單螺桿塑料擠出機(jī)的設(shè)計(jì)及發(fā)展方向

　　在單螺桿塑料擠出機(jī)中，正確的螺桿尺寸是影響擠出產(chǎn)品的質(zhì)量和成本的一個(gè)非常重要的因素。設(shè)計(jì)過程中對其進(jìn)行一些必要的假定和簡化是可行的，大多數(shù)的設(shè)備制造企業(yè)在設(shè)計(jì)具有某種特定用途的擠出機(jī)時(shí)，一般都會有一定的技術(shù)竅門，并通過對新的設(shè)計(jì)方法的研究而得以進(jìn)一步的發(fā)展。
　　
　　螺桿設(shè)計(jì)的目標(biāo)是定義螺桿適當(dāng)?shù)膸缀涡螤?、給定產(chǎn)量所需的螺桿轉(zhuǎn)速、所需的加熱能力。特定的設(shè)計(jì)一般都是擠出機(jī)、模頭和材料三者的結(jié)合。即使不考慮高產(chǎn)，我們在設(shè)計(jì)過程中也要考慮zui低損耗、高質(zhì)量的混合均勻性和較低的能耗。
　　
　　混煉元件是用來使材料混合均勻、破碎固體床、熔融殘余顆粒和保證*混合的。根據(jù)特定的要求，螺桿的設(shè)計(jì)是要選擇適合于破碎材料或施加剪切應(yīng)力的螺桿。若給混合質(zhì)量定義一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)是很困難的。一般來說，對混煉段的入口和出口溫度分布的比較，可以作為熱混合影響的一個(gè)度量。如果再加上表面積、混煉段的每*束的剪切力或變形，我們可以獲得度量混煉元件的機(jī)械分散能力或破碎效率的方法。各種不同的材料和加工過程導(dǎo)致我們要設(shè)計(jì)各種不同的可能的幾何形狀的螺桿。由于對產(chǎn)品多樣性對設(shè)備安裝的要求，越來越多的使用一種能夠?qū)Χ喾N原料進(jìn)行均勻的混合和高質(zhì)量的加工的螺桿，然而，這樣為了特定的目的而設(shè)計(jì)的螺桿并沒有發(fā)揮出其潛在的高產(chǎn)量和高質(zhì)量。
　　
　　1、材料的特性對加工過程的影響
　　
　　在擠出加工過程中，加工的材料的特性對加工過程有重要的影響。材料的加熱和熔融很大程度上是由壓力、體積、溫度以及材料的熱屬性決定的。在輸送段，顆粒在機(jī)筒內(nèi)壁和螺桿之間摩擦，這種摩擦影響輸送特征和過渡段的行為。這主要依賴于以下的一些因素：
　　
　　{C}<!--[if!supportLists]-->（1）<!--[endif]-->局部壓力
　　
　　{C}<!--[if!supportLists]-->（2）<!--[endif]-->溫度
　　
　　{C}<!--[if!supportLists]-->（3）<!--[endif]-->速度
　　
　　{C}（4）摩擦副
　　
　　摩擦副是由螺桿與顆?；蝾w粒與機(jī)筒之間構(gòu)成的。與機(jī)筒內(nèi)壁有較高的摩擦系數(shù)和與螺桿螺槽根部有較低的摩擦系數(shù)都有有利于產(chǎn)量的影響。研究中發(fā)現(xiàn)，即使顆粒形狀的微小區(qū)別都會對輸送行為產(chǎn)生重要的影響。
　　
　　依賴于剪切速率和溫度的流變學(xué)特性除了對輸送部分有影響外，還影響擠出加工的其它部分在過渡段和均化段，固體相和熔融相的同時(shí)存在給加工過程的研究增加了很大的困難。
　　
　　2、開槽機(jī)筒和屏障螺桿
　　
　　目前，對于傳統(tǒng)的三區(qū)域螺桿的幾何形狀的設(shè)計(jì)有多種變化形式，開槽機(jī)筒和屏障螺桿就是其中的兩個(gè)例子。對于開槽機(jī)筒之間的摩擦，可以產(chǎn)生線性輸送特性，這意味著在zui大限度范圍內(nèi)，熔體流量不依賴于口模的壓力而依賴于擠出機(jī)的擠出速度（熔體流量與擠出機(jī)的擠出速度幾乎成線性關(guān)系）。開槽機(jī)筒擠出機(jī)的缺點(diǎn)就是能量消耗比較大和對材料所施以的剪切應(yīng)力較大。為了提高顆粒的熔融速率，可以使用屏障螺桿，這樣所有的流量必須通過屏障螺桿的屏障間隙來實(shí)現(xiàn)，屏障螺桿是把雙棱螺桿分為固體槽部分和熔融槽部分。在屏障間隙處，熔融部分和沒有熔融部分都受到很高的剪切作用，在屏障間隙的分散可以保證*的熔融。屏障螺桿和開槽機(jī)筒擠出機(jī)由于其高產(chǎn)量和高質(zhì)量的性能，單螺桿擠出機(jī)的應(yīng)用在很大范圍內(nèi)已經(jīng)被帶有屏障螺桿和開槽機(jī)筒的擠出機(jī)所取代。
　　
　　3、單螺桿擠出機(jī)的計(jì)算方法
　　
　　在設(shè)計(jì)擠出機(jī)螺桿的時(shí)候有多種方法，設(shè)計(jì)參數(shù)可以通過近似方程來確定，對幾何形狀簡單的螺桿在忽略許多影響因素的情況下才是可能的，但這樣獲得的設(shè)計(jì)參數(shù)不適合用來估計(jì)現(xiàn)代螺桿的擠出過程。
　　
　　另外一種方法是模型理論，在實(shí)驗(yàn)中確定的一些條件可以被運(yùn)用于批量生產(chǎn)的擠出機(jī)上，然而這具有相當(dāng)?shù)南拗疲枰獜?fù)雜的、實(shí)驗(yàn)室規(guī)模實(shí)驗(yàn)。更為重要的是，實(shí)驗(yàn)室模型和生產(chǎn)用的機(jī)器的尺寸比率也不一定很大。用模擬的方法我們可以增加要考慮參數(shù)的數(shù)目。通過模擬我們可以獲得一些重要的有關(guān)材料的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)。
　　
　　由于材料和邊界條件的建模困難，使得用標(biāo)準(zhǔn)有限元程序來模擬輸送段、過渡段和均化段是非常復(fù)雜的。擠出機(jī)的各個(gè)部分都可以用標(biāo)準(zhǔn)的有限元來模擬，涉及到幾何建模、邊界條件和材料屬性方面的工作量是很大的。這意味著，因?yàn)槌杀镜脑颍瑯?biāo)準(zhǔn)有限元在螺桿的設(shè)計(jì)中可以運(yùn)用的程度是有限的。一種新的方法是邊界元素法，此種方法簡化網(wǎng)格劃分、縮短計(jì)算時(shí)間，它也能夠預(yù)測流動速率，剪切應(yīng)力，流線和全部幾何模擬上的壓力分布。用邊界元素法的計(jì)算是在等溫的條件下進(jìn)行的。zui近已經(jīng)被證明能成功的對混煉段中的材料混合進(jìn)行模擬。
　　
　　對模擬的結(jié)果的正確分析很重要的，因?yàn)槌绦虻挠?jì)算數(shù)據(jù)只是定性上正確，但就定量而言，并不總是足夠。特別是，其結(jié)果的度取決于現(xiàn)有材料數(shù)據(jù)的精度。另一個(gè)對結(jié)果準(zhǔn)確性有影響的因素在于一開始模擬程序是否能考慮影響模擬螺桿的所有相關(guān)因素。模擬和分析螺桿的困難使得大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)仍然使用他們自己的近似計(jì)算，輔以實(shí)驗(yàn)嘗試和程序模擬。現(xiàn)實(shí)中的螺桿設(shè)計(jì)仍基于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，模擬程序允許工程師在較短時(shí)間內(nèi)檢查各種幾何形狀和加工參數(shù)。這意味，在現(xiàn)代擠出機(jī)行業(yè)的創(chuàng)造中，他們的確起了重要的作用。將來，更復(fù)雜的模擬程序?qū)⒛軌蚶L制大量而且的參數(shù)。在單螺桿擠出機(jī)的開發(fā)中，模擬加工將繼續(xù)扮演一個(gè)比較重要的角色。
　　
　　4、單螺桿擠出機(jī)的發(fā)展方向
　　
　　隨著螺桿、機(jī)筒材料性能的提升，加工質(zhì)量的優(yōu)化，在單螺桿擠出機(jī)的設(shè)計(jì)中，小直徑螺桿通過加長長徑比的屏障加混煉設(shè)計(jì)，提高螺桿轉(zhuǎn)速，再配備優(yōu)化的開槽機(jī)筒設(shè)計(jì)，就能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量、高質(zhì)量和較低的能耗。所以超長長徑比的小直徑單螺桿擠出機(jī)是未來的發(fā)展方向之一。
　　
　　大口徑塑料管道，近幾年發(fā)展迅猛，特別是大口徑高密度聚乙烯管材，外徑將達(dá)到Φ2000～Φ2500mm,壁厚將達(dá)到100mm以上，單位米重達(dá)到600kg以上。為了適應(yīng)這種變化，高密度聚乙烯產(chǎn)量達(dá)到1500kg/h～2000kg/h,甚至超過2000kg/h的單螺桿擠出機(jī)將得到廣泛的應(yīng)用。
　　
　　鑒于成本和能耗的因素，螺桿直徑超過150mm的單螺桿擠出機(jī)也將逐步淡出市場，取而代之的將是更加優(yōu)化和設(shè)計(jì)的小直徑螺桿、機(jī)筒組合元件。
　　
　　在加工不同的原料過程中，一般需要不同結(jié)構(gòu)的螺桿。隨著人工成本的不斷提高，更換螺桿需要更多的成本，所以使用一種能夠?qū)Χ喾N原料進(jìn)行均勻的混合和高質(zhì)量的加工的螺桿尤為重要，這也是單螺桿擠出機(jī)未來的發(fā)展方向之一。