單螺桿擠出機螺桿參數(shù)的計算

1、維晉資訊 Extrusion Equipment離螺桿扔崔機嗾桿夠數(shù)的計算吳崇周(四川大學高分子助剤研究所，成都610065 )摘 要：本文對fl1通二段式螺桿的設計提出了有關整數(shù)的汁算方法乜以棄合物的熱物理擊救、流變學參數(shù)為摒*以 例題形式對深延比、拖曳流.剪切速率、剪切應力、叱能耗、混合度、停留時間、料溫升高進行了大量 的汁算*并得出了最佳的設計效果.關鍵詞：單螺桿擠出機；蠕桿設計；參數(shù)汁算Screw Parameters Calculation of Single-screw ExtruderWu Chongzhou(The Polymer Additives Research Inst

2、itute of Sichuan University.Chengdu 610065)Abstract: The calculation method of relevant parameters of conventional three-2one screw is introduced in the articlc.Based on thermal physical parameterst rheological parameters , the deep tension ratio, drag flow, shear rate, shear stress, specific energy

3、 consumption mixing degree, residence time, temperature elevation of material ate calculated . The opumum design effect is obtainedKey wordst Single-screw extruder ; screw design and relevant parameters關于單甥桿有關參數(shù)的計會，作者曾有過報道卩本文主要對物料在單螺桿擠出機內的輸送過程中所關心的 幾個問題進行了詳盡分析?；旌隙龋ê危┦欠治鑫锪显诼莶壑械姆稚⒊潭?，比能耗代）是分析物料在螺槽中的塑 化

4、程度，停留時間（門足分析物料主要成分的熱歷史或老化程度再深延比（-“）是與擠出流量Q和拖曳流（Drag Flow）蜃Qu相關的物理量又表征流體粒子的應變程度一所謂三段式螺桿是把螺桿劃分為如圖1所示的三段：供料段主要承擔固體物料的輸送；壓縮段主要完成物料的 圧實和塑化；汁量段主要承擔熔體的輸送和進一步塑化°H-=3imiT(圖1申90單蛭軒及相關尺廿槽深比=h1/h3=4.1,壓縮比=3.84,計段長深比二Lj/h315Fig.1 90 single-screw and relevant sizeschannel depth ration L3/ h3=4J , compression

5、 ratio=3.84 ,length 1 depth ratio of metering zone= LJ ha=315維甘貸計I 一.實例1（一）螺桿葭徒巾閃.5mnu螺桿長徑比IJD=27,計量段氏廉比L/D=2 計星段螺槽深度螺桿 未設專卻.螺桿轉數(shù)n=60rpin,燦工LDPE*擠出就Qm刃加機義壓力TOkg/cm1,壓力波動6-7%o LDPE在 167t?的物理參數(shù)；熔體密度Pm=t>.78g/cm表現(xiàn)粘度n a=2/>gsec/cm定壓比熱Cp=“68c創(chuàng)倫£口解析如下；1、深延比（-Q）已給擠出量Q=51.3kg/hrlB.3cmVsec.設騾槽有效面積

6、為97%.拖曳（ Drag Flow ） SQd,Qd= 7r D£nh .cos 6 （ cos 8 -f>, 1 ） xf>.*>7= 19r0cm Vsec式屮：螺棱寬度=0.1D.則深延比（-cc）定史為：(-Q )=-QQdIB.3-=0.0419.()* _ Qd "%it x 6.35 x 1='=0.382、螺桿剪切速率中這是計量段的剪切速率*與經驗值比較顯得較小匚根據(jù)文獻化 設汁量段的有效氏度L訐126 即物料完全熔融進入汁量段。X)(4sin2 6 -Hla )2cos 0 a(1 + a )sin 8 cos 02 3近似簡化

7、劃M=均亠+二h* cos e 2sin GM=3.72(）（孕土）*一般把螺桿的螺旋升向B設為17° W .則上式改寫為;12 X 5 x竺如墮十燉().3811-0.044、比能耗c比能耗定義為剪切應力t與剪切應度y的取域發(fā)生單位應變所需的力或單位容積內所作的功="7 = 21.7 irnD T| d0.47+a 2)1 + a=21.7 tt x 6.35 x 1 x 2.66j?+12-x0.38 PO.17+O.O42PTfH=2,9 x KPg/cmJ= 2.9 x 10gcm/cm -2K.42J/cm1 注：lgcm=9.8x Hr'J （焦爾）5、

8、停留時間【停留時間是指物料流經計量段所需的時間:品腺塑播出2003年第并期（總和細）19=6.956,35 x 127r 6.35 x 1l-OM-27.f>sec202003年弟并朗(鶉黑6%料溫升高、 兀是在汁量段均質熔體允許的最高溫度T?與進入計就段初始溫度號之差。e2 9 x KF1 0 (H )2342= x匕叱V吃站它P 后 05fl x (I.6B KH)注 t 1 kgm/see=0.002342Kca Aec根據(jù)以上計算結果.分析如下： 深延比(“)僅為山4、足以說明擠岀物的質戢不會太好； 混合度13(12*說明物料分散性不好，均質性差.擠出壓力遊動較大； 比能耗e=2

9、8.42J/cm較小說明物料在輸送過程中的應變小*自然反映出制品的罰一性差。I二)如杲上述螺桿尺寸保持不變.而改變加工工藝.對擠出物的欣雖有何影響？解析如下；肯先將深延叱(-ft )疑借經驗設為九九I. 螺桿轉數(shù)n擠出量Q=Q/ 1 + a),已知擠出量Q=1扛；址m"/secQn= = - h凋D2 iTcos 6 (cos fl 亠0”1) x 0,97=26,1cm /see1一0胡226.1 x 2故 口二=82rpm0.381 x tt x 6,35' x ().953 x 0.853 x 0.972. 螺桿剪切速率亍© 口冥 I. .3 h "

10、IIy=-=7 .7secDM3. 混合度M6.35 x 12M=3.72 -lk3H I1.64+U.3-=20621-0,3202003年弟并朗(鶉黑202003年弟并朗(鶉黑4、比能耗亡6.35 x 121.47+0.3“e=21.7 it x 6.3S x 1 x 2.6 x x=6.5 x lOg/cm30.3HI2MX3=6.5 x I (>5gcm/cm;1=63.7j/in6.SX 1(P0.002342x 0,78x(168=28施202003年弟并朗(鶉黑202003年弟并朗(鶉黑6.停留時間t202003年弟并朗(鶉黑1=6.93 x x=27.6secit x 6

11、.35 x 1.37-0.3由于深延比由004增大到63,螺桿轉數(shù)提高到短rp嘰機頭阻力增大.混合度達2000以上，擠出制品質雖大為 改善。（三對于薄膜生產的場合.混合度要求達2500左右，騾桿尺寸調整如F*計量段長度由I2D增加為14D.深 延比（-僅）=0.隊計算有關參數(shù)。解析如下：】、螺桿轉數(shù)仍不改變n=H2rpm. （ 1.37rps ）；2. 螺桿剪切速率呼甘5 ：ir x 6.35 x 13-7l,7sec-'03H3.混合度MM= 3.72=24060.3HI (1-0.3 )4.比能耗亡e 汀"X6.35XK37X2.65*料溫升蠱!；7,6 x 10s xJ

12、UM)2342_ =勢右花068 x (ItTx 10()6、停留時間tt - 6.93 x6.35 x 14tt x 6.35 x .371I -0.3=32.2 sec7.剪切應力tT = <由于螺桿（計量段）加長，混合度和比能耗都增大，料溫由】2,甘吧升到334花特別対熱敏樹脂的加工，料筒 冷卻是十分必要的Q二.實例2螺桿直徑D=6,3Scm,螺桿長度L/D=22 （從加料孔至螺桿頂端）：供料段J/D必 螺槽深度h嚴143cm；壓縮 段長度L./D=16t計量段長度L./D=4 .螺槽深度hO.23）cm螺椚深度比h./hl.TS .計量段長深比L/h3=二im .料筒溫度IBOt

13、?.螺桿轉數(shù)n-80rpm,擠出物LDPE,密度0,918. MU16, LDPE在IHOf的密度0,239p m=0.76,定壓比熱Cp= 0-68c解析如下：I ,拖曳.流（Drag Flow ）1Qd= h* tv nDJ cos ft （cos -0J） x 0.97=15.Ocm Vsec22.將兒種情況計算和測定結果列入表I。2003年齊六期（息爲1細）21維晉資訊 表1計算和測童結果Tab.1 Calculation and measurement results單位aL bc_d機頭壓力Kg/cm58141211269擠出址QKg/hr55.fi51.7皈4燦深延比(a )TL

14、28-0.19如0.0 |混合度附757102214651646比能耗乜J/cmJ135.93I朋一溫169,54187.1883.819B料溫升高AT 停留時間tVsecSI9.659.614.3|76.1117.6(勢切應力7Kg/cm21.00,91.0LO擠出識備Extrusion Equipment計算結果表明.擠出試改變.料溫變化較大.擠岀站増加，混合度僅為7肯，塑化不好。隨機頭壓力升高.混 合度M增大，擠岀物品質提高，但擠出量減小，就茲b、匚d四種工藝計算出的LDPE的熔融過程如圖2 (A )所示1Q0 -100 =80'hBQ A二,- . bJO4Q-1;p 很艸匝需

15、計.3C供軸ffiflS 'it*-*-*廠一一0 261014 1P 22U0 2610141622臨桿悵瞳(XDJ圖2 LDPE的熔融過程Fig.2 h/lelting procedure of LDPE三.實例3為了在實例2屮提為螺桿轉數(shù).增大擠岀量.又不引起擴岀量的波動.故増長片站段、由L尸4D延長為LISD,具體尺寸如下；螺桿直徑D=&n%m, L/DM22;供料段長度Lb=2D,螺槽深度hLmcm；壓縮段長度L產丁 D;計饋段長度L13Dj螺槽深度() hf=(). 239cm, h|/h t=4.75, L3/h3341(b ) h,=0.279cm h./hlX

16、JS, LH/h=293解析如下：5)場合hQ.239cm.螺桿轉數(shù)n=16(>rpm機頭壓力為>kg/cm擠岀MQ=78.75kg/hr.拖曳流量Q滬31.87cmVsecT溫度控制為22ht該溫度下LDPE的熔體密匿p滬。?魅/5化(b )場合h,=0.27111,螺桿轉數(shù)n=28lkpm ,機頭壓力為23kg/cm擠出量150kg/hr,拖曳流畐"Q二65.5cm;,/sec 1溫度控制溝同3)匸計算結果列入表血料溫升髙如圖3所示一2220倉年第亢期(總維晉資訊 Extrusion Equipment橫出設EK圖3蛭桿轉數(shù)與料溫關系亂計量段L六 13D,螺槽h3=0

17、.239cm； t>.h3=0 279cm；d計量段厶"氏螺槽深h3=0.239cmFig.3 Relation between screw revolution and material temperature表2計算與測定結果Tab.2 Calculation and measurement results指標單位ta(b)擠岀量QCjn2/sec29.5656,3kg/hr78,75150深延比（"）<).070J4混合度M=13HKIQ99)131441927)比能耗亡J/cm119.623,53料溫升爲r89.1106停留時間iSec6,76剪切應力T

18、|kg/cm21.11.4實驗結果點明”用比較小的混合度得到了較好的擠出制品”但計雖段平均剪切應力達1 kg/cm2以上”進入計量 段的未熔完的固體余料在計呈段切力場卜破碎的同時乂促逬熔化*熔融過程如圖2 （B）虛線所示.設有強未熔 余料在11。位置熔完*而混合度陸列入表2桔號中"四-實例4用擠岀機加匸PVC膜*質量較 但用d> 115mm擠出機加廠時.可嗅到分解氣嫌.擠出星盡可能提高 到】40kg/hr左右.應對擠岀機如何改良？擠出機螺桿參數(shù)如我九表3擠出機螺桿套數(shù)Tab.3 Screw parameters of extruder*90*115螺杼長徑比22221供料段長度

19、-3Dr2D螺槽深度h1.65mm1.88mm計雖段長度54DID螺槽深度仏0,55mm0<55mm >品器凜塑斜秤出2003年廉丘期（崔第1ZJ陽】2324nxj3年第注翩(總轟i臨)魅矍觀描岀24nxj3年第注翩(總轟i臨)魅矍觀描岀壓縮比2,63.0擠出量Qft5kg/hr134kg/hr螺桿轉數(shù)n37r p m 37rp m計量段有效長Le|O.h,o叫1P¥C物理性能：熔休密度：p m=l-35g/cm1; 定壓比熱:cKScal/gX：;表觀粘度：勺耳鵝匝血譏 解析如F：(-)*90mm擠出機螺桿轉數(shù)口=3" p m=(k617rp!i；擠岀量Q=&

20、amp;5 kg/hr=13 4cm'Vsec； 拖曳流(Drag Flow )量Q»Qn=丄-h “ nl護 cos 日(cos (i -<K1) x (Ky7=34cmVsec 2L血=4 x W().55=65.51. 剪切速率中it x 9x0,6177= =3L7sec_14.552,深延比(-a )(-a ) =113434,624nxj3年第注翩(總轟i臨)魅矍觀描岀3, 混合度MM=3,72二 12644x(r9x9 ( L64-M)hl) -155 ( 1-XJ.61 )4、比能耗亡e=21.7 it x 9x0.617x2.8上勺壬空。如J)站小曲曲

21、些抽曲 <155 2()筑料溫升高耳2.5x 10rix0畑3420.5 x 15 X 1004x0.9 x 9tt x 9 x 0.617f二)©115mm擠出機螺桿轉數(shù)n=37r p m=0.617rps；擠出 Q= 134 kg/hr=27.6c mVsec;淹曳流量(Drag Flow ) QD.Qb= it nh1 D2 cos H (cos f) -0.1) x (XQTsSS.ficnAec24nxj3年第注翩(總轟i臨)魅矍觀描岀維晉資訊 W *”維晉資訊 W *”維晉資訊 W *”維晉資訊 L3 /h_. =4 x 11 5A).55=a.S1. 剪切速率7.

22、it x lLSxO.6177 =41>.5sec_L0.S52. 深延比(-a )(a ) =1 "" =0.5055.6沐混合度MM=3.7211984x<)r9x 1 L5Q .64+n.SO) <).55 ( I-ILSO)4、比能耗ee=21?""S審需畀蔦:噸亠5花“和5、料溫升萬g2.7 x 1爐吐 5 x L35O.(W)234210H=9.4 fW *”維晉資訊 6. 停留時間I4x 0.9x 11.5tt x 1 I .Sx 0.617ir=23-7cW *”維晉資訊 7.平均剪切應力Tt = J 耳 = (y-.-

23、TT-'' =1.8 x 1 Og/c m£ MX 18k g/cm$23 7將以上計算結果匯集衷也 從表4可見，4> 113mm擠出機的比能耗亡比<t>90mm擠出機大"料溫升高也髙 0-70由于擠岀凰的比與螺釬宜徑比的295次方相等。Q(4>115)Q(t>90)=(D<t>yDO-27.613 4115 x<hF+ x-2.95W *”維晉資訊 所叢盡管料溫升高厶丁*僅差0/7七.但<Hlh擠出機物料的熱歷史就比©90擠出機要差.導致PW2的熱分解。表4勰胭塑料擠出迥年弟興期總第紳)25指

24、標單位$90擠岀機申115擠出機螺桿轉數(shù)nrps0.6170.617擠岀螢QcmVsec13.427.6Qdn34.055+6J /n65.5K3E剪切速率丁See-131740-5深延比lL-( a )0.610.50混合度M1皿1198比能耗亡J/cm324.526.46料溫升菽小t8.79.4停留吋間1Sec30.423.7平均購切應力TKg/cm20.150J8務出設備Extrusion Equipment如何對機進行調整呢？提岀了降低比能耗的修正方案、一修正方案：螺桿直徑與螺槽深度h.用I蛭桿轉數(shù)T1的關系.根據(jù)Fischer'的放人原理表示如下: h嚴 D"：巾】"擠出機的汁雖段螺懵深度h”1 L5ht= ht ( J)9(H x ( ) 0,7=().65crn9.()松巧擠出機螺桿轉數(shù)m11.5")x (汕)=O.53rps