0 　 引　 言

　  对单螺杆 ,不管它们在螺杆型式、机筒结构以及整机结构上有什么不同 ,从根本原理上讲都是一样的 ,即物料的输送是靠物料与机筒和螺杆之间的摩擦力和粘性拖曳力输送的 (自然在非螺纹区是靠压力梯度输送 )。 很容易理解: 如果被加工的物料粘到螺杆上并在料筒表面打滑 ,就不会有物料输出 ,因为物料随着螺杆的回转而回转不会被向前推进。 因此 ,为了获得最大的输送量 ,物料必须尽可能多地粘附到料筒壁面上。 这种情况下 ,物料的回转速度小于螺杆的回转速度 ,致使物料被强制向前推进。

双螺杆的输送机理没有单螺杆那样简单 ,这是由于双螺杆几何学和运动学的复杂性所致。双螺杆输送机理与其几何学密切相关 ,要了解输送机理 ,不但要了解其几何学 ,还要了解正位移输送。所谓正位移输送 ,特点就是移动的外表面置换了系统中的部分流体。最典型的例子是注射机中的柱塞 - 机筒结构 ,其中的熔体是靠往复运动的柱塞而被强制向前输送的 ,即垂直于柱塞轴线的柱塞端面移动把熔体推向前进。 齿轮泵也是靠正位移输送介质的。 双螺杆的正位移是靠两螺杆的相互啮合和共同作用来实现的 ,并且与它们的状况、螺棱形状和制造精度等因素有关。 从理论上讲 ,正位移输送与被输送介质的流变特性无关 ,即介质的摩擦性质和粘性对输送特性没有影响。 但实际上 ,双螺杆除具有正位移输送特点外 ,还具有类似于单螺杆的摩擦和粘性拖曳输送。这是由于双螺杆大部分为非啮合型及纵横向皆为开放的缘故 ,至于各种输送各占多大比例 ,视不同结构的双螺杆而异。

1 　 正位移输送机理

　  对基于正位移输送机理的异向旋转双螺杆其理论输出量计算公式为〔1〕 :

Q t = 2mnV           ( 1)

式中: Q t 理论输出量; n 螺杆转速; V 单个 C形小室的体积; m 螺纹头数。

这很容易理解 ,因为螺杆每旋转一周 ,它向外排出的体积就是 2mV,相应的物料体积输

率也应该就是这个值。这个式子是更为复杂模型的基础。该式表明在一定的条件下 ,对完全啮合型旋转双螺杆 ,其理论输出量和螺杆的转速成正比 ,变得和物料特性毫无关系 ,这是完全正位移输送的显著特点。

2 　 两根螺杆啮合形成的间隙

两根螺杆装到一起 ,不可避免地要形成以下几个间隙:

2. 1 　 螺棱顶部与机筒内壁之间的间隙 W f

在垂直于螺杆轴线的截面该间隙呈∞形 ,称之为螺棱间隙。

2. 2 　 径向间隙 (也称压延间隙 )W c

它是一根螺杆的螺纹顶面与另一根螺杆螺槽底面 (根径 )之间的间隙。 因该间隙如同压延机两辊筒之间的间隙 ,固也称压延间隙。

2. 3 　 四面体间隙 W e

这是由于在有的情况下 ,螺棱侧面不垂直于螺槽底面 ,从而造成一角度。 它位于两根螺杆相邻螺棱侧面之间 ,近似为四面体 ,故叫四面体间隙 ,如果是矩形螺纹 ,两螺杆啮合在一起则不会形成四面间隙。 四面体间隙是一个三维区域 ,很难产生一个明确的概念。

2. 4 　 侧间隙 W s

它是两根螺杆的螺纹侧面间的间隙。

这四个间隙在物料输送过程中显得非常重要 ,因为物料的输出量和间隙大小密切相关。

3 　 理论输出量模型

以上我们讨论了基于正位输送机理上异向旋转双螺杆的理论输出量 ,但是 ,实际上双螺杆中存在着四种漏流。即由压延间隙引起的压延漏流 Qc ;由四面体间隙引起的四面体漏流 Q e ;由螺棱间隙引起的螺棱漏流 Q f ;由侧间隙引起的侧间隙漏流 Q s 。 理论产量中减去总的漏流就可得实际产量。 这里还应注意以下几点: ①漏流总量是四种漏流的简单加和;②四种漏流都受轴向压力梯度的控制;③侧间隙漏流和压延漏流都依赖于切向压力的建立。 根据这些分析 ,可建立起单头螺纹双螺杆的实际输出量模型。

整台机器可表示为两组腔室 ,对于每根螺杆来说 ,物料由左向右输送 ,而腔室间存在有反向漏流 ,根据每一截面上质量平衡可得出实际流量为:

Q p = 2mnV - Q e - 2Q f - 2( Q c + Q s )           ( 2)

式中: Q e 四面体漏流; Q f 螺棱漏流; Q s 侧间隙漏流; Q c 压延漏流。

4 　 影响因素分析

由上式可见 ,影响双螺旋加料器实际输出量的因素 ,在其几何结构一定的条件下主要是漏流 ,漏流的计算除与螺杆几何形状、间隙大小有关外 ,还和轴向压力、切向压力以及物料的特性有关 ,本文在此着重讨论螺棱漏流和压延漏流。

4. 1 　 螺棱漏流 Q f

与单螺杆一样 ,螺棱间隙 W f 中的漏流 Q f ,是由压力项和拖曳项构成的 ,假定螺棱间隙 W r ≤b(b为轴向螺棱宽度 ) ,螺杆不动 ,机筒移动 ,物料为不可压缩的牛顿流体 ,压力梯度是 y 的函数 ,可以写出:
在螺棱间隙 W f 的全高上积分该式 ,并乘以螺棱间隙全长 ( 2 c - T ) R b ,得到螺棱漏流:

式中 ,△ P是在两个连续的、相对的腔室间 ,由于出口阻力而引起的压力降。 这意味着 ,在一个螺棱上由于出口阻力引起的压力降是 2 △P,因为它是同一根螺杆的两个连续腔室之间的压力降。 由于浅螺槽中的压力降可以近似用下式表示:

因而 ,螺棱间隙中总的漏流为:
     
生在双螺杆压延间隙中的流动虽然与压延机两辊间隙中的流动类似 ,但并不完全相同。在压延机中 ,物料通过压延间隙后可以无阻碍地排出 ,而在双螺杆中通过压延间隙的物料还要受到螺槽中物料的阻挡 ,而且沿压延间隙有压力降。由于目前尚无更好的方法对双螺杆压延间隙中的流动进行解析 ,故仍用压延理论来分析(但双螺杆中构成压延间隙的两表面半径不同 )。根据下述方程可以得出速度分布关系:

假定构成压延间隙的两个表面都有相同的半径 ,而回转速度不同 ,这样的假定分析是足够精确的 ,因而边界条件为:

y = h, V x = 2 c n(R b - H)

y = －h,V x = 2 c nR b

其中 ,h是由间隙的中心线到螺杆表面的距离 ,如图 3所示 ,假定压力梯度不是 y的函数 ,经直接积分后 ,x 方向的速度表示为:
    

将上式从 - h 到+ h的积分乘以间隙在轴向上的长度 (即 S /m - b) ,得到通过压延间隙的漏流:
   

式中 ,e 最小压延间隙宽度 (相当于 W c )。

引入无因次变量:

( 16)式表明 ,压力是无因次变量 a 、几何常数以及过程常数的唯一函数。 从负无穷大到正无穷大对压力进行积分 ,即可得到作为产量函数的压力降:
    

由上述分析不难看出 ,影响间隙漏流的因素有压力梯度或压力降。

5 　 参考文献

1 　 L. P. B. M. Janssen著 ,耿教政译.双螺杆挤出.轻工业出版社 , 1987.

2 　 柳和生.双螺杆内非牛顿粘性流场计算及挤出行为研究.博士论文 ,上海交通大学 , 1990. 11

3 　 张东利.双螺旋加料器性能及输送机理研究 .硕士论文 ,天津大学 , 1995. 3

 

 

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