第06擠出原理—單螺1

1、第六章第六章 擠出工程擠出工程單螺桿塑化擠出原理單螺桿塑化擠出原理 6.1 6.1 擠出機(jī)的主要功能分析擠出機(jī)的主要功能分析螺桿擠出機(jī)的主要功能螺桿擠出機(jī)的主要功能 通過螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), ,在較短的時(shí)間內(nèi)將螺桿與機(jī)筒之間的物料在較短的時(shí)間內(nèi)將螺桿與機(jī)筒之間的物料從喂料口輸送到口模端從喂料口輸送到口模端, ,使物料從低溫到高溫至熔融，并產(chǎn)生壓縮、使物料從低溫到高溫至熔融，并產(chǎn)生壓縮、混合及排氣作用。以下進(jìn)行功能說明混合及排氣作用。以下進(jìn)行功能說明: :24圖圖6-1 6-1 料斗中物料流動(dòng)的各種狀態(tài)料斗中物料流動(dòng)的各種狀態(tài)（a a）正常流動(dòng)；（）正常流動(dòng)；（b b）架橋）架橋

2、（c c）漏斗流動(dòng)）漏斗流動(dòng) （d d）空心管）空心管1.加料加料 塑料塑料: :通過通過料斗料斗送料送料, ,物料在物料在自重自重或或強(qiáng)制力強(qiáng)制力作用被送入擠出機(jī)。作用被送入擠出機(jī)。因物料多為因物料多為粉狀或粒狀粉狀或粒狀, , 在用喂料斗中容易形成架橋，主要考慮物在用喂料斗中容易形成架橋，主要考慮物料的內(nèi)摩擦作用，設(shè)計(jì)料斗的錐角大小。料的內(nèi)摩擦作用，設(shè)計(jì)料斗的錐角大小。 橡膠橡膠: : 通過喂料口送料通過喂料口送料, ,物料在物料在自重自重或或強(qiáng)制力強(qiáng)制力作用被送入擠出作用被送入擠出機(jī)。因物料多為機(jī)。因物料多為條狀或片狀條狀或片狀, , 在用喂料輸送過程中容易形成打滑、在用喂料輸送過程中容

3、易形成打滑、饑餓喂料或返膠，主要考慮物料的粘性作用，及喂料口的結(jié)構(gòu)形式。饑餓喂料或返膠，主要考慮物料的粘性作用，及喂料口的結(jié)構(gòu)形式。52.輸送輸送 理論理論螺桿每轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)，物料將往前輸送一個(gè)導(dǎo)程。螺桿每轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)，物料將往前輸送一個(gè)導(dǎo)程。但不可能。但不可能。為什么？為什么？輸送量主要輸送量主要取決于取決于：聚合物與聚合物與機(jī)筒機(jī)筒之間的摩擦因數(shù)之間的摩擦因數(shù)f fb b物性、溫度、粗糙度物性、溫度、粗糙度聚合物與聚合物與螺桿螺桿之間的摩擦因數(shù)之間的摩擦因數(shù)f fs s物性、溫度、粗糙度物性、溫度、粗糙度聚合物與聚合物與聚合物聚合物之間的摩擦作用之間的摩擦作用相對(duì)速度相對(duì)速度3. 壓縮壓縮壓縮壓縮

4、改變傳熱效率、改變傳熱效率、 熔融速率、熔融速率、 排氣排氣擠出壓力產(chǎn)生：擠出壓力產(chǎn)生：螺槽深度的變化螺槽深度的變化分流板、過濾網(wǎng)分流板、過濾網(wǎng)口模截面面積口模截面面積物料與筒壁及螺桿之間的摩擦作用物料與筒壁及螺桿之間的摩擦作用（相當(dāng)于閥）（相當(dāng)于閥）6圖圖6-2 6-2 沿螺桿全長(zhǎng)壓力分布曲線沿螺桿全長(zhǎng)壓力分布曲線 1.1.低壓機(jī)頭；低壓機(jī)頭； 2.2.中壓機(jī)頭；中壓機(jī)頭； 3.3.高壓機(jī)頭高壓機(jī)頭 4.IKV4.IKV系統(tǒng)系統(tǒng) 78 圖圖6-3 6-3 熔融過程熔融過程1 螺紋推進(jìn)面螺紋推進(jìn)面 2 2 熔池熔池 3 3 熔膜熔膜 4 4 固體固體W W 螺槽寬度螺槽寬度 X X固相寬度固相

5、寬度4. 熔融熔融 (塑化）塑化） 物料進(jìn)入機(jī)筒時(shí)的溫度是室溫或稍高物料進(jìn)入機(jī)筒時(shí)的溫度是室溫或稍高塑料：塑料： 幾轉(zhuǎn)后壓力升高，靠近筒壁的物料溫度達(dá)到幾轉(zhuǎn)后壓力升高，靠近筒壁的物料溫度達(dá)到熔融點(diǎn)熔融點(diǎn)， 形成形成熔膜熔膜熔池熔池熔池逐漸加寬熔池逐漸加寬固體床寬度從寬到零固體床寬度從寬到零橡膠：橡膠：幾轉(zhuǎn)后壓力升高，幾轉(zhuǎn)后壓力升高，靠近筒壁的物料溫度達(dá)到靠近筒壁的物料溫度達(dá)到軟化點(diǎn)軟化點(diǎn)，產(chǎn)生產(chǎn)生粘彈粘彈粘流粘流從外到內(nèi)從外到內(nèi)95. 混合混合 在固體輸送段視物料為固體塞時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生混合，但實(shí)際加工在固體輸送段視物料為固體塞時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生混合，但實(shí)際加工物料在固體輸送也有物料在固體輸送也有顆粒之

6、間顆粒之間的的混合混合，但很少考慮其混合作用。，但很少考慮其混合作用。是否有混合作用，主要看螺槽的是否有混合作用，主要看螺槽的充滿程度充滿程度。理論上主要考慮在理論上主要考慮在熔體輸送段的混合作用熔體輸送段的混合作用，這種混合作用產(chǎn)生于相，這種混合作用產(chǎn)生于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的層與層之間。對(duì)運(yùn)動(dòng)的層與層之間。 混合不但使物料發(fā)生混合不但使物料發(fā)生分散分散與與分布混合分布混合，也使物料的各部分之間，也使物料的各部分之間產(chǎn)生產(chǎn)生熱量混合熱量混合。 混合能使物料分散、溫度趨于均勻，分子量通過剪切趨于一致。混合能使物料分散、溫度趨于均勻，分子量通過剪切趨于一致。所以所以擠出段擠出段有時(shí)也稱有時(shí)也稱均化段均化段。

7、6. 排氣排氣 排出的氣體有排出的氣體有3 3種：種：粉料顆粒之間夾雜著的空氣粉料顆粒之間夾雜著的空氣空氣中吸附的水分空氣中吸附的水分水蒸氣水蒸氣加熱加熱顆粒內(nèi)部一些低熔點(diǎn)物質(zhì)顆粒內(nèi)部一些低熔點(diǎn)物質(zhì) 增塑劑增塑劑熔融后氣體才能克服熔體表面張力而逸出。熔融后氣體才能克服熔體表面張力而逸出。遠(yuǎn)離料斗，無法通過料斗排出。遠(yuǎn)離料斗，無法通過料斗排出。使用排氣擠出機(jī)使用排氣擠出機(jī)工程塑料（如工程塑料（如PAPA、ABSABS、PCPC等）都有這種現(xiàn)象等）都有這種現(xiàn)象106.2 重要的幾何因素分析重要的幾何因素分析 螺桿的幾何結(jié)構(gòu)直接決定螺桿的性能。設(shè)計(jì)螺桿的主要任務(wù)就螺桿的幾何結(jié)構(gòu)直接決定螺桿的性能。設(shè)

8、計(jì)螺桿的主要任務(wù)就是是確定其合理的幾何形狀及尺寸確定其合理的幾何形狀及尺寸。 一、螺桿的徑向尺寸一、螺桿的徑向尺寸 螺桿直徑螺桿直徑D Ds s為為螺桿外徑螺桿外徑，其名義尺寸與其名義尺寸與機(jī)筒機(jī)筒內(nèi)內(nèi)徑徑D Db b相等相等, ,螺螺桿直徑是螺桿擠出機(jī)的桿直徑是螺桿擠出機(jī)的公稱直徑公稱直徑（因?yàn)樗艽笾路从硵D出機(jī)的（因?yàn)樗艽笾路从硵D出機(jī)的生產(chǎn)能力）；生產(chǎn)能力）； ()2fbsDDd=- f f 為螺桿與機(jī)筒間的為螺桿與機(jī)筒間的單面間隙單面間隙 。螺槽深度螺槽深度 H H 與螺槽內(nèi)容料體積有關(guān)，是重要的幾何參數(shù)。與螺槽內(nèi)容料體積有關(guān)，是重要的幾何參數(shù)。當(dāng)忽略徑向間隙時(shí)，螺槽深度即為螺桿螺紋高

9、度。當(dāng)忽略徑向間隙時(shí)，螺槽深度即為螺桿螺紋高度。若忽略若忽略f f，則，則D Db b亦為亦為螺桿外徑螺桿外徑。11二、螺桿的軸向尺寸二、螺桿的軸向尺寸 螺紋導(dǎo)程螺紋導(dǎo)程T T；螺旋升角；螺旋升角；i i表示螺紋頭數(shù)，當(dāng)螺桿為單頭螺桿時(shí)，表示螺紋頭數(shù)，當(dāng)螺桿為單頭螺桿時(shí)，T= ST= S（螺距）（螺距）L L為螺桿為螺桿有效軸向有效軸向長(zhǎng)度；長(zhǎng)度；L L1 1為加料段長(zhǎng)度；為加料段長(zhǎng)度； L L2 2為熔融段長(zhǎng)度；為熔融段長(zhǎng)度；L L3 3為計(jì)量段（均化段）長(zhǎng)度。為計(jì)量段（均化段）長(zhǎng)度。 L LD D為螺桿的長(zhǎng)徑比。為螺桿的長(zhǎng)徑比。 b b為為螺棱螺棱軸向?qū)挾?；軸向?qū)挾龋?e e為螺桿為螺桿螺

10、棱法向螺棱法向?qū)挾?；寬度?B B為為螺槽軸向螺槽軸向?qū)挾?；寬度?W W為為螺槽的法向螺槽的法向?qū)挾?；寬度；圖圖6.2-1 6.2-1 螺桿幾何參數(shù)螺桿幾何參數(shù) 圖圖6.2-2 6.2-2 螺桿展開圖螺桿展開圖 12在這些參數(shù)中，某些參數(shù)在在這些參數(shù)中，某些參數(shù)在徑向徑向上會(huì)有所變化上會(huì)有所變化如如bsWWW、和:W:fbsfff、和螺紋沿螺紋沿螺槽方向螺槽方向展開的長(zhǎng)度展開的長(zhǎng)度:ZZZZsb和、上有上有橫杠表示平均值橫杠表示平均值下標(biāo)下標(biāo)b b或或s s分別表示按螺桿外徑或螺桿根徑計(jì)算所得到的數(shù)值分別表示按螺桿外徑或螺桿根徑計(jì)算所得到的數(shù)值如果沒有下標(biāo)如果沒有下標(biāo)b b或或s s，則一般

11、按螺桿的，則一般按螺桿的外圓外圓進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)行計(jì)算。 136.3 固體輸送理論固體輸送理論 單螺桿擠出機(jī)是聚合物加工的重要設(shè)備，其性能在很大程度單螺桿擠出機(jī)是聚合物加工的重要設(shè)備，其性能在很大程度上取決于上取決于螺桿的設(shè)計(jì)螺桿的設(shè)計(jì)和和操作條件操作條件。擠出機(jī)內(nèi)的區(qū)域，是根據(jù)物料的三種狀態(tài)劃分的。擠出機(jī)內(nèi)的區(qū)域，是根據(jù)物料的三種狀態(tài)劃分的。固體固體輸送過程輸送過程固體固體固固- -液（熔體）液（熔體） 熔融熔融（塑化）過程（塑化）過程熔體（粘流）熔體（粘流）熔體熔體輸送過程輸送過程 增壓、計(jì)量過程增壓、計(jì)量過程14固體輸送理論：固體輸送理論：（機(jī)理）（機(jī)理）摩擦作用摩擦作用單螺桿擠出機(jī)的輸送機(jī)

12、理單螺桿擠出機(jī)的輸送機(jī)理; ;正位移輸送正位移輸送雙螺桿擠出機(jī)的輸送機(jī)理雙螺桿擠出機(jī)的輸送機(jī)理; ;粘性牽附粘性牽附熔膜剪切熔膜剪切熔融理論：熔融理論：剪切傳熱為主剪切傳熱為主筒壁導(dǎo)熱筒壁導(dǎo)熱考慮固體熔體輸送考慮固體熔體輸送運(yùn)用質(zhì)量與運(yùn)用質(zhì)量與能量守恒能量守恒研究是建立這三個(gè)方面理論上研究是建立這三個(gè)方面理論上熔體輸送理論：熔體輸送理論：近似于近似于流體輸送流體輸送，流體動(dòng)力學(xué)理論解釋，流體動(dòng)力學(xué)理論解釋增壓、泵送增壓、泵送運(yùn)用粘性拖曳、動(dòng)量守恒運(yùn)用粘性拖曳、動(dòng)量守恒1515 國(guó)內(nèi)外的單螺桿塑化擠出機(jī)固體輸送理論研究主要集中在固體顆國(guó)內(nèi)外的單螺桿塑化擠出機(jī)固體輸送理論研究主要集中在固體顆粒體系

13、密度（粒體系密度（固體床固體床還是還是散離體散離體）和）和摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)的研究，因?yàn)樗鼈兊难芯?，因?yàn)樗鼈優(yōu)楦玫仡A(yù)測(cè)為更好地預(yù)測(cè)固體輸送量、壓力、產(chǎn)量固體輸送量、壓力、產(chǎn)量等提供等提供理論依據(jù)理論依據(jù)，并指導(dǎo)，并指導(dǎo)固體輸送段的設(shè)計(jì)及工藝操作。固體輸送段的設(shè)計(jì)及工藝操作。固體輸送理論的四大學(xué)派固體輸送理論的四大學(xué)派 新理論都是在前人基礎(chǔ)上的進(jìn)展，各有創(chuàng)新。新理論都是在前人基礎(chǔ)上的進(jìn)展，各有創(chuàng)新。、固體摩擦理論（固體輸送過程分析）、固體摩擦理論（固體輸送過程分析）19561956年年 Danell-Mol Danell-Mol 建立的固體摩擦理論，經(jīng)典理論應(yīng)用廣泛建立的固體摩擦理論，經(jīng)典理論應(yīng)

14、用廣泛19701970年年 Chung Chung 鄭氏鄭氏 粘性牽附理論粘性牽附理論19711971年年 Tedder Tedder （特得爾）提出的能量平衡理論（特得爾）提出的能量平衡理論19961996年年 朱復(fù)華提出的非塞流理論朱復(fù)華提出的非塞流理論物理模型物理模型 在固體輸送過程中，把物料看成是被壓實(shí)的、沒有變形的在固體輸送過程中，把物料看成是被壓實(shí)的、沒有變形的且充滿螺槽的固體塞（密度且充滿螺槽的固體塞（密度不變），不變），使物料前進(jìn)的作用力主使物料前進(jìn)的作用力主要是摩擦力要是摩擦力，所以該理論被稱為，所以該理論被稱為固體摩擦理論固體摩擦理論。16161.1.簡(jiǎn)化假設(shè)簡(jiǎn)化假設(shè) (2

15、)(2)受力條件假設(shè)受力條件假設(shè) 假設(shè)壓力只有螺槽方向有變化假設(shè)壓力只有螺槽方向有變化P=PP=P（z z），），PPPP（x,y)x,y) 摩擦系數(shù)不變，符合庫(kù)侖定律摩擦系數(shù)不變，符合庫(kù)侖定律 F=fN F=fN 忽略重力忽略重力 fb 物料與機(jī)筒間的摩擦系數(shù)物料與機(jī)筒間的摩擦系數(shù) fs 物料與螺桿間的摩擦系數(shù)物料與螺桿間的摩擦系數(shù) 固體輸送過程分析（基本方程固體輸送過程分析（基本方程) ) (1)(1)幾何條件假設(shè)幾何條件假設(shè)加料段螺槽看成是加料段螺槽看成是等距等深等距等深的，忽略螺棱與機(jī)筒之間的間隙的，忽略螺棱與機(jī)筒之間的間隙(3)(3)摩擦系數(shù)假設(shè)摩擦系數(shù)假設(shè) 1717V V1 1=D

16、 n=D n （6 63 31 1） V V1 1：螺桿線速度（牽連速度）：螺桿線速度（牽連速度）V V2 2：物料（固體塞）相對(duì)于螺桿速度：物料（固體塞）相對(duì)于螺桿速度V V3 3：物料的絕對(duì)速度。：物料的絕對(duì)速度。 312VVV=+ Qs=Qs=V VA A （6 63-23-2） （6 63-33-3） 2. 2. 運(yùn)動(dòng)分析運(yùn)動(dòng)分析求出固體輸送率求出固體輸送率Q Q1818 其中其中V V是是V V3 3在在z z方向的投影速度方向的投影速度A A：垂直于：垂直于 z z 的截面積的截面積 ：牽引角牽引角 b: :外圓計(jì)算的螺旋升角外圓計(jì)算的螺旋升角 W：螺槽平均寬螺槽平均寬 22111

17、4()sinbsbbDDHDHWDHe1/bVtgVV tg（6 63-43-4） 2214sinbsieHADD1bbbbtgtgtgtgVVDntgtgtgtg2111bsbbibtgtgWQVAD nHDHtgtgWe211bsbbbtgtgWQnVA nD HDHtgtgWeQs/nQs/n為每一轉(zhuǎn)的為每一轉(zhuǎn)的固體輸送量固體輸送量 （6 63-7) 3-7) （6 63-5)3-5) （6 63-6) 3-6) H H：螺紋高度：螺紋高度 圖圖6 63-23-21919 3. 3. 受力分析受力分析求出牽引角求出牽引角（輸送角輸送角） F F1 1：運(yùn)動(dòng)微元體和機(jī)：運(yùn)動(dòng)微元體和機(jī)筒內(nèi)表

18、面筒內(nèi)表面的的摩擦力摩擦力，與，與V V3 3方向相反，大小為：方向相反，大小為： 1bbFf pW dz=F F3 3、F F4 4：螺棱兩側(cè)螺棱兩側(cè)面對(duì)微元體的面對(duì)微元體的摩擦力摩擦力 371()sdsFF fpH dzFf=+481ssFF fpf H dz=F F5 5：螺桿：螺桿底部底部對(duì)微元體的對(duì)微元體的摩擦力摩擦力 5ssFpf W dz=F F2 2、F F6 6：微元體：微元體前后前后物料對(duì)微元體物料對(duì)微元體的的正壓力正壓力261FFH WdpF F7 7、F F8 8：螺棱螺棱對(duì)微元體的對(duì)微元體的正壓力正壓力 71dFpH dzF=+81FpH dz=7811dFFpH d

19、zFpH dz 2020各個(gè)與螺桿軸線成一定角度的力各個(gè)與螺桿軸線成一定角度的力都能分解成兩個(gè)力都能分解成兩個(gè)力 與軸線與軸線平行平行的力的力 與軸線與軸線垂直垂直的力的力 將螺槽中微元體所受到的將螺槽中微元體所受到的所有的力所有的力進(jìn)行平衡進(jìn)行平衡 壓力壓力 推力推力 摩擦力摩擦力 力平衡力平衡 0F 力矩平衡力矩平衡 0M 由力平衡及力矩平衡得由力平衡及力矩平衡得 21112sinsin1sicossinnlnsbbbbsssbbbbbbbsfDKctgWfDfDKctgWfDHWDKctgWHWKfDppz（6 63-83-8） 后三項(xiàng)總和為后三項(xiàng)總和為MM 螺棱側(cè)面螺棱側(cè)面的摩擦的摩擦

20、螺桿低面螺桿低面的摩擦的摩擦壓力增加壓力增加2121對(duì)所得公式進(jìn)行簡(jiǎn)化對(duì)所得公式進(jìn)行簡(jiǎn)化： cossinKM（6 63-93-9） s i nc o sc o ss i nsbsfDKDf（6 63-103-10） 經(jīng)三角變換經(jīng)三角變換 2221sin1KMK MK（6 63-113-11） 為減少計(jì)算工作量為減少計(jì)算工作量, ,計(jì)算出計(jì)算出K K、M M值，查出值，查出角。角。 （圖（圖6 63-33-3） 22224.4.關(guān)于牽引角關(guān)于牽引角的討論的討論(1) (1) 影響牽引角影響牽引角的因素的因素211bsbbbtgtgWQVAD nHDHtgtgWe211bsbbbtgtgWQnVA

21、 nD HDHtgtgWe已知上述各數(shù)值時(shí)，可以計(jì)算每轉(zhuǎn)的固體輸送率。已知上述各數(shù)值時(shí)，可以計(jì)算每轉(zhuǎn)的固體輸送率。 當(dāng)給定固體輸送率可以計(jì)算壓力梯度當(dāng)給定固體輸送率可以計(jì)算壓力梯度( (與壓力梯度有關(guān)與壓力梯度有關(guān)) ) 或改變螺桿設(shè)計(jì)或改變螺桿設(shè)計(jì)2221sin1KMK MK=0，M=1 Qs=0要使要使增加增加，使使 K K、M M盡可能減小盡可能減小f fb b增加增加， f fs s減小減小。 牽引角牽引角是影響擠出生產(chǎn)率的重要參數(shù)，它取決于螺桿是影響擠出生產(chǎn)率的重要參數(shù)，它取決于螺桿幾何參數(shù)幾何參數(shù)、摩擦摩擦系數(shù)系數(shù)及固體輸送段的及固體輸送段的壓力增加壓力增加情況。情況。（6.3-6）（6.3-7）2323 當(dāng)不考慮摩擦當(dāng)不考慮摩擦f fs s=0, =0, 不考慮壓力上升不考慮壓力上升, ,固體輸送率可以達(dá)到最大。固體輸送率可以達(dá)到最大。2max11sincossbbbbWQVAD nHDHWe2111cos