高速深螺槽雙螺桿擠出機不規則幾何外形螺紋元件

2017-05-13 by:CAE仿真在線來源:互聯網

不規則嚙合元件的價值

同向旋轉雙螺桿擠出機經歷了多年的發展演變,采用更深螺槽來提高雙螺桿擠出機的效率降低剪切。這一特點有助于提高螺桿速度,從而維持相同混合速率并提高擠出機的自由容積。由于材料的單位質量粘性耗散減少,加工效率得以提高。加工材料的能力也得益于直徑比和比扭矩的提高。采用深螺槽的優點是自由容積增大(尤其是在饑餓喂料的情況下),由于降低剪切從而熔體溫度減低,排脫能力也得到提高。此外,通過采用較深螺槽,擠出機在加工某些剪切和溫度敏感材料方面的能力也得到極大提升。高速運轉下捏合元件引起的熔體溫度升高問題可以用不規則幾何外形的螺紋元件(Fractional Lobed Element)來解決。這種不規則捏合元件可以輕易地取代普通捏合元件。

螺紋元件設計更靈活

四十年前,Erdmenger就認定需要開發不規則螺紋元件。Erdmenger曾表示:“迄今為止,這類機器(雙螺桿擠出機)存在的一個缺點是只能改變軸向的尺寸,不能改變徑向尺寸,例如所使用材料的厚度常常對熱量傳遞,或材料輸送,或者反應過程都具有重要影響,它才是實際中最重要的改變。”

標準的雙螺桿螺紋元件,所有螺紋頂角都相同。如果幾何形狀僅僅基于Erdmenger的設計,那雙螺桿擠出機中工作螺紋元件的類型就會受到限制。以一個偏心三頭捏合元件為例,螺紋頂角小的話,其磨損速率會較大。增大頂角,使元件呈圓形,則會減少擠出機中可用的自由容積。因而,Padmanabhan發明了具有不同螺紋頂角的元件。這些元件仍然是作為共軛對來持續工作的,滿足雙螺桿擠出的需要。采用這種新元件結構,使得單個螺紋元件設計具有更大的靈活性,尤其是在提高對分散混合極為重要的“拉伸應變”方面。

嚙合與自清功能完美保持

圖1所示的不規則螺紋元件的端部輪廓是通過將單頭螺紋轉變為四頭螺紋輪廓而形成的。圖中所示輪廓是整個轉變過程中中間位置的輪廓。在轉換過程的每一步,所形成的輪廓必須是互相嚙合的且完全自清。圖2清楚地表明了分類的依據。最后兩個數字是用來表示從一棱向兩棱形狀轉變的位置。如果凸棱較少一端的棱數為“n”,凸棱較多的另一端的棱數為“N”,則最佳轉換條件是“N/n”為一個整數。圖3示出的擠出機螺桿配置,其常規設置的捏合塊用不規則螺紋元件替代。螺桿速度和螺桿配置是兩個關鍵變量。機筒段上示出了各區溫度。兩種螺桿配置的混煉段捏合長度都保持在180mm,而且兩種配置的壓力升高幅度也匹配。

圖1四頭不規則螺紋元件形狀1.4.50

圖2不規則幾何結構的產生

配置實例及成功應用

圖3裝有不規則捏合塊的螺桿配置

這個配置中的不規則螺紋元件結構的選取是以一些觀察結果為依據的,通過查看相應幾何形狀在旋轉過程中橫截面的變化而獲得的,其目標是避免在螺棱的整個360度旋轉過程中產生剪切高峰。已經使用不規則螺紋元件加工了各種材料,涉及炭黑,有機顏料,玻璃纖維等的高填充聚合物加工。在PVC的配混方面也用過不規則螺紋元件。與標準元件相比,采用不規則螺紋元件可以非常精確地控制混配過程。