单螺杆挤出机螺杆参数的计算.pdf

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1、挤 出 设 备 E x t r u s i o n E q u i p m e n t 螺杆挤出概螺杆参数 的计算 吴崇周(四川大学高分子助剂研究所，成都 6 1 0 0 6 5)摘 要：本文对普通三段式螺杆的设计提出了 有关参数的计算方法。以聚合物的热物理参数、流变学参数为据，以 例题形式对深延比、拖曳流、剪切速率、剪切应力、比能耗、混合度、停留时间、料温升高进行了大量 的计算，并得 出了最佳的设计效果。关键词：单螺杆挤出机；螺杆设计；参数计算 Sc r e w Pa r a m e t e r s Ca l c u l a t i o n 0 f S i ng l e-s c r e w

2、Ex t r ude r W u Ch o ng z h o u (T h e P o l y me r Ad d i t i v e s Re s e a r c h I n s t i t u t e o f S i c h u a n U n i v e r s i t y,C h e n g d u 6 1 0 0 6 5)Abs t r a c t：The c a l c ul a t i on me t h o d o f r e l e va nt pa r a me t e r s of c on ve n t i o n a l t h r e e-zo n e s c r

3、e w i s i n t r o du c e d i n t he a r t i c l e Ba s e d o n t he r m a l p hy s i c a l pa r a me t e r s，r h e o l og i c a l p a r a m e t e r s，t h e d e e p t e ns i o n r a t i o，d r a g f l ow,s he a r r a t e，s he a r s t r e s s，s pe c i fic e ne r g y c o ns ump t i o n，mi xi n g d e g r

4、 e e，r e s i d e nc e t i me，t e mp e r a t u r e e l e va t i o n o f m a t e r i a l a r e c a l c u l a t e d The o pt i mu m d e s i g n e ffe c t i s o b t a i n e d Ke y wor ds：Si n g l e-s c r e w e xt r ud e r；s c r e w de s i gn a nd r e l e v a n t p a r a me t e r s 关于单螺杆有关参数的计算，作者曾有过报道n

5、2 0本文主要对物料在单螺杆挤 出机内的输送过程 中所关心的 几个 问题进行了详尽分析。混合度(M)是分析物料在螺槽 中的分散程度，比能耗(e)是分析物料在螺槽中的塑 化程度，停 留时间(t)是分析物料主要成分的热历史或老化程度。深延比(一仅)是与挤 出流量Q 和拖曳流(D r a g F l o w)量Q 相关的物理量又表征流体粒子的应变程度。所谓三段式螺杆是把螺杆划分为如图l 所示的三段：供料段主要承担固体物料的输送；压缩段主要完成物料的 压实和塑化；计量段主要承担熔体的输送和进一步塑化。图1 9 0 单 螺杆 及 相关 尺 寸 槽 深 比=h 1 h 3=4 1，压缩 比=3 8 4，计

6、量 段-L L；=L 3 h 3：3 1 5 F i g 1 击9 0 s i n g l e-s c r e w a n d r e l e v an t s i z e s c h a n n e l d e p t h r a t i o=L J h a=4 1，c o mp r e s s i o n r a t i o=3 8 4，l e n g t h|d e p t h r a t i o o f me t e r i n g z o n e=L J h a=3 1 5 1 8 2 o o 3 年第 六期(总第 l 绷)：塑 料 捕 出 维普资讯 http:/ E x t r u

7、 s i o n E q u i p me n t 挤 出 设 备 一实例1 (一)螺杆直径 6 3 5 ram，螺杆长径L D=2 7，计量段长径 比L。D=1 2，计量段螺槽深度h 0 3 8 1 ram，螺杆 未设冷却，螺杆转数n=6 0 r P m，1 3 2 L DP E，挤出量Q=5 1 3 k g h r，机头压力7 0 k g c m2，压力波动6 7。L DP E 在 1 6 7 C的物理参数：熔体密度P =0 7 8 g c m：，表现粘度 1 1 =2 6 g s e c c m ，定压 比热C p=0 6 8 c a Y g C。解析如下：1、深 延 比(一 )已给挤

8、出量Q=5 1 3 k g h r=1 8 3 c mV s e c，设螺槽有效面积为9 7，拖曳流(Dr a g F l o w)量QD，QD=r D n h 3 c o s e(C O S e一 0 1)x 0 9 7=1 9 0 c m。s e c 式 中：螺棱宽度=0 1 D，则深延比(一 )定义为：Q 1 8 3 r 1=】一=】一 =()04 QD 1 9 0 2、螺杆剪切速率 ：Q D l：rr x 6 3 5 x 1：5 24 s e c-1 h 3 O 3 81 这是计量段的剪切速率，与经验值比较显得较小。3、混合度M 根据文献，设计量段的有效长度L =1 2 D，即物料完全

9、熔融进入计量段。M 5 近 似 简 化 为：M 詈(【+】一般把螺杆的螺旋升向 0设为l 7。4 0 ，则上式改写为：M：3 7 2f )f 1 6 4-)：3 7 2 1 2 x6 3 51 6 4+0 0 4：l 3 0 2 3 _2 )_2 3 4、比能耗e 比能耗定义为剪切应力 与剪切应度 9 的积或发生单位应变所需的力或单位容积内所作的功。冲2 讪 L 3 c =21 7I T6 3 5 12 6 6 3 5+1 2 0 4 7+0 0 4 0 0 3 81 2 1-0 0 4 =2 9 1 0 gc m c m。=2 8 4 2 J c m 注：l g c m=9 81()一 (焦

10、 尔)5、停 留时间t 停 留时间是指物料流经计量段所需的时间：=2 9 1 0 g c m：塑 料 挤 出 2 o o 3 年第六 期(总第 1 2 期)1 9 维普资讯 http:/ 挤 出 设 备 E x t r u s i o n E q u i p me n t L3 t：6 9 3 一 丌 Dn (6 3 51 2 1 丌 6 35 l l 一0 0 4 =27 6 s e c 6、料温升高 1 r 3 T 是在计量段均质熔体允许的最高温度T 与进入计量段初始温度T 之差。Ta=e 2 9X 1 0 0 0 02 3 42 P C。0 7 80 68 1 0 0 1 2 8o C

11、注：l k g m s e c ()O 0 2 3 4 2 Kc a l s e c 根据以上计算结果，分析如下：深延 比(一 )仅为0 0 4，足以说明挤 出物的质 量不会太好；混合度M=1 3 0 2，说明物料分散性不好，均质性差，挤出压力波动较大；比能耗e=2 8 4 2 J c m ，较小。说明物料在输送过程 中的应变小，自然反映出制品的均一性差。(二)如果上述螺杆尺寸保持不变，而改变加工工艺，对挤 出物的质量有何影响?解析如下：首先将深延比(一 )凭借经验设为0 3。1、螺杆转数n 挤 出量Q=Q D(1+)，已知挤出量Q=1 8 3 c m。s e c QD-=1 h3 n D2

12、r r c o s 0(c o s 0-0 1)x 0 9 7=2 6 1 c c 故 n=2 6 1 2 0 3 81 丌 6 35 0 9 5 30 8 5 30 9 7 2、螺杆剪切速率 7 1 n 6 3 5 1 37丌=h 3 0 3 81 =71 7 s e c 一 3、混合度M 6 3 5 l 2 1 6 4+0 3 M=3 7 2 4、比能耗e 0 3 8l l 一0 3 e=21 7丌 6 35 l2 6 =20 6 2 =8 2 r p m 6 3 5 1 2 0 47+0 3 0 =6 5 1 0 g c m c m。=6 3 7 J c m。5、料温升高 AT：0 3

13、8l l 一0 3 ：_ _ e 一：鱼：曼 0 0 0 2 3 4 2 t 2T X =28 7 ，=一 “P C。0 7 8X 0 6 8 1 0 0 6、停留时间t 2 0 2 o 0 3 年 第六期(总 第l 2 期)：6 5 1 0 g c m。：塑 料 挤 出 维普资讯 http:/ E x t r u s io n E q u i p me n t 挤 出 设 备 t=6 9 3 鱼 =2 76 s e c 6 3 5137 1-0 3 由于深延 比由0 0 4 增大到0 3，螺杆转数提高 tJ 8 2 r p m，机头阻力增大，混合度达2 0 0 0 以上，挤出制品质量大为 改

14、善。(三)对于薄膜生产的场合，混合度要求达2 5 0 0 E 右，螺杆尺寸调整如下，计量段长度f t 3 1 2 D增加为1 4 D，深 延比(一 )=0 3，计算有关参数。解析如下：1、螺杆转数仍不改变n=8 2 r p m，(1 3 7 r p s)；2、螺杆剪切速率 Dn h 3 3、混合度M 1 T6 35 1 37 0 381 M：3 7 2 鱼：曼 曼 ：+o _兰 0 3 81(1 0 3)4、比能耗e =71 7 s e c 一 =2 4 06 e=21 7 7 6 35 1 372 6 635x14 _ (047+0_32)=7 6 l 0 g c m2=7 4 5 J c

15、m3 0 3 8 1(1-0 3)。5、料 温 升高 L T。：7 6x l 0 sx0 0 0 23 4 2 U_ 0 0 l UI J 6、停 留时间t t=6 9 3 鱼：兰 曼 ：3 3 6o C ：3 2 2s e c =1-0 3 7、剪切 应 力 T：(!_鱼 ：2 鱼)专：2 4 8 g c m z 32 2 由于螺杆(计量段)II-L ：，混合度和比能耗都增大，料温 由l 2 8 升到3 3 6 C，特别对热敏树脂 的加工，料筒 冷却是十分必要的。二实例2 螺杆直径D：6 3 5 c m，螺杆长度L D=2 2(从加料孔至螺杆顶端)；供料段L D=2，螺槽深度h =1 1 4

16、 3 c m；压缩 段 长度L，D：1 6，计量段长 度L D=4，螺 槽深 度h 0 2 3 9 c m，螺槽深 度比h h。=4 7 5，计量 段长 深比L h s=鱼 兰 曼 _ _：l 0 6，料筒温度l 8 0，螺杆转数n：8 0 r I)m，挤 出物L D P E，密度0，9 1 8，MI：1 6，L D P E 在l 8 0 的密度 0 239 P =0 7 6，定压比热C p=0 6 8。解析如下：1、拖曳流(D r a g F l o w)量QD；1 0(c o sQD=2 h 3 r r n D2 c o s 0 0-0 1)x 0 9 7=1 5 9 c m s e c

17、2、将几种情况计算和测定结果列入表1。塑 料 挤 出 2 o o 3 年第 六 期(总第l 2 期)2 1 维普资讯 http:/ 挤 出 设 备 E x t r u s i o n E q u i p m e n t 表1计算和测量结果 Ta b 1 Ca l c u l a t i o n a n d me a s u r e men t r e s u l t s 单位 a b C d 机头压力 K g c m。5 8 1 4 1 2 1 l 2 6 9 挤出量Q Kg h r 5 5 8 5 1 7 4 5 4 4 3 4 深延 比(一o )一 0 2 8 0 1 9 0 0 4 O

18、0 混合度M 7 5 7 1 0 2 2 1 4 6 5 1 6 4 6 比能耗e J c m 1 3 5 9 3 1 3 3 2 8 1 6 9 5 4 1 8 7 1 8 料温升高T 5 l 5 9 6 7 6 1 8 3 8 停留时间t S e C 9 6 1 4 3 l 7 6 1 9 8 剪切应力 一 r K g c m。1 0 0 9 1 0 1 0 计算结果表明，挤出量改变，料温变化较大，挤出量增加，混合度仅为7 5 7，塑化不好。随机头压力升高，混 合度M增大，挤 出物品质提高，但挤出量减小。就a、b、c、d 四种工艺计算出的L DP E 的熔融过程如图2(A)所示。：8。40

19、 2 n供料 压缩、一 、一 4 8 0 60 一 三 一 4。一 2 0 料 图2 L D PE 的熔 融过 程 Fi g 2 M el t i ng pr oce du r e o f LDPE 1 4 1 8 2 2 螺 杆长 度(xD 三实例3 为了在实例2 中提高螺杆转数，增大挤出量，又不引起挤出量的波动，故增长计量段，由L 3=4 D延长为L 3=1 3 D，具体 尺寸如下：螺杆 直径 D=6 3 5 c m，L D=2 2；供料段长度L =2 D，螺槽深度h】=1 1 4 3 c m；压缩段长度L，=7 D；计量段长度L =1 3 D；螺槽深度(a)h 3=0 2 3 9 c m

20、，h i t l 3=4 7 5，L 3 1 1 3=3 41 (b)h 3=0 2 7 9 c m，h 1 h 4 0 5，L 3 h 3=2 9 3 解析如下：(a)场合h =0 2 3 9 c m，螺杆转数n=1 6 O r p m，机头压力为1 4 0 k g c m，挤 出量Q=7 8 7 5 k g h r，拖曳流量QD=3 1 8 7 c m3 s e c，温度控制为2 2 5 C，该温度下L DP E 的熔体密度 9 =0 7 4 g c m 。(b)场合h 3=O 2 7 9 c m，螺杆转数 n=2 8 0 r p m，机头压力 为2 3 8 k g c m ，挤 出量 1

21、 5 0 k g h r，拖曳流量QD=6 5 5 c mV s e c，温度控制为同(a)。计算结果列入表2，料温升高如图3 所示。2 o o 3 年第六 期(总第 l 凋)P L A S T I。C S塑 料 菥 出 b 一、一，_、蟾 压 维普资讯 http:/ E x t r u s i o n E q u i p me n t 挤 出 设 备 a 图3 螺杆转数与料温关系 a 计量段L 3=1 3 D，螺槽深h 3=0 2 3 9 c m；b h 3=0 2 7 9 c m；c 计量段L =4 D，螺槽深h 3=0 2 3 9 c m Fi g。3 Rel a t i on b et

22、 ween s c r e w r evol ut i on and mat er i al t em per at ur e 表2计 算 与测 定 结果 Tab 2 Calcul at i on and measur emen t r e sul t s 指标 单 位(a l (b)Cm0，s e c 2 9 5 6 5 6 3 挤出量Q kg h r 7 8 7 5 l 5 0 深延 比(一d)0 0 7 0 1 4 混合度M 1 3 8 (1 9 9 9)1 3 1 4(1 9 2 7)比能耗e J c m3 1 9 6 2 3 5 3 料温升高AT 3 8 9 1 l 0 6 停留时问

23、t S e c 6 7 6 4 1 剪切应力 k g c m。1 1 1 4 实验结果表明，用比较小的混合度得到了较好的挤出制品，但计量段平均剪切应力达 l k g c mz 以上，进入计量 段的未熔 完的固体余料在计量段切力场下破碎的同时又促进熔化，熔融过程如图2(B)虚线所 示，设有 1 0 未熔 余料在l l D 位置熔完，而混合度M列入表2 括号中。四实例4 用 9 0 ram挤 出机J IJ P VC 膜，质量较好 但用 1 5 ram挤出机加工时，可嗅到分解气味，挤 出量尽可能提高 1 4 0 k g h r 左右，应对挤出机如何改 良?挤 出机螺杆参数如表3。表3挤出机螺杆参数

24、Ta b 3 Sc r e w p a r a me t e r s o f e x t r u d er 巾9 0 击1 1 5 螺杆长径比 2 2 2 2 供料段长度L 3 D 3 D 螺槽深度h 1 6 5 ram 1 J 8 8 m lm 计量段长度 4 D 4 D 螺槽深度h 0 5 5 ram 0 5 5 ram一 P L A S T I。C S 塑 料 出2 0 o 3 年第 六 期(总雾 l 2 期)2 3 一 维普资讯 http:/ 挤 出 设 备 E x t r u s i o n E q u i p me n t 压缩比 2 6 3 0 挤 出量Q 6 5 k g h r

25、 1 3 4 k g h r 螺杆转数1 1 3 7 r Pm 3 7 r Pm 计量段有效长L E 0 9 h 3 0 9 h 3 P V C 物理性能：熔体密度：P =1 3 5 g c m。；定压比热：C p=O 5 c a l g C；表观粘度：=2 8 g s e c c m2。解析如下：(一)9 0 mm挤 出机 螺杆转数n=3 7 r P m=0 6 1 7 r p s；挤出量Q=6 5 k g h r=-1 3 4 c m。s e c；拖曳流(D r a g F l o w)量QD，1 QD _=_h 3 盯n D。C O S 0(c o s 0 0 1)0 9 7=3 4 c

26、 m。s e c Z L3 h 3=49 0 5 5=65 5 1、剪切速率 一 y=叮 T90 6l 7 =31 7 s e c l 4 5 5 2、深 延 比(一 )(-l _ -()_ 6 l 3、混合度M M=3 7 2 40 99(1 6 4+0 6 1)0 5 5(1-0 61)=1 2 6 4 4、比能耗e e=21 7 百 9。61 72 8 4 0 9 9(0 4j7+0 6 1 2一)251。c m 2=2 4 5 J c m3 0 55 (1 0 6 1)5、料温升高 AT T：2 5x l 0s x 0 002 3 42：8 7o C 一一0 51 35 1 0 0 6

27、、停留时间t t：6 39 IT90 6l 7 (二)1 1 5 mm挤 出机 ：3 0 4 s e e =5 U 1-0 6l 螺杆转数n=3 7 r P m=0 6 1 7 r p s；挤 出量 Q=1 3 4 k g h r=2 7 6 c m。s e c；拖曳流量(D r a g F l o w)QD，Qn：一 1 D2 C O S O(c o s O一 0 1)0 9 7：5 5 6 c m37 r n h 3 s e c Q。o o一 0 )0 _ 9 7=6 e c 2 4 2 0 0 3 年第六 期(总第 l 2 期)塑 料 挤 出 维普资讯 http:/ Ext r usi

28、on Equi pm ent 挤 出 设 备 L3 h 3=411 5 0 55=8 3 5 1、剪切速率 丌 11 50 6l 7 y=4 0 5s e c 一 0 55 2、深延 比(一0【)(一0【)：l 一 2 76：0 5 0 55 6 3、混合度M M：3-7 2 ：!：=1 1 9 8 0 55【l U 5 0)4、比能耗e e：2 1 7 丌 1 1 50 61 72 8 _1 1 5 x 4 x 0_9(047+05 0 2)：2 7l 0 g c m 2：2 6 4 6 J c m 3 0 5 5 (1-0 5 0)5、料温升高 ：兰-7 0 0 0 2 3 4 2：9-4

29、 0 5 1 3 5 1 00 6、停留时间t t：6 3 9 ：2 37 s e c 丌 l1 50 61 7 1-0 5 0 7、平 均剪 切 应 力 T r：犀=(8 g g 将 以上计算结果汇 集表4。从表4 可见，1 l 5 mm挤出机的 比能耗e 比 9 0 mm挤 出机 大，料温 升高 T。也 高 0 7 c。由于挤出量的比与螺杆直径比的2 9 5 7 Y 相等。=c )(，=c x=2 9 5 所 以，尽管料温升高 T。仅差()7，但 1 1 5 挤出机物料的热历史就比 9 0 挤 出机要差，导致P VC 的热分解。表4 指标 单 位 9 0 挤 出机 1 1 5 挤 出机 螺

30、杆转数n r p s 0 6 l 7 0 6 l 7 挤 出量Q c m3 s e c 1 3-4 2 7 6 QD n 3 4 0 5 5 6 k n 6 5 5 8 3 5 剪切速率 S e c 一 3 1 7 4 0 5 深延 比L 一(0【)0 6 l 0 5 0 混合度M 1 6 4 1 1 9 8 比能耗e J c m0 2 4 5 2 6 4 6 料温升高 8 7 9-4 停留时间t S e c 3 0-4 2 3 7 平均剪切应力 一 r K g c m 0 1 5 0 1 8 ：塑 料 挤 出 2 o o 3 年第 六期(总第l 2 期)2 5 维普资讯 http:/ I挤出

31、i 殳备 E x t r u s i o n E q u i p m e n t 如何对 l 1 5 挤 出机进行i 忙 4 整呢?提出了降低比能耗的修正方案。修正方案：螺杆直径与螺槽深度h：和螺杆转数n 的关系，根据F i s c h e r l I 的放大原理表示如下：h 。CD n。C D一 l l 5 挤 出机的计量段螺槽深度h ，l 1 5 h 3 h 3(9 0 (9 ()0 7=0 6 5 c m l l 5 挤出机螺杆转数n：l 1 5 c l lf I“=n(9 )9 =0 5 3 r p s=3 2 r p m 将混合度M、比能耗e、料温升高L、停留,P J t 等参数的计

32、算结果列入表5。从表5 可见，计量段长度不变(L =4 D)，加深螺槽深度，料温升高降为5 9 C，减小了物料在输送过程 中的摩 托热，但混合度降为1 0 4 0，显然，对薄膜的加工所所要求的参数小了一些。为了使M1 2 0 0 右，将计量段长度L 由4 D改为5 D，计量段 的长L 深h 的比：5 l1 5 L h 3=一=8 8 5 0 65 从表5 可见，L =5 D，M和 T 都有所升高，为了使挤出量达 tJ 1 4 0 k g h r(2 8 8 c m。s e c)，对挤出机 调整如下：28 5 深延 比(一 )：l 一=0 4 9 5 6 5 可以通过机头阻力的调整达到此 目的，

33、调整后的计算结果列入表5 中，M=1 2 3 7，比能耗e=1 9 6 J c ma，料温升高 A T =6 9，实验结果可以满足加工要求。表 5 1 1 5 挤 出修 正 比较 Tab 5 Cor r ec t i on c om par i son of击 1 1 5 ex t r uder 修正 前 修 正后 单 位 Q=1 3 4 Q=1 4 0 L 3=4D L3=4 D L3=5 D L3=5 D 供 料段 长度 L C m 3 D 3 D 2 D 2 D 螺 槽深度 h C m 1 8 8 1 8 8 1 8 8 1 8 8 计 量段 长度 L C m 4 D 4 D 5 D 5

34、 D 螺 槽深 度h C m 0 5 5 0 6 5 0 6 5 0 6 5 长 深 比L h：8 3 6 7 0 8 8 8 5 8 8 5 槽 深 L L h h 3 4 2 9 2 9 2 9 挤 出量Q k g h r 1 3 4 1 3 4 1 3 4 1 4 0 螺 杆转 数n r P m 3 7 3 2 3 2 3 2 剪切 速 率 S e c 一 1 4 0 5 2 9 5 2 9 5 2 9 5 深 延 比(Q)0 5 0 5 1 0 5 1 0 4 9 混合 度M 1 1 9 8 1 0 4 0 1 3 0 0 1 2 3 7 比能耗 e J c m0 2 6 4 6 1 6 6 6 2 0 5 8 1 9 6 1 料 温 升 高AT 9 4 5 9 7 3 6 7 停 留时 间t S e c 3 7 2 8 2 3 5 2 3 5 2 平 均剪 切 应力 Kg c m。0 1 8 0 1 3 0 1 3 0 1 3 2 o o 许 第六 期(总第l 绷)塑 粼 臻 出(未 完待 续)维普资讯 http:/