三螺桿擠出機是北京化工大學塑料機械及塑料工程研究所在擠出機領(lǐng)域的又一創(chuàng)新,以其靈活多變的幾何排布方式,多個嚙合區(qū)形成物料在流向,流速上的多變化,且質(zhì)點在空間位置的分布產(chǎn)生了極其有益的影響,以優(yōu)異的混合特性、小的長徑比、較高的產(chǎn)能比倍受關(guān)注。
在近一個世紀中,螺桿類擠出機經(jīng)歷了柱塞式、單螺桿式、平行雙螺桿式、椎形雙螺桿式等的漫長過程,大大促進了高聚物加工工業(yè)的發(fā)展。
1。單、雙、三螺桿擠出機
多螺桿的研制開發(fā),處于使投資成本與產(chǎn)能比及塑煉制量達到最佳的思想。由于塑料具有不良的熱傳導(dǎo)性,大直徑的擠出機(¢130㎜以上)中,由于每個螺紋槽中可能擁有大量的“靜態(tài)”物料,從而引起不均勻塑化。這個問題不可能通過增加螺桿轉(zhuǎn)速來加以解決,因為這會引起波動,以致引起流痕變粗。盡管也可通過加大螺桿長徑比來解決,但有局限性,且加大了螺桿懸臂引起的許多負面影響。采用小直徑,短長徑比的多螺桿組合是解決這一矛盾的有效辦法之一。單螺桿無嚙合區(qū),雙螺桿有一個嚙合區(qū),一字形排列的三螺桿有兩個嚙合區(qū),三角形排列的三螺桿有三個捏合區(qū),三螺桿擠出機嚙合區(qū)增多,碾壓面積成倍增加,運轉(zhuǎn)中對物料構(gòu)成了高效的擠壓、破碎、揉捏、壓延、拉伸作用。正是這種高效的混捏作用,使三螺桿無需單螺桿或雙螺桿的大直徑、大長徑比,便可獲得同等質(zhì)量、產(chǎn)量的的生產(chǎn)條件,充分體現(xiàn)出三螺桿擠出機高效的混合均化特性、結(jié)構(gòu)上的緊湊性和經(jīng)濟性。為提高產(chǎn)量,改善產(chǎn)品質(zhì)量,對單螺桿和雙螺桿須加大螺桿直徑,加大長徑比,成倍提高驅(qū)動功率。如將直徑45㎜的雙螺桿擠出機螺桿加大到70㎜,雖然后者的生產(chǎn)率是前者的3倍,但驅(qū)動功率也需提高單位面積產(chǎn)量倍以上。若將螺桿直徑45㎜的雙螺桿改變?yōu)橹睆?5㎜的三螺桿,則后者的產(chǎn)量會翻番,為前者的兩倍,而驅(qū)動力不足前者的1.5倍。
2.螺桿“一”字排列的三螺桿擠出機
由于螺桿類擠出機應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬,因而促進了擠出機的發(fā)展創(chuàng)新。三根螺桿“一”字排列的三螺桿擠出機和三根螺桿三角形排列的三螺桿擠出機是近幾十幾年研制開發(fā)的新機型。
無論是單螺桿還是雙螺桿支撐螺桿全部重量的是螺桿一端套設(shè)的軸承。這種懸臂式結(jié)構(gòu)使螺桿前段下垂的重量對套設(shè)與另一端的軸承造成極大的不對稱負荷,特別是在螺桿連續(xù)運轉(zhuǎn)的動摩擦情況下,必然會影響到軸承結(jié)構(gòu)的強度,時間一長,螺桿會發(fā)生前段下垂,影響運轉(zhuǎn)的順暢性。
“一”字排列的兩種不同的三螺桿擠出機的三根螺桿等長不等徑,中間的主螺桿直徑大,兩根輔螺桿直徑小,主輔螺桿互相嚙合,反向旋轉(zhuǎn)。這種設(shè)計,擴大了碾壓面積,加強了揉壓作用,具有較好的塑煉效果,不但增加了產(chǎn)量,且能耗增加不多,由于兩個嚙合區(qū)的存在,碾壓面積成倍增加就可縮短螺桿長度,減小螺桿懸臂造成的 負面影響。
主喂料口位于主輔螺桿之間。輔螺桿與中間的主螺桿反向內(nèi)旋轉(zhuǎn)內(nèi)旋轉(zhuǎn),非嚙合。輔螺桿直徑可與主螺桿等徑,亦可比主螺桿直徑大;或者主輔螺桿等徑,但輔螺桿轉(zhuǎn)速稍高于主螺桿。主螺桿的非嚙合加大了兩螺桿之間的進料空間,便于對大塊物料的夾鉗。主輔料的反向向內(nèi)旋轉(zhuǎn)可獲得強力的擠壓、破碎、壓片、卷入作用,獲得穩(wěn)定而高效的喂料機能。輔螺桿直徑比主螺桿稍大,或輔螺桿比主螺桿轉(zhuǎn)速稍高,用以形成一定的速度差,產(chǎn)生剪切速率,對原料的磨碎、切斷、展效果更有效。
由于三根螺桿“一”字排列,且兩根螺桿直徑。ㄝo螺桿直徑是主螺桿直徑的一半以下),附加軸向力;又分列主螺桿兩側(cè),空間位置上對推力軸承的設(shè)置不存在大問題。
3.螺桿中心連線為倒品字形的三螺桿擠出機
螺桿中心連線為倒品字形的三螺桿擠出機是擠出領(lǐng)域內(nèi)的創(chuàng)新。與前述的兩種“一”字型排列的三螺桿擠出機相比,全嚙合的三螺桿的正三角形排布構(gòu)成了特有的三個嚙合區(qū)的存在對物料的流向,流速以及空間位置的分布產(chǎn)生了極其復(fù)雜的影響。使之可以小直徑,小長徑比的多螺桿組合獲得高產(chǎn)量,高混合質(zhì)量的效果。
3.1不干涉運轉(zhuǎn)條件按照嚙合與非嚙合,或旋轉(zhuǎn)方向的不同,三角形排列的三螺桿的設(shè)置方式可分為5種形式。
全嚙合的三螺桿擠出機螺紋端面曲線的生成以雙螺桿相關(guān)理論為基礎(chǔ)。由于同向和異向旋轉(zhuǎn)的兩根螺桿的螺紋元件端面曲線生成原理截然不同,一根螺桿不可能同時滿足兩種齒形形成原理。因此,全嚙合三角形排列的三根螺桿必然是同向旋轉(zhuǎn),而且螺紋頭數(shù)必須為奇數(shù)、或為單數(shù)、或為三頭、不能是雙頭(雙頭螺紋三螺桿的任何相位都會有干涉)。顯然三角形排列的三螺桿,幾何上不能實現(xiàn)共軛嚙合,即螺棱和螺槽不能是等寬度嚙合。三根螺桿以正三角形排列,從幾何關(guān)系上易于保證三根螺桿的加工裝配精度。
為了確保三根螺桿的不干涉運轉(zhuǎn),本研究利用C、VC6.0、Visual Lisp語言專為螺紋元件曲線設(shè)計編制了法向修正軟件,使相互嚙合的三根螺桿螺紋元件的軸向曲線設(shè)計及制作更精確。
3.2獨特的中心區(qū)
中心區(qū)是三角形排列的三螺桿特有的區(qū)域,中心區(qū)是三根螺桿在任何相位都掃掠不到的區(qū)域,且是一個由大到小,又由小到大不斷變化的區(qū)域,數(shù)值上中心區(qū)最大狀態(tài)時的面積是最小狀態(tài)時的7倍,而最小狀態(tài)時的面積僅為機筒凈面積(除去螺桿截面積)的1/200。
由于中心區(qū)的面積不斷變化,變化的區(qū)域不會有靜止的流體,在物料的粘性作用下,這些流體會被帶入流道推進區(qū),既這種回流某種程度上促進了混合,不過,中心區(qū)的作用復(fù)雜有待于進一步深入實驗研究。
4.結(jié)論
三螺桿擠出機雖然面世不久,但已在功能塑料的制備,高亮度涂料的制備及方便食品加工領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用,并以其優(yōu)異的混合特性,較好的產(chǎn)能比,較小的長徑比開始受到關(guān)注。三螺桿擠出機,特別是三根螺桿正三角形排列的全嚙合三螺桿擠出機的工業(yè)化應(yīng)用,因其在軸承設(shè)置,制造工藝等諸多方面有特殊性,技術(shù)上尚待成熟,其運作機理有待深入研究,但應(yīng)當看到,這項工作很有前途。
作者:中國塑料機械網(wǎng) 來源:中國塑料機械網(wǎng)信息中心
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