单螺杆挤出机运行原理

单螺杆挤出机运行原理 第二章 单螺杆挤出机运行原理 单螺杆挤出机运行原理 第二章 塑料成型加工中，挤出机是主要设备之一。挤出机又分为螺杆类、非螺杆类(如柱塞 式)挤出机。 螺杆类挤出机又分为单螺杆挤出机、双螺杆挤出机和多螺杆挤出机。实际应用中， 以单螺杆挤出机和双螺杆挤出机居多。 单螺杆挤出机和双螺杆挤出机在用途上差不多，一般可用来成型制品和配混料造 粒。用它们可以成型的制品，多数为具有连续截面的制品，如板、管、异型材、丝、薄膜、棒 等;也有间歇型的制品，如中空制品。单、双螺杆挤出机还可用来进行聚合物的改性，如 填充、增强、共混、反应挤出;亦可用作其它用途，如后处理的脱水、脱挥发分、换热等。就 其使用范围而言，双螺杆挤出机更宽，适应性更强。 单螺杆挤出机发展比较早，结构简单，操作容易，成本低，易于制造，应用数量大，人 们比较熟悉，理论研究也较成熟。双螺杆挤出机则不然。这两种挤出机有很多相似之 处，但也有许多差别，不能像某些资料介绍的那样，简单地把对单螺杆挤出机的认识用于 双螺杆挤出机。因此，在介绍双螺杆挤出机时，有必要简单回顾、介绍单螺杆挤出过程和 有关问题，以便于就某些问题将二者做一对比，以加深认识。 这里介绍单螺杆挤出机的挤出过程，将按加料和固体输送、熔融、熔体输送和混合的 顺序进行。 ? ""! ? 第四篇 橡胶挤出成型机械设备 第一节 加料和固体输送 一、加料 单螺杆挤出机在一般情况下，都采用重力加料，或称溢流加料。其特征是料斗中物 料有一定料位高度。当螺杆旋转时，螺棱由料斗中攫取物料，物料靠重力进入螺槽中，然 后沿螺槽向前输送。螺杆旋转得快，加入的物料多;旋转得慢，加入的物料少，加料量依 赖于螺杆转数，故它不是独立的操作变量。物料在加料区的螺槽中基本呈充满状态，但 比较松散，未压实，可以看到料粒之间有一定的相对运动，随后进入固体输送区。 二、固体输送 按照 !"# 和 $%&’(# 的理论，发生在单螺杆螺槽中的固体输送是摩擦拖曳下的固体输 送。当固体物料因螺槽容积沿螺杆轴线方向逐渐减小而被压实成固体塞后，在固体塞与 螺杆 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面间的摩擦力和固体塞与机筒内表面间的摩擦力作用下，固体塞沿螺槽向前输 送。物料与螺杆表面摩擦因数 ! ) 与物料与机筒内表面摩擦因数 ! * 的差值是摩擦拖曳输 送驱动力的源泉。 对固体塞进行运动分析和受力分析(如图 + , - , . 所示)，根据力平衡可以求出固体 输送角(也叫拖曳角): (- , .) /")! 0 " ) )1’! 2 # - - #! , " ) ,(- , -) )1’! 0. 2 " )# - . 2 " ) /") "$ )1’# 2 ! )# 0式中 (- , 3) " ) $/")" , ! ) )1’" * %) & ! ) ! ) )2# 0 - ()$ "2 &! * )1’"* /45" &! * )1’"* $***) $% . ( "2) )) /45&2)(- , +) $ *"’ 2 ()" "#’- /45. )(!*" $ & *** )1’" 式中 "$ 、$ * 、$ )———分别表示螺杆平均直径、机筒内径、螺杆根径; "* 、")、#———分别表示机筒内壁处的螺纹升角、螺杆根径处的螺纹升角、平均 螺纹升角; ? --6 ? 第二章 单螺杆挤出机运行原理 !、!、! ———分别表示机筒内壁处的螺槽宽度、螺杆根径处的螺槽宽度、 !" 平均螺槽宽度; " ! 、" " ———分别为机筒内壁与固体塞的摩擦因数、螺杆表面与固体塞的摩擦 因数; #、#———分别为所讨论的固体输送段末和开始处的压力; #$ $ ———螺槽深度; %———所研究的固体输送段在螺槽方向的长度。 ! 图 % & # & $ 螺槽中固体塞的运动分析和受力分析 $—机筒;#—固体塞段;’—螺杆;%—螺棱 则 固体输送量 ,, ) #(# & .) )*( (& $ )")*"?+ )*#!$ & !!!)*"##& ( !’? $ ? ( & $ )",- !( ("!!式中 ’———螺杆转数; " !" ———固体塞的密度; )———螺棱的法向宽度。 而消耗在固体输送段的总功耗 * (&# /!’" ? (! ? ! !? %! ? " ! ?01""#*$ (# & 4) 32-( * #*$ ) 由上式可以推出，在固体输送段，压力成指数增长。如果由加料口处开始计算压力增长， 第四篇 橡胶挤出成型机械设备 则 ! ! 为由于料斗中的料位高度而产生的料斗底部的压力。 由上述分析可知，固体输送角取决于物料与螺杆和物料与机筒内表面摩擦因数的差 值。故为了增加固体输送能力，可以通过在固体输送段机筒内壁上开设纵向沟槽的办法 来提高物料和机筒内壁的摩擦因数(如图" # $ # $所示)。开了纵向沟槽的机筒内壁和 图 " # $ # $ 为增加摩擦因数的开槽机筒 固体物料之间的摩擦因数，就不再简单地是金属与物料之间的摩擦因数，而要用一个所 谓等效摩擦因数来代替: (" ’ ? # ’" ) ? # )&(" % ($ # *) ’#) # 式中 " + ———等效摩擦因数; " ’ ———物料与机筒内壁(金属)间的摩擦因数; " ) ———物料与机筒沟槽中物料之间的摩擦因数，亦称内摩擦因数; #) ———开槽机筒上全部沟槽的面积; # ’———开槽机筒除去沟槽以外的机筒内表面积。 由于固体物料与固体物料之间的摩擦因数大于固体物料与金属机筒表面之间的摩擦因 ,数，故等效摩擦因数 " +" ’ 。若用 " + 代替 " ’ ，则求出的固体输送角肯定大。因而机筒内 壁开了纵向沟槽，可以增加固体输送量(这一概念在非啮合双螺杆挤出机中也有应用)。 第二节 熔 融 单螺杆塑化挤出过程中，熔融是一个关键阶段。很多人对这一阶段进行了实验和理 论研究。因为条件不同，所得出的结论也不尽相同。其中比较有名的有 -.//0%1、2+13 ? $54 ? 第二章 单螺杆挤出机运行原理 !"#、$"%&"’ 和 ()"%!，以及 * + ,-./0# 等。可以将他们建立的发生在常规螺槽中的熔融 过程的物理模型归纳为如下几种情况: !固体床在螺纹推力面前方，熔池在螺纹拖曳面后方，围绕固体床是熔膜和熔池，如 图 1 2 3 2 4(-)所示; "固体床在螺槽中央，其周围是熔体，如图 1 2 3 2 4(5)所示; #固体床在螺纹拖曳面后，熔池则在螺纹推力面前方，固体床周围是熔膜和熔池，如 图 1 2 3 2 4(6)所示。 图 1 2 3 2 4 单螺杆挤出过程熔融现象 (-)$-..06! 熔融模型;(5)7"!!"# 熔融模型;(6)$"%&"’ 和 ()"%! 熔融模型 关于单螺杆挤出过程中熔融机理数学模型化的工作是由 * + ,-./0# 和 8 + ()"9% 最后 完成的。他们所用的熔融物理模型可描述如下:熔膜首先在固体床和机筒接触表面形 成。当熔膜厚度超过螺杆和机筒内壁间隙时，螺棱把厚的熔膜刮下，使这部分熔体在螺 纹推力面前汇集，随着熔融的进行，便汇集成熔池，而把固体床推到螺纹拖曳面的后方。 这样，在螺槽横截面内，熔融模型如图 1 2 3 2 1(-)所示。随着熔融的进行，熔池逐渐变 宽，固体床宽度逐渐变小。最后固体床消失，熔池占据了整个螺槽，熔融过程即告完成。 若将螺槽展开，熔融过程如图 1 2 3 2 1( 5)所示。可以看出，在熔融段，固液相共存，二者 之间有一条明显的分界面。 ! 点为熔融开始点，" 点为熔融结束点。 由上分析可见，已熔融的物料不断被拖曳移走，因而该熔融机理是在介绍的几种熔 融方式中的拖曳引起的熔体移走下的传导熔融。在这种情况下，固体床的一部分热量由 热的机筒表面获得，一部分热量通过熔膜中的粘性耗散将机械能转变成热能来提供。熔 融速率由热传导速率以及熔体迁移和粘性耗散速率决定。 为了将这一熔融过程用数学关系式表示，* + ,-./0# 和 8 + ()"9% 做出若干简化假定: 流体是牛顿型的;挤出过程是稳定的，在挤出过程中各螺槽截面内的速度分布、温度分布 以及熔膜与固体床的分界面不随时间而改变;固体床是均质的，连续的，且在螺槽深度方 向无限深;聚合物的熔融温度范围较窄，固液相的分界面明显，熔膜厚度不变;螺槽与固 体床的横截面都是矩形;忽略熔池对熔融的影响;机筒转动，螺杆相对静止。 由图 1 2 3 2 1(5)可见，在熔融起始点处，固体床的宽度 等于螺槽宽度 ;在熔 ? 34: ? 第四篇 橡胶挤出成型机械设备 融终结点 ! 处，固体床宽度等于零。因而，在整个熔融区间内，固体床宽度 " 是沿螺槽 方向距离 # 的函数: " () (" # $) #!$% 我们把它称为固相分布函数。该函数的变化规律决定于物料特性、螺杆几何参数和 运转条件(螺杆转数、机筒温度等)。 图 % # " # % & ’ ()*+,- 的熔融物理模型 ())螺槽横断面;(.)螺槽展开 !—熔池;—熔膜;—固体床 "# /—螺纹;"—料筒表面;0—固体—熔体界面;%—粒子和熔体共存区 1—物料运动方向;2—计量段;3—熔融区;$—加料段;4—加料口 对上述物理模型进行以下三方面的平衡分析后，即可求出固相分布函数。 / ’ 固相内# 距离上的质量平衡 $ 流入$#段的 , 固相物料量,#流出$#段的,固相物料量,!$#段上分界面, 处固相熔化量, 写成数学微分式: *(" # 4) # !5? & 56( ’ ? " )! "*# 式中———单位螺槽长度上固体熔化速率; " !5 ———固相物料密度; #/(?#，其 ’ ———螺槽深度，对等深螺槽，’ 为常数;对渐变螺槽段，’ ! ’ 中 ’ / 为螺槽深度渐变段开始截面处的螺槽深度，( 为渐变度，# 为渐 ? "0" ? 第二章 单螺杆挤出机运行原理 变段螺槽展开长度。 !———固相移动速度，可假定为常数，其值可根据稳定挤出条件用下式计算: !" (& ’ (%) !# "($ !! ? #? $ ) !"% 式中 " ———稳定挤出的质量流动速率，即挤出量; # % ———熔融区起始点处的螺槽深度 ; $ ———螺槽宽度。 (& ’ ))式包括固相宽度 % 和熔化速率" 两个未知数，应先求出"。 & * 熔膜内 & 向单位距离(长度)上的质量平衡 熔膜内的质量平衡，在忽略 & 向流动进出差额后，具有下述形式: 由固相沿+方向加入熔膜 , 中的新熔化的熔融物料量,#由熔膜流入液相(熔,池) 的熔融物料量, 这一关系是对单位长度 & 写出的，它给出了单位螺槽长度 & 上的熔化物料量，即为熔化 速率，具体数学式为: ( ? !(& ’ (() " # ! !, ?! ? % # !!/ ?# &-. 式中———熔膜厚度; ! !! 、/ —固相和熔体密度; ! ! -. ———机筒表面在 ’ 方向分速度; ! !,———固相在 ( 方向的移动速度。 为找出熔化速率" 的关系，要建立热量平衡关系式: 0 * 分界面单位面积上的热量平衡 经熔膜流入分界面每 , 单位面积上的热流量,’由分界面每单位面积上,流出进入固相内的热流量,#分界 面每单位面积上,物料熔融消耗的热量, 即 ? 11 )(& ’ (&) $/) !! ?% #1 ( , # %! !,1( , # % ’ $* 式中 $/ 、"! ———液相和固相物料的热导率; %———固相物料的熔融潜热; 1 ) ———熔膜内和固相内的温度分布梯度，可由对温度分布求导得出，# % 表 (1( 示坐标原点选在分界面处。 经若干变换、推导，最后即可求出固相分布函数:第四篇 橡胶挤出成型机械设备 式中 !———相应 $处的固相宽度，若 $! ’，则 !! 0; """" $ $ ———熔融区总长; (、(、(———机筒温度、物料熔点、固体物料温度; )+. ). ———固相比热容; &———固相物料熔融潜热; !#’1 ———"’ -#’ )#’ .2，在进行固相运动分析时用到的合成速度。 根据以上介绍的熔融理论模型，当螺杆几何参数已知， 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 参数(螺杆转数、生产率、 机头压力、室温及机筒各段设定温度)、物料性能参数, *+,(熔体流动速率)、.、+、).、 ##)+ 、&、$+、$. 、( + 、( ) ,已知，即可求出固相分布函数。图 ( # % # / 即为一计算出的固相 3分布函数实例，由图 ( # % # / 可知，物料进入计量段后，还有不到 ’ 4 %，这些残留固相要 在计量段中全部熔融。 0 图 ( # % # / 固相分布函数计算结果 第二章 单螺杆挤出机运行原理 由上述简介，说明对单螺杆挤出机常规螺杆中的熔融过程进行理论分析时已达到模 型化的水平。 第三节 熔体输送 此处介绍的是常规螺杆中的熔体输送，其输送机理是粘性拖曳。目前，人们对常规 螺杆、熔体充满螺槽情况下的熔体输送研究得比较充分。这是因为，在将螺槽视为被熔 体充满的情况下，可以借助流体力学、流变学和数学、计算机进行计算。下面介绍的是在 做出螺槽中的熔体为等温、层流，牛顿型不可压缩流体;略去螺杆和机筒曲面的影响，螺 槽为矩形;运动是稳定的，流动不随时间而变化;略去重力等质量力的影响;压力只是 !、 " 方向的函数等简化假定下，运行方程简化后的形式: !# (# $ %&) ! "!$ !# !# ’ #!(# $ %() !$!!! !# !，#) %!(# $ %+) #， ##!" !! !%!*!$) 解方程可以求出沿螺槽 " 方向的速度 % ) 在螺槽深度上的分布: ? %$#(# $ %.) %!,)$$ &- ? $ !# ) !" % #!* &-& - 而生产率 ’ !"% ) ? ( /$ " &，,)? $ -%#$$ & - ? $ !#，/ $ "( *0 ! #!% & - ’ !" " -%? ( ? & - - ( ? &,)!# (# $ #") ! * $# !" %#!% 式中 %———机筒速度在 " 方向分量。 ,) 以 ( ! !? ) ?123" 代入，并略去螺棱宽度，得 #-## ? )? * ? &?451"?123" ?? &- ? +,*" -)!!/ # (# $ #%) # %#!% ’ ! $ /- 用同样的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，可求出: ? #-6 ? 第四篇 橡胶挤出成型机械设备 !? " $!"’#? " !$ %" ##! ! (’ # ’’) #& ’!( !% % 式中 ! $! ———机筒速度在 % 方向上的分量。 这是横过螺槽的流动速度。它对挤出机的挤出量无贡献，但对物料的混合起很大作 用。 另外，在存在机头压力的情况下，在螺杆和机筒间隙中存在着漏流，通过分析可得出 它为 %!%’ ? ’’ ?"? )*# $ !&"’ ? ’ ’ ?"?)*# , $ ((’ # ’%) " *%’ ? ( ’ ? ( (+!(+!,) 因而挤出机的总输送量 & " &# &# & ,-( %’ ? ’’ ? +? #?./0#?012# ? ’ ? #% ?012’ %#%!!$ ’ !’ ? ’’ ?"? )*# $ ( (’!" # *# %(+!’ ? ( * % ’ # ’3) ( 式中 ’———螺杆直径; # % ———计量段槽深; #———螺纹升角; *———计量段长度; % "———螺杆与机筒间隙; (———螺棱在轴线方向的宽度; !( 、’ ———螺槽中、螺纹间隙中物料的粘度; ! $#$ ———是用’$( 来代替 , $ 得到的。 ’为计量段末的压力，$(为计量段 **, ) %% #开始处的压力。用机头压力 $ 代替 $ ’$ ( ，除以 * % 即可; $ ———机头压力。 在同样的简化假定下，可以导出计量段熔体输送所消耗的功率 !&? $ %,!’ ? ’ ’ ? +’ ? (?’ ? *% !, "% ? ’? +?( ? * % !(’ # ’4) # % & "?)*# ./0’& # 该式右端第一项为拖曳熔体前进消耗在螺槽中的功率，第二项为建立压力消耗的功率， 第三项为消耗于机筒和螺杆间隙中的剪切功率。 以上介绍，说明单螺杆挤出机常规螺槽中的熔体输送已模型化。 ? ’%5 ? 第二章 单螺杆挤出机运行原理 第四节 挤出机的工作图 ! " 螺杆特性线 若将式(# $ #%)右端各项简化，令 !#! &# ? !? " ’ ?()*"?+,(" (# $ #-) # #’’ ?()*" !? ! ? " (# $ #.) # & !# # ’ ! !(# $ #2) #$ &$? # ’# ? !?%’ ? 01" !/ ， 则 ’ (# $ #4) % & !? & $ # ’$ ’ $， $& !& $ # 3 &! &# &! & # 式中"、、$都与螺杆几何参数有关，对于给定的螺杆，它们的数值为常数。当挤出稳 # 定后，可认为温度和螺杆转数也不变，因而! 、# 也不变。如果作出直角坐标，因此 % && 和 ’ 成线性方程，其斜率为负，如图 % $ # $ - 所示，我们称之为螺杆特性线。若改变螺杆 转数，就会得到一组相互平行的螺杆特性线。螺杆特性线是挤出机的重要特性线之一， 它表示出螺杆计量段熔体流率和压力的关系。 图 % $ # $ - 螺杆特性线 # " 口模特性线 假定由螺杆计量段输送来的熔体为等温牛顿流体，当它通过口模时，描述其流动的 方程为: % & ( ’’ (# $ ’/) ( 式中 % ———通过口模的流率，它等于螺杆的挤出量; ? #’. ? 第四篇 橡胶挤出成型机械设备 ! ———口模常数，与口模的形状和尺寸有关; !" ———过口模时的压力降，与式 ! " !# 的 " 相近; !———口模中物料的粘度。 根据式 ! " $% 可以在 # " " 坐标上画出一条通过坐标原点的直线，其斜率为 ! &!。 我们把这条直线称之为口模特性线，如图 # " ! " ’ 所示，它描述通过口模熔体的压力和 流率的关系。 $ ( 挤出机的工作图 把式(! " !))和式(! " $%)在同一 * " + 坐标中画出，如图 # " ! " , 所示，得出螺杆特 性线和口模特性线的交点，称之为挤出机的工作点。这意味着在给定的螺杆和口模下， 当转数一定时，挤出机的口模压力和流率应符合这一点所表示的关系(如对应工作点 $ 之流率应为 # -，口模压力应为 "- )。在给定的螺杆和口模下，工作点会因螺杆转数的改 变而改变;在给定的螺杆下，若更换上不同几何尺寸的口模，工作点亦会改变。 # " ! " ’ 口模特性线 图 .—低阻力口模;!—高阻力口模 图 # " ! " , 挤出机工作图(一) 我们把螺杆特性线和口模特性线组成的坐标图称为挤出机的工作图。利用它可以 讨论螺杆和口模的联合设计，也可以指导挤出机的操作。 上述用螺杆特性线和口模特性线作出的挤出机工作图只反映出挤出机的挤出量与 口模压力之间的关系，而没有反映出挤出物的质量和操作条件的关系。显然仅用它来讨 论复杂的挤出过程是不完善的。/ ( 0-123425 提出了更适于讨论实际挤出过程的挤出机 ? !$, ? 第二章 单螺杆挤出机运行原理 工作图，如图 ! " # " $ 所示。图中 !表示工作转数 "下的螺杆特性线，!表示工作转 %%# &数 "# 下的螺杆特性线( "#"% )，# 表示没有进行压力调节时的口模特性线，# # 表示 通过调节阀可以调定的口模特性线，$ ’ 是用观察挤出制品均匀度来确定的质量限，% ()* 为最大允许的熔体温度，%为最小可能的熔体温度，& 为特定挤出机的经济挤出量下 (+, 限。 图 ! " # " $ 的核心是画阴影线的部分，称之为有效工作区(即工作点可位于该区)， 它由三条曲线围成:质量线 $ ’ ———它将塑化不充分和塑化质量满意的区域分开;温度上 限线 %———在此线以外，物料会因过热而分解、发生交联，或由于粘度太低而难以控制 ()* 挤出过程; 经济线 & ———低于它，用下档较小规格的挤出机比较合适，否则不经济。 图 ! " # " $ 挤出机工作图(二) 根据这个图形，可以较好地说明挤出过程和对挤出工作条件的控制。工作点 ’ 在有 效工作区的左下方，稍在 & 之上，对应着较低的产量。当将螺杆转数由 "提高到 "之 %# 后，口模特性线 #与螺杆特性线 !交于 (，此时虽然挤出量提高了，但已超出有效工作 %# 区以外，并在 $ ’ 线的左方，故塑化不充分。要想获得产量高、质量又合乎 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 的挤出物， 简单的办法是在螺杆转数不变的条件下提高口模压力，即由 ) - 移到 ) .。这意味着口模 特性线由 # % 变到 # # ，则工作点由 / 移至 *，即位于 $ ’ 线之右方。虽然这时挤出量稍 有下降(但仍比 ’ 点对应的挤出量高)，但质量是合乎要求的。如果将机头压力调得过 大，工作点会超出螺杆特性线 !# 和 % ()* 线的交点以外上方，熔体温度过高，有过热分解 的危险。很明显，最佳工作点应位于 $ ’ 、%之间的 !线之上处。 ()*#