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单螺杆塑料挤出机的设计及发展方向

来源:/news/57.html 发布时间:2018-10-30

在单螺杆塑料挤出机中,正确的螺杆尺寸是影响挤出产品的质量和成本的一个非常重要的因素。设计过程中对其进行一些必要的假定和简化是可行的,大多数的设备制造企业在设计具有某种特定用途的挤出机时,一般都会有一定的技术窍门,并通对对新的设计方法的研究而得以进一步的发展。

螺杆设计的目标是定义螺杆适当的几何形状、给定产量所需的螺杆转速、所需的加热能力。特定的设计一般都是挤出机、模头和材料三者的结合。即使不考虑高产,我们在设计过程中也要考虑zui低损耗、高质量的混合均匀性和较低的能耗。

混炼元件是用来使材料混合均匀、破碎固体床、熔融残余颗粒和保证完全混合的。根据特定的要求,螺杆的设计是要选择适合于破碎材料或施加剪切应力的螺杆。若给混合质量定义一个统一的标准是很困难的。一般来说,对混炼段的入口和出口温度分布的比较,可以作为热混合影响的一个度量。如果再加上表面积、混炼段的每*束的剪切力或变形,我们可以获得度量混炼元件的机械分散能力或破碎效率的方法。各种不同的材料和加工过程导致我们要设计各种不同的可能的几何形状的螺杆。由于对产品多样性对设备安装的要求,越来越多的使用一种能够对多种原料进行均匀的混合和高质量的加工的螺杆,然而,这样为了特定的目的而设计的螺杆并没有发挥出其潜在的高产量和高质量。

1、材料的特性对加工过程的影响

在挤出加工过程中,加工的材料的特性对加工过程有重要的影响。材料的加热和熔融很大程度上是由压力、体积、温度以及材料的热属性决定的。在输送段,颗粒在机筒内壁和螺杆之间摩擦,这种摩擦影响输送特征和过渡段的行为。这主要依赖于以下的一些因素:

局部压力
温度

速度

摩擦副

摩擦副是由螺杆与颗粒或颗粒与机筒之间构成的。与机筒内壁有较高的摩擦系数和与螺杆螺槽根部有较低的摩擦系数都有有利于产量的影响。研究中发现,即使颗粒形状的微小区别都会对输送行为产生重要的影响。

依赖于剪切速率和温度的流变学特性除了对输送部分有影响外,还影响挤出加工的其它部分在过渡段和均化段,固体相和熔融相的同时存在给加工过程的研究增加了很大的困难。

2、开槽机筒和屏障螺杆

目前,对于传统的三区域螺杆的几何形状的设计有多种变化形式,开槽机筒和屏障螺杆就是其中的两个例子。对于开槽机筒之间的摩擦,可以产生线性输送特性,这意味着在zui大限度范围内,熔体流量不依赖于口模的压力而依赖于挤出机的挤出速度(熔体流量与挤出机的挤出速度几乎成线性关系)。开槽机筒挤出机的缺点就是能量消耗比较大和对材料所施以的剪切应力较大。为了提高颗粒的熔融速率,可以使用屏障螺杆,这样所有的流量必须通过屏障螺杆的屏障间隙来实现,屏障螺杆是把双棱螺杆分为固体槽部分和熔融槽部分。在屏障间隙处,熔融部分和没有熔融部分都受到很高的剪切作用,在屏障间隙的分散可以保证完全的熔融。屏障螺杆和开槽机筒挤出机由于其高产量和高质量的性能,单螺杆挤出机的应用在很大范围内已经被带有屏障螺杆和开槽机筒的挤出机所取代。

3、单螺杆挤出机的计算方法

在设计挤出机螺杆的时候有多种方法,设计参数可以通过近似方程来确定,对几何形状简单的螺杆在忽略许多影响因素的情况下才是可能的,但这样获得的设计参数不适合用来估计现代螺杆的挤出过程。

另外一种方法是模型理论,在实验中确定的一些条件可以被运用于批量生产的挤出机上,然而这具有相当的限制,需要复杂的、实验室规模实验。更为重要的是,实验室模型和生产用的机器的尺寸比率也不一定很大。用模拟的方法我们可以增加要考虑参数的数目。通过模拟我们可以获得一些重要的有关材料的关键性数据。

由于材料和边界条件的建模困难,使得用标准有限元程序来模拟输送段、过渡段和均化段是非常复杂的。挤出机的各个部分都可以用标准的有限元来模拟,涉及到几何建模、边界条件和材料属性方面的工作量是很大的。这意味着,因为成本的原因,标准有限元在螺杆的设计中可以运用的程度是有限的。一种新的方法是边界元素法,此种方法简化网格划分、缩短计算时间,它也能够预测流动速率,剪切应力,流线和全部几何模拟上的压力分布。用边界元素法的计算是在等温的条件下进行的。zui近已经被证明能成功的对混炼段中的材料混合进行模拟。

对模拟的结果的正确分析很重要的,因为程序的计算数据只是定性上正确,但就定量而言,并不总是足够精确。特别是,其结果的精确度取决于现有材料数据的精度。另一个对结果准确性有影响的因素在于一开始模拟程序是否能考虑影响模拟螺杆的所有相关因素。模拟和分析螺杆的困难使得大多数生产企业仍然使用他们自己的近似计算,辅以实验尝试和程序模拟。现实中的螺杆设计仍基于设计人员的经验,模拟程序允许工程师在较短时间内检查各种几何形状和加工参数。这意味,在现代挤出机行业的创造中,他们的确起了重要的作用。将来,更复杂的模拟程序将能够绘制大量而且精确的参数。在单螺杆挤出机的开发中,模拟加工将继续扮演一个比较重要的角色。

4、单螺杆挤出机的发展方向

随着螺杆、机筒材料性能的提升,加工质量的优化,在单螺杆挤出机的设计中,小直径螺杆通过加长长径比的屏障加混炼设计,提高螺杆转速,再配备优化的开槽机筒设计,就能实现高产量、高质量和较低的能耗。所以超长长径比的小直径单螺杆挤出机是未来的发展方向之一。

大口径塑料管道,近几年发展迅猛,特别是大口径高密度聚乙烯管材,外径将达到Φ2000~Φ2500mm,壁厚将达到100mm以上,单位米重达到600kg以上。为了适应这种变化,高密度聚乙烯产量达到1500kg/h~2000kg/h,甚至超过2000kg/h的单螺杆挤出机将得到广泛的应用。

鉴于成本和能耗的因素,螺杆直径超过150mm的单螺杆挤出机也将逐步淡出市场,取而代之的将是更加优化和精确设计的小直径螺杆、机筒组合元件。

在加工不同的原料过程中,一般需要不同结构的螺杆。随着人工成本的不断提高,更换螺杆需要更多的成本,所以使用一种能够对多种原料进行均匀的混合和高质量的加工的螺杆尤为重要,这也是单螺杆挤出机未来的发展方向之一。

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