双螺棱不是万能的

作者:Frankland Plastics Consulting公司 Jim Frankland 文章来源:PT《现代塑料》 发布时间:2015-05-13
双螺棱进料段在一些挤出应用中是有意义的,而在另一些挤出应用中是没有意义的。本文就此进行了深入的探讨分析。

双螺棱经常出现在主要用于回收利用的螺杆进料段中。基本上,双螺棱进料段最好用于极限压力积累需要在螺杆周围达到平衡的沟面机筒挤出机,或者螺杆将承受来自在回收应用中常见的喂料器、填塞器或填料器侧负荷的挤出机。

双螺棱围绕螺杆圆周提供更一致的压力,并为螺杆提供更多的支承或更大的支撑面。从而降低了螺杆和机筒之间的接触压力,进而缓解了会发生粘附磨损的情况。在粘附磨损情况下,螺杆、螺棱和机筒表面在压力作用下被挤在一起,使得滑动摩擦变得非常大,导致表面咬住或结合,进而造成灾难性的螺杆/机筒磨损。

在一台平滑内膛式挤出机中采用重力喂料,它没有在固体喂料中形成这样高的侧压力的机制,双螺棱实际上会在相同的螺距和深度下减少进料量。一方面,增加的螺棱占用了一些螺槽空间,对螺杆充填起阻塞作用,因为总是有一个螺棱会部分阻塞进料口。这对于不能自由流动的物料比如许多回收原料,可能特别受限制。

但或许更重要的是增加的螺杆表面面积(如图1所示)——聚合物必须滑上沿着螺杆移动。其基本前提是,为了沿着螺杆移动,在固体进料区域中聚合物必须粘附在机筒上而不是粘附于螺杆上。然后预期如果螺杆表面面积由于添加第二个螺棱而显著增加,而机筒有一个固定的面积,那么进料速度将对应相同的顺螺槽压力而被减小。

图1 单螺棱进料段在平滑内膛式挤出机中工作得更好。当与沟面机筒配套时,或应用需要侧进料或填料时,双螺棱进料段效果最佳。当双螺棱被误用时,它有时会在相同螺距深度的情况下减少进料量

通过调整来抵消由于增加的螺棱引起的产量损失,如设计一个更长的螺距或更深的螺槽,来增加固体的体积,但这不是一个简单的解决方案。因为使用一个更长的螺距将增加跨螺槽力并相应地增加固体对螺杆表面的摩擦系数。

移动力的跨螺槽分力F(相对于螺杆的机筒旋转)在图2中显示为Fz,它随着螺距的增大而增加;而顺螺槽分力Fx按比例减小。摩擦系数与压力或法向力成正比,在本案例中是Fz。这将增加螺杆表面上固体的阻力,用摩擦力(紫色)表示,它阻碍固体的移动并抵消更宽螺槽的影响。

图2 移动力的跨螺槽分力Fz(相对于螺杆的机筒旋转)随着螺距的增大而增加;而顺螺槽分力Fx成比例减小。摩擦系数与压力或法向力(Fz)成正比。这将增加螺杆表面上固体的阻力,用摩擦力(紫色)表示,它阻碍固体的移动并抵消更宽螺槽的影响

加深螺槽也不可能期望有尽可能多的抵消。在固体树脂上的一个力平衡显示输送效率随着螺槽深度的增加而下降。这是因为更大的固体颗粒的滑移,导致随着深度增加固体床的平均速度降低。用减小螺棱的宽度来抵消由于第二个螺棱所造成的螺槽容量的下降几乎没有作用,因为与螺杆表面面积变化的影响相比,体积变化是非常小的。机械和制造极限通常限制了有多少螺棱宽度可以被减少。

鉴于在固体输送区双螺棱的这些潜在的负面影响,双螺棱在熔融段和排气段的固有优势会促进它们的使用还是受到质疑。由于在进料段后它们如何以及在何处开始的不确定性,所以它们只是被向后延伸进入进料段。

整个分析由于温度和影响压实的聚合物颗粒特性改变了摩擦系数而变得很复杂。同时,摩擦系数对于相同的聚合物变化很大,因此数据很难取得。最后,固体颗粒的速度和力平衡是不确定的,直到压实发生,也很难确定。

这意味着,进料段的设计仍然很多是依赖于经验数据。然而,上述关系普遍有效。所以如果想在进料中指定一根带双螺棱的螺杆,请谨慎行事。 

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