沟槽机筒单螺杆挤出机固体输送产量的粒径模型研究

贾明印 余斌 张勇 潘江如 薛平

(1.新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐，830091；2.北京化工大学，北京，100029)

机械与模具

沟槽机筒单螺杆挤出机固体输送产量的粒径模型研究

贾明印1余斌1张勇1潘江如1薛平2

(1.新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐，830091；2.北京化工大学，北京，100029)

在分析机筒衬套沟槽槽深、螺杆螺槽槽深和加工物料粒径关系的基础上,建立了沟槽机筒单螺杆挤出机3种常见的固体输送段产量粒径模型，该模型可用于研究机筒衬套沟槽槽深、螺杆螺槽槽深和颗粒物料粒径对固体输送机理的影响并定量计算沟槽机筒单螺杆挤出机固体输送段产量。此外，通过不同的机筒和螺杆组合及不同粒径的原料在自制的在线模拟试验机上对该模型进行了验证和试验分析。

沟槽机筒 单螺杆挤出机 固体输送 粒径模型

传统单螺杆挤出机的固体输送机理为摩擦拖曳输送，其产量较低，能耗较高，建压能力较弱。针对以上缺点，德国亚琛工业大学研究人员率先于20世纪70年代开发了固体输送段机筒衬套内表面开设轴向直槽的IKV挤出机，从而提高了固体输送段的输送能力。之后研究者们对IKV挤出机的结构、输送机理、能耗等进行了较为详细的研究[1]。随着IKV挤出机的应用，研究者们发现了其缺陷，如固体输送段摩擦热大、挤出能耗大、固体输送段机筒衬套磨损严重等。为弥补IKV挤出机的缺陷，研究者们又开发了机筒内表面开设螺旋沟槽的单螺杆挤出机，其输送机理、产量、能耗、摩擦热等方面均有改善[2]。Rauwendaal等[3]开发了可调轴向沟槽机筒单螺杆挤出机，工作中可根据不同物料的特性需求对机筒沟槽槽深进行自由调节；Potente等[4]分析了机筒衬套沟槽槽深和螺杆螺槽槽深对固体输送机理的作用方式，获得了单螺杆挤出机产量、压力和能耗的理论计算公式；北京化工大学[5]对螺旋沟槽单螺杆挤出机进行了创新研究，提出了双螺棱推动理论。

对沟槽机筒单螺杆挤出机而言，固体输送段的输送机理和产量不仅与固体输送段机筒、螺杆结构及原料物性的参数有关，还与三者的尺寸关系密切相关。在分析沟槽机筒单螺杆挤出机固体输送特性和固相运动规律的基础上，建立一种新型粒径模型，研究机筒衬套沟槽和螺杆螺槽的结构尺寸与颗粒物料粒径尺寸的关系对螺旋沟槽单螺杆挤出机固体输送段的产量及输送机理的影响，分析固相层发生剪切的位置，并进行了试验验证。

1 试验原料及设备

试验设备为自行研制的仅由固体输送段组成的在线模拟试验机，结构示意图见文献[5]。通过更换机筒和螺杆组合，能够在线记录固体输送段产量、能耗及整机产量等参数。机筒衬套结构类型有3种，分别是窄螺旋沟槽固体输送段衬套(a机筒衬套)、宽螺旋沟槽固体输送段衬套(b机筒衬套)、轴向直槽固体输送段衬套(IKV机筒衬套)。螺杆结构为正向压缩固体输送段螺杆(c螺杆)，螺杆外径为45 mm，螺杆和机筒衬套组成的挤压系统分别记为c-a，c-b，c-IKV，主要结构参数如表1所示。试验原料为低密度聚乙烯(LDPE607)，中国石油化工集团公司北京燕山分公司，粒径为3.0 mm，通过造粒可获得2.0，0.8 mm不同粒径的试验原料。

2 沟槽机筒单螺杆挤出机固体输送粒径模型

通过对机筒衬套沟槽槽深、螺杆螺槽槽深和颗粒物料粒径的研究，可建立3种常用的螺旋沟槽单螺杆挤出机固体输送粒径模型，如图1所示，分别为输送1、输送2和输送3，其中d为颗粒物料粒径，H1为螺杆螺槽槽深，H2为机筒衬套沟槽槽深。

在输送1中，物料在机筒衬套沟槽和螺杆螺槽的协同作用下，很快被压实为密实的固体塞，因固体输送段机筒温度较低，原料的抗剪切强度通常足够大，固体塞不会发生剪断，沟槽固体塞和螺槽固体塞将作为整体沿沟槽螺旋角方向向前输送，输送机理为正位移输送。在输送2中，该输送状况对应于大槽深高产量挤出加工状况，此时剪切界面位于机筒衬套沟槽固相和螺杆螺槽固相的界面处。在剪切界面上，整体固体塞若满足正位移输送边界条件，固相将以整体的形式向前输送，否则摩擦拖曳输送在剪切界面上起作用，固体塞会发生剪断。在输送3中，该输送状况对应于挤出粉料的情况，此时剪切界面位于机筒内表面处，输送机理为摩擦拖曳输送。

沟槽机筒单螺杆挤出机固体输送段总产量由机筒衬套沟槽产量和螺杆螺槽产量组成。通过沟槽固体塞和螺槽固体塞的运动分析和受力分析及正位移输送的边界条件计算，可得沟槽机筒单螺杆挤出机固体输送段的产量方程，计算公式参见文献[6]。

3 分析与讨论

3.1 不同输送情况下的产量分析

粒径模型中机筒衬套沟槽槽深、螺杆螺槽槽深与物料粒径的关系表明，当使用沟槽机筒和螺杆组合c-a或c-b在加工3.0，2.0，0.8 mm固相颗粒物料时，依次符合输送1，输送2和输送3的情况，且3种输送情形均属于正位移输送。图2为通过固体输送段在线模拟试验机，采用沟槽机筒和螺杆组合c-a，c-b分别加工不同粒径的物料时得到的固体输送段产量的试验值和根据建立的粒径模型计算得到的理论值。试验点1e，2e和3e为使用机筒和螺杆组合c-a分别加工0.8,2.0，3.0 mm粒径时的试验值；试验点1f，2f和3f为使用机筒和螺杆组合c-b时得到的试验测量值，其中，螺杆转速为40 r/min。

由图2可知，机筒衬套沟槽内产量随着机筒衬套沟槽槽宽的增加而逐渐增大，因沟槽宽度增大，对应沟槽容积也增大，输送效率增加。另外，试验获得的产量数据与粒径模型预测的产量数据能够较好地吻合。

根据机筒衬套沟槽槽深、螺杆螺槽槽深与颗粒物料粒径可知，当沟槽机筒和螺杆组合c-a挤出2.0 mm粒径原料时，满足输送2的情况，该输送情况为正位移输送。在该输送情况下，螺杆转速对固体输送段产量的影响如图3所示。

从图3可以看出，不同螺杆转速下，按粒径模型计算的产量值和试验值比较吻合，这证明该组合能满足正位移输送机理对应的粒径模型。从图3还可以看出，沟槽产量、螺槽产量及固体输送段的总产量均随螺杆转速的增加而增加，机筒衬套沟槽产量在螺杆转速为50 r/min时接近螺杆螺槽产量的40%，达到8 kg/h，可见通过机筒衬套沟槽结构的优化设计，可以提高沟槽机筒单螺杆挤出机固体输送段产量，并满足正位移输送条件，实现物料整体沿机筒衬套沟槽方向前进。

利用机筒和螺杆组合c-IKV加工0.8 mm粒径的颗粒物料时，符合粒径模型中输送3情况，此时整体固体塞的断裂面位于机筒衬套内表面处，固相颗粒物料向前输送的作用机理为摩擦拖曳输送。图4为建立的粒径模型和传统的Darnell-Mol理论计算获得的固体输送段理论产量曲线以及由在线模拟试验机获得的试验数据。

由图4可知，随着螺杆转速的提高，试验数据与粒径模型理论曲线相一致。但是根据Darnell-Mol理论的计算结果，由于忽略了机筒衬套沟槽对固体输送段整体产量的影响，导致理论曲线与试验数据的误差逐渐增大，这表明机筒衬套沟槽的固相输送对整机产量的作用不可忽略，尤其是在机筒沟槽截面积较大和螺杆转速较高的情况下。由图4还可得，当螺杆转速为50 r/min时，该输送情况下的总产量为22.75 kg/h，而满足正位移输送机理的沟槽机筒和螺杆组合c-a挤出2.0 mm粒径原料的总产量为27.5 kg/h (如图3所示)，这充分说明正位移输送可以显著提高固体输送段的产量。

采用a衬套，变化螺杆导程，考察螺杆导程对固体输送段产量的影响，结果如图5所示。

从图5可以看出,沟槽机筒单螺杆挤出机固体输送的产量随螺杆导程的增加而增加，螺杆转速越高，趋势越明显。因导程越大，对应的螺槽宽度越大，根据产量计算公式可以看出[6]，螺杆螺槽平均宽度越大，螺槽产量越大；此外，因该输送情况下满足正位移输送机理，机筒衬套沟槽固相的输送角为螺杆的螺纹升角，螺杆导程越大，螺杆的螺纹升角越大，因此，沟槽固相的输送角越大，沟槽产量也增大，这必然导致固体输送段总产量的增大。

3.2 产量和电机功率波动

不同螺杆转速下，c-IKV,c-a 2种不同挤压系统下挤出2.0 mm粒径原料下的产量和电机功率，如表2所示。

从表2可以看出，c-a组合的产量和电机功率波动最小，c-IKV的产量和电机功率波动最大，c-a 组合的产量波动约为 c-IKV 挤 出 机 产量波动的23.7%，电机功率波动前者约为后者的1.5倍。

4 结论

a) 沟槽机筒挤出机固体输送段的产量与机筒衬套沟槽槽深、螺杆螺槽槽深和颗粒物料粒径密切相关，并决定了不同的粒径模型。在粒径模型中，不同输送情形下的试验数据与理论曲线之间基本吻合，证明在整体固体塞内部确实存在不同的剪切界面，并对应不同的固体输送机理。

b) 随着机筒衬套沟槽宽度和螺杆导程的增加，固体输送段的总产量增大。在正位移输送机理下，沟槽机筒单螺杆挤出机固体输送段的挤出稳定性和电机功率波动均小于摩擦拖曳输送下的单螺杆挤出机。

[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] 思语. 螺旋沟槽机筒挤出机[J]. 现代橡塑,2004,16(3):27-28.

[3] Rauwendaal C, Sikora J. The adjustable grooved feed extruder[J]. Int Polym Pro,2000,15(2):4.

[4] Potente H,Schoppner V.A throughput model for grooved bush extruders[J]. Int Polym Proc, 1995,10:289-295.

[5] 苗立荣, 潘龙, 薛平. 单螺杆挤出机螺旋沟槽固体段压力的实验研究[J]. 当代化工，2011, 40(4):347-350.

[6] Long Pan,Mingyin Jia, Ping Xue, et al. Studies on the solids conveying mechanism in helically grooved single screw extruders[J]. Journal of Wuhan University of Technology-Mater Sci, 2013,28(4):693-700.

新的母料使白色圣诞变成现实

据“www. britishplastics .co. uk”报道，Silvergate塑料公司发布了一种白色母料系列，据说这类母料具有很好的覆盖性能，正是因为这家英国公司开发的这种新母料，使得白色圣诞成为现实。位于Wrexham的Silvergate塑料公司已经开发出命名为“简单白”的系列母料，这类母料成本较低，颜色纯正，覆盖力极强，性价比有优势。“简单白”系列母料为塑料加工者提供了更高的性能及更低的价格。消费者可以直接与Silvergate塑料公司的技术员在工厂进行合作，从标准颜色中挑选颜色进行配色以创造出更独特的白。如果需要的话，“简单白”系列母料中可以添加其他助剂，包括抗静电剂及抗菌剂等。新系列母料中还包含一种低磨耗的产品，选择范围很广。

意大利材料公司选择Imagro作为英国的合作伙伴

据“www. britishplastics .co. uk”报道，意大利的Xenia材料公司已经选择Imagro作为他们在英国市场上新的开发及分销公司。Xenia材料公司的工程师们生产的可以用纤维增强的热固性复合材料以及功能性助剂可以用于太空，还可用于包括技术及运动方面的工业领域。Imagro公司称，他们期望Xenia的XECARB及XEARAM系列可以被设计者们接受，而生产者们则希望得到能替代金属、且质量更轻并对环境更友好的热塑性材料。

(以上由中国石化扬子石油化工有限公司南京研究院

黄赋云供稿)

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。

贾明印，男，博士，研究方向为高分子材料成型技术与装备。E-mail：jiamy@mail.buct.edu.cn。

新疆维吾尔自治区高等学校科学研究计划资助(XJEDU2013S47)。