3 双螺杆挤出机

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① 大螺距螺纹元件
图3-18 Farrel公司研制的大螺距螺纹元件
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② 六棱柱元件
图3-19 六棱柱元件
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③ 剪切环
图3-20 剪切环
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④ 波状螺纹元件
图3-22
波状螺杆元件（图中εPX—偏心）
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⑤ 驼峰螺杆元件
图3-23
驼峰螺杆元件
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3.5.1.1.2 螺杆组合设计
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图Байду номын сангаас-3 锥形TSE的螺杆和机筒
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3.3 双螺杆挤出机的工作原理
3.3.1 啮合型同向TSE的工作原理
啮合型同向TSE中物料的流动示意
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3.3.2
啮合型异向TSE的工作原理
图3-5 啮合平行异向TSE中的C形小室 1—回转方向 2—流出压延间隙的物料 3—进入压延间隙的物料
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• 按螺杆轴线是否平行
平行和锥形
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啮合区螺槽的开放和封闭
啮合区螺槽的开放和封闭是 指在啮合区两螺杆的螺槽中，物 料是否有沿着螺槽或横过螺槽的 可能通道（该通道不包括螺棱顶 部和机筒壁之间的间隙和在两螺 杆螺棱之间由于加工误差带来的 间隙），有纵向开放或封闭、横 向开放或封闭等几种情况。
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① 正向螺纹元件
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② 反向螺纹元件
反向螺纹元件的输送方向与挤 出方向相反，其几何形状和参数 可与正向螺纹元件相同，只是螺 纹旋向不同。
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③ 单头自扫型螺纹元件
单头螺纹元件（如图3-8（a）所示） 具有高的固体输送能力，多用于加料段 。当其用于泵送熔体时，由于螺棱较厚 ，可阻止物料通过螺棱的漏流，使泵送 段的回溯长度变短。单头螺纹元件的一 个缺点是由于螺棱宽，与机筒内壁接触 面积大，因而磨损大。
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3.5
双螺杆挤出机挤压系统设计
3.5.1 啮合同向TSE的挤压系统设计 TSE主机挤压系统的设计是设计 工作的核心。TSE的挤压系统主要由 螺杆和机筒组成。
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确定几何结构 螺杆元件设计 确定主要参数 局部螺杆组合 螺杆组合设计 螺杆设计 螺杆总体规划 结构设计 芯轴设计 挤 压 系 统 设 计 机筒设计 强度设计 螺杆头设计 确定加料方式 机筒结构设计 筒节联接设计 螺杆和机筒材质选择 整根螺杆组合
啮合异向TSE的螺杆设计
3.5.2.1.1 螺杆元件 ① 输送元件
图3-43 输送元件
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② 压缩元件
图3-44 压缩元件 （a）纵横向开放，等深变距 （b）纵横向开放，等深变距，变螺棱厚度 （c）纵横向近似封闭，等深变距
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③ 混合元件
图3-45
螺棱上开沟槽的混合元件
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3.6 双螺杆挤出机的传动系统
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图3-8 不同头数的螺纹元件在垂直于螺杆轴线截面内的轮廓形状和外形 （a）单头 （b）双头 （c）三头
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（2）剪切元件
剪切元件主要是指啮合同向 TSE中常用的捏合盘元件，它能提供 高的剪切，具有良好的分散与分布 混合能力。
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① 捏合盘
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② 捏合块
图3-10 实际使用的捏合块
固体输送段 熔融塑化段 混炼段 排气段 熔体输送段
图3-6 啮合同向TSE挤压系统设计的主要内容
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3.5.1.1
啮合同向TSE的螺杆设计
3.5.1.1.1 螺杆元件的设计 （1）输送元件 （2）剪切元件 （3）混合元件 （4）其他螺杆元件
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（1）输送元件
输送元件是螺纹形的，可有不 同的头数和导程，其功能是输送 物料，包括固态物料、已熔物料 和未熔物料，有时也输送液态物 料。螺槽形状可以是矩形的和近 似矩形的，但目前流行的是根据 相对运动原理生成的自扫型螺纹 元件。
3.6.1 概述 TSE传动系统的作用是在设定 工艺条件下，向两根螺杆提供合适 的转速范围、稳定而均匀的速度、 足够且均匀相等的扭矩（功率）， 并承受挤出过程所产生的巨大螺杆 轴向力。
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3.6.2 主驱动电机选型
TSE中常用的电机有直流电机、 交流变频调速电机、滑差电机、整 流子电机等。其中以直流电机和交 流变频调速电机用的最多。
双螺杆挤出机的分类
• 按两根螺杆的相对位置 啮合型与非啮合型 啮合型根据啮合程度 部分啮合和完全啮合
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• 全啮合 • 部分啮合 • 非啮合
A=R+r A>R+r A>2R
两个螺杆中心距A，螺杆顶圆半径为R 螺杆根圆半径为r
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• 按螺杆旋转方向的不同 同向旋转与异向旋转 异向旋转 向内和向外两种
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3.4.3 螺杆的长径比
• 用于一般配混料的同向双螺杆的 长径比一般为24~48 • 啮合异向旋转双螺杆 长径比一般为18~24
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•
螺杆的转向
• 旋向不同，用途不同 • 同向旋转的双螺杆宜用于混料 • 异向旋转的双螺杆则更适于挤出 制品。
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3.4.4 螺杆转速范围
• 啮合同向双螺杆挤出机主要用于 配混料，需要提供高的剪切速率 和剪切应力，因此需要较高的螺 杆转速。 • 同向双螺杆挤出机的最高转速有 1200~1500r/min
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• 啮合异向双螺杆挤出机，由于它主 要用来加工PVC，而PVC是热敏性 物料，对剪切比较敏感，故螺杆转 速不能很高，另一方面，啮合异向 旋转双螺杆挤出机工作时，在啮合 区的压延间隙内有压延效应，螺杆 机筒产生磨损。
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• 啮合异向双螺杆挤出机的螺杆转 速范围一般在2~60r/min。 • 螺杆直径越大，最高转速越低。
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① ② ③ ④
圆柱形芯轴 六方形芯轴 花键式芯轴 圆柱形加工出四个平面的芯轴
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图3-29
带有花键孔的螺杆元件
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图3-30
圆柱形加工出四个平面的芯轴截面
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(2) 螺杆头设计
将选好的螺杆元件装到芯 轴上后，要用螺杆头将它们拧 紧。螺杆头的设计包括其形状 的选择和它与螺杆元件的压紧 及与芯轴的连接。
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3.3.3
非啮合型TSE的工作原理
非啮合型TSE挤压系统中物料的流动示意图
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3.4
双螺杆挤出机的主要参数
3.4.1 螺杆直径 • 啮合异向平行双螺杆挤出机的螺 杆直径大都在45~160mm之间 a) 挤出异型材 45~90mm b) 挤出管材和板材 65~160mm c) 用于造粒 大于80mm
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• 同向双螺杆挤出机 a) 用于实验室 直径小于40mm b) 对聚合物造粒 直径大于150mm c) 用于中小规模的配混料 直径40~150mm
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3.4.2 中心距
螺杆直径给定时，螺杆中心距决 定了两螺杆的啮合程度，进而大体决 定了物料的输送机理和最大理论输送 量。当螺杆中心距给定时，传动系统 输出轴（与螺杆相连）及有关齿轮的 尺寸就确定了，螺杆上的有效扭矩也 随之确定。此外，当螺杆中心距给定 时，承受轴向力的推力轴承的外径就 确定了，机头设计压力也随之确定。
图3-24 用于熔融的局部螺杆构型 （a）反向螺纹元件 （b）正向捏合块+反向螺纹元件 （c）正向捏合块 （d）反向非对称大导程螺纹元件 49/91
3.5.1.1.3 螺杆芯轴和螺杆头的设计
（1） 芯轴设计
积木式啮合同向TSE在工作时， 由传动系统传来的扭矩通过芯轴按 需要传到各螺杆元件上。芯轴设计 需要解决的核心问题有三个：确定 芯轴的截面形状、确定螺杆元件内 孔截面形状、确定螺杆元件和芯轴 的联接与定位方式。
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⑦ 其他机筒元件
图3-37 内孔开有沟槽的机筒元件
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（2）机筒元件的连接
不管机筒元件为何种外形，当 将两段机筒连接起来时，它们之 间相对位置的确定非常重要，既 要保证各段机筒上两孔之间的同 轴度，也要防止相邻机筒段在圆 周方向相互转动，还要保证连接 端面严密接触，以防止熔体在压 力下由端面泄漏出来。
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图3-13 捏合盘厚度对混合性能的影响
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（3）混合元件
啮合同向TSE中的混合元件主 要有齿形元件（包括直齿和斜齿 ）和螺棱上开槽的螺纹元件。
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① 齿形元件
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② 螺棱上开槽的螺纹元件
图3-17 螺棱上开槽的螺纹元件
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（4） 其它螺杆元件
随着TSE向高速高效方向发展 ，应用范围不断扩大，对其完成的 混合任务要求也越来越高，为适应 这一要求，国外TSE制造厂家相继 开发出一些新型螺杆元件。
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3.4.5 驱动功率
① 类比设计 ② 经验统计数据 ③ 反算法
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3.4.6 挤出量（产量）
TSE的挤出量是用户选择TSE规 格时的一个主要依据，它与挤出 物料的性质、挤出制品的种类、 加料方式、操作条件、螺杆构型 等都有关系。
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3.4.7 螺杆轴向推力
双螺杆挤出机工作时螺杆受到 很大的轴向推力。该推力由止推 轴承承受。因此合理地确定设计 时的轴向力是个很重要的问题。
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3.5.1.2
啮合同向TSE的机筒设计
啮合同向TSE的机筒也采用组合 式。根据挤出过程和工艺的需要， 将不同功能、不同结构形状的若干 机筒段用不同方法组合起来，与相 应的组合螺杆装在一起，成为挤压 系统。
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① 带有上加料口的机筒元件
图3-33
上方带加料口的机筒元件
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④ 双头自扫型螺纹元件 和三头螺纹元件相比，中心距 相同时，双头螺纹元件可将外径 和根径之比设计得较大，因而其 螺槽可做得较深。这就使单位长 度上有较大的自由体积，从而在 相同螺杆转速下，能提供较低的 剪切速率。
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⑤ 三头自扫型螺纹元件
与双头螺纹元件相比，在相同中心距下 ，三头螺纹元件的螺槽更浅（即其外径和内 径之比较小），这意味着三头螺纹元件可以 有更大直径的芯轴来传递扭矩，在相同转速 下，可以对物料施加更高的平均剪切速率和 剪应力。
图3-2 啮合区螺槽的开放与封闭
锥形双螺杆挤出机
• 两根圆锥形螺杆水平排列，两轴线呈一夹角 装入机筒内，两轴线的中心距由小端向大端 逐渐变大，使得传动齿轮箱两输出轴有较大 的中心距，这些传动系统中的齿轮和齿轮轴 以及支承这些齿轮轴的径向轴承和推力轴承 留有较大的安装空间，它可以装置较大规格 的径向轴承和推力轴承，各传动轴有足以满 足传递扭距的轴径，所以大工作扭距、大承 荷能力是锥形双螺杆挤出机的一大特点。这 点平行双螺杆挤出机是无法比拟的。
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（1）对传动部件的要求
① 在满足螺杆中心距的条件下， 传递额定扭矩； ② 两根螺杆传动轴应承受同样 的扭矩负荷； ③应消除螺杆的径向力，防止螺 杆弯曲。
有的挤出过程要加入液体添加 剂，这需要在机筒元件上开液体 注入孔。该孔一般应装有单向阀 ，只允许液体加入，不允许液体 或熔体溢出。高压泵与单向阀相 接，在高压下将液体添加剂泵入[ 图3-36（d）]。
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⑥ 封闭式机筒元件
封闭式机筒上不开孔图3-36（b）。 一般情况下，这种机筒元件的内孔是 光滑的，用做输送、熔融物料。
3 双螺杆挤出机
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3.1 概述
双螺杆挤出机(Twin Screw Extruder, TSE) 是在挤出机机筒中并排安装 两根螺杆的一种挤出机。
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3.2 双螺杆挤出机的结构和分类
组成: • 挤压系统 （两根螺杆、机筒） • 传动装置 • 加热冷却系统 • 控制系统 • 机头
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3.3.2
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图3-40 用拉杆连接各机筒元件 1—定位环 2—组合机筒 3—拉杆 4—加料口
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3.5.1.3 啮合同向TSE挤压系统材质的选择
TSE的螺杆在挤出过程中常处 于高扭矩、高温、高速、高压等 工况下，有时也处于高磨损、高 腐蚀等恶劣条件下，因此螺杆材 质的选择应考虑强度、耐磨损、 耐腐蚀等问题。
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3.5.2
啮合异向TSE的挤压系统设计
啮合异向平行TSE主要用于加 工PVC物料，挤出造粒，挤出板、 管、异型材等。如果在螺杆构型 和机筒结构上采取特殊设计，亦 可用来进行配混料、反应挤出及 其它作业。啮合异向平行TSE的螺 杆和机筒一般都是整体式，个别 情况下也采用组合式。
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3.5.2.1
② 带有侧加料口的机筒元件
图3-34 带侧加料口的机筒段 1—主流道 2—侧加料口 3—上加料口
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③ 带有安装测量熔体压力和熔体温 度传感器孔的机筒元件
图3-35 带有装压力传感器孔的机筒元件
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④ 带有排气口的机筒元件
图3-36
各种扁方形机筒元件示意图
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⑤ 带有液体添加剂注入孔的机筒元件