新型螺杆设计工作原理和结构特点

  • 发布日期:2016-10-12
  • 摘要:IKV螺杆的强制输送作用主要是依靠螺杆机筒在加料段的特殊结构来完成的。

       在七十年代以前,设计单螺杆时螺杆的挤出量是按计量段的流体动力学理论公式来考虑的。这时,挤出量受机头压力影响较大,而且与粘度有关。螺杆的几个机能---输送,压缩,熔融和均化等---在螺杆的三段上是互相重叠的。由于种种原因它们相互影响。例如,由于所加入的塑料原料松散性不好,料斗中搭桥现象的存在以及入口处几何形状不合理.....这些因素往往导致加料段充满状态不稳定,塑料的压缩状态也不稳定,达到一定压力的压缩点的位置一会儿超前,一会儿延后。此外,由于塑料在螺杆上熔化点的位置不仅决定于机筒的热传导情况,剪切热产生的情况和塑料的热性能,而且还直接决定于塑料的压缩状况,即决定于压缩点的位置和压力升高状况。为此,如果压缩点在螺杆上摆动,势必会导致熔融点也在螺杆上摆动,压力,温度和产量都会发生波动,当转速提高后这个现象更为严重。
      通过采取一些措施固然会对上述不足有所改进,例如通过强制计量加料可以该善加料的稳定性,采用混合原件和加长计量段会减少熔料的波动。但是另外一些问题仍未很好解决,例如:塑料在螺杆上压实不足,压力形成迟缓;塑料在螺杆上除了轴向移动外,还存在相当严重的径向滑动,因此输送效率很低,一般只有0.3-0.5;挤出量受机头压力影响较大等等。


      从七十年代开始,西德亚琛工业大学塑料加工研究所(IKV)和巴基苯胺苏打厂(BASF)的一些研究工作者进行了一些列研究,设计并且生产了性能优越的挤出机。这种机器的主要特征是在螺杆加料段依靠强制加料来提高螺杆的输送效率,同时依靠设置于熔融段和计量段上的混炼原件来保证输送能力提高后的挤出质量。螺杆的三个功能---输送,塑化和均化---分别在螺杆三段上独立地完成(图10-40),克服了普通螺杆几个功能互相重叠和由此而来的不稳定和波动现象。

    新型螺杆设计的IKV系统工作原理和结构特点1


    IKV螺杆的强制输送作用主要是依靠螺杆机筒在加料段的特殊结构来完成的。在机筒加料区上安装了带有锥孔的衬套,套上开有形状不同的纵向沟槽。这时,由于塑料与机筒的摩擦力大大增加,加料区产生了高达800-1500kgf/cm2的压力(图10-41),塑料被压成密实的固体塞,它像一个螺母由于地在螺杆轴向向前移动,打滑,回流现象大大减少,这就大大地提高了输送效率,一般都在0.6-0.85范围内。与此同时挤出量也大幅度提高。从图10-42可以看出:45挤出机以n=125rpm情况下加工聚乙烯时挤出量达到100kg/Hr以上,这个数值相当惊人的。

    新型螺杆设计的IKV系统工作原理和结构特点2

      IKV加料区产生的高压一直传到螺杆加料段之后的各段,这就使得这种螺杆的挤出性能非常稳定,机头压力对生产率的影响很小,波动也大大减轻。
      由于高压和高摩擦的影响,在机筒加料段产生了大量的摩擦热,这些热量有可能使用纵向沟槽内的塑料熔化,产生的熔料渗入固体塞中,破坏了固体输送,降低了输送效率。为了防止这个情况出现,IKV系统的机筒加料区设计有强力冷却系统,它推迟了熔膜的出现从而保证了高的输送效率(图10-43).

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    当螺杆转速提高后输送效率η,有所下降(图10-44),这是由于高速下从料斗往螺槽中装料的困难以及压力传递的困难所引起的。
      机筒纵向沟槽的断面形状很多,有矩形、三角形、锯齿形、半圆形等等。一般情况下选用矩形,并且在3-5D长度内将此矩形纵向沟槽的深度逐渐减少至零,其斜度为15度(BASF系统)到1度40分(IKV系统中的K6N衬套)不等,也有没有斜度的衬套(ZRN衬套)。它们的结构如图10-45所示。设计时沟槽的断面尺寸可按表10-10选取,沟槽的数目大约是直径1/10,沟深必须大于颗粒的最大尺寸,宽度也与螺杆直径有关。
     新型螺杆设计的IKV系统工作原理和结构特点1

      我国华南工学院对开槽的形状与加料段螺槽的深度进行了研究。它们认为:对Φ45挤出机来说,加料段螺槽深度在3-5mm范围内时,随着槽深增加输送效率大幅度的增加,当槽深大于5mm后,输送效率增加已不明显。在几种纵向沟槽中,以锯齿形沟槽和矩形沟槽的效果为最好(图10-46)。
      机筒加料段开槽衬套与随后各段之间,最好用隔热垫分开,以免加料段的冷却水带走机筒塑化段的热量。
      在输送效率提高以后,塑料在螺杆上停留时间很短,此时必须在螺杆的熔融区和计量区采取结构上的措施才能保证塑料的熔化和均化。一般有两个办法,一是在加料段之后的机筒上安装单位面积发热量较大的加热元件(例如陶瓷式加热器),第二个办法是在螺杆的压缩段和计量段采用混炼元件来保证塑料的挤出质量。典型的IKV螺杆如图10-47所示:他由功能完全独立的三段组成,在螺杆全长上螺槽深度为4mm。第一段L;长度为9.2D,在纵向开槽衬套的作用下塑料取得了稳定的高挤出量。在螺杆第二段的螺纹上铣出几条纵向沟槽,塑料纸这些分流槽,的作用下通过机械位移的办法固液相之间进行了强烈的混合和热交换,最后达到完全熔融的目的。螺杆的第三段实际上是一个销钉型分流元件,已经熔化的塑料纸此处实现组分的均化,热均化和机械的均化。这三段的好的前提下,产量可以提高100%左右。

    新型螺杆设计的IKV系统工作原理和结构特点2

    新型螺杆设计的IKV系统工作原理和结构特点3

       第二段和第三段的结构可以是多种多样的,图10-48的结构采用了分离型螺杆来作为第二段。也可以采用屏障型元件来作第二段。图10-49表示了第三段的另一种结构,这种结构的机筒上加工有很多突块,它们和螺杆第三段上的方销钉一起更加改善了熔料的混合质量。还有机筒上安装可径向伸缩的销钉,它能柑橘不同的支配工艺要求改变混合程度,既能保证混合度要求,又不致因阻力过大而温升过高(图10-50).

     

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