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橡胶挤出机螺杆构型分析及其几何参数的确定
发布时间:2011-10-29 【打印此页】【关闭

橡胶挤出机螺杆构型分析及其几何参数的确定

吕柏源 郑晓斐 闵鹏峰 崔静

(青岛科技大学高分子材料加工机械研究所)

摘要螺杆是冷喂料挤出机的一个核心部件,它在挤出机的性能参数中起着决定性的作用。本文将螺杆从宏观功能上分成三个功能段,依据挤出理论结合生产实践分别对螺杆的喂料功能段、塑化功能段和挤出功能段的各种螺杆构型进行了较详尽较系统的分析,以便更容易理解和掌握各种螺杆构型的工作原理,希望对螺杆设计和选型有所帮助。另一方面螺杆又是由众多的结构几何参数所组成。因此螺杆几何参数的确定和选择直接关系着挤出机的使用性能。本文分析了螺杆几何参数影响挤出过程的理论依据,进而对各几何参数进行选择和确定,为螺杆和挤出机的设计、选型提供依据和参考。

1.前言

在橡胶工业中,螺杆挤出机是橡胶加工的重要设备,它广泛应用在轮胎制造、胶管制造、密封胶胶条制造、电线电缆和防水材料制造等等。在挤出机中,螺杆是一个核心部件,它在挤出机的性能参数中起着决定性的作用。从挤出机的发展史中就充分证明了这一点:最早使用的是短长径比的等距不等深或收敛螺杆,因没有塑化功能,只能用在橡胶制品的压型功能上,即出现了最早的热喂料挤出机;由于热喂料挤出机需要庞大的供胶设备,既浪费能源,浪费占地面积,劳动强度大,挤出制品质量低等问题,因此,加大了螺杆的长径比,提高了胶料在挤出过程中的剪切历程,以便提高螺杆的塑化能力,出现了大长径比的普通螺纹螺杆,即从热喂料挤出机发展到普通冷喂料挤出机;由于普通冷喂料挤出机的螺杆没有塑化元件结构,塑化能力达不到挤出工艺要求,在此背景下,螺杆的塑化段增加了主副螺纹结构,出现了主副螺杆(即强力剪切)冷喂料挤出机;主副螺纹挤出机虽然解决了塑化能力问题,但它只是简单的剪切作用,对塑化和混合作用还满足不了高质量橡胶制品的要求,因此,又将螺杆的塑化段发展成机筒销钉螺杆,则出现了销钉冷喂料挤出机。并为此,先后出现了繁多的挤出机品种,如:挡板挤出机、传递型挤出机,销钉/主副螺纹型挤出机等等。

在挤出机中,机筒/螺杆系统有三大作用:一是输入胶料的作用,即为挤出机的喂料段。它是决定挤出机生产能力的前提,只有吃料多,才能输出得多;但是吃料多必须给予消化,则机筒/螺杆系统第二个作用就是塑化作用,此段即为挤出机的塑化段;在挤出过程中胶料通过喂料段、塑化段,至此胶料已完成了塑化作用,为了获得制品稳定的质量,机筒/螺杆系统第三个作用就是稳定挤出作用,即计量作用,此段称挤出段。我们根据螺杆在机筒的辅助组合下,把螺杆分成三个功能段,一是喂料段,二是塑化段,三是挤出段。为了便于分析和应用,我们将螺杆构型分解成上述三个功能段的构型并进行分析,以便更容易理解和掌握螺杆构型的设计原理,希望对螺杆设计有所帮助。

在橡胶螺杆挤出机中,螺杆是挤出机的核心部件,而螺杆又是由众多有关的几何结构参数所组成,几何参数的选择是否正确,直接影响挤出机的使用性能。长期以来,螺杆的几何参数主要沿用热喂料挤出机和普通冷喂料挤出机螺杆的几何参数。随着螺杆构型的发展和变化,螺杆几何参数也有很大的变化。因此,很有必要对现代冷喂料挤出机螺杆结构几何参数进行分析,在分析的基础上对螺杆结构的主要几何参数进行选择和确定。这些几何参数主要包括:螺杆直径(D);螺杆长径比(L/D);螺纹升角(θ)和导程(S);螺杆的几何压缩比(ξ);螺槽深度(H);螺纹断面形状(r ,θ ,e);销钉的排数(N)、个数(n)与销钉直径(d);主副螺纹长度(l)与高低差(△),螺杆和机筒之间的间隙(δ)以及螺杆头的形状与尺寸。

2.橡胶挤出机螺杆构型分析

2.1喂料段螺杆构型分析

喂料段螺杆主要有两个作用:一是能最大限度和最快速度吃进胶料;二是保证吃进的胶料能有效地迅速输送到塑化段。对于前者主要采用旁压辊喂料装置以及新近出现的螺旋啮合喂料装置,主要考虑螺杆的构型和与之相配合的机筒结构。

机筒

螺杆

普通螺纹螺杆

多头螺纹螺杆

等距等深螺杆

等距不等深螺杆

收敛螺杆

简单多头螺纹螺杆

复合多头螺纹螺杆

轴向沟槽机筒

螺旋沟槽机筒

喂料段螺杆构型

 

 

 

 

 

 

 

 


喂料段的胶料主要还是呈现粘弹态,比较符合挤出理论中的固体输送理论,有如下公式[1]

                               (1)

(式中符号意义参见文献[1]P266-269)

移动角 的大小是挤出机生产能力高低的一个决定因素。当 =0,生产能力为0;当 =90时,生产能力达到最大值。最终必须使胶料的摩擦系数 减小,而与机筒的摩擦系数 增加。根据上述原理出现了许多类型喂料段螺杆构型,分类如下:

2.1.1喂料段机筒构型

2.1.1.1轴向沟槽机筒构型

如图1所示为轴向沟槽的机筒构型。它主要是通过各种形状的轴向沟槽提高胶料与机筒的摩擦系数,以便提高生产能力。在机筒衬套设置沟槽的尺寸见表1,本表尺寸适用于塑料挤出,对橡胶挤出而言,其槽深可作较大增加。

 

 

 

 

 

 

                 图1 轴向沟槽机筒构型

表1机筒衬套设置沟槽尺寸

螺杆直径D,mm

45

60

90

120

150

沟槽数Z

4

6

8

12

16

横宽B,mm

8

8

10

10

10

槽深H,mm

3

3

4

4

4

2.1.1.2螺旋形沟槽机筒构型

根据研究,在喂料段机筒衬套内壁开设螺旋形沟槽以代替轴向沟槽,其吃料和输送效果更好,注意螺旋形沟槽的方向要与螺杆螺纹旋向相反,其结构如图2所示。在Φ150销钉挤出机喂料段衬套上有四条来复线沟槽,槽宽60 mm,槽深5mm,导程480 mm。来复线状的沟槽从喂料口的底部开始,向机头方向推进,在螺槽收尾处,采用较平缓的斜坡过渡线圆弧过渡。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


图2 螺旋沟槽机筒设计

2.1.2喂料段螺杆构型

2.1.2.1喂料段普通螺杆构型

喂料段普通螺杆构型有三种结构。如图3a所示为等距等深螺杆,这种结构简单、加工容易,但没有压缩比,在普通冷喂料挤出机不宜使用,因为不容易建立挤出压力和剪切功能较弱,但在销钉挤出机中,也常常采用这种螺杆构型,因为销钉挤出机塑化功能很强,对挤出机喂料段螺杆的剪切功能没有特殊要求。如图3b所示为等距不等深螺杆,他克服了等距等深螺杆上述的缺陷,但在小规格挤出机中,螺杆的根部的强度与刚度不好保证,容易产生垫杆现象。如图3c所示为等深不等距螺杆(收敛螺杆),它既克服了上述两种螺杆的缺点,同时它更符合挤出过程胶料变化状态,有利于喂料段沟槽体积的扩展,进而提高吃料能力,这种螺杆按传统方法加工比较困难,一般需用专用数控螺杆加工机床。

 

 


a 等距等深螺杆(t1=t2,h1=h2)

 

 

 


b 等距不等深螺杆(t1=t2,h1>h2)

 

 

 

 


c等深不等距螺杆(t1>t2,h1<h2)

图3 喂料段普通螺杆构型

2.1.2.2喂料段多头螺纹螺杆构型

喂料段多头螺纹螺杆构型包括普通多头螺纹螺杆和复合多头螺纹螺杆。如图4所示为普通多头螺纹螺杆构型。这里多头一般指四条螺纹,它主要是为了提高喂料时的吃料频率,使吃料比较均匀,进而保证挤出过程的稳定性。但是如果螺纹头数的增加会影响螺槽的有效容积,削弱吃料能力,因此往往设计成螺纹升角较大的构型。

 

 

 

 

 


图4 喂料段普通多头螺纹螺杆构型

    如图5所示为喂料段复合多头螺纹螺杆构型。它由二种不同导程的螺纹复合而成:其中二条螺纹为主螺纹有相同的导程,另两条螺纹均布设置在主螺纹中,其导程不同于主螺纹的导程,因此在加工中,主辅螺纹产生干涉,产生不规则螺纹形状,同时由于副螺纹高度比主螺纹低,而且高度都是递减的,从而形成了螺棱宽度、螺槽深度和螺棱形状不规则的螺杆构型。这种构型的设计目的是为提高吃料效率、吃料性能和稳定喂料段的输送性能。在传统的销钉挤出机中,一般都采用这种喂料段螺杆构型,加工比较困难。在螺旋啮合冷喂料挤出机中,上述功能都可以得到满足,因此可以采用普通螺纹螺杆代替这种复合多头螺纹螺杆。

 

         

                          

 

 

 

图5 喂料段复合多头螺纹螺杆构型

2.2塑化段螺杆构型分析

塑化段螺杆构型要达到如下三个主要功能:一是能将从喂料段输送来的胶料,最大限度地实现均化作用,所谓均化是指胶料温度的均化,门尼粘度的均化以及各配合剂的补充混合均匀,并使胶料达到按工艺要求的门尼粘度和可塑度,即塑化程度;二是最大限度地提高输送能力,即生产能力;三是塑化段螺杆构型必须具有自洁性。

塑化段的胶料在接近喂料段的胶料以呈现粘弹态为主,在接近挤出段以呈现粘流态为主。从宏观来看塑化段的胶料总的趋势还是呈现粘流态。因此,塑化段应用挤出理论的粘流输送理论比较接近实际,在设计塑化段螺杆的几何参数时可应用粘流输送理论作为指导。下面就塑化段的螺杆构型作一分类:

等距等深螺杆

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


塑化段螺杆构型

普通螺纹螺杆构型

主副螺纹螺杆构型

销钉螺杆构型

挡板螺杆构型

传递螺杆构型

复合型螺杆构型

等距不等深螺杆

等深不等距(收敛)螺杆

一段主副螺纹螺杆

二段主副螺纹螺杆

机筒销钉螺杆

杆体销钉螺杆

高剪切挡板螺杆

低剪切挡板螺杆

普通传递螺杆

空穴传递螺杆

销钉/主副螺纹螺杆

销钉/挡板螺杆

2.2.1塑化段普通螺纹螺杆

塑化段普通螺纹螺杆主要有三种:一是等距等深螺杆,其结构如图6a所示,这种螺杆结构简单,加工容易,但没有压缩比,对胶料剪切效果差,影响塑化质量,在冷喂料挤出机很少采用。二是等距不等深螺杆,这种螺杆克服了等距等深螺杆剪切效果差的缺陷,同时加工比较容易,因此长期以来在传统的冷喂料挤出机中得到较为广泛的应用,但是由于这种螺杆其螺槽没有任何塑化元件,只靠螺杆/机筒系统的简单剪切作用对胶料塑化,其塑化效果满足不了挤出工艺的要求,同时在螺槽的胶料始终处于层流状态,无论是轴向方向还是径向方向运动的胶料均存在“死区”,因此,这种螺杆构型满足不了塑化要求,将为新的构型螺杆所代替。三是等深不等距螺纹螺杆,即收敛型螺杆,这种螺杆螺纹是收敛型结构,它具有较好的塑化能力和较强的输送能力,在传统的冷喂料挤出机中也得到了较为广泛的应用,但是由于这种螺杆构型在螺槽中同样没有塑化元件,也存在塑化的“死区”问题,因此,这种螺杆也将为新的构型螺杆所代替,不过这种螺杆构型作为新螺杆的基本构型将得到应用,如销钉螺杆和主副螺纹螺杆的基本结构将会仍然采用这种结构。

 

 

 

 


a等距等深螺纹螺杆(t1=t2,h1=h2)

 

 

 


b等距不等深螺纹螺杆(t1=t2,h1>h2)

 

 

 

 


c 等深不等距螺纹螺杆(t1>t2,h1<h2)

图6 塑化段普通螺螺纹螺杆构型

2.2.2塑化段主副螺纹螺杆

2.2.2.1一段主副螺纹螺杆

塑化段一段主副螺纹螺杆,其结构如图7所示。这种螺杆结构是在双头螺纹螺杆结构上进行演变,其中一条作为主螺纹,它的升角(导程)一直从喂料段螺纹加以延续,并一直延伸到挤出段,而另一条作为副螺纹,它的升角(导程)比主螺纹大,并且把此条螺纹在塑化段的始端和终端与原螺纹断开,由于它的升角较大,形成此副螺纹的始端与终端均与主螺纹相交,相当于在主螺纹中间设置了一道封闭主螺纹螺槽的“坝”,如果从喂料段输送来的胶料进入此塑化段主螺纹螺槽时,胶料就会被堵死,为了让胶料越过副螺纹,则将其螺棱切去一定高度,使螺纹与其形成了一个高低差,通常用于塑料挤出机的高低差取0.4~0.8mm,用于橡胶挤出机取1~2.5mm,从而形成与机筒的间隙,这样在主螺纹槽的胶料就可以通过副螺纹的顶部进入下一段螺槽,这时胶料就实现了强力剪切,因为所有在主螺纹槽的胶料要进入下一螺槽,其必须通过副螺纹顶部间隙,因此胶料不但能受到强力剪切,而且没有任何死区,这样就获得了塑化质量好的胶料,提高了挤出制品的质量。

 

 

 

 

 


图7 塑化段一段主副螺纹螺杆

2.2.2.2二段主副螺纹螺杆

主副螺纹螺杆的塑化功能类似开炼机的塑化功能,胶料不可能通过一次辊距的剪切达到塑化要求,因此一段主副螺纹产生的剪切量仍然不足,则出现了二段或三段主副螺纹结构。如图8所示为二段主副螺纹螺杆。二段主副螺纹螺杆的结构与一段主副螺纹螺杆结构相似,不同之处只是在塑化段设置了两条主副螺纹,这两条主副螺纹的布列可以是串联排列也可以

 

 


图8塑化段二段主辅螺纹螺杆

是串并排列,主要由塑化段的长度和胶料通过副螺纹的通流截面的大小来确定。副螺纹的段数增加有利于胶料的塑化功能,但由于其是强力剪切,随着副螺纹段数的增加挤出温度将随着增加,这在设计时是务必注意的。

2.2.3塑化段销钉螺杆

主副螺纹螺杆虽然能对胶料产生均匀的强烈剪切,对塑化效果有显著的改善,但是由于局部的强力剪切作用,容易导致温度的升高,限制了挤出效率的提高。在上世纪70年代出现了销钉螺杆,解决了局部强烈剪切的温升问题。销钉螺杆主要有两种形式,一是机筒销钉结构,一是杆体销钉结构。

2.2.3.1塑化段杆体销钉螺杆

杆体销钉螺杆是在普通螺杆塑化段适当的位置上设置销钉。其主要结构形式有:将销钉直接设置在普通螺杆的螺槽上;将螺纹按周向切成沟槽再安装上一排或若干排销钉;在塑化段某一段位置去掉其中一条螺纹并按一定规律装上一组销钉。前两种形式的销钉结构虽能提高塑化和混炼效果,但对生产能力影响较大,一般很少采用;第三种结构形式由于销钉不

影响料流的通流截面积,使阻力大大减少,能提高胶料的塑化效果和混炼效果,也能提高生产能力,其结构简单,易于加工,自洁性能好。图9所示为这种杆体销钉结构图。

 

 

 

 


图9 塑化段杆体销钉螺杆

 

2.2.3.2塑化段机筒销钉螺杆

 机筒销钉螺杆是在螺杆的塑化段设置机筒销钉,螺杆的螺纹在对应机筒的销钉位置上有多圈切槽,将销钉通过机筒分别插入螺杆切槽中。胶料在螺杆转动往前输送到达和充满销钉区域时,胶料产生了复杂的复合作用:螺杆的剪切作用,销钉的拖曳作用、搅拌作用和分流作用等,因此能获得高质量的挤出物,虽然胶料受到复杂的复合作用,但这些作用没有急剧的局部强烈剪切,避免单位胶料剪切量的无谓增加而使挤出物温度增加。正因为销钉螺杆对胶料作用的这种机理,使得机筒销钉螺杆在相同的条件下,其挤出温度比主副螺纹螺杆要低,同时生产效率也得到很大的提高,因此这种机筒销钉螺杆得到了广泛的应用。如图10所示为机筒销钉结构图。


 


   图10 塑化段机筒销钉螺杆

 

2.2.4塑化段挡板螺杆

挡板(剪切分流合型)螺杆是挤出机螺杆的一个类型。它既有强力剪切型螺杆对胶料的强力剪切作用的特点,也有分流型螺杆对胶料进行分流混合作用的特点。同时这两种作用是在同一过程复合地实现的。由于剪切分流型螺杆同时具有剪切分流作用,所以能得到高质量的混炼胶料。

       剪切分流型螺杆主要有高剪切挡板螺杆和低剪切挡板螺杆两种类型。

2.2.4.1高剪切挡板螺杆


高剪切挡板螺杆结构如图11所示。它的塑化段是一多头螺纹螺杆,并在螺纹与螺纹之

 

图11  塑化段高剪切挡板螺杆

间设置了横向挡板和纵向挡板,同时由横向挡板与纵向挡板组成了分流点。其工作原理如图12所示。当从喂料段输送过来的胶料通过分流点时,一方面为分流点所分流,实现组分原来的单元体和各组分的单元体重新组合成新的单元体,在多个分流点的作用下,使胶料得到很好的混合;另一方面,这些胶料在分流过程中,同时被强制通过按一定规律具有高低差的横向挡板、纵向挡板与机筒形成的窄缝而受到强力剪切,使胶料得到很好的塑化。因而,挡板螺杆能得到混炼质量高的胶料,从而提高半成品质量。

高剪切挡板螺杆的种类也是多种多样的,但它们的工作原理是相同的。在设计时有一条原则,就是胶料在挤出过程中,胶料的各质点运动的行程可以不同,但它们经过纵向挡板或横向挡板的数目应该相同,以便使各质点在挤出过程中受到的机械剪切作用相同,混合作用也相同,保证混炼质量的均匀性。

 

 

 

 


图12 高剪切挡板螺杆工作原理图(展开)

 

高剪切挡板螺杆由于有数量众多的横向挡板、附加挡板和纵向挡板,不但输送能力和自洁能力受到一定影响,而且加工也显得困难。但混炼质量还是比较高的,目前主要用在连续混炼挤出机上。

2.2.4.2低剪切挡板螺杆

低剪切挡板螺杆的工作原理和高剪切挡板螺杆基本上是相同的。但它的结构比较简单。混炼段是八条大升角的等距螺纹,没有附加挡板和纵向挡板,只有横向挡板,在每条螺棱中有高低相同的节段,节段的交点与横向挡板的一段相联,构成分流节点,低剪切挡板螺杆的结构如图13所示。

 

 

 

 

 


图13 塑化段低剪切挡板螺杆

图14所示为低剪切挡板螺杆混炼段的展开图。由此图来说明这种螺杆的工作原理。从喂料段输送来的胶料分成八部分进入混炼段的始端螺槽,胶料一方面经节点分流成两部分:一部分继续在同一螺槽往前输送,并与下一螺槽来的胶料混合,使胶料得到充分的混合;另一方面,胶料在分流的同时,被强制越过横向挡板和低棱节段,使胶料得到充分的机械剪切。因而,低剪切挡板螺杆既能得到充分的混合作用又能同时获得充分的剪切作用,从而获得高质量的混炼胶料。这种构型的螺杆在设计上要求高棱节段长度的总和与低棱节段长度的总和近似相等,因而,混炼段有足够低棱节段的长度,使胶料能平稳缓和地通过低棱段实现低剪切,由此也可以实现胶料在较低的温度下挤出。

低剪切挡板螺杆结构比较简单,而且能在保证混炼质量的前提下实现低剪切,这种螺杆的构思比高剪切挡板螺杆有独到之处。所以本螺杆有它的广泛应用价值,可以用它加工塑料、天然橡胶和其它弹性体材料。

在混炼效果方面,虽然剪切分流型螺杆比起其它螺杆有它的优越性。但是,由于剪切分流型螺杆对料流的方向仍然影响不大,并没有使料流转过一个足够大的角度,因此,混炼效果并不是很理想的。在这方面传递型螺杆有它的独特优点。


图14 混炼段展开图及其工作原理

2.2.5塑化段传递型螺杆

传递型螺杆的形式可归纳为两种:普通传递型螺杆和空穴传递型螺杆。传递型螺杆的特点是要求机筒有相应的结构配合,在工作过程中实现胶料从螺杆逐渐传递到机筒,又从机筒逐渐传递到螺杆。在这个过程中不断改变料流的方向和获得剪切。由此获得高质量的混炼胶料。

2.2.5.1普通型传递螺杆


普通型传递螺杆的特点是螺杆和机筒都有螺纹,且螺纹方向相反,螺杆上的螺槽是由深到浅再由浅到深变化的,而机筒则是由浅到深再由深到浅变化的,整个螺杆和机筒系统一般有2~4个这样的变化区段。其结构如图15所示。在工作时,螺杆传动,螺杆槽内的胶料沿螺槽向前输送,由于螺杆螺槽由深逐渐变浅而被连续地挤压到机筒的螺槽内,直至全部胶料被挤入机筒螺槽内。然后进入下一传递周期,胶料的传递运动恰恰相反,其沿机筒螺槽向前输送的同时被逐渐挤压到螺杆的螺槽中,胶料经如此反复传递,一方面获得充分的剪切,另一方面获得充分的混合,从而获得混炼质量高的胶料。


图15 塑化普通传递螺杆

普通型传递螺杆挤出过程的剪切作用是在机筒和螺杆的分界面上获得的,而且剪切面在不断变化,如图16所示。若把螺槽和机筒之间的相对运动看作是两个相交的楔形槽的相对运动,在两个楔形槽的相交位置处形成一个长方体,它的容积为一个常数,在不同的位置相交时,长方体中的分界面是不断变化的,这意味着胶料从螺槽向机筒螺槽传递的过程中,受剪面是不断变化的。因此胶料所受到的剪切作用是很均匀的。

 

 

 

 

 

 

 


                     图16 剪切和胶料置换示意图

普通型传递螺杆挤出过程胶料的混合作用是在螺杆与机筒传递过程中获得的。假设螺杆和机筒的螺槽均是四头,则螺杆的每一条螺槽是与机筒的四条螺槽相交于四点(因为机筒和螺杆的螺纹方向相反),在不同的运动时刻,这些交点的位置是不同的。对第一段螺槽,胶料是从螺杆的螺槽传递到机筒的螺槽,这相当于同一螺杆的螺槽内的胶料总是分成四份,分别向四个不同的螺杆螺槽。在第二段中胶料从机筒传递到螺杆螺槽,而一个螺杆螺槽中的胶料又来自四个不同的机筒螺槽。同一螺槽中的胶料是既分割又汇合,在此过程中,不断地变换各部分胶料的相互位置,从而使胶料获得交叉混合作用,因此胶料得到很好的混合效果。

由于普通的传递螺杆和机筒开了方向相反的螺槽,螺杆和机筒之间的接触面积比其它类型挤出机少得多,因此即使在高速下工作,螺棱间隙处的剪切区也不会使胶料产生局部过热。另一方面,由于机筒开了螺槽,增加了散热面积,因此有利于胶料较低的温度挤出。

传递型螺杆和机筒由于形状复杂,因而加工比较困难。

2.2.5.2空穴型传递螺杆

通过上面各种螺杆的分析,我们可以看到:胶料在普通螺杆螺槽中向前的主运动是层流状态的。观察其横断面,其在螺槽中按螺旋形式流动,其中在边缘处的剪切速率最大,而在螺槽宽度中点和螺槽深度2/3处剪切速率几乎为0,成为“死区”。对于深槽螺杆,这一点因远离周围的机筒表面,其传热性很差,结果导致这一区域的胶料温度一致性也很差。因此,应采用某些措施使胶料外层和里层相互交换,这样就可以改善其均匀性,主副螺纹螺杆实现了这一功能,螺槽中所有胶料,都必须越过副螺纹,才能进入相邻的下一螺槽。实现胶料相互交替的另一方法是在螺槽附近附加挡板或设置销钉直至在机筒设置机筒销钉等。然而所有这些改进分布混炼或均匀性的方法,都只能沿轴线改善其混合效能。虽然层流也能被中断,但未能转过足够大的角度,因而混炼效果仍然受到限制。近年来出现的空穴型传递螺杆可以解决这一存在的问题。

空穴型传递螺杆其结构如图17所示。它也和普通型传递螺杆一样需要与特殊形状结构的机筒配合。其不同之处是螺杆不是螺纹槽,机筒也不带螺纹槽,而是又许多按一定规律排列的半圆球空穴。

 


图17 空穴型传递螺杆

空穴型传递螺杆挤出机在挤出过程中,胶料可以从螺杆上的空穴转移到机筒上的空穴,也可以从机筒的空穴转移到螺杆上的空穴。在这个过程中,当胶料在一个空穴里时,它经历了一次纯剪切作用,而胶料传递至下一个空穴时就被切割并转移过90度角,如图18所示。


图18 空穴型传递挤出的混炼原理

因此,起到了类似于开炼机切割和折卷胶料的作用,从而获得按指数效果的混炼作用。所以空穴型传递螺杆挤出能获得高质量的胶料。

这种结构的螺杆在实际使用时将空穴的杆体设置在常规螺杆的末端,而其剖分式的空穴筒体则接到常规的机身上。由于其工作过程胶料是靠螺纹段的螺杆输送的,空穴段并没有输送作用,当胶料一旦脱离螺纹段时,胶料不再往前输送,即自洁性能差。这一点在应用时是应该注意的。

空穴型传递螺杆的最大特点是能得到高质量和温度一致性好的混炼胶料。但由于其结构的限制,在生产能力和自洁性方面仍存在某些问题。如果我们要利用它的优点,必须进一步完善它的结构、解决它的存在问题。

2.2.6 塑化段复合型螺杆

2.2.6.1塑化段销钉/主副螺纹型螺杆

销钉/主副螺纹型螺杆是在主副螺纹螺杆的基础上在塑化段增加了若干排机筒销钉,这种构型结合了销钉螺杆能对胶料产生复杂复合作用:螺杆的剪切作用,销钉的拖曳作用、搅拌作用和分流作用,又结合了主副螺纹螺杆能对胶料进行强力剪切和混炼的优点。因此,这种螺杆能有效地提高橡胶半成品的挤出质量。但在设计时要注意半成品胶料的性能和对剪切量的要求而选择恰当的销钉数量和主副螺纹的剪切量,如图19所示为塑化段销钉/主副螺纹螺杆。

 

 

 


图19 塑化段销钉/主副螺纹型螺杆

2.2.6.2塑化段销钉/挡板型螺杆

销钉/挡板型螺杆是在挡板型螺杆的基础上在塑化段的前半部增加了若干排机筒销钉,这种构型结合了销钉能对胶料产生复杂复合作用:螺杆的剪切作用,销钉的拖曳作用、搅拌作用和分流作用,又结合了挡板型螺杆对有胶料的强力剪切和对胶料有分流的作用。所以这种螺杆构型能能得到高质量的混炼胶料。但在设计时要注意挡板型螺杆的自洁性以及剪切总量的合理选择。如图20所示为塑化段销钉/挡板型螺杆结构图。

 

 

 

 


图20  塑化段销钉/挡板型螺杆

2.3挤出段螺杆构型分析

    螺杆的挤出段又称计量段,从塑化段输送来的胶料在挤出段基本上呈现粘流态。此段的主要作用是将来自塑化段胶料进行均化、定压、定量和定温地挤入到机头中去。挤出段的螺杆构型比较简单,其主要结构形式有以下三种:

(1)等距等深双头螺纹螺杆

等距等深螺杆通常是螺距(或导程)保持不变,螺槽深度沿挤出方向也不变。这种螺杆挤出胶料时没有压缩比,对挤出胶料致密性有影响。 

(2)等距不等深双头螺纹螺杆

等距不等深螺杆通常是螺距(或导程)保持不变, 而螺槽深度沿挤出方向逐渐变小,这种螺杆挤出的胶料压缩性能比较好,胶料比较致密。

(3)收敛型双头螺纹螺杆

收敛型双头螺纹螺杆通常是螺距(或导程)收敛的,螺槽深度沿挤出方向不变,这种螺杆对胶料压缩性能比较好,胶料也比较致密。

3.螺杆几何参数的分析与选择

3.1螺杆直径(D)

螺杆是挤出机的核心部件,螺杆的直径通常指的是外径D,挤出机的规格也是用它来

表示的。影响挤出机性能的因素很多,但是影响最显著的是螺杆直径,由固体输送理论通过推导可知:

 Q=  =    =kD n    (1)

 

由粘性流体输送理论可知:

Q= -                    (2)

设H=k1D,L=k2D并代入(2)式,可将挤出段生产能力公式变换如下形式:

                 Q=                  (3)                              

由(1)(3)式可见无论是喂料段还是挤出段的生产能力均与螺杆的直径立方(D3)成正比。因此,提高冷喂料挤出机生产能力的最有效途径是增加螺杆的直径。所以在选择挤出机生产能力设计时,首先应根据实际生产能力的要求来选择螺杆的直径,即挤出机的规格。螺杆的直径系列如下: 45、 60、 90、 120、 150、 200、 250、 300。

3.2螺纹的头数(i)

螺纹头数对胶料的塑化效果、混合的均匀性、生产效率以及挤出过程的稳定性等有着重要的影响。当螺纹头数太多时,将会占去螺槽体积而影响生产能力。当螺纹头数较少时,虽然螺纹占得体积较少,但是吃料频率低则影响吃料不够均匀,进而影响挤出机挤出过程的稳定性和输送能力。因此在设计中选择适当的螺纹头数很有必要。通常选取螺纹的头数为双头,即i=2。当然有些螺杆在喂料段设计了四头螺纹,这主要是为了提高吃料频率与挤出过程的稳定性。

3.3螺杆长径比(L/D)

长径比对于胶料的塑化性能、挤出过程的稳定性以及生产能力均有较大的影响。当长径比较大时,胶料剪切历程增大,螺杆对于胶料的剪切总量也增大,则塑化能力随着增强,这为提高螺杆转速提供了条件,进而提高生产能力;随着长径比增大机头压力随之增大,因而更加容易建立起机头压力,使挤出过程更加稳定,从而提高半成品的质量。另方面长径比增大,挤出机的生产能力随着提高。我们由粘流体输送理论产量公式可知:

                  Q= -                 (4)

从(4)式可以看出:逆流量与L成反比,长径比加大L变长,因而后面一项变小,因此,长径比增大可以显著减少逆流量,使螺杆的生产能力提高。但是过大的长径比会导致功率消耗增大以及挤出机温度过高,甚至出现胶料焦烧的现象,这在设计时也应当充分考虑。热喂料挤出机螺杆的长径比一般为3.5~6,冷喂料挤出机一般为12~20,排气挤出机一般为15~22。表2为四种类型橡胶螺杆挤出机长径比:

表2  橡胶挤出机常用长径比

规格

类型

φ45

φ60

φ90

φ120

φ150

φ200

φ250

φ300

热喂料橡胶挤出机

3.5~4.5

3.5~4.5

4~6

4~6

4~6

4~6

4~6

4~6

普通冷喂料挤出机

6~8

8~10

10~12

12~14

12~16

12~18

16~20

16~20

销钉冷喂料挤出机

/

10~12

12~14

12~16

12~16

14~18

16~20

16~20

冷喂料排气挤出机

12~14

14~16

14~16

16~18

18~20

20~22

/

/

3.4螺杆的升角和导程(θ,S)

螺纹升角与导程有以下关系:S=                              (5)

螺纹升角较大时,螺纹的导程也较大,胶料的输送速度也较快,但是升角过大会导致剪切历程减小,剪切塑化效果变差;当升角较小时,螺纹的导程也比较小,胶料输送的速度变慢,但是胶料的剪切历程增大,因此塑化效果比前者要好。

从固体输送理论中可知,螺纹升角既影响着输送角的大小,也直接影响着生产能力的高低,同时在其他条件恒定下,它有一个最优化的数值,如图21所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 


图21   螺纹升角θ与 的关系

当tgθ·tgφ/(tgθ+tgφ)达到最大值时,则生产能力也达到最大值。据有关资料介绍,当螺杆摩擦系数μ为0.45~0.6时,最适宜的升角为17°~22°,但在生产实践中有些机台螺纹的螺纹升角很大,其喂料段的螺纹升角达到28°,甚至超过30°,塑化段达到25~28°,挤出段达到24°。在考虑螺纹升角时,应注意到:不同胶料、不同工艺条件以及变化的挤出过程都会导致螺杆摩擦系数的变化,因此最佳的螺纹升角是相对的。

从粘性流体输送理论可知,螺纹升角的大小既可影响正流流量也可影响逆流流量。如果要得到最大生产能力,则要求正流流量有最大值,而逆流流量有最小值。单纯从理论上推导,若正流流量要达到最大值,则要求d( )/d =0,这时θ=45°,换句话说,螺杆螺纹升角在45°时,正流流量达到最大值。然后,要求逆流流量达到最小值时,则应sinθ=0,即θ=0,就是说,螺纹升角为0°时,逆流量最小(此时正流量也为最小),随着升角的增加,逆流量随着增加。综合螺纹升角对正流流量和逆流流量的影响,一般来说,螺杆螺纹升角在22°~30°时挤出生产能力最大。但确定θ时,还要考虑喂料段的供料是否充足,塑化段的塑化能力是否均匀以及挤出段的挤出是否稳定。

当前导程和升角都有变大的趋势,这是因为传统的螺杆为了增加胶料的剪切效果,充分塑化胶料,只能通过减小螺槽升角,增加螺纹的长度;但是当今的螺杆,完全可以通过很多其他的方式来增加胶料的塑化效果,比如:在塑化段设置销钉、设置传递螺纹或者设置主副螺纹等。这些都是有效的增加胶料塑化的方法。

在设计中要注意到:同一螺杆,螺纹升角也应该有所不同,喂料段适用于弹性态固体输送理论,此段的摩擦系数较大,因此其螺纹升角应比较大;塑化段适用于粘弹态的输送理论,摩擦系数变小,其螺纹升角应适当减小;到了挤出段物料基本上是粘流态,摩擦系数最小,其螺纹升角也应最小。

从统计角度看,喂料段升角可在22°~26°选取,塑化段升角可在20°~24°选取,挤出段升角可在18°~22°选取。从提高生产能力而言,门尼粘度偏高的胶料宜选偏大升角,门尼粘度和硬度偏低的,宜选较小的升角;从提高塑化效果而言,门尼粘度偏高的胶料宜选偏小升角,门尼粘度和硬度偏低的胶料宜选偏大的升角。

3.5螺杆的几何压缩比(ξ)

螺杆螺纹第一圈螺槽容积v 与最后一圈螺槽v 容积之比(v / v )称压缩比。压缩比按下式计算:

                   ε= =                    (6)

式中: 、 —分别为初始和末圈螺纹螺距;

      、 —分别为初始和末端螺槽深度;

      D—螺杆直径。cm;

      e—螺杆螺棱法向宽度,cm。

压缩比表示胶料在挤出过程中被压缩的程度。较大的压缩比会使胶料得到足够的压缩作用,从而获得致密性能好的制品。但是压缩比过大时,会导致驱动功率增加、降低生产能力和提高挤出温度。因此在设计时应注意选择适当的压缩比。

较大压缩比的螺杆在机头易建立起较高的挤出压力,促进在螺杆螺槽中的胶料产生较大剪切搅拌和混合作用,进而提高塑化效果,这是传统强化冷喂料挤出机塑化效果的一种措施,其选择压缩比一般为1.3~1.7。但在近代发展了强力剪切的主副螺纹螺杆和机筒销钉螺杆,其塑化功能已不完全依赖压缩比来强化螺杆的塑化效果。因此,近代螺杆的压缩比趋于减小,有的销钉螺杆甚至为0压缩比。

3.6螺槽的深度(H)

按照粘性流体输送理论分析,螺槽的深度对生产能力的影响应从两个方面考虑:使用高阻机头时,宜采用浅槽螺杆;使用低阻机头时,宜采用深槽螺杆。也就是说,应该根据螺杆与机头匹配情况来考虑螺槽的深浅。从挤出机综合工作点如图2可以看出:在低压区P<Pc时(即具有低阻力机头),若配以深螺槽螺杆,将会得到较高的生产能力,若配以浅的螺槽螺杆,将会导致生产能力的降低,如p1分别与深螺槽螺杆特性线和浅螺槽螺杆特性线相交得到深螺槽螺杆的生产能力Q1>浅螺槽的生产能力Q1’,当在高压区p>pc时(即具有高阻力的机头),若配以深螺槽螺杆,将会导致生产能力的降低,若配以浅螺杆,将会获得较高的生产能力如p3分别与浅螺槽螺杆特性线和深螺槽螺杆特性线相交得到浅螺槽螺杆的生产能力Q2>深螺槽的生产能力Q’。因此,在使用低阻力机头时,可以增加螺纹槽的深度来提高生产能力。在橡胶挤出机中一般机头阻力较低(p<250 kg/cm2),采用增加螺槽深度来提高生产能力是可行的。但应注意螺槽太深会影响螺杆的塑化能力和塑化效果。

 

 

 

 

 

 

 

 

 


图22  挤出机综合工作点

1-      低阻力机头特性线;2-深螺槽螺杆特性线

      3-高阻力机头特性线;4-浅螺槽螺杆特性线

螺杆深度与螺杆直径有一定的关系,一般热喂料挤出机H≈(0.18~0.25)D,冷喂料挤出机大约为H≈0.125~0.17D左右选取,销钉冷喂料挤出机约为H≈(0.17~0.22)D。用于门尼粘度高、硬度高的胶料以及螺杆直径小的条件下,其螺纹深度宜选取较小值;用于门尼粘度较低、硬度较低的胶料以及螺杆直径大的条件下,其螺纹深度宜选取较大值。

在没有出现销钉冷喂料挤出机之前,冷喂料挤出机的生产能力一直低于热喂料挤出机,原因就在于冷喂料挤出机螺槽深度远比热喂料挤出机浅,其螺槽深度约为热喂料挤出机螺槽深度的三分之二。当机筒销钉螺杆出现以后,胶料的塑化已不单纯依赖机筒和螺杆之间的剪切作用,而是通过销钉极大地强化了销钉螺杆的剪切、搅拌和撕裂作用。因此,销钉螺杆的螺槽深度突破了原来冷喂料挤出机螺杆的螺槽深度,进而销钉冷喂料挤出机的生产能力也获得了提高,这对冷喂料挤出机推广起着重要的作用。

3.7螺杆断面的形状(r , ,e

螺纹断面形状主要是指螺纹棱的宽度e,推力面、背压面的倾角  以及推力面和背压面过渡半径r 。常见的螺纹断面形状主要有矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹,其结构如图23所示。

 

 

 

 

 


a                 b                 c

 

图23螺杆断面形状

a 矩形螺杆;b梯形螺杆;c锯齿形螺杆

螺纹螺棱的宽度有轴向棱宽e’和法向棱宽e之分,一般在计算中多使用法向螺棱宽度,有以下关系e=e’cos ,螺棱宽度较大时,其螺棱的强度、刚度好,但为了提高螺槽有效输送容积,在保证其强度、刚度的前提下,应尽可能减小螺棱宽度。螺棱宽度一般取e=(0.06~0.08)D。当胶料门尼粘度大,硬度高时,宜选取较大的e值;当胶料门尼粘度小,硬度较小时,宜选取较小的e值。

如图3a所示的矩形螺纹断面,其螺棱两侧根部与螺杆根部的相交处形成90°的交角,因为此交角会使胶料在螺槽运动中形成“死角”,对螺杆的输送和塑化效果有重大的影响,因此应采用圆角过渡的设计。如果推力面r 太小,胶料则窝在根部难予往前输送,如果背压面r 太小,则胶料窝在根部难以翻转,直接影响输送能力和塑化效果,这在设计时务必注意。然而过渡圆弧半径太大,则会减少螺槽的容积。通常推力面的过渡半径可选半个螺槽深度,即r =0.5H,背压面的过度半径可选r =0.8H。

图3b所示为梯形螺纹,其在推力面和背压面分别有θ 和θ 夹角,在斜边与螺杆根径分别有r 和 r 的圆弧过渡,这将提高螺棱的强度和刚度。其r 和 r 可比矩形断面的r 和 r 略小。

图3c为锯齿形螺纹,它除了根部过渡半径和普通的螺纹相同外,其在螺棱推力面螺棱顶部设计了过渡圆弧半径r ,它与r 组成了一个反“S”型螺纹断面,它可降低胶料越过螺棱的阻力,尤其适用于主副螺纹螺杆,有利于降低挤出温度。其r 与矩形断面的r 相同,r 比矩形断面的r 略小;r ≈0.3e;其夹角θ 与梯形螺纹断面θ 相同。

螺杆螺纹的断面几何参数可参考:e=0.06~0.07D ,r =0.2~0.4H,r =0.25~0.45H,

θ =5°~15°,θ =5°~ 15°。                                                                                                                                                   

3.8机筒销钉螺杆相关参数与几何尺寸

机筒销钉螺杆是在机筒上设置若干排销钉,与其在螺杆的相应位置切出与杆体底径相切的沟槽,销钉插入沟槽的一定深度。当螺杆转动时,一方面由销钉作顺流方向的分流,对胶料产生剪切和分流的作用;另一方面销钉还起着横向的搅拌作用。因而,能够有效的消除螺槽中顺流方向和横流方向的“死区”,大大地提高了胶料的塑化和混炼质量。

3.8.1销钉的排数与个数

一般说来销钉的排数越多,以及每排销钉个数越多,则销钉的剪切、搅拌和分流的作用越明显。然而在实际生产中,由于对胶料的混合均化作用主要由靠近喂料口的前几排销钉来完成,也就是说,当胶料达到一定均化程度时,后面的销钉对均化程度的提高所起的作用已有所降低了。相反由于排数的增多,则在螺杆上切槽数目也增多,这意味着螺杆的输送能力将下降,挤出率随之下降,而且会导致胶温上升和消耗功率的增加。因而不能盲目地增加销钉排数和销钉数目,应该根据具体条件综合考虑销钉的数量;随着挤出机规格增大则销钉的个数随着增加,销钉直径也随着增加。在工作过程中,为了避免混炼产生剧烈的摩擦和粘度变化过大,应该尽量使通过切槽的胶料不至产生加速度,这就要求各排插入的销钉的总体积与其螺纹上的切槽体积接近相等。销钉的排数与个数的选取可参考表5

3.8.2销钉的几何尺寸

图24所示为一种φ120销钉结构尺寸,销钉的几何尺寸可参考表3。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


图24 φ120销钉结构图

3.8.3销钉与螺杆切槽的匹配

销钉与螺杆切槽的匹配,包括销钉插入的深度以及销钉与切槽的间距。有关参数见表5。

表5  销钉螺杆的参数参考表

销 钉 排 数(排)

4~10(16)

个  数   /排(n个)

6

8

10

排    距(mm)

0.8D

销 钉 直 径d(mm)

(0. 085~0.125)D

销钉插入深度h (mm)

H-(1~2.5)

轴向切槽宽度b(mm)

d+(4~6)

螺 杆 长 径 比

12

14

16

18

20

3.9主副螺纹的结构尺寸

主副螺纹是在主螺纹槽中设置了具有一定高低差的副螺纹,强制物料通过细小的窄缝使物料受到强力剪切而实现物料的塑化和消除“死区”。

 

 

 

 

 

 

 

 


图25 主副螺纹高低差示意图

主副螺纹的主要结构参数包括主副螺纹的轴向长度和高低差。如图25为主副螺纹结构图,其副螺纹结构图长度为 ,高低差为Δ。

主副螺纹螺杆的副螺纹长度和高低差是按螺杆螺槽顺流体积量与通过副螺纹窄缝的体积流量相等原则计算得出的。可按下列式计算:

Δ=       (7)

式中:

       ——主螺纹螺槽的法向宽度,cm;

      

H

——主螺纹螺槽高度,cm;

0

Z

——副螺纹轴向长度,cm;

2

q

——副螺纹升角;

K

——顺流修正稀疏,其值小于1。

通过橡胶挤出机采用的主副螺纹螺杆,其高低差可按1.5~2.5范围内选取,即Δ=1.5~2.5。

主副螺纹的轴向长度可按下式计算

                     (8)

式中:

     ——副螺纹轴向计算长度,cm;

     ——主螺纹导程,cm;

     ——主螺纹升角,弧度;

     ——副螺纹升角。弧度;

 

3.10螺杆和机筒之间的间隙

螺杆外径与机筒之间形成间隙,在机头压力作用下胶料从间隙中产生漏流,其漏流流量公式为:

                   Q  =                 (9)

从上式中可见: ,即挤出机生产能力随螺纹间隙 的增大其漏流速率迅速增加而生产能力迅速下降。为了提高挤出机的生产能力,应尽可能减少螺纹间隙,尤其是在挤出段间隙要求更加严格。通常在橡胶挤出机中,若挤出段的间隙 >3mm时,挤出机就会完全失效。螺纹间隙减小当然对生产能力有好处,但间隙太小会带来加工的困难以及容易造成螺杆的扫膛现象,设计时应当选择适当的间隙。间隙见表4。在实际使用中,其间隙往往偏大,如贝尔托夫φ150的间隙约为0.4~0.513,φ200的约为0.5~0.622。

表4 螺杆与衬套直径间隙参考表

φ65

φ80

φ90

φ120

φ150

φ200

φ250

φ300

0.178/0.228

0.203/0.254

0.254/0.305

0.254/0.305

0.305/0.372

0.330/0.407

0.432/0.508

0.432/0.508

 

3.11螺杆头几何形状与尺寸

在挤出过程中,胶料输送过程是在螺槽中作螺旋状运动,当胶料进入机头流道时,为了使胶料稳定挤出流道,设计时应选择适当的螺杆头部的结构形状,图26为螺杆头的几种几何形状结构图。

 

 

 

 

 

 

 


a-平头              b圆形头              c圆柱/圆锥形头               d锥形头

图26 螺杆头结构图

a-平头  b圆形头 c圆柱/圆锥形头 d锥形头

图6a为平头螺杆结构,此结构容易导致从螺杆挤出的胶料在其端部形成窝胶而造成胶料的烧焦现象,一般不采用。图6b为圆头螺杆头结构,一般用在热喂料螺杆中,这种结构的螺杆头,轴向长度小,结构较紧凑,但在螺杆头的中心部分仍有滞胶现象。在冷喂料挤出机中一般采用锥形螺杆头或圆柱圆锥形螺杆头,这种类型的螺杆头一方面可以提高机头的压力,另方面能有效的解决螺杆头的滞胶问题,以下经验数据可供参考:l=0.5~0.8D,l =0.2~0.35D,l =0.2~0.4D,SR=15~25。

4. 结束语

(1)将螺杆从宏观功能上分成三个功能段,依据挤出理论结合生产实践分别对螺杆的喂料功能段、塑化功能段和挤出功能段的各种螺杆构型进行了较详尽较系统的分析,以便更容易理解和掌握各种螺杆构型的工作原理,希望对螺杆设计和选型有所帮助;

(2)通过查阅大量的相关图纸和文献资料,归纳和分析了螺杆有关几何结构参数,并结合相应的工艺条件给出相应的选择范围,供螺杆设计和选型方面的行业同仁参考。

 

 

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