雙螺桿幾何參數(shù)設(shè)計(jì)(1) - 基礎(chǔ)篇

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

由于雙螺桿擠出機(jī)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(guò)程中產(chǎn)生的死角,避免了聚合物因?yàn)橥⑼Ａ魰r(shí)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(duì)于雙螺桿擠出機(jī)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),其核心問(wèn)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(shí)對(duì)于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)相當(dāng)重要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和發(fā)展,可以借助計(jì)算機(jī)三維造型技術(shù)實(shí)現(xiàn)在加工制造之前的設(shè)計(jì)參數(shù)檢驗(yàn),檢驗(yàn)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(jī)的分類(lèi)

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(kāi)還是密閉的,從理論上將雙螺桿擠出機(jī)分成12種情況,如圖1。

所謂縱向敞開(kāi),即沿著流動(dòng)方向,自加料口至機(jī)頭有一開(kāi)放的通道,此時(shí)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(lái)。而所謂橫向敞開(kāi),指的是垂直于螺棱方向,物料能越過(guò)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(méi)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(kāi),是否有一個(gè)緊閉的幾何空間,對(duì)物料的輸送、混合和建壓能力都有直接的關(guān)系。

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圖1雙螺桿擠出機(jī)分類(lèi)

非嚙合系統(tǒng),無(wú)論是同向還是異向旋轉(zhuǎn),在縱向和橫向上總是敞開(kāi)的,見(jiàn)圖1中的類(lèi)型11和類(lèi)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(lèi)型1),每根螺桿的每個(gè)腔室中形成一個(gè)獨(dú)立的互不聯(lián)系的封閉室,也就是常說(shuō)的C形室。螺桿旋轉(zhuǎn)一圈,C形室內(nèi)物料被強(qiáng)制著向前輸送一個(gè)導(dǎo)程,其輸送機(jī)理與螺桿泵類(lèi)似?？v向和橫向都封閉的緊密?chē)Ш贤蛐D(zhuǎn)系統(tǒng),在理論上是行不通的;縱向敞開(kāi)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?chē)Ш贤蛐D(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(guò)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(kāi)系統(tǒng)。采用普通螺紋時(shí)會(huì)使橫向封閉(類(lèi)型4),但用捏合盤(pán)時(shí),螺桿就橫向敞開(kāi)(類(lèi)型6)。

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

實(shí)際制造的同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)大多是類(lèi)型4和類(lèi)型6,也有用類(lèi)型10的綜合設(shè)計(jì);嚙合式異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)總是把類(lèi)型1與類(lèi)型9的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。

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(duì)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(shí)兩螺桿間的壓延作用會(huì)帶來(lái)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(shí)針旋轉(zhuǎn)也可以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。在分析和設(shè)計(jì)雙螺桿擠出機(jī)時(shí),為了確保物料從加料口加入后能夠正確地往機(jī)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。

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圖2螺桿旋轉(zhuǎn)方向、螺紋旋向和輸送方向之間的關(guān)系

對(duì)同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿來(lái)說(shuō),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(jī)頭方向看去,兩根螺桿必須是按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的,參見(jiàn)圖2a;反之,當(dāng)兩根螺桿的螺紋加工成右旋螺紋時(shí),兩根螺桿則必須設(shè)計(jì)成逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),如圖2b。

對(duì)異向向外旋轉(zhuǎn)的雙螺桿來(lái)說(shuō),為了確保物料的正常輸送方向,從料斗向機(jī)頭方向看去,左邊的螺桿為逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),則必須加工成右旋螺紋,而右邊的螺桿應(yīng)該順時(shí)針?lè)较蛐D(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(duì)雙螺桿擠出機(jī)的每一根螺桿來(lái)說(shuō),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∶