双螺杆几何参数设计(1) - 基础篇

2017-03-25 by:CAE仿真在线来源:互联网

由于双螺杆挤出机具有良好的混炼塑化性能和自洁作用可以消除物料输送过程中产生的死角,避免了聚合物因为停滞、停留时间不均而产生的分解,因而在聚合物挤出、泵送、传质和传热以及聚合反应邻域得到日益广泛的应用。对于双螺杆挤出机的开发设计来说,其核心问题之一是螺杆参数的选择,因而掌握双螺杆几何学知识对于设计开发人员来说相当重要。随着计算机技术的普及和发展,可以借助计算机三维造型技术实现在加工制造之前的设计参数检验,检验两螺杆的啮合情况,并获取所需要的几何参数。

一、双螺杆挤出机的分类

根据两螺杆之间是否啮合或部分啮合、螺杆旋转方向是同向或是异向、流道在纵向和横向上是敞开还是密闭的,从理论上将双螺杆挤出机分成12种情况,如图1。

所谓纵向敞开,即沿着流动方向,自加料口至机头有一开放的通道,此时物料能从一根螺杆流向另一根螺杆,可沿螺槽进行物料交换;而纵向密闭的螺杆系统,螺纹在纵向上每隔一定距离就封闭起来。而所谓横向敞开,指的是垂直于螺棱方向,物料能越过螺棱,在同一根螺杆的各螺槽之间进行物料交换;若横向密闭,则没有可能进行这种物料交换。在不考虑加工间隙的前提下,螺杆在纵向或横向是否敞开,是否有一个紧闭的几何空间,对物料的输送、混合和建压能力都有直接的关系。

图1双螺杆挤出机分类

非啮合系统,无论是同向还是异向旋转,在纵向和横向上总是敞开的,见图1中的类型11和类型12。只有完全啮合的异向旋转系统在纵向和横向上是完全密闭的(类型1),每根螺杆的每个腔室中形成一个独立的互不联系的封闭室,也就是常说的C形室。螺杆旋转一圈,C形室内物料被强制着向前输送一个导程,其输送机理与螺杆泵类似。纵向和横向都封闭的紧密啮合同向旋转系统,在理论上是行不通的;纵向敞开和横向封闭的异向旋转系统,在理论上也是不可能的。

另一方面,紧密啮合同向旋转神螺杆由于两根螺杆在啮合处的螺纹走向相反,螺槽中的物料可以通过啮合区螺纹间的通道进入另外一根螺杆的螺槽中,因而是纵向敞开系统。采用普通螺纹时会使横向封闭(类型4),但用捏合盘时,螺杆就横向敞开(类型6)。

对于部分啮合型螺杆,异向旋转的有纵向敞开横向封闭的系统(类型7),也有纵向和横向都敞开的系统(类型9);而对于同向旋转的螺杆,若纵向开放其横向也必然是开放的,因此类型10是常见的,而类型8是不存在的。

实际制造的同向旋转双螺杆挤出机大多是类型4和类型6,也有用类型10的综合设计;啮合式异向旋转双螺杆挤出机总是把类型1与类型9的特点结合起来。

二、旋转方向与输送方向关系

如果从螺杆的上面观察,异向旋转双螺杆的旋转方向可以是对向向内旋转的,也可以是背向向外旋转的,但由于异向向内旋转时两螺杆间的压延作用会带来螺杆变形和磨损,这种向内旋转的方式很少采用;同向旋转双螺杆可逆时针旋转也可以顺时针旋转。在分析和设计双螺杆挤出机时,为了确保物料从加料口加入后能够正确地往机头方向输送,在螺杆旋转方向、螺纹旋向(左旋螺纹或右旋螺纹)以及物料输送方向之间,必须保持一定的相互关系。