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0 　 引　 言

　  對單螺桿 ,不管它們在螺桿型式、機(jī)筒結(jié)構(gòu)以及整機(jī)結(jié)構(gòu)上有什么不同 ,從根本原理上講都是一樣的 ,即物料的輸送是靠物料與機(jī)筒和螺桿之間的摩擦力和粘性拖曳力輸送的 (自然在非螺紋區(qū)是靠壓力梯度輸送 )。 很容易理解: 如果被加工的物料粘到螺桿上并在料筒表面打滑 ,就不會有物料輸出 ,因為物料隨著螺桿的回轉(zhuǎn)而回轉(zhuǎn)不會被向前推進(jìn)。 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面上。 這種情況下 ,物料的回轉(zhuǎn)速度小于螺桿的回轉(zhuǎn)速度 ,致使物料被強(qiáng)制向前推進(jìn)。

雙螺桿的輸送機(jī)理沒有單螺桿那樣簡單 ,這是由于雙螺桿幾何學(xué)和運動學(xué)的復(fù)雜性所致。雙螺桿輸送機(jī)理與其幾何學(xué)密切相關(guān) ,要了解輸送機(jī)理 ,不但要了解其幾何學(xué) ,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面置換了系統(tǒng)中的部分流體。最典型的例子是注射機(jī)中的柱塞 - 機(jī)筒結(jié)構(gòu) ,其中的熔體是靠往復(fù)運動的柱塞而被強(qiáng)制向前輸送的 ,即垂直于柱塞軸線的柱塞端面移動把熔體推向前進(jìn)。 齒輪泵也是靠正位移輸送介質(zhì)的。 雙螺桿的正位移是靠兩螺桿的相互嚙合和共同作用來實現(xiàn)的 ,并且與它們的狀況、螺棱形狀和制造精度等因素有關(guān)。 從理論上講 ,正位移輸送與被輸送介質(zhì)的流變特性無關(guān) ,即介質(zhì)的摩擦性質(zhì)和粘性對輸送特性沒有影響。 但實際上 ,雙螺桿除具有正位移輸送特點外 ,還具有類似于單螺桿的摩擦和粘性拖曳輸送。這是由于雙螺桿大部分為非嚙合型及縱橫向皆為開放的緣故 ,至于各種輸送各占多大比例 ,視不同結(jié)構(gòu)的雙螺桿而異。

1 　 正位移輸送機(jī)理

　  對基于正位移輸送機(jī)理的異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿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 螺桿轉(zhuǎn)速; V 單個 C形小室的體積; m 螺紋頭數(shù)。

這很容易理解 ,因為螺桿每旋轉(zhuǎn)一周 ,它向外排出的體積就是 2mV,相應(yīng)的物料體積輸

率也應(yīng)該就是這個值。這個式子是更為復(fù)雜模型的基礎(chǔ)。該式表明在一定的條件下 ,對完全嚙合型旋轉(zhuǎn)雙螺桿 ,其理論輸出量和螺桿的轉(zhuǎn)速成正比 ,變得和物料特性毫無關(guān)系 ,這是完全正位移輸送的顯著特點。

2 　 兩根螺桿嚙合形成的間隙

兩根螺桿裝到一起 ,不可避免地要形成以下幾個間隙:

2. 1 　 螺棱頂部與機(jī)筒內(nèi)壁之間的間隙 W f

在垂直于螺桿軸線的截面該間隙呈∞形 ,稱之為螺棱間隙。

2. 2 　 徑向間隙 (也稱壓延間隙 )W c

它是一根螺桿的螺紋頂面與另一根螺桿螺槽底面 (根徑 )之間的間隙。 因該間隙如同壓延機(jī)兩輥筒之間的間隙 ,固也稱壓延間隙。

2. 3 　 四面體間隙 W e

這是由于在有的情況下 ,螺棱側(cè)面不垂直于螺槽底面 ,從而造成一角度。 它位于兩根螺桿相鄰螺棱側(cè)面之間 ,近似為四面體 ,故叫四面體間隙 ,如果是矩形螺紋 ,兩螺桿嚙合在一起則不會形成四面間隙。 四面體間隙是一個三維區(qū)域 ,很難產(chǎn)生一個明確的概念。

2. 4 　 側(cè)間隙 W s

它是兩根螺桿的螺紋側(cè)面間的間隙。

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(guān)。

3 　 理論輸出量模型

以上我們討論了基于正位輸送機(jī)理上異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿的理論輸出量 ,但是 ,實際上雙螺桿中存在著四種漏流。即由壓延間隙引起的壓延漏流 Qc ;由四面體間隙引起的四面體漏流 Q e ;由螺棱間隙引起的螺棱漏流 Q f ;由側(cè)間隙引起的側(cè)間隙漏流 Q s 。 理論產(chǎn)量中減去總的漏流就可得實際產(chǎn)量。 這里還應(yīng)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制;③側(cè)間隙漏流和壓延漏流都依賴于切向壓力的建立。 根據(jù)這些分析 ,可建立起單頭螺紋雙螺桿的實際輸出量模型。

整臺機(jī)器可表示為兩組腔室 ,對于每根螺桿來說 ,物料由左向右輸送 ,而腔室間存在有反向漏流 ,根據(jù)每一截面上質(zhì)量平衡可得出實際流量為:

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

式中: Q e 四面體漏流; Q f 螺棱漏流; Q s 側(cè)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(jié)構(gòu)一定的條件下主要是漏流 ,漏流的計算除與螺桿幾何形狀、間隙大小有關(guān)外 ,還和軸向壓力、切向壓力以及物料的特性有關(guān) ,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

與單螺桿一樣 ,螺棱間隙 W f 中的漏流 Q f ,是由壓力項和拖曳項構(gòu)成的 ,假定螺棱間隙 W r ≤b(b為軸向螺棱寬度 ) ,螺桿不動 ,機(jī)筒移動 ,物料為不可壓縮的牛頓流體 ,壓力梯度是 y 的函數(shù) ,可以寫出:
在螺棱間隙 W f 的全高上積分該式 ,并乘以螺棱間隙全長 ( 2 c - T ) R b ,得到螺棱漏流:

式中 ,△ P是在兩個連續(xù)的、相對的腔室間 ,由于出口阻力而引起的壓力降。 這意味著 ,在一個螺棱上由于出口阻力引起的壓力降是 2 △P,因為它是同一根螺桿的兩個連續(xù)腔室之間的壓力降。 由于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:
     
生在雙螺桿壓延間隙中的流動雖然與壓延機(jī)兩輥間隙中的流動類似 ,但并不完全相同。在壓延機(jī)中 ,物料通過壓延間隙后可以無阻礙地排出 ,而在雙螺桿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。由于目前尚無更好的方法對雙螺桿壓延間隙中的流動進(jìn)行解析 ,故仍用壓延理論來分析(但雙螺桿中構(gòu)成壓延間隙的兩表面半徑不同 )。根據(jù)下述方程可以得出速度分布關(guān)系:

假定構(gòu)成壓延間隙的兩個表面都有相同的半徑 ,而回轉(zhuǎn)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(huán),V x = 2 c nR b

其中 ,h是由間隙的中心線到螺桿表面的距離 ,如圖 3所示 ,假定壓力梯度不是 y的函數(shù) ,經(jīng)直接積分后 ,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(dāng)于 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(shù)以及過程常數(shù)的唯一函數(shù)。 從負(fù)無窮大到正無窮大對壓力進(jìn)行積分 ,即可得到作為產(chǎn)量函數(shù)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(xiàn)

1 　 L. P. B. M. Janssen著 ,耿教政譯.雙螺桿擠出.輕工業(yè)出版社 , 1987.

2 　 柳和生.雙螺桿內(nèi)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(xué) , 1990. 11

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

 

 

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