螺旋角方向向前輸送，這也充分證明，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計螺旋溝槽機簡單螺桿擠出機固體段可以實現(xiàn)正位移輸送。
2.3 優(yōu)缺點
通過螺旋溝槽機筒的合理設(shè)計，可以實現(xiàn)單螺桿擠出過程的正位移輸送，從而有效克服傳統(tǒng)摩擦拖拽輸送帶來的缺陷。螺旋溝槽機筒單螺桿擠出機能夠大幅度提高單螺桿擠出機的產(chǎn)量，但伴隨著固體輸送產(chǎn)量的大幅度提高，后續(xù)功能段無法實現(xiàn)高固體輸送率下物料的有效熔融，易造成熔融質(zhì)量和混煉效果差的缺陷。
3 擠出性能比
相同的螺桿轉(zhuǎn)速下，機筒開設(shè)螺旋溝槽的單螺桿擠出機均大于軸向直槽機筒擠出機，而均小于軸向直槽機筒擠出機，這充分說明機筒開設(shè)螺旋溝槽的優(yōu)勢，因為兩者溝槽機構(gòu)不同，輸送機理不同，由此有巨大差異，另外轉(zhuǎn)速越高這種性能茶幾越大。
結(jié)論
機筒開設(shè)軸向直槽的段落感擠出機的輸送機理仍為摩擦拖拽輸送，通過正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可實現(xiàn)螺旋溝槽機簡單螺桿擠出機的正位移輸送。螺旋溝槽機筒段螺桿擠出機等擠出性能指標(biāo)方面均遠優(yōu)于軸向直槽機簡單螺桿擠出機。
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