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三角排列形全啮合三螺杆挤出装备与技术 |
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作者：北京化工大学 姜南 来源：雅式工业专网 |
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螺杆类挤出机械已经历了一百多年的发展历程，走过了由简单到复杂、由低效到高效的发展过程，机种的发展可以概括如图1。其中，三螺杆挤出机是近几年才面巿的新机型，包括一字排列的和三角形排列的两种机型。这些技术上的创新使挤出设备的塑化、混炼能力得到进一步加强，节能降耗上也有一定提高。
就挤出设备而言，单螺杆挤出机没有啮合区，双螺杆挤出机有一个啮合区，一字排列的三螺杆挤出机有两个啮合区，三角排列形的全啮合三螺杆挤出机有三个啮合区，如图2所示。三个啮合区的存在，使物料经受剪切的频率成倍提高，无疑对物料在流向、流速变化以及空间位置的交换、熔体界面的无规化方面产生了有益的影响。 
图1 发展中的螺杆类挤出机械
图2 单、双、三螺杆挤出机啮合区的比较
三角排列形的全啮合三螺杆挤出机绝不是三根单螺杆的简单组合。从几何结构学和运动学角度讲，螺杆之间以及螺杆与机筒之间所形成的空间结构复杂，相互啮合的三根螺杆一旦运转起来就等同于三对双螺杆同时运作，物料在三根螺杆上的运动轨迹及其所经受的剪切作用比其在双螺杆上所经历的复杂得多，流动形式亦有很大不同，如模拟所得的运动轨迹图3所示。
图3 螺杆典型位置粒子运动轨迹
图3分别表示四个起始位置不同的单个示踪粒子（图中的红点）所具有的不同的运动轨迹，在行进了30mm的轴向距离后最终所处的位置。上述典型示踪粒子运动轨迹的描述说明，物料在三螺杆挤出机里给定的热条件下经受着不同的力场作用，特别是三个啮合区的剪切场，对被加工材料中各组分的微粒化、均化的作用效果，是单螺杆和双螺杆挤出系统所无法提供的。正是这种空间多层面上的运动轨迹，使物料得以充分交换；使得三螺杆挤出机能以较短的长径比获得大长径比的单、双螺杆挤出条件才能获得的良好的分散分布混合效果。
三角排列三螺杆挤出机研发需解决的关键技术
专用传动系统的研究
传动系统和轴向力分配箱的研究设计是三角排列形的三螺杆挤出机的技术关键，是实现三根螺杆稳定运转的前提条件。与双螺杆挤出机相比，或与一字排列的三螺杆挤出机相比，三角排列形的三螺杆挤出机传动系统结构上较复杂，设计难度较大；三根螺杆的三角形排列限定了齿轮和轴承的设计空间，形成了空间结构设计和运行寿命两方面的制约和矛盾。双螺杆挤出机的研究、设计、制造、使用在中国已有20-30年的历史。如果说，双螺杆挤出机的研发受到螺杆中心距的限制，使得安装配比齿轮和推力轴承受到了空间尺寸上的局限，这种局限和困难在三螺杆挤出机上表现得更为突出，如图4所示。如何在有限的空间内进行优化结构设计，使三根螺杆同步运转，而且转速稳定、均匀，并保证承载力和使用寿命，外型尺寸上又不至于太庞大，成为本技术重点攻克的主要问题。
图4 相啮合的双螺杆和三螺杆空间尺寸上的限制
研究组全面归纳、分析了目前国外双螺杆挤出机传动系统的结构，如德国Leistritz公司和Bandera公司的双螺杆挤出机的输出级采用的是内传动；日本东芝公司和德国Berstorff公司的双螺杆挤出机采用的是双啮合传动。项目组将外齿传动、内齿传动和双啮合传动相结合的设计理念用于三螺杆挤出机传动系统的设计中，一方面突破中心距限定的空间，一方面有效保证三螺杆挤出机传动系统的承载和传递扭矩的能力；使整体设计较好地兼顾了承载、扭矩分配和使用寿命等技术特性。
螺杆几何学研究
几何排布
几何学是研究构件空间位置排布、形状、大小和相互作用的科学，一种机械装置要实现正常工作，必须满足一定的几何条件。对于三螺杆挤出机而言，除了要满足特定的几何条件外，还需考虑螺杆的啮合程度和旋转方向；这又决定了最终螺纹曲线的形成原理、作用机理和特性。
根据几何结构，三根螺杆的排布形式可如图5所示：一字排列、V字形排列或是三角形排列。其中，三根螺杆的一字排列和V字排列（图5的a、b、c和d），螺杆可以同向旋转也可以异向旋转，但只有两个啮合区。由于同向和异向螺纹曲线的生成原理不同，三角排列形的异向旋转三螺杆挤出机，其中一对螺杆只能相切不能啮合(图5e) ，不可能实现全啮合。从几何学来说，三角排列形的全啮合三螺杆挤出机只能作同向旋转（图5f）。
图5 三根螺杆的排列方式
螺纹头数、相位与不干涉运转条件
要实现三根螺杆的全啮合不干涉运转，螺纹头数不是任意的。本技术螺纹头数为三头或单头，而且两螺杆端面相位差为0°。
双头螺纹三螺杆无法满足不干涉运转条件。按照双螺杆挤出机的啮合原理，双头螺纹元件要实现不干涉运转，两根螺杆初始相位差为90°。将这一必要条件用于三角形排列的三螺杆挤出机是不可行的，原因有二：一是双头螺纹的三根螺杆彼此无法同时相互垂直，二是任何相位条件下都会有干涉，如图6。 
图6 有干涉的双头螺纹三螺杆
要避免双头螺纹三螺杆的干涉，就需调整螺杆中心距，使上部两根螺杆相切是方案之一，如图5（e），但只能形成两个啮合区。
等间隙啮合的修正
要实现三根螺杆同步运转时真正意义上的等间隙啮合，理论上必须从空间曲面几何学出发，对螺杆的外表面沿各点法向进行修正，本课题采用的是曲面法向修正法，获得的间隙如图7b。 
图7 法向修正后的间隙
实际生产中，导程不同的螺纹元件组合一起后，尽管螺杆间隙是均匀的，但接合面处的端面形状却不能完全吻合，如图8。工程中常用打磨的方法来弥补，但这不能解决根本问题，因为改变组合后这种不一致还可能再次出现。研究组提出了调整螺槽侧面曲线的方法来减小端面接合误差，这一过程称为端面接合误差修正，其效果是明显的。对于不同的螺杆参数，一般可以将这一误差降低到30%以内。
图8 端面结合误差修正
技术特点
结构特征
本技术研制的三螺杆挤出机由传动装置、三孔贯穿的组合式机筒、全啮合的三根螺杆及机头组成，其结构特征为：
1) 三根螺杆呈正三角形排列；
2) 三根螺杆等径、等长、全啮合；
3) 三根螺杆全主动、同向旋转；
4) 专用传动系统。
5) 螺杆为积木组合式，螺纹元件包括正、反向螺纹元件和捏合盘元件，改变螺杆组合可以适应多种材料和工艺。
技术性能特征
中心区特有的作用
三根螺杆成三角形排列后，构成了三个啮合区和一个中心区。中心区是三角排列形的三螺杆挤出机独有的区域，在轴线方向看是一个截面面积循环变化的区域。研究初期，对其作用有较大疑虑，认为有可能形成较大回流和滞流。
研究组对中心区可能的行为进行了模拟分析。由中心区的速度矢量图9可以看到，面积最大时，中心区存在环流，面积最小时没有这样的环流。模拟计算可知，95%的粒子会在5秒钟内流出模型区域。
a) 面积最大时存在环流
b) 面积最小时不存在环流
中心区面积的周期性变化，形成了类似于泵的吸合、吞吐作用。实验表明，在敞开机头的情况下，中心区的熔体以“串珠”的形式连续地向前输送，如图10。实测表明，中心区的这一流动占总输出量的8%-10%。这对于熔体的正向输送、建压具有明显的积极意义。
图10 三螺杆挤出机中心区的挤压泵送
然而，由于三螺杆挤出机刚刚问世不久，关于中心区作用的公认的理论研究目前还没有形成，对于熔体输送、熔融、混合的作用机理尚待深入研究。
剪切与剪切次数
由图11可以看出，三螺杆挤出机流场中92%的质点经受的最大剪切速率集中在0-1250内；而双螺杆挤出机流场中90%的质点经受的最大剪切速率集中在0-750内。由上面的分析可以看出，三螺杆挤出机里物料经受最大剪切速率分布的范围宽于双螺杆挤出机，这同样说明相同螺杆参数的三螺杆挤出机的分散混合能力好于双螺杆挤出机。 
图11 累计最大剪切速率分布
易于实现高填充
以炭黑母粒的制备为例，目前常规双螺杆挤出机挤出制备黑母粒时炭黑的添加量通常低于35%，高于这个比例常因瞬时扭矩过大而出现非正常停机。往复式单螺杆＋熔体泵工艺的最高添加量为44%。业界一致认为添加量较高的工艺为采用高搅初混后，由密炼机密炼，再将物料冷却破碎加入双螺杆挤出机进行造粒，有的还需经两次挤出造粒，添加的炭黑含量最高为50%。显然，采用此种工艺制备高浓度色母料，所需设备多，工序多，耗时长，耗能高，效率低，成本高。
采用本技术，经高速搅拌机初混后直接挤出造粒，方便地实现了55%高浓度炭黑母粒的制备，所用设备少，工序简单，能耗低，效率高，成本低。
关于排气脱挥
先进的单、双螺杆挤出机都配备有真空排气系统，用以脱挥、排气、除湿，确保产品质量。然而这对工艺条件有严格甚至苛刻的要求，如螺杆结构尺寸设计（即泵比设计）的严格要求，排气段前后工艺温度的合理调控，否则排气口容易冒料，需要经常清理；如果疏于清理，就会堵死气路，使真空排气系统无法发挥作用。试生产表明，使用三螺杆挤出技术，能够有效防止排气口冒料，提高排气脱挥效果，而且对工艺条件没有上述的严格要求，这给加工生产带来了极大的便利，很大程度上避免了工艺摸索引起的料耗、能耗、工时、人力及维修量。
分散、分布混合评价
母粒的制备中炭黑的分散是最难的，炭黑浓度越高，越难分散均匀，对炭黑本身的微细化和可分散性要求越高。
采用三螺杆挤出机，对以炭黑（牌号：326）填充度为55%的LLDPE材料体系分别在Φ60/20和Φ65/24的三螺杆挤出机和WP公司的ZSKΦ25/40双螺杆挤出机上挤出造粒，再对上述母粒切片，进行TEM透射电镜，再采用德国IBAS I/II 图象(粒度)分析仪进行粒度分析。由图12的透射照片和图13粒度分布上看，三螺杆样品透射照片与双螺杆样品透射照片中粒子形状和粒度大小，即分散分布混合效果几乎相同。
图12 黑母粒的透射照片(放大倍数：50000倍)
图13 炭黑的当量粒径及相对频率高新曲线
比能耗
关于比能耗，据文献统计，国产塑机上世纪80年代中期比能耗约为1.8-2.4 KWh/kg，90年代降为1.2-1.4 KWh/kg，相当于国际同期先进水平的2-3倍。国外传统机，90年代比能耗约为0.4-0.53 KWh/kg，平均0.464 KWh/kg。
我们在相同工艺条件下对比了65/24三螺杆挤出机与双螺杆挤出机的比能耗，采用的双螺杆挤出机为ZSK 25/40型。在制备聚丙烯（F401,MI=2.5）母粒时，螺杆转速由50～220rpm，三螺杆挤出机的比能耗为0.23～0.26 KWh/kg，对比机的比能耗为0.25～0.27 KWh/kg，前者比后者的比能耗低5%。对比数据说明，三螺杆挤出机比能耗明显低于90年代国外传统机水平。分析原因：一方面是因为三螺杆挤出机的螺杆长径比短，长度比常规的双螺杆挤出机大约短三分之一到二分之一，这对于能耗的降低是显著的；另一方面还要归功于三螺杆挤出机特有的几何结构，即存在三个啮合区和中心区，物料在机筒内部自由流动的空间增大，有助于降低螺杆的扭矩，从而降低能耗。
意义与前景
北京化工大学于2000年开始研发三螺杆挤出机，到2005年8月和2005年12月Φ60/20和Φ65/24两种规格的两台工业样机问世，并成功调试和试生产。在过去7年的研究实践中，在合作单位的共同努力下，完成了由“新构想—螺杆几何学研究—动态模拟—设计研制—流场分析—工业机”的研究过程，并就产能、比能耗、混合特性进行了较全面的研究。
本课题组开发的三杆挤出机
2006年8月11日，本技术通过了教育部组织并主持的科技成果鉴定，鉴定结论为“国内外首创”，技术为“国际先进”。
基于三角排列形的三螺杆挤出机在理论和实践上的创新，以及所带来的诸多技术优势，业内人士及专家十分看好这一项目，认为是对现有聚合物加工装备和技术的一个极大补充和发展，有望为中国塑料加工诸多热点领域提供急需装备，极大地推动中国在通用塑料功能化、工程塑料高性能化、导电高分子材料、高填充母粒等高端领域的研究和产业化。
由上述对三螺杆挤出机特有挤出特性的分析，可获得如下结论：
1、与相同螺杆参数的双螺杆挤出机比，三螺杆挤出机的多个啮合区，熔体经受剪切的频率成倍提高，三螺杆挤出机最大剪切速率分布范围较宽，从剪切分散角度讲三螺杆比双螺杆的分散混合能力强；
2、由于物料在三根螺杆上复杂的运动轨迹和空间交换，有利于获得填充物在材料体系里的均匀分布；
3、三螺杆挤出机特有的挤出性能，使其能以相对短的长径比获得良好的塑炼效果，而且整机能耗较低；
4、三根螺杆的交互作用和中心区的独有作用使三螺杆挤出机对高填充工艺有较好的适应性，能够满足高效和连续化生产的要求。 (end)
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(9/1/2007) |
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