第二節(jié)擠出過(guò)程和擠出理論 之二擠出理論 擠出理論 2 3 3熔體輸送理論常規(guī)的全螺紋單螺桿均化段的熔體輸送理論已得到很好的發(fā)展 與其他兩個(gè)理論相比 它建立的最早 1953年它首先在兩個(gè)無(wú)限大的平板之間 假定熔體為等溫牛頓流體的條件下建立起來(lái) 后來(lái)又進(jìn)行了修正 下面簡(jiǎn)要介紹 擠出理論 1 熔體輸送的機(jī)理1 無(wú)限平行平板模型為了方便研究問(wèn)題 假定 a 將計(jì)量段螺槽展開(kāi)并認(rèn)為螺槽為淺螺槽 即H3 D 0 09 b 螺槽靜止不動(dòng) 機(jī)筒轉(zhuǎn)動(dòng) 擠出理論 c 將機(jī)筒展開(kāi)為一無(wú)限大平板 且該平板運(yùn)動(dòng)速度為Vb Vb Dbnd Vb的方向與展開(kāi)的螺槽方向成 角 則有 Vbx Dbnsin Vby Dbncos 擠出理論 2 熔體在螺槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)分析熔體在螺槽中的流動(dòng)有以下幾種運(yùn)動(dòng)合成 a 正流 拖曳流 是由物料受機(jī)筒的摩擦拖曳引起的 最大處速度為Vbz 起到擠出物料的作用 流量用Qd表示 b 倒流 壓力流 由機(jī)頭 口型等阻力元件產(chǎn)生的壓力引起的回流 方向與正流方向相反 流量為QP 擠出理論 c 橫流 環(huán)流 由垂直于螺棱方向的分速度Vbx引起 如圖 使物料在螺槽內(nèi)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 方向與Vbx方向相同 對(duì)生產(chǎn)能力沒(méi)有影響 但能促進(jìn)物料的混合 攪拌和熱交換 流量Qc 0 擠出理論 d 漏流 由機(jī)筒與螺棱間隙 處形成的倒流 方向沿螺桿軸線方向 并由機(jī)頭向后 流量用QL表示 對(duì)提高擠出機(jī)流量起反作用 實(shí)際上螺槽中熔體的總的流動(dòng)是這幾種流動(dòng)的總和 擠出機(jī)的生產(chǎn)能力即 Q Qd Qp QL 擠出理論 2 基本假設(shè) a 牛頓型流體 并已全部熔融且等溫 b 流動(dòng)是穩(wěn)定的 c 壓力只在X Z方向上變化 d 流體不可壓縮 內(nèi)部無(wú)流動(dòng) e 重力忽略 f 機(jī)筒運(yùn)動(dòng) 螺桿相對(duì)靜止 擠出理論 3 生產(chǎn)率的基本方程根據(jù)前面的假設(shè) 分析和建立物理模型 用流體力學(xué)的分析方法 通過(guò)下面的積分式就可以導(dǎo)出目前應(yīng)用于單螺桿擠出機(jī)均化段的流率計(jì)算公式 擠出理論 Q Qd Qp QL 其中 正流流率常數(shù) 倒流流率常數(shù) 漏流流率常數(shù) 擠出理論 4 由流率公式得出的結(jié)論 1 擠出機(jī)可能的最高 危險(xiǎn) 壓力 忽略 f 擠出機(jī)的最高危險(xiǎn)壓力產(chǎn)生于斷流 Q 0 的情況由流率公式 令Q 0 f 0 則有 由上式可以看出 對(duì)于高粘度物料和大直徑螺桿 采用高轉(zhuǎn)速是很危險(xiǎn)的 擠出理論 2 在給定產(chǎn)量時(shí)的最佳螺槽深度和最低螺桿轉(zhuǎn)速由流率公式 且 f 0知將上式對(duì)H求導(dǎo) 并求出H 將H最佳代入n的表達(dá)式 可得n最低n最低 3Q DWHcos 擠出理論 3 在給定轉(zhuǎn)速下達(dá)到最高產(chǎn)量時(shí)的最佳螺槽深度和螺旋角 由流率公式 在 f 0時(shí) QL 0 即有 上式分別對(duì)H和 求導(dǎo) 即可求出H最佳和 最佳這時(shí) 最佳 30 由于是牛頓流體 所以與實(shí)際17 40 有區(qū)別 擠出理論 4 截流比a 忽略 f a Qp Qd稱(chēng)為截流比 它反映了擠出機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài) 因Q Qd Qp 所以有 Q Qd Qd Qp Qd 1 Qp Qd 1 a當(dāng)a 1時(shí) Q 0 Qd Qp代表機(jī)頭完全關(guān)閉 完全截流狀態(tài) 當(dāng)0 a 1時(shí)Q Qd Qp代表擠出機(jī)正常工作狀態(tài) 當(dāng)a 0時(shí) Q Qd代表機(jī)頭完全打開(kāi)的狀態(tài) 擠出理論 5 擠出機(jī)的綜合工作點(diǎn)前面我們討論了物料在螺桿中的流動(dòng)理論 要想了解整個(gè)擠出過(guò)程的特性 還必須將螺桿和機(jī)頭聯(lián)合起來(lái)討論 為此我們引入了以下幾個(gè)概念 螺桿特性線 擠出機(jī)產(chǎn)量與擠出壓力的關(guān)系 口模特性線 機(jī)頭產(chǎn)量與機(jī)頭壓力的關(guān)系 擠出機(jī)的綜合工作點(diǎn) 螺桿特性線與口模特性線的交點(diǎn) 擠出理論 1 螺桿特性線 擠出機(jī)均化段的流率方程如下 由上式可知 L3是與螺桿幾何參數(shù)相關(guān)的常數(shù) f也是常數(shù) 因此上述方程實(shí)際上成了Q與 P的線性方程 其直線的斜率為 擠出理論 如下圖 我們稱(chēng)AB為螺桿的特性線 它是一組相互平行的直線族 隨螺桿n轉(zhuǎn)速的改變而改變 螺桿的特性線是擠出機(jī)的重要特性之一 它表示螺桿均化段熔體的流率與壓力的關(guān)系 隨著機(jī)頭壓力的升高 擠出量降低 而降低的快慢決定于螺桿特性線的斜率 擠出理論 2 口模特性線擠出機(jī)機(jī)頭是擠出機(jī)的重要組成部分 是物料流經(jīng)并獲得一定幾何形狀 必要尺寸精度和表面光潔度的部件 對(duì)于熔體在機(jī)頭內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律的研究是非常重要的 假定熔體為牛頓流體 當(dāng)其通過(guò)機(jī)頭時(shí) 其流率方程為 Q K P 式中 K 口模常數(shù) 僅與口模尺寸和形狀有關(guān) P 物料通過(guò)口模時(shí)的壓力降 物料的粘度 擠出理論 對(duì)于方程Q K P K 皆為常數(shù) 因此上式實(shí)際是Q與 P的線性方程式 我們可以得到如圖所示的直線簇 直線OD即為口模特性線 其斜率為 K 對(duì)給定的口模 壓力越高 流過(guò)口模的流量越大 擠出理論 3 擠出機(jī)的綜合工作點(diǎn) 將螺桿特性線和口模特性線在同一個(gè)坐標(biāo)中畫(huà)出 兩組直線相交的點(diǎn)即為擠出機(jī)的綜合工作點(diǎn) 在C點(diǎn)處 Q機(jī)頭 Q螺桿 綜合工作點(diǎn)會(huì)因螺桿轉(zhuǎn)速的改變而改變 綜合工作點(diǎn)會(huì)因機(jī)頭口模的改變而改變 擠出理論 6 影響擠出機(jī)生產(chǎn)能力的主要因素1 螺桿轉(zhuǎn)速與生產(chǎn)能力的關(guān)系 n與Q 由公式 可知 n與Q成正比關(guān)系 在擠出機(jī)各方面都允許的情況下 提高轉(zhuǎn)速n是提高擠出機(jī)生產(chǎn)能力的最有效的途徑 2 螺桿直徑與生產(chǎn)能力的關(guān)系 D與Q Q與D2成正比關(guān)系 即 D的小量增加 Q就會(huì)大幅度提高 擠出理論 3 螺桿深度H與生產(chǎn)能力的關(guān)系 H與Q 正流流量Qd正比與H 倒流流量Qp正比與H3可見(jiàn) 太深的螺桿深度是有害的 H存在一個(gè)最佳值 4 螺桿均化段長(zhǎng)度L3與生產(chǎn)能力的關(guān)系 L3與Q 倒流流率Qp和漏流流率QL與L3成反比 也就是說(shuō) 增加L3 有助于Q的提高 這也正是現(xiàn)代擠出機(jī)L D不斷加大的原因 擠出理論 5 螺桿與機(jī)筒間隙 與生產(chǎn)能力的關(guān)系 與Q 漏流QL正比于 3 即 增加 Q明顯降低 當(dāng)螺桿經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用 增大后 應(yīng)及時(shí)修復(fù)或更換 否則