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来源:未知作者:简介 日期:2020/04/20 10:42 浏览:

摘要:如何利用更短的时间获取最大化的效益,是当今生产型企业不断探求的课题。机械制造商在时代需求的驱使下,为创新、节能方向不断的尝试创新勇攀高峰,可以说工业的发展经历了从0到1、从1到n的不断进步和积累。 螺杆类挤出机从最开始的柱塞式、单螺杆式到目前占据半壁江山的平行双螺杆式、椎形双螺杆式等机型,这一历程一走便走了近百年,这一百年,高聚物加工工业的发展经历了前所未有的繁荣。三螺杆挤出机以其灵活多变的几何排布方式,多个啮合区形成物料在流向,流速上的多变化,且质点在空间位置的分布产生了极其有益的影响,以优异的混合特性、小的长径比、较高的产能比倍受关注。 由于塑料热传导性不强,大直径挤出机(¢130㎜以上)在加工过程中,每个螺纹槽内可能拥有大量的“静态”物料,从而引起不均匀塑化。这个问题不可能通过增加螺杆转速来解决,因为会引起波动,引起流痕变粗。虽然可以通过加大螺杆长径比解决,但这种方法存在局限性,且加大了螺杆悬臂引起的许多负面影响。采用小直径,短长径比的多螺杆组合是解决这一矛盾的有效办法之一。单螺杆无啮合区,双螺杆有一个啮合区,一字形排列的三螺杆有两个啮合区,三角形排列的三螺杆有三个捏合区,三螺杆挤出机啮合区增多,碾压面积成倍增加,运转中对物料构成了高效的挤压、破碎、揉捏、压延、拉伸作用。正是这种高效的混捏作用,使三螺杆无需单螺杆或双螺杆的大直径、大长径比,便可获得同等质量、产量的的生产条件,充分体现出三螺杆挤出机高效的混合均化特性、结构上的紧凑性和经济性。为提高产量,改善产品质量,对单螺杆和双螺杆须加大螺杆直径,加大长径比,成倍提高驱动功率。如将直径45㎜的双螺杆挤出机螺杆加大到70㎜,虽然后者的生产率是前者的3倍,但驱动功率也需提高单位面积产量倍以上。若将螺杆直径45㎜的双螺杆改变为直径45㎜的三螺杆,则后者的产量会翻番,为前者的两倍,而驱动力不足前者的1.5倍。 三螺杆如何排列? 由于螺杆类挤出机应用领域不断拓宽,因而促进了挤出机的发展创新。三根螺杆“一”字排列的三螺杆挤出机和三根螺杆三角形排列的三螺杆挤出机是近几十几年研制开发的新机型。 无论是单螺杆还是双螺杆支撑螺杆全部重量的是螺杆一端套设的轴承。这种悬臂式结构使螺杆前段下垂的重量与另一端的轴承造成极大的不对称负荷,特别是在螺杆连续运转的动摩擦情况下,必然会影响到轴承结构的强度,时间一长,螺杆会发生前段下垂,影响运转的顺畅性。 “一”字排列的两种不同的三螺杆挤出机的三根螺杆等长不等径,中间的主螺杆直径大,两根辅螺杆直径小,主辅螺杆互相啮合,反向旋转。这种设计,扩大了碾压面积,加强了揉压作用,具有较好的塑炼效果,不但增加了产量,且能耗增加不多,由于两个啮合区的存在,碾压面积成倍增加就可缩短螺杆长度,减小螺杆悬臂造成的负面影响。 螺杆中心连线为倒品字形的三螺杆挤出机是挤出领域内的创新。与前述的两种“一”字型排列的三螺杆挤出机相比,全啮合的三螺杆的正三角形排布构成了特有的三个啮合区的存在对物料的流向,流速以及空间位置的分布产生了极其复杂的影响。使之可以小直径,小长径比的多螺杆组合获得高产量,高混合质量的效果。 三角形排列的三螺杆的设置方式可分为5种形式 全啮合的三螺杆挤出机螺纹端面曲线的生成以双螺杆相关理论为基础。由于同向和异向旋转的两根螺杆的螺纹元件端面曲线生成原理截然不同,一根螺杆不可能同时满足两种齿形形成原理。因此,全啮合三角形排列的三根螺杆必然是同向旋转,而且螺纹头数必须为奇数、或为单数、或为三头、不能是双头(双头螺纹三螺杆的任何相位都会有干涉)。显然三角形排列的三螺杆,几何上不能实现共轭啮合,即螺棱和螺槽不能是等宽度啮合。三根螺杆以正三角形排列,从几何关系上易于保证三根螺杆的加工装配精度。 中心区是三角形排列的三螺杆特有的区域,中心区是三根螺杆在任何相位都扫掠不到的区域,且是一个由大到小,又由小到大不断变化的区域,数值上中心区最大状态时的面积是最小状态时的7倍,而最小状态时的面积仅为机筒净面积(除去螺杆截面积)的1/200。由于中心区的面积不断变化,变化的区域不会有静止的流体,在物料的粘性作用下,这些流体会被带入流道推进区,既这种回流某种程度上促进了混合。 三螺杆挤出机虽然面世不久,但已在功能塑料的制备,高亮度涂料的制备及方便食品加工领域得到很好的应用,并以其优异的混合特性,较好的产能比,较小的长径比开始受到关注。三螺杆挤出机,特别是三根螺杆正三角形排列的全啮合三螺杆挤出机的工业化应用,因其在轴承设置,制造工艺等诸多方面有特殊性,技术上尚待成熟,其运作机理有待深入研究。 (来自:中塑在线)

4 结论三螺杆挤出机虽然面世不久,但已在功能塑料的制备、高亮度涂料的制备及方便食品加工领域得到很好的应用,并以其优异的混合特性、较好的产能比、较小的长径比开始受到关注。三螺杆挤出机,特别是三根螺杆正三角形排列的全晴合三螺杆挤出机的工业化应用,因其在轴承设置、制造工艺等诸多方面有特殊性,技术上尚待成熟,其运作机理有待深入研究,但应当看到,这项工作颇有前途。(end)

b) 面积最小时不存在环流

密炼式三螺杆挤出机是一种新颖独特的三螺杆挤出机,为21世纪新型挤出机,它的问世填补了世界空白,必将引发挤出机行业的技术革命,成为今后塑料行业生产设备的主力军。目前该机为60型,三螺杆呈倒品字型排列,螺杆直径60毫米,中心距54毫米,长颈比30:1,螺杆转速500转/分钟,主电机功率55~75KW,采用变频调速或直流调速,配套独特的水环热切装置。机组已经两年多在各种条件下考验,运转平稳安全可靠。

平行双螺杆挤出机好,还是锥形双螺杆挤出机好?是用户在选购双螺杆挤出机时常会提出的问题。双螺杆挤出机的分类按双螺杆的旋转方向,可把挤出机分为同向和异向两种挤出机,同向挤出机是两根螺杆工作时旋转方向一致,异向挤出机是指两根螺杆工作时旋转方向相反。按双螺杆的轴心线平行与否,可分为轴心线平行的和轴心线相交的两种挤出机。轴心线平行的为双螺杆挤出机,轴心线相交的为锥形双螺杆挤出机。双螺杆挤出机还有啮合和非啮合之分平行与锥形双螺杆挤出机的相同之处:有对塑料强制向前推进的输送机理,良好的混合塑化能力和脱水能力,有着基本相同的对物料和塑料制品成型工艺的适应性。平行与锥形双螺杆挤出机的不同之处1、直径:平行双螺杆的直径相同,锥形双螺杆的小端直径与大端直径不同。2、同心距:平双螺杆的中心距相同,锥形双螺杆的两轴线呈夹角,中心距的尺寸大小沿轴线变化。3、长径比:平行双螺是指螺杆的有效部分长度与螺杆外圆之比,锥形双螺杆是指螺杆的有效部分长度与大端直径和小端直径的平均值之比。从以上所述,我们清楚的可以看出平行与锥形双螺杆挤出机最显著的不同是螺杆机筒的几何形状不同,从而引发出结构和性能上的诸多差异,虽两者特点不同,但有各自优势。平行双螺杆挤出机由于受到两根螺杆中心距尺寸小的限制,在传动齿轮箱中,给予支撑两输出轴的径向轴承和推力轴承以及相关传动齿轮的空间很有限,尽管设计者费尽脑汁,但也无法解决轴承的承载能力、齿轮的模数、直径小、两螺杆的尾部直径小的现实,导致抗扭力差的结果。输出扭距小、抗负荷能力差,是平行双螺杆挤出机最为显著的缺陷。但长径比的可塑性是平行双螺杆的优势,它可根据成型条件的差异,可增大和减小长径比以适应塑料加工工艺要求,可以扩展平行双螺杆的适用范围,但这点锥形双螺杆挤出机是难以做到的。锥形双螺杆挤出机两根圆锥形螺杆水平排列,两轴线呈一夹角装入机筒内,两轴线的中心距由小端向大端逐渐变大,使得传动齿轮箱两输出轴有较大的中心距,这些传动系统中的齿轮和齿轮轴以及支承这些齿轮轴的径向轴承和推力轴承留有较大的安装空间,它可以装置较大规格的径向轴承和推力轴承,各传动轴有足以满足传递扭距的轴径,所以大工作扭距、大承荷能力是锥形双螺杆挤出机的一大特点。这点平行双螺杆挤出机是无法比拟的。双螺杆挤出机的止退轴承双螺杆挤出机工作时,熔体在螺杆头部会产生非常大的压力,压力大小通常在14MPA左右,有时甚至高达30MPA以上,这种压力对螺杆形成强大的轴向推力,顶住推力就是止退轴承的作用。1、平行双螺杆挤出机因受两螺杆中心距小的限制,止退轴承的承载能力与其直径大小有关,直径大承载能力大,显然用大直径的止退轴承是不可能的。这个矛盾局面通常是用数个小直径止退轴承串联起来作用,共同承受强大的轴向力,使用这种方法的核心问题是必须每个推力轴承所承受的载荷要均匀相同,否则,承受大的轴承因超载而提前破坏,其所应承受的载荷加到其他轴承上使其超载,这种连续性的破坏其后果是非常严重的。由此可以看出平行双螺杆挤出机传动系统结构比较复杂,与锥形双螺杆挤出机传动系统结构相比,齿轮箱的制造成本高,维修较复杂。2、锥形双螺杆挤出机因两根螺杆的排列有夹角,所以传动齿轮箱两输出轴有较大的中心距,在齿轮箱中装置两个前后交错排列较大的推力调心滚珠轴承,足以阻止由机头压力所形成的轴向力,其特点承载能力大,齿轮箱制造成本低,维修较为方便。对于用户来说,双螺杆挤出机的选购是很重要的,不同类型的双螺杆挤出机有不同的性能和应用场合,因此,必须要弄清楚各种双螺杆挤出机的性能和应用场合。例如,啮合式同向旋转双螺杆挤出机因其转速高,剪切速率大,组合式的螺杆,它广泛地适用于不易热分解聚合物的改性----共混,填充,纤维增强和物料的反应挤出。例如,啮合式异向旋转双螺杆挤出机,因其有良好的混合塑化功能,其最大的特点是PVC粉料直接成型加工。如改变螺杆的几何结构,还可以用于其他物料的成型加工,但它的强项仍是PVC成型加工。根据塑料截面的尺寸大小,确定挤出量,再由挤出量来选择双螺杆挤出机的规格。在塑料加工成型工艺条件基本相同的情况下,锥形双螺杆挤出机能适应较大的机头压力,平行双螺杆挤出机能适应较小的机头压力。

表2中心区面积与机筒净面积的比值螺杆头数中心区面积Aφ/mm2 机筒面积Ab/mm2机筒净面积Ao/mm2δ= Aφ/Ao1%N=17.0588172.688 1390.8820.54N=37.0588172.6881730.9680.43注:计算以φ 60 mm的三螺杆挤出机为基础

图4 相啮合的双螺杆和三螺杆空间尺寸上的限制

一、剪切效率高,塑化效果好

三螺杆挤出机是北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所在挤出机械领域的又一创新。以其灵活多变的几何排布方式、多个啮合区、形成物料在流向、流速上的多重变化,且质点在空间位置的分布产生了极其有益的影响,以优异的混合特性、小的长径比、较高的产能比倍受关注。在近一个世纪中,螺杆类挤出机经历了柱塞式、单螺杆式、平行双螺杆式、锥形双螺杆式等的漫长过程,大大促进了高聚物加工工业的发展。1. 单、双、三螺杆挤出机多螺杆的研制开发,出于使投资成本与产能比及塑炼质量达到最佳的思想。由于塑料具有不良的热传导性,大直径的挤出机(φ130 mm以上)中,由于每个螺纹槽中可能拥有大量的"静态"物料,从而引起不均匀塑化。这个问题不可能通过增加螺杆转速来加以解决,因为这会引起波动,以致引起流痕变粗。尽管也可通过加大螺杆长径比来解决,但有局限性,且加大了螺杆悬臂引起的许多负面影响。采用小直径、短长径比的多螺杆组合是解决这一矛盾的有效办法之一。图1表示单、双、三螺杆挤出机啮合区的比较。从图1可见,单螺杆无啮合区,双螺杆有一个啮合区,一字形排列的三螺杆有两个啮合区,三角形排列的三螺杆有三个啮合区。三螺杆挤出机啮合区增多,碾压面积成倍增加,运转中对物料构成了高效的挤压、破碎、揉捏、压延、拉伸作用。正是这种高效的混捏作用,使三螺杆无需单螺杆或双螺杆的大直径、大长径比,便可获得同等质量、产量的生产条件,充分体现出三螺杆挤出机高效的混合均化特性、结构上的紧凑性和经济性。为提高产量,改善产品质量,对单螺杆和双螺杆须加大螺杆直径,加大长径比,成倍提高驱动功率。如将直径45mm的双螺杆挤出机螺杆加大到70mm,虽然后者的生产率是前者的3倍,但驱动功率也需提高3倍以上。若将螺杆直径45mm的双螺杆改为直径45mm的三螺杆,则后者的产量会翻番,为前者的两倍,而驱动力不足前者的1.5倍(见表1)。

三角排列形的全啮合三螺杆挤出机绝不是三根单螺杆的简单组合。从几何结构学和运动学角度讲,螺杆之间以及螺杆与机筒之间所形成的空间结构复杂,相互啮合的三根螺杆一旦运转起来就等同于三对双螺杆同时运作,物料在三根螺杆上的运动轨迹及其所经受的剪切作用比其在双螺杆上所经历的复杂得多,流动形式亦有很大不同,如模拟所得的运动轨迹图3所示。

一对螺杆有一个啮合点,而三根螺杆却有三个啮合点。即相当于三对双螺杆,因此剪切效率高、物料容易塑化。在实验颜料含量为15%的蓝色母粒时,抽出螺杆检验,看到物料在螺杆全长的中部就已完成塑化了,说明其塑化效果好。

表1 双、三、四螺杆的产能比挤出机类型螺杆直径/mm产能能耗 产能比平行双螺杆45A B 1平行双螺杆 703A3B1三螺杆452A1.5B1.33四螺杆453A2B1.5

图5 三根螺杆的排列方式

该机型经过各种物料试车后,已经顺利通过设备的中试阶段,目前它的性能比国内任何双螺杆挤出机都要优越,特别适合生产高档产品,得到专家及业内人士的高度评价,并已系列化,批量投放市场,必将受到国内外用户的欢迎,也是挤出机划时代革命的开始。

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图3 螺杆典型位置粒子运动轨迹

其产量是规格、同功率双螺杆挤出机的2倍。对生产相同数量的产品,所需要的人力、场地等成本成倍降低。并因其长径比短,主机功率、加热器等功率下降而节能。

表1中的数据充分表明,直径较小的多螺杆组合比大直径的双螺杆的产能比高,技术经济效益好。2. 螺杆"一"字排列的三螺杆挤出机由于螺杆类挤出机应用领域不断拓宽,因而促进了挤出机的发展创新。三根螺杆"一"字排列的三螺杆挤出机和三根螺杆三角形排列的三螺杆挤出机是近十几年研制开发的新机型。无论是单螺杆还是双螺杆,支撑螺杆全部重量的是螺杆一端套设的轴承。这种悬臂结构使螺杆前段下垂的重量对套设于另一端的轴承造成极大的不对称负荷,特别是在螺杆连续运转的动摩擦情况下,必然会影响到轴承结构的强度,时间一长,螺杆会发生前段下垂,影响运转的顺畅性。图2、图3表示为"一"字排列的两种不同的三螺杆挤出机。图2表示的三根螺杆等长不等径,中间的主螺杆直径大,两根辅螺杆直径小,主辅螺杆互相啮合,反向旋转。这种设计,扩大了碾压面积,加强了揉压作用,具有较好的塑炼效果,不但增加了产量,且能耗增加不多。由于两个啮合区的存在,碾压面积成倍增加就可缩短螺杆长度,减小螺杆悬臂造成的负面影响。图3中,主喂料口位于主辅螺杆之间(图3中的阴影框)。辅螺杆与中间的主螺杆反向内旋转,非啮合。辅螺杆直径可与主螺杆等径,亦可比主螺杆直径大:或者主辅螺杆等径,但辅螺杆转速稍高于主螺杆。主辅螺杆的非啮合加大了两螺杆之间的进料空间,便于对大块物料的夹钳。主辅螺杆的反向向内旋转可获得强力的挤压、破碎、压片、卷入作用,获得稳定而高效的喂料机能。辅螺杆直径比主螺杆稍大,或辅螺杆比主螺杆转速稍高,用以形成一定的速度差,产生剪切速率,对原料的磨碎、切断、延展效果更有效。图2中,由于三根螺杆"一"字排列,且两根螺杆直径小(辅螺杆直径是主螺杆直径的一半以下),附加轴向力小;又分列主螺杆两侧,空间位置上对推力轴承的设置不存在大问题。图3中的第三根辅螺杆短,其工作处于低压的固体输送区,轴承的选择和设置也不存在困难。3. 螺杆中心连线为倒晶字形的三螺杆挤出机螺杆中心连线为倒品字型的三螺杆挤出机是挤出领域内的创新。与前述的两种"一"字型排列的三螺杆挤出机相比,全啮合的三螺杆的正三角形排布构成了特有的三个啮合区,相当于三对双螺杆同时运作。三个啮合区的存在对物料在流向、流速以及空间位置的分布产生了极其复杂的影响。使之可以小直径、小长径比的多螺杆组合获得高产量、高混合质量的效果。3.1 不干涉运转条件按照啮合与非啮合,或旋转方向的不同,三角形排列的三螺杆的设置方式可分为5种形式(见图4)。图4a、4b为V字型设置,两对螺杆能实现全啮合,即可同向旋转,亦可异向旋转:图4c上部两根螺杆相切,与下部第三根螺杆啮合,三根螺杆同向旋转;图4d只有在上部两根螺杆相切时,才能实现与下部第三根螺杆的异向旋转。上述4种三角形排布,三根螺杆只构成了两个啮合区,相当于两对螺杆啮合。图4e的倒品字型设置却构成了三个啮合区,相当于三对双螺杆同时运作。全啮合的三螺杆挤出机螺杆螺纹端面曲线的生成以双螺杆相关理论为基础。由于同向和异向旋转的两根螺杆的螺纹元件端面曲线生成原理截然不同,一根螺杆不可能同时满足两种齿形形成原理。因此,全啮合三角形排列的三根螺杆必然是同向旋转,而且螺纹头数必须为奇数,或为单头,或为三头,不能是双头(双头螺纹三螺杆的任何相位都会有干涉)。显然,三角形排列的三螺杆,几何上不能实现共轭啮合,即螺棱和螺槽不能是等宽度啮合。三根螺杆以正三角形排布,从儿何关系上易于保证三根螺杆的加工装配精度(见图5)。为确保三根螺杆的不干涉运转,本研究利用C、VC 6.0、Visua1 Lisp语言专为螺纹元件曲线设计编制了法向修正软件,使相互啮合的三根螺杆螺纹元件的轴向曲线设计及制作更精确。3.2 独特的中心区中心区是三角形排列的三螺杆特有的区域,如图5所示。中心区是三根螺杆在任何相位都扫掠不到的区域,且是一个由大到小,又由小到大不断变化的区域,数值上中心区最大状态时的面积是最小状态时面积的7倍,而最小状态时的面积仅为机筒净面积(除去螺杆截面积)的1/200(见表2)。由于中心区的面积不断变化,变化的区域不会有静止的流体,在物料的粘性作用下,这些流体会被带入流道推进区,即这种回流某种程度上促进了混合。不过,中心区的作用复杂有待于进一步深入实验研究。

图7 法向修正后的间隙

该机的长径比短,22长径比相当于双螺杆的66长径比,物料在机筒内停留时间却可以缩短三分之一,因此,该机适合于热敏性和怕降解的物料。

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