雙螺桿幾何參數(shù)設(shè)計(1) - 基礎(chǔ)篇

2017-03-25  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

由于雙螺桿擠出機具有良好的混煉塑化性能和自潔作用可以消除物料輸送過程中產(chǎn)生的死角,避免了聚合物因為停滯、停留時間不均而產(chǎn)生的分解,因而在聚合物擠出、泵送、傳質(zhì)和傳熱以及聚合反應(yīng)鄰域得到日益廣泛的應(yīng)用。對于雙螺桿擠出機的開發(fā)設(shè)計來說,其核心問題之一是螺桿參數(shù)的選擇,因而掌握雙螺桿幾何學(xué)知識對于設(shè)計開發(fā)人員來說相當(dāng)重要。隨著計算機技術(shù)的普及和發(fā)展,可以借助計算機三維造型技術(shù)實現(xiàn)在加工制造之前的設(shè)計參數(shù)檢驗,檢驗兩螺桿的嚙合情況,并獲取所需要的幾何參數(shù)。

一、雙螺桿擠出機的分類

根據(jù)兩螺桿之間是否嚙合或部分嚙合、螺桿旋轉(zhuǎn)方向是同向或是異向、流道在縱向和橫向上是敞開還是密閉的,從理論上將雙螺桿擠出機分成12種情況,如圖1。

所謂縱向敞開,即沿著流動方向,自加料口至機頭有一開放的通道,此時物料能從一根螺桿流向另一根螺桿,可沿螺槽進(jìn)行物料交換;而縱向密閉的螺桿系統(tǒng),螺紋在縱向上每隔一定距離就封閉起來。而所謂橫向敞開,指的是垂直于螺棱方向,物料能越過螺棱,在同一根螺桿的各螺槽之間進(jìn)行物料交換;若橫向密閉,則沒有可能進(jìn)行這種物料交換。在不考慮加工間隙的前提下,螺桿在縱向或橫向是否敞開,是否有一個緊閉的幾何空間,對物料的輸送、混合和建壓能力都有直接的關(guān)系。

非嚙合系統(tǒng),無論是同向還是異向旋轉(zhuǎn),在縱向和橫向上總是敞開的,見圖1中的類型11和類型12。只有完全嚙合的異向旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)在縱向和橫向上是完全密閉的(類型1),每根螺桿的每個腔室中形成一個獨立的互不聯(lián)系的封閉室,也就是常說的C形室。螺桿旋轉(zhuǎn)一圈,C形室內(nèi)物料被強制著向前輸送一個導(dǎo)程,其輸送機理與螺桿泵類似?？v向和橫向都封閉的緊密嚙合同向旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),在理論上是行不通的;縱向敞開和橫向封閉的異向旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),在理論上也是不可能的。

另一方面,緊密嚙合同向旋轉(zhuǎn)神螺桿由于兩根螺桿在嚙合處的螺紋走向相反,螺槽中的物料可以通過嚙合區(qū)螺紋間的通道進(jìn)入另外一根螺桿的螺槽中,因而是縱向敞開系統(tǒng)。采用普通螺紋時會使橫向封閉(類型4),但用捏合盤時,螺桿就橫向敞開(類型6)。

對于部分嚙合型螺桿,異向旋轉(zhuǎn)的有縱向敞開橫向封閉的系統(tǒng)(類型7),也有縱向和橫向都敞開的系統(tǒng)(類型9);而對于同向旋轉(zhuǎn)的螺桿,若縱向開放其橫向也必然是開放的,因此類型10是常見的,而類型8是不存在的。

實際制造的同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機大多是類型4和類型6,也有用類型10的綜合設(shè)計;嚙合式異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機總是把類型1與類型9的特點結(jié)合起來。

二、旋轉(zhuǎn)方向與輸送方向關(guān)系

如果從螺桿的上面觀察,異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿的旋轉(zhuǎn)方向可以是對向向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的,也可以是背向向外旋轉(zhuǎn)的,但由于異向向內(nèi)旋轉(zhuǎn)時兩螺桿間的壓延作用會帶來螺桿變形和磨損,這種向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的方式很少采用;同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿可逆時針旋轉(zhuǎn)也可以順時針旋轉(zhuǎn)。在分析和設(shè)計雙螺桿擠出機時,為了確保物料從加料口加入后能夠正確地往機頭方向輸送,在螺桿旋轉(zhuǎn)方向、螺紋旋向(左旋螺紋或右旋螺紋)以及物料輸送方向之間,必須保持一定的相互關(guān)系。

對同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿來說,如果螺紋加工成左旋螺紋,那么為了保證物料的正常輸送方向,從加料斗方向向機頭方向看去,兩根螺桿必須是按順時針方向旋轉(zhuǎn)的,參見圖2a;反之,當(dāng)兩根螺桿的螺紋加工成右旋螺紋時,兩根螺桿則必須設(shè)計成逆時針方向旋轉(zhuǎn),如圖2b。

對異向向外旋轉(zhuǎn)的雙螺桿來說,為了確保物料的正常輸送方向,從料斗向機頭方向看去,左邊的螺桿為逆時針方向旋轉(zhuǎn),則必須加工成右旋螺紋,而右邊的螺桿應(yīng)該順時針方向旋轉(zhuǎn),則必須加工成左旋螺紋,如圖2c。

錐形雙螺桿是屬于異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿范疇的,因而其旋轉(zhuǎn)方向、螺紋旋向以及物料輸送方向三者之間的關(guān)系也與圖2c一樣。

三、基本幾何尺寸關(guān)系

對雙螺桿擠出機的每一根螺桿來說,其主要尺寸之間的幾何關(guān)系與單螺桿完全相同。單螺桿幾何形狀如圖3所示,幾何尺寸之間有如下基本關(guān)系式∶

但大多數(shù)情況下,雙螺桿擠出機的兩根螺桿之間是互相嚙合著的,因而對于無間隙緊密嚙合雙螺桿,兩根螺桿之間還必須保持如圖4所示基本關(guān)系∶

圖中的影線部分為嚙合區(qū),正是由于這一區(qū)域的存在使得雙螺桿幾何關(guān)系更為復(fù)雜,使得混煉、塑化、產(chǎn)量、壓力分布、溫度分布的分析計算更為困難。

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