螺杆设计

• 这些波动中以第一、二种影响最大，而这又与螺杆
设计有关。常规全螺纹螺杆由于其固有的问题而不 设计有关。常规全螺纹螺杆由于其固有的问题而不 可能减少和消除这些波动， 可能减少和消除这些波动，这就影响到产品的质量
新型螺杆的设计
• 3、加工物料适应性差
常规全螺纹三段螺杆往往不能很好适应一些特殊塑 料的加工或进行混炼、着色等工艺过程。
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4.1 常规全螺纹三段螺杆存在的问题 • 1、熔融效率低、塑化混炼（染色、加填充物）不均 熔融效率低、塑化混炼（染色、加填充物） 匀
• 1) 传热途径
由熔融理论知，固体床熔融的热源有两个: 由熔融理论知，固体床熔融的热源有两个: 一是来自加热器的外热 一是来自加热器的外热。 外热。 一是发生在熔膜中的剪切热 一是发生在熔膜中的剪切热， 剪切热， 后者是主要的。如果能使固体床在其消失之前始终 能以最大的面积与料筒壁相接触，则可以获得最大 的熔融效率。
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4.2.2 屏障型螺杆 • 1、设计思路： 设计思路： • 屏障型螺杆就是在螺杆的某部位设立屏障段，使未 熔的固相不能通过，并促使固相熔融的一种螺杆。 • 2、结构原理： 结构原理： • 下面是一种常用的直槽屏障型螺杆的屏障段。 • 1)在圆柱面上等距地开了若干纵向沟槽，分两组； 1)在圆柱面上等距地开了若干纵向沟槽 等距地开了若干纵向沟槽，分两组； • 2)一组是进料槽，其出口在轴线方向是封闭的； 2)一组是进料槽 其出口在轴线方向是封闭的； 进料槽， • 3)另一组是出料槽，其入口在轴线方向是封闭的； 3)另一组是出料槽 其入口在轴线方向是封闭的； 出料槽， • 4)两组槽相间。将进料槽和出料槽隔开的棱面与料 4)两组槽相间 两组槽相间。将进料槽和出料槽隔开的棱面与料 筒之间的间隙大小不等，一半为δ 筒之间的间隙大小不等，一半为δ（正常螺杆与机筒 的间隙），另一半为△（大于正常螺杆与机筒的间 隙）。
• 4、目前常采取的解决办法 • 为克服常规螺杆存在的上述缺点，目前在常规三段
螺杆上常用的方法就是：1 加大长径比； 螺杆上常用的方法就是：1）加大长径比；2）提高 螺杆转数； 加大均化段的螺槽深度等。 螺杆转数；3）加大均化段的螺槽深度等。
• 这些措施无疑取得了一定的成效，但成效有限，因
为采取上述措施并没有从根本上改变常规螺杆所存 在的固有缺点，这就促使人们突破常规全螺纹的形 式，探索创造新的螺杆结构。
新型螺杆的Leabharlann 计• 2）熔融机理 • 当固体床形成并在输送过程中开始熔融时，已熔的 当固体床形成并在输送过程中开始熔融时，已熔的 • • •
物料将越过间隙δ 物料将越过间隙δ而进入液相螺槽，而未熔融的固体 粒子不能通过δ而留在固相螺槽中。 粒子不能通过δ而留在固相螺槽中。 由于主阶螺纹的螺距不等，液相螺槽由零逐渐变宽， 由于主阶螺纹的螺距不等，液相螺槽由零逐渐变宽， 直至达到均化段整个螺槽的宽度，但其螺槽深度则 直至达到均化段整个螺槽的宽度，但其螺槽深度则 保持不变； 固相螺槽由宽变窄，至均化段其宽度变为零，但其 固相螺槽由宽变窄，至均化段其宽度变为零，但其 螺槽深度则由加料段螺槽深度至均化段螺槽深度。 在液相螺槽宽度为零的那一点固液相开始分离， 在液相螺槽宽度为零的那一点固液相开始分离，在 固相螺槽的宽度为零的那一点熔融完成。全部熔融 固相螺槽的宽度为零的那一点熔融完成。全部熔融 的物料经均化段均化，定压定量定温地挤入机头。
• 由于上述因素，使固体床不能彻底地熔融。相反，
已熔的物料由于与料筒壁相接触，仍能从料筒壁和 熔膜中的剪切获得热量，使温度继续升高。这样一 来，就形成一部分物料得不到彻底熔融，另一部分 物料则过热，导致温度、塑化极不均匀。
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• 2、压力波动、温度波动和产量波动大。 压力波动、温度波动和产量波动大。 • 较高频率的波动，与螺杆回转频率一致，它是由螺 较高频率的波动，与螺杆回转频率一致，它是由螺
第四节
新型螺杆的设计
新型螺杆的设计
第四节 新型螺杆
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所谓新型螺杆，是相对于常规全螺纹三段螺杆 而言的。新型螺杆在原理、结构设计上有许多 特点，它们是在常规全螺纹三段螺杆的基础上 发展起来的，目前已得到广泛应用。 所谓新型螺杆，主要是指： 分离型螺杆 分流型螺杆 屏障型螺杆 组合型螺杆
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3) 解决办法--- Barr螺杆 解决办法--- Barr螺杆 针对 BM螺杆的这一缺点，人们研制出Barr螺杆。 BM螺杆的这一缺点，人们研制出Barr螺杆。 这也是一种分离型螺杆。它与BM不同之处是： 这也是一种分离型螺杆。它与BM不同之处是： a.主附螺纹的螺距相等。固相螺槽和液相螺槽的宽 a.主附螺纹的螺距相等 主附螺纹的螺距相等。固相螺槽和液相螺槽的宽 度自始至终保持不变。 b.螺槽深度变化。固相螺槽由加料段的深度渐变至 b.螺槽深度变化 螺槽深度变化。固相螺槽由加料段的深度渐变至 均化段的槽深，而液相螺槽深度由零渐变至均化段 的槽深。 c.加工比较方便。 c.加工比较方便 加工比较方便。 从理论上这样就能使固相始终保持与料筒的最大接 从理论上这样就能使固相始终保持与料筒的最大接 触面积，因而具有较高的熔融能力。 触面积，因而具有较高的熔融能力。
• c.漂浮在熔体中的固体碎片受的剪切力很小，很难 c.漂浮在熔体中的固体碎片受的剪切力很小 漂浮在熔体中的固体碎片受的剪切力很小，
从剪切获得热量 固体碎片被融体所包围，成漂浮状态，基本上没有 剪切发生。
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• 4）部分物料得不到彻底熔融，另一部分物料则过 部分物料得不到彻底熔融，
热，导致温度、塑化极不均匀。 导致温度、塑化极不均匀。
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• b. 固体碎片被融体所包围，不能直接获得外部热量， 固体碎片被融体所包围，不能直接获得外部热量，
传热慢 固体碎片混到已熔的塑料中，为熔体所包围，不能 直接与料筒壁接触而获得外部加热器的热量，只能 从包围它们的熔体中获得热量。由于熔融聚合物传 热性能很差，完全将这些碎片熔融将是很困难的， 也是很慢的。
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• 2）缺点 • a. 加工制造困难。由于主附螺纹螺距不等给加工制 加工制造困难。由于主附螺纹螺距不等给加工制 •
造带来很多困难而影响它的推广； b. 熔融能力受到限制。由于它的固体床的宽度是由 熔融能力受到限制。 宽变窄，因此不能自始至终保持固体床与料筒壁之 间的最大接触面积而获得来自料筒壁的最多热量， 从而使熔融能力受到限制； c. 可能引起螺槽堵塞而产生挤出不稳定。固体床在 可能引起螺槽堵塞而产生挤出不稳定。固体床在 宽度方向要发生形变，如果设计不当，即固体床因 宽度方向要发生形变，如果设计不当，即固体床因 熔融而发生的宽度的减少与固相螺槽宽度的减少不 一致，有可能引起螺槽堵塞而产生挤出不稳定。 一致，有可能引起螺槽堵塞而产生挤出不稳定。
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2、BM螺杆的特点 BM螺杆的特点 1）优点： 优点： a.塑化效率高，塑化质量好，由于固液相分离； a.塑化效率高 塑化质量好，由于固液相分离； 塑化效率高， b.产量、压力、温度波动小，由于没有固体床解体； b.产量 压力、温度波动小， 产量、 c.排气性能好，由于固液相分离，不混合； c.排气性能好 排气性能好， d.单耗低，由于塑化效率高，减少了能耗；； d.单耗低 单耗低， e.适应性强，可用于多种用途、适用多种物料 e.适应性强 适应性强， f.耐扫膛性能好，由于固液相分离，固体颗粒不能嵌 f.耐扫膛性能好 耐扫膛性能好， 入数值较小的主螺纹与机筒的缝隙中； g.能实现低温挤出，已熔融物料不再承受导致过热的 g.能实现低温挤出 能实现低温挤出，已熔融物料不再承受导致过热的 剪切，而获得低温挤出。
• 其典型代表是BM螺杆。也叫主副螺纹螺杆。 其典型代表是BM螺杆。也叫主副螺纹螺杆。
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• 1、BM螺杆的原理 BM螺杆的原理 • 1）结构原理 • 根据熔融理论所揭示的物料在螺槽中的熔融规律，
在螺杆的熔融段再附加一条螺纹，这两条螺纹把原 来一条螺纹所形成的螺槽分成两个螺槽，一条螺槽 与加料段螺槽相通，另一条螺槽与均化段相通。前 者用来盛固相，后者用来盛液相。附加螺纹与料筒 壁的间隙δ 壁的间隙δ要比原来的螺纹（主螺纹）与料筒壁的间 隙δ大。
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4.2.1 分离型螺杆（主副螺纹螺杆） 分离型螺杆（主副螺纹螺杆）
• 设计思路：固液相尽早分离，固体尽快熔融，液相 设计思路：固液相尽早分离 固体尽快熔融， 固液相尽早分离，
低温挤出，保证质量，提高产量 低温挤出，保证质量，
• 针对常规全螺纹三段螺杆因固液相共存于同一螺槽中
所产生的缺点，采取措施，将已熔融的物料和未熔融 的物料尽早分离，从而促进未熔物料更快的熔融，使 已熔融物料不再承受导致过热的剪切，而获得低温挤 出，在保证塑化质量的前提下提高挤出量。
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• 5、屏障螺杆的设计 • 关于屏障螺杆的设计包括两个方面，一是屏障段本 关于屏障螺杆的设计包括两个方面，一是屏障段本 • • • • • •
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• 2）熔融机理 • 工作时，物料由进料槽流入。只有熔融的物料和粒
度小于间隙△的固相碎片才能越过△（即图中划剖 面线处）而进入出料槽，而那些未熔的粒度较大的 固相碎片被屏障阻挡。
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• a.剪切作用 a.剪切作用
熔料和未熔融但能通过△的固相碎片在通过△时， 受到强烈的剪切作用。 • b.混合作用 b.混合作用 进入出料槽的物料在槽中产生涡流而得以混合。 4、特点 • a.如果设计得当，这种带有屏障段螺杆的产量、质 a.如果设计得当，这种带有屏障段螺杆的产量 带有屏障段螺杆的产量、 单耗等项指标都优于常规全螺纹三段螺杆。 量、单耗等项指标都优于常规全螺纹三段螺杆。 • b.从制造方面来说，也比较容易。 b.从制造方面来说 也比较容易。 从制造方面来说， • c.它适于加工聚烯烃类塑料。 c.它适于加工聚烯烃类塑料 它适于加工聚烯烃类塑料。
杆的旋转引起的，特别易发生在固体输送过程中；
• 低频波动，它是由于熔融过程的不稳定性（可能是 低频波动，它是由于熔融过程的不稳定性（可能是
由于固体床周期性地解体）所引起的；
• 更低频率波动，其周期可以是几分钟或几小时，它 更低频率波动，其周期可以是几分钟或几小时，它
是由温控系统的稳定性差或环境因素的变化 （如电 网电压不稳定）所引起的。
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• 2) 固体床变窄，传热面积减少，熔融效率低，挤出 固体床变窄，传热面积减少，熔融效率低，
量不高 在常规三段螺杆中，熔融段有固体床和熔池同居一 个螺槽中，熔池不断增宽，固体床逐渐变窄，从而 减少了固体床与料筒壁的接触面积，减少了料筒壁 直接传给固体床的热量，降低了熔融效率，致使挤 出量不高。 3) 固体床易破碎，固体碎片传热慢，剪切力小，不 固体床易破碎，固体碎片传热慢，剪切力小， 易熔融 a. 固体床易破碎：在常规三段螺杆中，当固体床宽 固体床易破碎：在常规三段螺杆中，当固体床宽 度减少至它的初始宽度的10%时。其物理性质极不 度减少至它的初始宽度的10%时。其物理性质极不 稳定，固体床易解体，形成固体碎片。
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• 4.2 几种常见的新型螺杆 • 针对常规螺杆存在的问题，对挤出过程进行了深入 • • • • •
的研究，在大量实验和生产实践的基础上，发展了 各种新型螺杆。与常规螺杆相比，其优点 各种新型螺杆。与常规螺杆相比，其优点如下： 优点如下： 提高了挤出量， 提高了挤出量， 改善了塑化质量， 改善了塑化质量， 减少了产量波动，压力波动和在MD方向的温度波动 方向的温度波动、 减少了产量波动，压力波动和在MD方向的温度波动、 TD方向的温差， TD方向的温差 方向的温差， 提高了混合的均匀性和填加物的分散性。 提高了混合的均匀性和填加物的分散性。 新型螺杆越来越得到广泛的应用。新型螺杆的形式 很多，但尚无一个全面的科学的螺杆分类，下面仅 就目前较为流行的分类方法，重点地介绍几种。