塑料成型机械2 单螺杆挤出机（可编辑）

塑料成型机械2 单螺杆挤出机（可编辑） 2 单螺杆挤出机 1/102 2.1 概 述 挤出成型亦称挤压成型， 它是将物料加热熔融成粘流态， 借助螺杆的挤压作用，推动粘 流态的物料，使其通过口模而 成为截面与口模形状相仿的连 续体的一种成型方法。 所采用的设备称为挤出机。 2/102 塑料原料 加热 挤出机 塑料熔体 加压 挤塑模具(机头) 初始形状的连续体 定型 冷却(定型)装置 最终形状的连续体 切割 塑料制品 切割装置 图2-1 挤出成型过程 3/102 挤出成型法特点: (1)连续化生产 (2)有很高的生产率 (3)应用范围广 (4)投资少，收效快 4/102 2.1.1 挤出机组机组的组成和分类 2.1.1.1 挤出机组的组成 ? 主机 ? 辅机 ? 控制系统 5/102 ? ? ? ? 挤压系统 传动系统 加热冷却系统 加料系统 (1)主机 (挤出机) 6/102 图2-2 卧式单螺杆挤出机结构示意图 1-机头联接板 2-分流板 3-冷却管 4-加热器 5-螺杆 6-机筒 7-液压泵 8-测速电机 9-止推轴承 10-料斗 11-箱体 12-冷却管 7/72 挤压系统 主要由机筒和螺杆组成， 塑料通过挤压系统而塑化成均 匀的熔体，并在这一过程中所 建立的压力下，被螺杆连续地 定压、定量、定温地挤出机头。 8/102 传动系统 其作用驱动螺杆，保证螺 杆在工作过程中所需要的扭矩 和转速。 9/102 加热冷却系统 它保证塑料和挤压系统在 成型加工中的温度控制要求。 10/102 加料系统 主要由料斗和自动上料装 置等组成。其作用是向挤压系 统稳定且连续不断地提供所需 的物料。 11/102 (2)辅机 ? ? ? ? ? ? ? 机头 定型装置 冷却装置 牵引装置 切割装置 卷取装置 堆放装置 12/102 机头 挤出机机头是挤出成型的 模具，因安装在挤出机头部而 得名。它是制品成型的主要部 件，熔体通过它获得一定的几 何截面和尺寸。 13/102 定型装置 它的作用是将从机头中挤 出的塑料按既定的形状稳定下 来，并对其进行精整，从而得 到更为精确的截面形状尺寸和 光亮的面，通常采用冷却和 加压的方法达到这一目的。 14/102 冷却装置 由定型装置出来的塑料在此 得到充分的冷却，获得最终的 形状和尺寸。 15/102 牵引装置 其作用为均匀地牵引制品， 并对制品的截面尺寸进行控制， 使挤出过程稳定地进行。 16/102 切割装置 其作用是将连续挤出的制 品切成一定的长度或宽度。 17/102 卷取装置 其作用是将软制品(薄膜、 软管、单丝等)卷绕成卷。 18/102 堆放装置 其作用是将一定规格的硬 制品(如硬管、硬板等)堆放 整齐。 19/102 主要由电器、仪表和执行机构等 组成。其主要作用有: (1)控制主、辅机的拖动电机使其满 足所要求的转速和功率，并保证 主、辅机能协调地运行。 (2)控制主、辅机的温度、压力、流 量和制品的质量。 (3)实现整个挤出机组的自动控制。 (3)控制系统 20/102 2.1.1.2 塑料挤出机的分类 ? 根据螺杆的数量分 无螺杆挤出机 单螺杆挤出机 双螺杆挤出机 多螺杆挤出机 21/102 ? 根据装配结构分 整体式挤出机 分开式挤出机 22/102 ? 按空间位置分 卧式挤出机 立式挤出机 23/102 图2-3 立式挤出机 1-料斗 2-螺杆 3-机筒 4-机头 5-传动装置 6-机座 24/102 2.1.2 单螺杆挤出机的主要参数及规格 2.1.2.1 单螺杆挤出机的主要参数 ? 螺杆直径D:指螺杆的外径 mm ? 螺杆的长径比L/D:螺杆工作长度L与D之比值 ? 螺杆的转速范围:nman,nmin r/min ? 驱动电机的功率:用N表示 KW ? ? ? 挤出机生产率: 机筒加热段数: 机筒加热功率: 用Q表示 用B表示 用E表示 Kg/h KW ? 机器的中心高:用H表示，指螺杆中心线到地 面的高度 mm ? 机器的外形尺寸:长、宽、高 mm 25/102 2.1.2.2 螺杆的主要参数 三段 ? 螺杆的分段 加料段 压缩段(熔融段) 均化段(计量段) 26/102 ? 螺槽深度 H 螺槽深度是螺纹的外径 与其根部半径(即螺纹底部 半径)之差。 通常用H1、H2、H3分别表 示螺杆各段的螺槽深度。 27/102 ? 压缩比 D?H1H1 D?H3H3i ? 28/102 ?螺纹螺距:用S表示 ?螺纹升角:用φ表示 ?螺纹头数:用P表示 BS-b?螺槽轴向宽度:用B表示 ?螺棱的轴向宽度:用b表示 ?螺槽的法向宽度:用W表示 ?螺棱的法向宽度:用e表示 螺纹外径与机筒内壁之间隙:用δ表示11 29/102 图2-4 螺杆几何尺寸 30/102 φ 2.1.3 单螺杆挤出机的挤出过程 2.1.3.1 聚合物的三态变化 图2-5 聚合物三态变化图 31/102 图2-6 常规全螺纹螺杆的三个职能区 32/102 (1)加料段 功能主要是对塑料进行 压实和输送。 33/102 (2)熔融段或压缩段 是使塑料进一步压实和 塑化。 34/102 (3)计量段 塑料进入计量段后将进 一步塑化和均匀化，并使之 定压、定量和定温地从挤出 机头挤出。 35/102 2.2 单螺杆挤出机的挤出理论 2.2.1 固体输送理论 物料进入挤出机螺杆后， 首先以固体状态向前输送，在 螺杆的加料段上，形成了固体 输送区。 36/102 (1)固体塞模型 在螺槽内的固体料粒之间存 在着间隙，入口附近间隙大，松 密度小，随着物料向前运动，在 压力作用下，切片彼此之间被挤 紧，松密度随压力而增大。固体 摩擦理论认为，被压实的物料形 成一个固体塞，这个固体塞作为 整体向前运动。 37/102 (2固体输送速率的计算 38/102 图2-8 固体塞子的运动 式中: VP1 ,,固体塞沿螺杆轴线方向的移 动速度。 ,??固体塞通过垂直于螺杆轴线 的平面上的螺槽横截面积。 39/102 Qs ?VP1 ? F (2-2) Vb ? VP1 Vpl tg?b tg? ? VP ?Vb?VPb VP ?VPl /sin?b 40/102 F ?? 2?R ? Db ? Ds ? tg?b ?tg? tg?b ?tg??Vb ??VP1 Vb ?? Dbn ? 4 2 2 PeH1 sin? Rb Rs dR ?P?esin? 41/102 42/102 (3)固体输送角 计算固体输送速率的关键 是确定固体输送角，通过解固 体塞的静力平衡方程可以获得 固体输送角。 43/102 图2-8 固体塞的受力分析 44/102 ??机筒表面对固体塞表面 ??两个螺纹侧面及螺杆 F 1 的摩擦力 F2 F6 ??固体塞两边受到的物料 的作用力 F3 F4 F5 根部对固体塞的摩擦力 F7 F8 ?? 两螺旋侧面法向作用 于固体塞上的力 45/102 W H1 (2-18)P2 P 1 _ D Db 1 fb Ds Db fs fb WS Wb _ D Db fs fb H1 Wb _ ctg?ln_sin?K ?? _ ? Wb Zb ? ctg?s?sin?bK ??? ctg??sin?bK ??cos? ? K sin? ? 2 46/102 D sin?? fs cos?? Db cos? ? K sin? ? M改写为: _ _ _ _ _ cos?? fs sin? K ? (2-19) (2-20) 47/102 (4)影响固体输送速率的因素 ? 固体输送角θ QS和θ有关，θ越大， QS越大。 48/102 ? 摩擦系数f ?螺杆表面的摩擦系数 ?机筒表面的摩擦系数 fs fb 49/102 螺杆的表面粗糙度一般取 机筒内孔表面粗糙度一般取 Ra ? 0.8 ~ 0.4?m Ra ? 3.2 ~1.6?m 50/102 ? 加料段中物料压力的影响 由式2-18可见，加料段末端处 物料压力P 2与起始处的物料压力P 1 的比值P2 /P 1 对输送角的大小也有 影响，比值减少，移动角则加大， 反之亦然。实践表明，采用强制加 料的方式，也能提高起始压力，最 终导致挤出成型机的固体输送速率 提高。 51/102 ? 螺槽深度H, H1 Db ?1?Db ? H1 Db ? ? D Db 加料段用深螺槽 52/102 ?17 39 '01?? ? arctg 53/102 ? 螺旋升角φ D ? S ??Dtg? ? 加料段长度 适当增大加料段的长度有 利于物料的压实和输送，从而 提高固体输送速率。 54/102 2.2.2 熔融理论 熔融理论(又称熔化理论 或相迁移理论)是研究塑料从 固体转变为熔融态过程的一种 理论。 55/102 2.2.2.1 熔融过程 熔融过程在螺杆推力侧点A开 始发生，随着物料的继续推移和 热量获得，熔融区不断扩大，固 体区相应减少直到B点，固体物 料全部熔融，熔融过程完毕。从 A点到B点物料完成熔融过程的这 一区域称为熔融区，由于此区域 内固液相并存并转化，所以也称 为相迁移区。 56/102 2.2.2.2 熔融模型 (a)螺槽横截面 (b)在展开螺槽中熔融过程 图2-9 熔融模型 1-熔池 2-熔膜 3-固体床 57/102 ? ? ? 对上述物理模型进行一下三方面的平衡 分析后，即可求出固相分布数。 2.2.2.3 固相分布函数和熔融区长度计算 (1)固相内?Z距离上的质量平衡 ?流入?Z段的? ?流出?Z段的? ??Z段上分界面?? ?-? ??固相物料量? ?固相物料量? ?处固相熔化量? 58/102 ??sVszd?H ?X???dZ 2-22 59/102 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? m bx s sy V X V (2)熔膜内Z向单位距离上的质量平衡 ? ? ? ? ? ?中的新熔化的熔融物料量? ?池)的熔融物料量 ? ?由固相沿Y方向加入熔膜 ? ?由熔膜流入液相(熔 ? 1 2 60/102 Km? ?? ??Ks? ?? ? (3)分界面单位面积上的热量平衡 ?经熔膜流入分界面 ? ?由分界面每单位面积上流? ?分界面每单 位面积 上?? ?-? ??单位面积上的热流量? ?出进入固相内的热流 量 ? ?塑料熔融消耗的热量? ?Vsy ??s ???dT ?? dy ?y?0 ?dT ? ? dy ?y?0 (2-24) 61/102 由热量平衡方程和质量平衡方程， 经综合整理得到: (1)等深螺槽固相分布函数 2ZX1W X W ? 2H1 1?? (2-25) 62/102 X ,-----熔融段的流率(生产能力) G ?VSZ ?W ?H1 ??S G H 1 2 ?W 1 1 2 W ? ? 2-26 2-27 63/102 ? ? 2 / ? ? ? ? ? ? m b m m bX V T T K V? ? ? ? 1 2 ? ? 2 j ? 2?CSTm ?Ts??? ? 2?28 64/102 (2-29)2H1?ZT ? ,,,,,熔融区长度，m 65/102 X1 ?? W ?A ? ? ? (2)渐变螺槽固相分布函数 21 2 ?? ?1?? H1H1 ? AZA X W (2-30) 其中:A??渐变度 槽深差 螺旋线展开长度A ? 66/102 H1 ? 2?31)(2? A ?ZT ? 67/102 2.2.2.4 固相分布函数的讨论 (1)物料性质的影响 对于比热容小CS、热导率 来说较大。 K和密度高、熔化潜热? 和熔 化温度低的塑料，其? 值相对 68/102 (2)操作工艺条件的影响 ? 流量G与螺杆转速n 的增加。 ? G增加使熔融发生和结束均延 迟，ZT则增加。 ? 提高转速，剪切摩擦热增加， 减小。 增加螺杆的转速n将导致G与? ? 则增加，有利于熔融，可使ZT 69/102 ? 机筒温度Tb切片温度TS ? 机筒温度Tb : 它的提高有利熔融。但机筒温 度只能提高到一定程度，温度提高 加强传导供热，但降低了粘度。 ? 切片温度TS 提高TS，则耗热量减少，从而使 得ZT减少。 70/102 2.2.3 熔体输送理论 熔体输送理论又称流动动力 学理论(或简称流动理论)，它 是研究均化段如何保证物料彻底 塑化，并使之能定压、定量和定 温地从螺杆挤出机机头挤出，以 获得稳定产量和高质量的制品。 71/102 2.2.3.1 基本假设: ?.物料为牛顿流体，不可压缩与机 筒、螺杆之间无滑动。 ?.任意截面处压力、温度是定值。 ?.忽略螺槽壁的影响，重力影响、 螺槽曲率的影响。 72/102 ? Db ?b? 2.2.3.2 流动模型 ?b e (a)立体模型 图2-10 ?b e (b)展开图 研究熔体流动的平板模型 73/102 机筒内表面速度(上平板移动速度) Vb可分解为两个分速度，垂直于螺槽方向 的Vbx和平行于螺槽方向Vbz。 VbX ?Vbsin?b ?? Dbnsin?b Vbz ?Vb cos?b ?? Dbncos?b Vb ??Dbn 74/102 正流(顺流) 因平板以分速度Vbz运动对 熔体牵引形成的流动即由Vbz拖 动形成的流动，流动的方向与 VbZ一致，朝着挤出口，正流流 动的流量用Qd表示。 75/102 逆流 由机头、分流板、滤网等 对熔体的反压力引起的流动与 正流方向相反的流动。流量用 QP表示。 76/102 横流 由VbX拖动形成的流动，由 于螺棱阻挡作用形成环向流动。 77/102 漏流 由于螺棱与机筒之间存在 间隙，物料开口端和入口端存 在压力差引起间隙处的倒流， 其方向与轴流平衡，流量用QL 表示，漏流流量比正流、逆流 小得多，故常忽略不计。 78/102 图2-11 熔体流动速度分布 a 顺流 b逆流 c横流 d漏流 79/102 Q ? Qd ?Qp ?QL 净流 (2-34) 80/102 2.2.3.3 熔体流动速率方程 (1)正流流动速率 ?nDbcos?bWH2 HW 2 Vbz ?Qd ? (2-36) 81/102 图2-12 牛顿流动的叠加 82/102 1 dP h? 2?? dz h?0 WH 1 dP 12 ? dz 3 dhH 24 H ? ? h2 ?QP ?W (2-38) 83/102 (2)逆流流动速率 根据力平衡原理: Pj?DH3 3 sin2?12?L3 ? 2D2H3 sin? cos? 2 n ?Q ? (2-39) 84/102 ? D ? tg? (3)漏流流动速率 Pj 2 2 3 10?1eL3QL ? 2-39 85/102 挤出机的流率 Pj? 2D2? 3tg?10?1eL3 ?DH3 3 sin2? 12?L3 ? 2D2H3 sin? cos? 2 Pj ?n ?Q ? 86/102 87/102 2.2.3.4 熔体流动速率方程的讨论 2.2.3.4.1 螺杆转速和流动速率的关系 图2-13 螺杆转速与生产率的关系 88/102 2.2.3.4.2 机头压力与流动速率的关系 (1)螺杆特性曲线 ? 机头压力Pj与流量 n2 n3 n4 n5 n1 图2-14 螺杆特性曲线 89/102 ? D H3 sin?cos? ? 最大流量与最大压力 n2 2 2 Q ? 2-42 自由挤出或开口挤出 90/102 H3 tg? 6?DL3?n 2Pj ? 2-43 闭口挤出 91/102 ?螺槽深度对特性曲线的影响 图2-15 螺槽深度与生产率的关系 1-浅螺槽 2-深螺槽 92/102 ? 长径比对特性曲线的影响 图2-16 螺杆长径比与生产率的关系 93/102 ? 螺杆与机筒间隙与生产能力的关系 图2-17 螺杆与机筒的间隙与生产率的关系 p/MPa 94/102 (2)机头特性曲线 ?P ?Q ? K 式中:Q ?? ΔP?? K ?? η?? 通过口模的体积流率， 物料通过口模时压力降 机头阻力系数 物料在机头处的粘度 2-45 95/102 CA Q Q3 Q2 Q2 Q1 Q1 K2 B 螺杆转速n2n1 机头阻力系数 K2K1 K1 n2 n1 P P 图2-19 挤出机工作图 96/102 2.3 单螺杆挤出机主要参数的确定 2.3.1 挤出机的产量 (1)挤出机产量的理论计算: Pj?DH33sin2?12?L3 ? 2D2H3sin?cos? 2 n?Q ? (2-46) 97/102 (2) 挤出机产量计算 Qg ? D1F ?? ?n?60?1000 式中:Qg?? D1?? F ?? γ ?? n ?? β ?? 挤出机的产量 kg/h 螺杆计量段平均直径 计量段螺槽截面积 熔体密度g/cm3 转速r.p.m 产量有效系数 2-47 cm cm2 98/102 cos ? 2.3.2 挤出机的驱动功率 ? 驱动功率的理论计算 ??Nd ? ? 2D2n2e?1L3? ?tg? Qg 2 ? 3D3n? L3 h3 2-48 99/102 式中: 第一项--剪切物料所消耗的功率; 第二项--克服阻力，推动熔体前进 所需功率; 第三项--螺杆与机筒间隙间剪切和 摩擦所需的功率。 100/102 N ? KD n ? 驱动功率估算的经验公式 2 2-49 101/102 2.3.3 挤出机的加热功率 ?DLWA11000HT ? 2-51 102/102