正确认识螺杆的破损

作者:Frankland Plastics Consulting公司 Jim Frankland 文章来源:PT《现代塑料》 发布时间:2015-04-14
当螺杆发生损坏的时候,加工商往往认为这是由于螺杆过度扭转所致,但殊不知更可能是因为螺杆发生了弯曲。

挤塑螺杆,即使是那些直径小于5.08cm的螺杆,通常很少发生破裂。但是,现实操作中这种破裂现象屡见不鲜,这是什么原因造成的呢?你的第一个猜测可能是螺杆由于过度扭转而被破坏,但事实上,更多的是因为弯曲而导致破裂,而并非过度扭转。

过度扭转的破坏几乎总是发生在进料阶段,这是有道理的,因为这是螺杆最容易承受转矩的部分之一。通常,扭转破坏具有一些易于识别的特征:裂纹总是从螺杆最外面的部分或螺纹表面开始,并逐渐朝中心蔓延。因此,会在破损周围的螺纹表面中看到径向裂纹。此外,螺杆会像弹簧一样“卷起”,而且破裂周围的螺距将发生永久性地缩减(如图所示)。当螺杆卷起并产生裂纹时,裂纹还会在直径方向上生长,使得螺杆很难从机筒中拆卸下来。

扭转破坏总是从螺杆最外面的部分或螺纹表面开始,并且逐渐朝中心蔓延。其结果是,在螺纹表面的破损周围会出现径向裂纹。此外,螺杆在扭转破坏期间会像弹簧一样“卷起”,而且破损周围的螺距会永久性地缩短

由于横截面复杂且具有不确定的形状,因此无法对扭转中的螺杆强度进行确切的计算。但是,可以通过假定只有螺杆根部直径承载转矩载荷来对螺杆强度进行近似估算,即使螺纹增加了螺杆的抗扭强度。

笔者发现了一个安全且可靠的方法,即通过假设最大允许剪切应力为344750kPa,并使用简单的转矩计算公式来获得螺杆强度。它使用的基准是略微超过4140热处理钢屈服强度的一半,而美国大多数的螺杆都是采用这种钢来制备进料段的。

该计算公式为:Ss = 16T/πD³

式中,T =(hp×63025)/最大螺杆转速(单位为in.·lb);

            D =进料段根部的直径(单位为in.);

            Ss =剪切应力(<50000),单位为(lb/in.²)。

这一公式适用于没有冷却孔的螺杆。如果螺杆带有冷却孔则适用于下面的公式:

            Ss=16TD/π(D4-d4)(d=冷却孔的内径)

冷却孔对于扭转强度几乎不会产生任何影响,这是因为,应力在外表面处最大,而在中心或中性轴上则为零,而这一位置正是冷却孔所在的位置。

螺杆发生弯曲或疲劳破坏通常不会出现径向裂纹。这些破坏一般是由一条贯穿螺杆的单一裂缝造成的。此外,这些破坏并不会导致螺杆“卷起”或螺距的减少。

弯曲往往是由聚合物在熔融过程中在螺杆上施加的侧向力或机筒的错位而引起的。由这两种机理引起的弯曲被称为“反向弯曲”。这与通过来回弯曲一个电线使其断裂是一样的道理,你可以想象由此造成的快速破坏的结果。

螺杆/机筒首先必须被磨损到足以提供发生弯曲所需要的间隙,才可能出现由于机筒内部压力而导致的螺杆破裂现象。这一过程虽然可能要花费很长的时间,但是一旦此条件得到满足,便很快会发生破损。笔者将这种局部磨损称之为“楔形”式磨损。

螺杆由于驱动承受扭转载荷,增加了总应力,因为弯曲和扭转应力在螺杆的外表面处都是最大的。随着可逆的弯曲应力和扭转应力的联合作用,当螺杆表面的应力达到临界值后,螺杆破裂现象将会在极短的时间内发生。这一临界应力通常约为正常拉伸强度的40%,这意味着反向弯曲会使螺杆强度降低至钢屈服强度的一半左右。

由于机筒错位而造成的弯曲破坏与上述情况类似,但可能发生得更早。这是因为,没有必要等待螺杆和机筒磨损。有趣的是,弯曲破坏通常发生在螺杆强度最大的部分,因为这里需要使用最大的力来使其弯曲,结果却是在螺纹表面产生最高的应力。当螺杆在其最厚或最强部分中的一处发生破裂时,仅发生过度扭转的情况是不可能的。

0
-1
收藏
/
正在提交,请稍候…