一种评价挤出螺杆的简单方法

作者:Frankland Plastics Consulting公司 Jim Frankland 文章来源:PT塑料网 点击数:0 发布时间:2018-07-08
虽然有很多数据会影响螺杆的设计,但是加工商们通常无法获得这些数据。不过,可以尝试通过计算计量段的拖曳流来判断螺杆是否能正常工作。
一种评价挤出螺杆的简单方法

如果要考虑所有聚合物的特性、性能要求和挤出系统的细节,挤出螺杆的设计所包含的数据多到难以计算。而大多数的加工商无法掌握这些信息,或者不知道如何用这些信息来确定螺杆运行是否正常,从而实现合适的产量。

因此,业界仍普遍存在许多错误的理解,而螺杆的制造也未能采用优化设计。那么,如何判断螺杆能否正常工作呢?最有用的评估方法之一是相对简单的拖曳流计算。拖曳流的体积为:在特定的螺杆转速下,每秒钟计量段旋转所产生的体积的一半,再乘以单位转换率和聚合物的熔体比重,就可以获得一个在没有机头压力情况下的非常精确的挤出量近似值(以lb/h为单位)。

此图解释了拖曳流的体积定义
熔融的聚合物均匀地粘附在螺杆和机筒的表面,螺杆根部螺槽中的熔体速度为零(V0),而外表面处的速度为螺杆的圆周速度(Vb)。这形成了一个相当于顶部为Vb且底部为V0的剪切场,而且是一个沿螺槽向下移动的三角形剪切场

早在20世纪50年代初,Western Electric公司的研究人员就主要担纲开发并验证了这一计算公式:

1/2 π2 D2HN(sinѲ)(cosѲ) = in.3/sec

在该公式的基础上,还可以通过添加一个形状系数获得更精确的结果。这一形状系数表示螺杆螺槽的宽深比,它补偿了螺纹的边缘效应和螺槽形状带来的影响。对于大多数的螺杆来说,计量段的形状系数为0.95时的效果比较好。所以可以进一步得到下面的公式:

0.95 (0.5) π2 D2HN(sinѲ)(cosѲ) = in.3/sec

大部分的挤出螺杆在计量段都采用标准螺距(螺距等于螺杆直径)。因为这一标准能在大多数情况下实现比较理想的整体性能。另外,公式中的(sinѲ)(cosѲ)可简化为0.289;(π2)可以简化为9.87;N是以r/min为单位,转换成秒需要乘以1/60。如此一来,公式可替换为:

(0.95) (0.5) (9.87) (0.289)(1/60) D2HN = in.3/sec

即0.02258 (D2HN)= in.3/sec

式中:D=螺杆直径;H =螺槽深度;N =螺杆转速。

假如螺杆直径和螺杆转速是已知的,那么作为对螺杆性能的第一次评估(以in.3/sec.为单位),你唯一需要知道的是计量段的螺槽深度。

由于这个理论挤出量是以in.3/sec为单位,因此需要将结果乘以130,将其转换为以lb./h为单位的数据,再进行比较。但由于挤出螺杆是定容式装置,所以必须针对聚合物的熔体比重(而非固体的比重)进行计算,所以还需要乘以该数值来进一步校正挤出量。几乎所有常见聚合物的熔体比重都可以在网上查到。在此基础上,根据计量螺槽深度,即可获得在没有机头压力情况下的挤出量估算值。

在机头压力较低时,这一估算值在大多数情况下还是相当准确的。但在机头压力较高或者所用聚合物黏度非常低时,可能需要进行第二次计算来校正由于机头压力所造成的挤出损失。

需要注意的一点是,这个计算是针对单级螺杆的。对于两级(或多级)的排气螺杆,用于计算的螺槽深度来自第一个计量段,它是非常准确的,因为如果排气口打开,第一个计量段没有机头压力。

那么,如果挤出量和计算结果明显不同呢?有很多因素可能导致挤出量下降,但是这需要通过更多的信息和更多的计算来判断。导致实际挤出量低于计量段理论挤出量的最常见原因之一是喂料能力不足,或是由于螺杆被固体聚合物堵塞而造成的严重的熔融限制。此外,喂料段、熔融段和计量段设计不平衡,或是一些限制性混合器或其他设备,都可能影响挤出量。但这需要螺杆图纸并由专业的螺杆设计人士进行全面的分析。在对螺杆设计没有太多了解的情况下,最好不要根据一些外部测量的结果下确切的结论。

上面的计算接近挤出结果,并表明了是否需要进行进一步的研究。尽管螺杆设计涉及非常多的变量,但计量段的拖曳流是预计挤出量的一个很好的指标,因为想要实现良好的螺杆平衡,大部分的设计都是基于计量段而展开的。

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