0 　 引　 言

　  對單螺杆 ,不管它們在螺杆型式、機筒結構以及整機結構上有什麽不同 ,從根本原理上講都是一樣的 ,即物料的輸送是靠物料與機筒和螺杆之間的摩擦力和粘性拖曳力輸送的 (自然在非螺紋區是靠壓力梯度輸送 )。 很容易理解: 如果被加工的物料粘到螺杆上並在料筒表麵打滑 ,就不會有物料輸出 ,因為物料隨著螺杆的回轉而回轉不會被向前推進。 因此 ,為了獲得最大的輸送量 ,物料必須盡可能多地粘附到料筒壁麵上。 這種情況下 ,物料的回轉速度小於螺杆的回轉速度 ,致使物料被強製向前推進。

雙螺杆的輸送機理沒有單螺杆那樣簡單 ,這是由於雙螺杆幾何學和運動學的複雜性所致。雙螺杆輸送機理與其幾何學密切相關 ,要了解輸送機理 ,不但要了解其幾何學 ,還要了解正位移輸送。所謂正位移輸送 ,特點就是移動的外表麵置換了係統中的部分流體。最典型的例子是注射機中的柱塞 - 機筒結構 ,其中的熔體是靠往複運動的柱塞而被強製向前輸送的 ,即垂直於柱塞軸線的柱塞端麵移動把熔體推向前進。 齒輪泵也是靠正位移輸送介質的。 雙螺杆的正位移是靠兩螺杆的相互齧合和共同作用來實現的 ,並且與它們的狀況、螺棱形狀和製造精度等因素有關。 從理論上講 ,正位移輸送與被輸送介質的流變特性無關 ,即介質的摩擦性質和粘性對輸送特性沒有影響。 但實際上 ,雙螺杆除具有正位移輸送特點外 ,還具有類似於單螺杆的摩擦和粘性拖曳輸送。這是由於雙螺杆大部分為非齧合型及縱橫向皆為開放的緣故 ,至於各種輸送各占多大比例 ,視不同結構的雙螺杆而異。

1 　 正位移輸送機理

　  對基於正位移輸送機理的異向旋轉雙螺杆其理論輸出量計算公式為〔1〕 :

Q t = 2mnV           ( 1)

式中: Q t 理論輸出量; n 螺杆轉速; V 單個 C形小室的體積; m 螺紋頭數。

這很容易理解 ,因為螺杆每旋轉一周 ,它向外排出的體積就是 2mV,相應的物料體積輸

率也應該就是這個值。這個式子是更為複雜模型的基礎。該式表明在一定的條件下 ,對完全齧合型旋轉雙螺杆 ,其理論輸出量和螺杆的轉速成正比 ,變得和物料特性毫無關係 ,這是完全正位移輸送的顯著特點。

2 　 兩根螺杆齧合形成的間隙

兩根螺杆裝到一起 ,不可避免地要形成以下幾個間隙:

2. 1 　 螺棱頂部與機筒內壁之間的間隙 W f

在垂直於螺杆軸線的截麵該間隙呈∞形 ,稱之為螺棱間隙。

2. 2 　 徑向間隙 (也稱壓延間隙 )W c

它是一根螺杆的螺紋頂麵與另一根螺杆螺槽底麵 (根徑 )之間的間隙。 因該間隙如同壓延機兩輥筒之間的間隙 ,固也稱壓延間隙。

2. 3 　 四麵體間隙 W e

這是由於在有的情況下 ,螺棱側麵不垂直於螺槽底麵 ,從而造成一角度。 它位於兩根螺杆相鄰螺棱側麵之間 ,近似為四麵體 ,故叫四麵體間隙 ,如果是矩形螺紋 ,兩螺杆齧合在一起則不會形成四麵間隙。 四麵體間隙是一個三維區域 ,很難產生一個明確的概念。

2. 4 　 側間隙 W s

它是兩根螺杆的螺紋側麵間的間隙。

這四個間隙在物料輸送過程中顯得非常重要 ,因為物料的輸出量和間隙大小密切相關。

3 　 理論輸出量模型

以上我們討論了基於正位輸送機理上異向旋轉雙螺杆的理論輸出量 ,但是 ,實際上雙螺杆中存在著四種漏流。即由壓延間隙引起的壓延漏流 Qc ;由四麵體間隙引起的四麵體漏流 Q e ;由螺棱間隙引起的螺棱漏流 Q f ;由側間隙引起的側間隙漏流 Q s 。 理論產量中減去總的漏流就可得實際產量。 這裏還應注意以下幾點: ①漏流總量是四種漏流的簡單加和;②四種漏流都受軸向壓力梯度的控製;③側間隙漏流和壓延漏流都依賴於切向壓力的建立。 根據這些分析 ,可建立起單頭螺紋雙螺杆的實際輸出量模型。

整台機器可表示為兩組腔室 ,對於每根螺杆來說 ,物料由左向右輸送 ,而腔室間存在有反向漏流 ,根據每一截麵上質量平衡可得出實際K8凯发登录入口為:

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

式中: Q e 四麵體漏流; Q f 螺棱漏流; Q s 側間隙漏流; Q c 壓延漏流。

4 　 影響因素分析

由上式可見 ,影響雙螺旋加料器實際輸出量的因素 ,在其幾何結構一定的條件下主要是漏流 ,漏流的計算除與螺杆幾何形狀、間隙大小有關外 ,還和軸向壓力、切向壓力以及物料的特性有關 ,本文在此著重討論螺棱漏流和壓延漏流。

4. 1 　 螺棱漏流 Q f

與單螺杆一樣 ,螺棱間隙 W f 中的漏流 Q f ,是由壓力項和拖曳項構成的 ,假定螺棱間隙 W r ≤b(b為軸向螺棱寬度 ) ,螺杆不動 ,機筒移動 ,物料為不可壓縮的牛頓流體 ,壓力梯度是 y 的函數 ,可以寫出:
在螺棱間隙 W f 的全高上積分該式 ,並乘以螺棱間隙全長 ( 2 c - T ) R b ,得到螺棱漏流:

式中 ,△ P是在兩個連續的、相對的腔室間 ,由於出口阻力而引起的壓力降。 這意味著 ,在一個螺棱上由於出口阻力引起的壓力降是 2 △P,因為它是同一根螺杆的兩個連續腔室之間的壓力降。 由於淺螺槽中的壓力降可以近似用下式表示:

因而 ,螺棱間隙中總的漏流為:
     
生在雙螺杆壓延間隙中的流動雖然與壓延機兩輥間隙中的流動類似 ,但並不完全相同。在壓延機中 ,物料通過壓延間隙後可以無阻礙地排出 ,而在雙螺杆中通過壓延間隙的物料還要受到螺槽中物料的阻擋 ,而且沿壓延間隙有壓力降。由於目前尚無更好的方法對雙螺杆壓延間隙中的流動進行解析 ,故仍用壓延理論來分析(但雙螺杆中構成壓延間隙的兩表麵半徑不同 )。根據下述方程可以得出速度分布關係:

假定構成壓延間隙的兩個表麵都有相同的半徑 ,而回轉速度不同 ,這樣的假定分析是足夠精確的 ,因而邊界條件為:

y = h, V x = 2 c n(R b - H)

y = －h,V x = 2 c nR b

其中 ,h是由間隙的中心線到螺杆表麵的距離 ,如圖 3所示 ,假定壓力梯度不是 y的函數 ,經直接積分後 ,x 方向的速度表示為:
    

將上式從 - h 到+ h的積分乘以間隙在軸向上的長度 (即 S /m - b) ,得到通過壓延間隙的漏流:
   

式中 ,e 最小壓延間隙寬度 (相當於 W c )。

引入無因次變量:

( 16)式表明 ,壓力是無因次變量 a 、幾何常數以及過程常數的唯一函數。 從負無窮大到正無窮大對壓力進行積分 ,即可得到作為產量函數的壓力降:
    

由上述分析不難看出 ,影響間隙漏流的因素有壓力梯度或壓力降。

5 　 參考文獻

1 　 L. P. B. M. Janssen著 ,耿教政譯.雙螺杆擠出.輕工業出版社 , 1987.

2 　 柳和生.雙螺杆內非牛頓粘性流場計算及擠出行為研究.博士論文 ,上海交通大學 , 1990. 11

3 　 張東利.雙螺旋加料器性能及輸送機理研究 .碩士論文 ,天津大學 , 1995. 3

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