賈明印 余斌 張勇 潘江如 薛平

(1.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊，830091；2.北京化工大學(xué)，北京，100029)

機(jī)械與模具

溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)固體輸送產(chǎn)量的粒徑模型研究

賈明印1余斌1張勇1潘江如1薛平2

(1.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊，830091；2.北京化工大學(xué)，北京，100029)

在分析機(jī)筒襯套溝槽槽深、螺桿螺槽槽深和加工物料粒徑關(guān)系的基礎(chǔ)上,建立了溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)3種常見的固體輸送段產(chǎn)量粒徑模型，該模型可用于研究機(jī)筒襯套溝槽槽深、螺桿螺槽槽深和顆粒物料粒徑對(duì)固體輸送機(jī)理的影響并定量計(jì)算溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)固體輸送段產(chǎn)量。此外，通過不同的機(jī)筒和螺桿組合及不同粒徑的原料在自制的在線模擬試驗(yàn)機(jī)上對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證和試驗(yàn)分析。

溝槽機(jī)筒 單螺桿擠出機(jī) 固體輸送 粒徑模型

傳統(tǒng)單螺桿擠出機(jī)的固體輸送機(jī)理為摩擦拖曳輸送，其產(chǎn)量較低，能耗較高，建壓能力較弱。針對(duì)以上缺點(diǎn)，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)研究人員率先于20世紀(jì)70年代開發(fā)了固體輸送段機(jī)筒襯套內(nèi)表面開設(shè)軸向直槽的IKV擠出機(jī)，從而提高了固體輸送段的輸送能力。之后研究者們對(duì)IKV擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)、輸送機(jī)理、能耗等進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究[1]。隨著IKV擠出機(jī)的應(yīng)用，研究者們發(fā)現(xiàn)了其缺陷，如固體輸送段摩擦熱大、擠出能耗大、固體輸送段機(jī)筒襯套磨損嚴(yán)重等。為彌補(bǔ)IKV擠出機(jī)的缺陷，研究者們又開發(fā)了機(jī)筒內(nèi)表面開設(shè)螺旋溝槽的單螺桿擠出機(jī)，其輸送機(jī)理、產(chǎn)量、能耗、摩擦熱等方面均有改善[2]。Rauwendaal等[3]開發(fā)了可調(diào)軸向溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)，工作中可根據(jù)不同物料的特性需求對(duì)機(jī)筒溝槽槽深進(jìn)行自由調(diào)節(jié)；Potente等[4]分析了機(jī)筒襯套溝槽槽深和螺桿螺槽槽深對(duì)固體輸送機(jī)理的作用方式，獲得了單螺桿擠出機(jī)產(chǎn)量、壓力和能耗的理論計(jì)算公式；北京化工大學(xué)[5]對(duì)螺旋溝槽單螺桿擠出機(jī)進(jìn)行了創(chuàng)新研究，提出了雙螺棱推動(dòng)理論。

對(duì)溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)而言，固體輸送段的輸送機(jī)理和產(chǎn)量不僅與固體輸送段機(jī)筒、螺桿結(jié)構(gòu)及原料物性的參數(shù)有關(guān)，還與三者的尺寸關(guān)系密切相關(guān)。在分析溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)固體輸送特性和固相運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立一種新型粒徑模型，研究機(jī)筒襯套溝槽和螺桿螺槽的結(jié)構(gòu)尺寸與顆粒物料粒徑尺寸的關(guān)系對(duì)螺旋溝槽單螺桿擠出機(jī)固體輸送段的產(chǎn)量及輸送機(jī)理的影響，分析固相層發(fā)生剪切的位置，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)原料及設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為自行研制的僅由固體輸送段組成的在線模擬試驗(yàn)機(jī)，結(jié)構(gòu)示意圖見文獻(xiàn)[5]。通過更換機(jī)筒和螺桿組合，能夠在線記錄固體輸送段產(chǎn)量、能耗及整機(jī)產(chǎn)量等參數(shù)。機(jī)筒襯套結(jié)構(gòu)類型有3種，分別是窄螺旋溝槽固體輸送段襯套(a機(jī)筒襯套)、寬螺旋溝槽固體輸送段襯套(b機(jī)筒襯套)、軸向直槽固體輸送段襯套(IKV機(jī)筒襯套)。螺桿結(jié)構(gòu)為正向壓縮固體輸送段螺桿(c螺桿)，螺桿外徑為45 mm，螺桿和機(jī)筒襯套組成的擠壓系統(tǒng)分別記為c-a，c-b，c-IKV，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)原料為低密度聚乙烯(LDPE607)，中國(guó)石油化工集團(tuán)公司北京燕山分公司，粒徑為3.0 mm，通過造?？色@得2.0，0.8 mm不同粒徑的試驗(yàn)原料。

2 溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)固體輸送粒徑模型

通過對(duì)機(jī)筒襯套溝槽槽深、螺桿螺槽槽深和顆粒物料粒徑的研究，可建立3種常用的螺旋溝槽單螺桿擠出機(jī)固體輸送粒徑模型，如圖1所示，分別為輸送1、輸送2和輸送3，其中d為顆粒物料粒徑，H1為螺桿螺槽槽深，H2為機(jī)筒襯套溝槽槽深。

在輸送1中，物料在機(jī)筒襯套溝槽和螺桿螺槽的協(xié)同作用下，很快被壓實(shí)為密實(shí)的固體塞，因固體輸送段機(jī)筒溫度較低，原料的抗剪切強(qiáng)度通常足夠大，固體塞不會(huì)發(fā)生剪斷，溝槽固體塞和螺槽固體塞將作為整體沿溝槽螺旋角方向向前輸送，輸送機(jī)理為正位移輸送。在輸送2中，該輸送狀況對(duì)應(yīng)于大槽深高產(chǎn)量擠出加工狀況，此時(shí)剪切界面位于機(jī)筒襯套溝槽固相和螺桿螺槽固相的界面處。在剪切界面上，整體固體塞若滿足正位移輸送邊界條件，固相將以整體的形式向前輸送，否則摩擦拖曳輸送在剪切界面上起作用，固體塞會(huì)發(fā)生剪斷。在輸送3中，該輸送狀況對(duì)應(yīng)于擠出粉料的情況，此時(shí)剪切界面位于機(jī)筒內(nèi)表面處，輸送機(jī)理為摩擦拖曳輸送。

溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)固體輸送段總產(chǎn)量由機(jī)筒襯套溝槽產(chǎn)量和螺桿螺槽產(chǎn)量組成。通過溝槽固體塞和螺槽固體塞的運(yùn)動(dòng)分析和受力分析及正位移輸送的邊界條件計(jì)算，可得溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)固體輸送段的產(chǎn)量方程，計(jì)算公式參見文獻(xiàn)[6]。

3 分析與討論

3.1 不同輸送情況下的產(chǎn)量分析

粒徑模型中機(jī)筒襯套溝槽槽深、螺桿螺槽槽深與物料粒徑的關(guān)系表明，當(dāng)使用溝槽機(jī)筒和螺桿組合c-a或c-b在加工3.0，2.0，0.8 mm固相顆粒物料時(shí)，依次符合輸送1，輸送2和輸送3的情況，且3種輸送情形均屬于正位移輸送。圖2為通過固體輸送段在線模擬試驗(yàn)機(jī)，采用溝槽機(jī)筒和螺桿組合c-a，c-b分別加工不同粒徑的物料時(shí)得到的固體輸送段產(chǎn)量的試驗(yàn)值和根據(jù)建立的粒徑模型計(jì)算得到的理論值。試驗(yàn)點(diǎn)1e，2e和3e為使用機(jī)筒和螺桿組合c-a分別加工0.8,2.0，3.0 mm粒徑時(shí)的試驗(yàn)值；試驗(yàn)點(diǎn)1f，2f和3f為使用機(jī)筒和螺桿組合c-b時(shí)得到的試驗(yàn)測(cè)量值，其中，螺桿轉(zhuǎn)速為40 r/min。

由圖2可知，機(jī)筒襯套溝槽內(nèi)產(chǎn)量隨著機(jī)筒襯套溝槽槽寬的增加而逐漸增大，因溝槽寬度增大，對(duì)應(yīng)溝槽容積也增大，輸送效率增加。另外，試驗(yàn)獲得的產(chǎn)量數(shù)據(jù)與粒徑模型預(yù)測(cè)的產(chǎn)量數(shù)據(jù)能夠較好地吻合。

根據(jù)機(jī)筒襯套溝槽槽深、螺桿螺槽槽深與顆粒物料粒徑可知，當(dāng)溝槽機(jī)筒和螺桿組合c-a擠出2.0 mm粒徑原料時(shí)，滿足輸送2的情況，該輸送情況為正位移輸送。在該輸送情況下，螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)固體輸送段產(chǎn)量的影響如圖3所示。

從圖3可以看出，不同螺桿轉(zhuǎn)速下，按粒徑模型計(jì)算的產(chǎn)量值和試驗(yàn)值比較吻合，這證明該組合能滿足正位移輸送機(jī)理對(duì)應(yīng)的粒徑模型。從圖3還可以看出，溝槽產(chǎn)量、螺槽產(chǎn)量及固體輸送段的總產(chǎn)量均隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加而增加，機(jī)筒襯套溝槽產(chǎn)量在螺桿轉(zhuǎn)速為50 r/min時(shí)接近螺桿螺槽產(chǎn)量的40%，達(dá)到8 kg/h，可見通過機(jī)筒襯套溝槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以提高溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)固體輸送段產(chǎn)量，并滿足正位移輸送條件，實(shí)現(xiàn)物料整體沿機(jī)筒襯套溝槽方向前進(jìn)。

利用機(jī)筒和螺桿組合c-IKV加工0.8 mm粒徑的顆粒物料時(shí)，符合粒徑模型中輸送3情況，此時(shí)整體固體塞的斷裂面位于機(jī)筒襯套內(nèi)表面處，固相顆粒物料向前輸送的作用機(jī)理為摩擦拖曳輸送。圖4為建立的粒徑模型和傳統(tǒng)的Darnell-Mol理論計(jì)算獲得的固體輸送段理論產(chǎn)量曲線以及由在線模擬試驗(yàn)機(jī)獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由圖4可知，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與粒徑模型理論曲線相一致。但是根據(jù)Darnell-Mol理論的計(jì)算結(jié)果，由于忽略了機(jī)筒襯套溝槽對(duì)固體輸送段整體產(chǎn)量的影響，導(dǎo)致理論曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差逐漸增大，這表明機(jī)筒襯套溝槽的固相輸送對(duì)整機(jī)產(chǎn)量的作用不可忽略，尤其是在機(jī)筒溝槽截面積較大和螺桿轉(zhuǎn)速較高的情況下。由圖4還可得，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為50 r/min時(shí)，該輸送情況下的總產(chǎn)量為22.75 kg/h，而滿足正位移輸送機(jī)理的溝槽機(jī)筒和螺桿組合c-a擠出2.0 mm粒徑原料的總產(chǎn)量為27.5 kg/h (如圖3所示)，這充分說明正位移輸送可以顯著提高固體輸送段的產(chǎn)量。

采用a襯套，變化螺桿導(dǎo)程，考察螺桿導(dǎo)程對(duì)固體輸送段產(chǎn)量的影響，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出,溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)固體輸送的產(chǎn)量隨螺桿導(dǎo)程的增加而增加，螺桿轉(zhuǎn)速越高，趨勢(shì)越明顯。因?qū)С淘酱?，?duì)應(yīng)的螺槽寬度越大，根據(jù)產(chǎn)量計(jì)算公式可以看出[6]，螺桿螺槽平均寬度越大，螺槽產(chǎn)量越大；此外，因該輸送情況下滿足正位移輸送機(jī)理，機(jī)筒襯套溝槽固相的輸送角為螺桿的螺紋升角，螺桿導(dǎo)程越大，螺桿的螺紋升角越大，因此，溝槽固相的輸送角越大，溝槽產(chǎn)量也增大，這必然導(dǎo)致固體輸送段總產(chǎn)量的增大。

3.2 產(chǎn)量和電機(jī)功率波動(dòng)

不同螺桿轉(zhuǎn)速下，c-IKV,c-a 2種不同擠壓系統(tǒng)下擠出2.0 mm粒徑原料下的產(chǎn)量和電機(jī)功率，如表2所示。

從表2可以看出，c-a組合的產(chǎn)量和電機(jī)功率波動(dòng)最小，c-IKV的產(chǎn)量和電機(jī)功率波動(dòng)最大，c-a 組合的產(chǎn)量波動(dòng)約為 c-IKV 擠 出 機(jī) 產(chǎn)量波動(dòng)的23.7%，電機(jī)功率波動(dòng)前者約為后者的1.5倍。

4 結(jié)論

a) 溝槽機(jī)筒擠出機(jī)固體輸送段的產(chǎn)量與機(jī)筒襯套溝槽槽深、螺桿螺槽槽深和顆粒物料粒徑密切相關(guān)，并決定了不同的粒徑模型。在粒徑模型中，不同輸送情形下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論曲線之間基本吻合，證明在整體固體塞內(nèi)部確實(shí)存在不同的剪切界面，并對(duì)應(yīng)不同的固體輸送機(jī)理。

b) 隨著機(jī)筒襯套溝槽寬度和螺桿導(dǎo)程的增加，固體輸送段的總產(chǎn)量增大。在正位移輸送機(jī)理下，溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)固體輸送段的擠出穩(wěn)定性和電機(jī)功率波動(dòng)均小于摩擦拖曳輸送下的單螺桿擠出機(jī)。

[1] Sikora J W. The effect of the feed section groove taper angle on the performance of a single-screw extruder[J]. Polymer Engineering and Science,2001,41(9):1636-1643.

[2] 思語. 螺旋溝槽機(jī)筒擠出機(jī)[J]. 現(xiàn)代橡塑,2004,16(3):27-28.

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新的母料使白色圣誕變成現(xiàn)實(shí)

據(jù)“www. britishplastics .co. uk”報(bào)道，Silvergate塑料公司發(fā)布了一種白色母料系列，據(jù)說這類母料具有很好的覆蓋性能，正是因?yàn)檫@家英國(guó)公司開發(fā)的這種新母料，使得白色圣誕成為現(xiàn)實(shí)。位于Wrexham的Silvergate塑料公司已經(jīng)開發(fā)出命名為“簡(jiǎn)單白”的系列母料，這類母料成本較低，顏色純正，覆蓋力極強(qiáng)，性價(jià)比有優(yōu)勢(shì)?！昂?jiǎn)單白”系列母料為塑料加工者提供了更高的性能及更低的價(jià)格。消費(fèi)者可以直接與Silvergate塑料公司的技術(shù)員在工廠進(jìn)行合作，從標(biāo)準(zhǔn)顏色中挑選顏色進(jìn)行配色以創(chuàng)造出更獨(dú)特的白。如果需要的話，“簡(jiǎn)單白”系列母料中可以添加其他助劑，包括抗靜電劑及抗菌劑等。新系列母料中還包含一種低磨耗的產(chǎn)品，選擇范圍很廣。

意大利材料公司選擇Imagro作為英國(guó)的合作伙伴

據(jù)“www. britishplastics .co. uk”報(bào)道，意大利的Xenia材料公司已經(jīng)選擇Imagro作為他們?cè)谟?guó)市場(chǎng)上新的開發(fā)及分銷公司。Xenia材料公司的工程師們生產(chǎn)的可以用纖維增強(qiáng)的熱固性復(fù)合材料以及功能性助劑可以用于太空，還可用于包括技術(shù)及運(yùn)動(dòng)方面的工業(yè)領(lǐng)域。Imagro公司稱，他們期望Xenia的XECARB及XEARAM系列可以被設(shè)計(jì)者們接受，而生產(chǎn)者們則希望得到能替代金屬、且質(zhì)量更輕并對(duì)環(huán)境更友好的熱塑性材料。

(以上由中國(guó)石化揚(yáng)子石油化工有限公司南京研究院

黃賦云供稿)

Particle-size Model in Solid Conveying Output of Single Screw Extruder with Grooved Barrel

Jia Mingyin1Yu Bin1Zhang Yong1Pan Jiangru1Xue Ping2

(1.Xinjiang Institute of Engineering, Urumqi, Xinjiang,830091; 2.Beijing University of Chemical Technology,Beijing,100029)

Based on the relations of the depth of helical barrel groove, the depth of screw channel and the particle size of materials, three common particle-size models were built to study the effects of the above parameters on solid conveying mechanism and to accurately calculate the output of single screw extruder with grooved barrel in solid conveying zone. Besides, the model is verified by experiments using different combinations of barrels and screws, and different particlesizes of materials with the online simulation testing machine.

helical groove barrel ; single screw extruders; solid conveying; particle-size model

2014-08-05;修改稿收到日期:2014-12-25。

賈明印，男，博士，研究方向?yàn)楦叻肿硬牧铣尚图夹g(shù)與裝備。E-mail：jiamy@mail.buct.edu.cn。

新疆維吾爾自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究計(jì)劃資助(XJEDU2013S47)。