Transcript 螺杆压缩比和螺槽深度

3.7 单螺杆机出机设计
单螺杆挤出机示意图
3．7.1螺杆与机筒的材料选择
螺杆常用材料的性能要求为：机械强度
好，耐腐蚀和抗磨性能好，加工性能
好，取材容易。一般选用38CrMoAl氮
化钢。
38CrMoAl氮化钢的性能如下表:
3．7.2螺杆的主要参数的选取与确定
螺杆直径：
我国挤出机标准所规定的螺杆直径系列有：
30、45、65、90、120、150、200。螺杆
直径的大小一般根据所加工制品的断面尺
寸、加工塑料的种类和所加工的生产率来
确定。制品截面积的大小和螺杆直径的大
小有一个适当的关系。通常：大截面的制
品所选的螺杆直径要大一些，这对于制品
的质量、设备的利用率和操作比较有利。
螺杆长径比 L/D
故螺杆工作部分长度L螺杆长径比的增加有以
下的好处：
• 螺杆加压充分可以提高塑料制品的物理机
械性能。
• 可以提高塑化的质量，使制品的外观质量
更好。
• 螺杆特性曲线斜率小，挤出量稳定，切挤
出量能提高20%—40%。
• 有利于类似于PVC粉料挤管的成型。
但螺杆长径比过大，会使螺杆加工及
装配困难，功率消耗也会有所增加，
加大悬臂端自重的弯曲，以至螺杆头
部与筒壁间隙的不均匀，甚至造成磨
刮筒壁，降低螺杆与机筒的寿命。
• 螺杆压缩比和螺槽深度
确定几何压缩比 i
等距不等深（通用型）螺杆压缩比的计算
式如下：
对于大多取经验数据来确定，通用公式
H3=(0.025～0.06)Ds。
再根据确定的螺杆压缩比计算加料段螺杆槽
深度。
• 螺杆各段的确定
高聚物在螺杆中的挤出过程，实际上经历
固体输送，熔融和均化的过程。所以一般
螺杆都设计成三段：加料段，压缩段及均
化段。
螺纹断面形状及螺杆头部型式
由实验用挤出机的使用特性及要求，确定
螺杆头部型式为：
梯行螺纹的断面的倾斜角α=10°～15°，
圆弧半径取（0.07～0.13），常用于小直螺
杆上。
• 螺杆的螺纹头数
在螺杆直径，螺槽深度和螺纹升程相等的条件下，
多头螺纹与单头螺纹相比，多头螺纹对物料的正
推力大，攫取物料的能力较强，并可降低熔料的
倒流现象。但是，整个螺杆都是多头螺纹时，物
料分别从螺杆料斗区几条螺槽通道进入到达螺杆
头部。在料斗区，往往由于几条螺槽的进料不均
匀和各条螺槽的熔融均化和对溶料输送能力不一
致，容易引起生产能力波动，压力波动。其结果
是制品质量下降。但是有时为了提高某一段的工
作能力，单独在某一段上设置多头螺纹。如单头
螺纹的螺杆，为了提高加料段攫取物料的能力，
加料段设置双头螺纹，提高固体输送能力。采用
单头螺纹的螺杆。
• 螺杆其它参数的选取与确定
a.螺纹宽度 e太小会使漏流量增加，消弱螺
棱强度，降低产量；e太大，增加动力消耗，
有局部过热的危险，故要适当选取。
由经验公式 （0.08～0.12）D
b.螺距S
e.螺杆的转速范围：根据电动机和传动系统
的工作特性知螺杆的转速范围是n=（0~150）
r/min
3.7.3 螺杆的强度计算
螺杆受力分析图
螺杆综合受力为：螺杆轴向力、螺杆扭矩
及螺杆自重产生的压、扭弯的组合。一般
加料段及排气段螺杆根径较小，其承受载
荷力最低，所以螺杆的加料段以加料段的
根径截面计算、校核裁面。
A.机头压力的确定
机头压力可用理论计算方法和实测方法得到。
当关闭机头，可认为挤出量Q=0，若螺杆与
机筒间隙正常，机头最大压力可由下式计
算：
6  L 3 Dn
p max 
h 3 tan 
2
其中：
h 3 挤出段长度挤段的螺
螺杆直径D
槽深度
螺旋角 =17.7º 物料粘度
B、螺杆轴向力的确定
Pz  P1  P2
螺杆轴向力:
2

D
物料作用在螺杆端面上的总压力P1 = p
4
动载荷产生的附加压力的轴向分量 P2 =
（0.125～0.25）P1
则：
2
PZ=（1.125～1.25） D p
4
C.螺杆的强度计算
a.由轴向力产生的压应力  c
c =
(1 . 15 ~ 1 . 25 ) Pmax

4
2
2
D
(d s  d 0 )
4
2
d0
C=
ds
c. 由螺杆自重G产生的弯曲应力：
b =

Mb
Wb
L (D  ds ) 
2

2
d s (1  C )
3
4
- 螺杆材料比重
d.螺杆的合成应力，对塑性材料合成应力用
等强度理论计算
 =
  4   p 
2
2
 c b
[ p ]=

s
n
3.7.4机筒的强度计算
机筒内部受熔料的压力作用，物料在机筒内
产生压力沿机筒轴向的分布是相当复的，
各处压力不等，因机头压力最大，故一般
取机头压力为计算压力值。并且由于机筒
外径与内径之比大于1.1, 所以用厚壁圆筒理
论来进行强度计算。
• 由轴向力引起的轴向拉应力在机筒全长上
不变，即：
•

z
=
Pz
A

p  rb
2
 ( R b  rb )
2
2
=
pr b
2
2
R b  rb
2
• 因机筒多为塑性材料，所以当计算出三个
主应力的最大值后，可用第四强度理论进
行设计计算及校核。
按第四强度理论最大变形能理论计算，机筒壁厚的强度条
件为：
 xd 
1
2
(
r

  t )  ( t   z )  ( z   r )   
2
[σ]=σs/n
2
2
3．7.5螺杆与机筒的配合要求
螺杆与机筒的配合间隙。螺杆与机筒的配合间隙δ的
大小涉及到挤出机的生产能力、功率消耗、使用
寿命、机器加工成本等问题。δ取值过大，加工、
装配容易，但生产能力则会下降，塑料在机筒内
的停留时间难以控制，甚至造成熟分解。δ取值过
小，加工装配困难，功率消耗增大，且容易使螺
杆与机筒磨损，降低机器的使用寿命。
螺杆与机筒的间隙δ的选择既要根据加工条件决定，
也要考虑被加工物料的性能。一般粘度大的塑料，
δ可取大值；粘度小的塑料，δ应取小值。螺杆与
机筒的间隙可参考下表选取。
螺杆与机筒的对中性，在设计上要求螺杆中心线
与机筒中心线重合。但由于制造、装配过程中所
产生的螺杆径向跳动、螺杆定位面与螺杆中心线
不同心、螺杆推力面与螺杆中心线不垂直、机筒
内孔偏差、法兰平面对机筒中心不垂直、内孔径
向跳动等加工误差及安装误差都会影响对中性。
要保证螺杆与机筒的对中性，一般可以采取以下
措施：提高零件的加工与装配精度，减少零件数
目；选取有效的定位基准和合理的连接方式。例
如螺杆个段之间的连接采用止口连接，便于安装，
也提高定位基准。
3．7.6 挤出量和停留时间
螺杆的结构分成三段，塑料在这三段上的运
动按一定的规律进行。正常的情况下螺杆
三段在结构上应该符合下列的要求：
Q1>Q2>Q3，Q1为加料段流量，Q2为压缩
段流量，Q3为计量段流量，否则就会使挤
出量不稳定和质量低劣。
进料段的输送能力
下式是一个纯机械式的挤出机的生产能力
的固体输送公式：
Q 1  0 . 06 
 D 平均
cos 
F  n
其中：
Q1——进料段的输送能力(kg/h)
D平均——螺杆、螺纹的平均直径(cm)
 —螺纹升角，
W——螺槽宽度
H1——螺槽深度
 —塑料密度
F——螺槽的横断面积
n——螺杆转速(r/min)，
 —传送系数(0.2-0.4)
3.7.7单螺杆挤出有关理论
一、固体塞原理
以 Darnell 和Moll经典的固体输送理论为基
础,并对以下条件作近似简化：螺杆直径与
螺槽深度之比 D/H >> 1；螺槽宽度与螺旋
角对螺槽深度之比的变化相当小；螺槽曲
率不计；来推导固体塞段摩擦阻力所诱发
的挤出压力 P
为了对机筒成型法挤出纯UHMWPE过程中在
固体塞段的固体输送做全面的分析，作者
对这一过程做了系列假设：
• 认为固体的行为如一连续体；
• 固体床与整个螺槽壁，即机筒、螺杆根部、
主动螺腹和被动螺腹等表面相互接触；
• 螺槽深度恒定；
• 螺棱间隙不计；
• 固体床呈塞流运动。
•
•
•
•
•
一般固体输送的分析都用到这五条假设：
压力仅为顺螺槽距离的函数；
摩擦系数与压力无关；
重力不计；
离心力不计；
固体塞中的密度变化不计。
在开槽机筒中形成的挤出压力趋势图
二、熔融理论
• 固体物料充满螺槽 →→→→ 形成熔膜→→
• →→→→→→→→→→ 螺纹刮下熔体进入
熔池
• →→ 因熔池中的熔体挤压而使固体床形变，
径向加厚，固体进入熔膜以补充熔体流入
熔池 →→ 不断往复逐渐熔化。
熔体输送
• 设：Q1—送料速率；Q2—压缩段熔化速率；
Q3—均化段挤出速率。
• 当Q1 ≥Q2 ≥Q3，均化段为控制区，操作
平稳；若Q1<Q2<Q3，供料不足。
•
• ★ 流态：① 正流（QD）；② 逆流（机头、
口模的反压引起的反压流动，QP）；③ 横
流（环流，QT）；④ 漏流（QL）