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0 　 引　 言

　  對單螺桿 ,不管它們在螺桿型式、機筒結(jié)構(gòu)以及整機結(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。 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 ,致使物料被強制向前推進。

雙螺桿的輸送機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。雙螺桿輸送機理與其幾何學(xué)密切相關(guān) ,要了解輸送機理 ,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中的柱塞 - 機筒結(jié)構(gòu) ,其中的熔體是靠往復(fù)運動的柱塞而被強制向前輸送的 ,即垂直于柱塞軸線的柱塞端面移動把熔體推向前進。 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 　 正位移輸送機理

　  對基于正位移輸送機理的異向旋轉(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兩輥間隙中的流動類似 ,但并不完全相同。在壓延機中 ,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

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理研究 .碩士論文 ,天津大學(xué) , 1995. 3

 

 

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