單螺桿擠出機螺旋溝槽固體段產量的實驗研究

賈明印，薛 平，苗立榮，潘 龍

（北京化工大學機電工程學院， 北京 100029）

單螺桿擠出機螺旋溝槽固體段產量的實驗研究

賈明印，薛 平，苗立榮，潘 龍

（北京化工大學機電工程學院， 北京 100029）

在自制的測試儀上對單螺桿擠出機螺旋溝槽固體輸送段的產量進行了實驗研究，探討了溝槽襯套、螺桿的結構參數，物料粒徑大小及螺桿轉速對單螺桿擠出機固體輸送段產量的影響，同時將螺旋溝槽單螺桿擠出機與IKV擠出機固體輸送段的產量進行了對比。實驗研究表明：粒徑越小，螺旋襯套溝槽越寬，固體輸送段產量越高；螺桿螺距變化對擠出機固體輸送段產量的影響很小；IKV直槽擠出機固體輸送段的產量明顯小于螺旋溝槽襯套擠出機的固體輸送產量，而且隨著轉速的增加，趨勢越明顯。

螺旋溝槽；單螺桿擠出機；固體輸送；產量

單螺桿擠出機在現代聚合物加工工業中得到了廣泛的應用，特別是光滑機筒單螺桿擠出機，其輸送機理為摩擦拖曳輸送，輸送動力物料與機筒之間的摩擦力，只有當物料和機筒內壁之間的摩擦力大于物料和螺桿表面之間的摩擦力時，物料才能在固體輸送段中進行有效地輸送。光滑機筒擠出機的缺點是輸送效率低，比能耗大，比功率小。為彌補光滑機筒擠出機的缺陷，研究者們[1-3]開發了機筒內壁開設軸向溝槽的IKV擠出機。雖然IKV擠出機的輸送機理仍是摩擦拖曳輸送，但是其機筒等效摩擦系數高，輸送效率高。因為溝槽處機筒摩擦系數等效于物料內摩擦系數，而內摩擦系數約為外摩擦系數的5倍[4]，因此，二者疊加，相當于增大了IKV擠出機機筒的摩擦系數，由此帶來IKV擠出機具有建壓能力強、輸送能力高、擠出穩定性好等優點。但是，隨著IKV擠出機的應用，研究者們也發現了IKV擠出機的缺陷，如，固體輸送段摩擦熱大、能耗大、襯套磨損大、不經濟等。為彌補IKV擠出機的缺陷，研究者們又開發了機筒內壁開設螺旋溝槽的擠出機[5-7]，該類擠出機在輸送機理、產量、能耗、摩擦熱等方面均極大改善了IKV系統的缺陷。

本文通過自行設計的具有不同結構參數的機筒襯套和螺桿，組成多套僅有固體輸送段機筒和螺桿組成的擠壓系統，研究了襯套形狀、螺桿結構參數、螺桿轉速、粒徑大小等對單螺桿擠出機固體輸送段產量的影響，判定螺旋溝槽襯套擠出機較IKV擠出機的優勢，為其工業化應用提供依據和指導。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

LDPE，LD607，中石化燕山石化。為考察粒徑對固體輸送段產量的影響，將購買的原料通過造粒機制成4種粒徑規格，分別為0.8～1.0 mm，1.3～1.5 mm，1.8～2.0 mm以及原料本身大小，約2.5 mm左右。

1.2 實驗主要設備

實驗設備為自行研制的僅有固體輸送段機筒和螺桿組成的特殊擠出機。機筒襯套結構類型包括：軸向直槽襯套（IKV襯套）、窄螺旋溝槽襯套（襯套-a）、寬螺旋溝槽襯套（襯套-b）；螺桿結構類型包括：定螺距螺桿（螺桿-a）和變螺距螺桿（螺桿-b)。襯套及螺桿的主要結構參數分別見表1和表2，實驗裝置如圖1所示。

表1 螺桿的主要結構參數Table 1 Main structural parameters of the screw

表2 襯套的主要結構參數Table 2 Main structural parameters of the groove

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the extruder specially designed for the experiment

1.3 實驗方法

物料從加料口加入螺槽，在螺桿螺棱和機筒加料套螺棱共同推動下向前輸送，物料被不斷的壓實，當積累到一定壓力時，物料頂著導流錐后退并壓縮彈簧，當擠出狀態穩定時，壓縮彈簧靜止，擠出穩定，物料在導流錐作用下進入錐套，錐套上開設有兩排交錯的出料口，出料口的切線方向與固體塞運動方向一致，而且錐套料出口面積與物料在螺桿螺槽及溝槽中的流通面積相等，以保證物料的出料狀態和擠出過程的真實一致。從擠出機錐套出料口提取一定時間內的物料，換算為小時產量，即可測定擠出機固體輸送段的產量。同時改變螺桿轉速，實現不同轉速下產量數據的測試，每次實驗的其他參數均保持一致。

2 結果與討論

2.1 襯套溝槽寬度變化對固體輸送段產量的影響

機筒襯套溝槽寬度對擠固體輸送段產量的影響如圖2所示，其中圖2(a)所對應的實驗系統為螺桿-a與不同槽寬溝槽襯套組合下的產量曲線圖，圖2(b)所對應的實驗系統為螺桿-b與不同槽寬溝槽襯套組合下的產量曲線圖，加工原料粒徑均為0.8 ～1.0 mm。由圖2可知，在其他條件保持一致的情況下，寬槽襯套（襯套-b）固體輸送段的產量大于窄槽襯套（襯套-a），而且提高的幅度很明顯。主要原因是在其他結構參數一定的條件下，溝槽寬度增加，相當于增加了擠出機進料口處的喂料容積，同時由于螺旋襯套擠出機固體輸送段為正位移輸送[6]，故加料口處喂入的物料越多，產量越高。從圖2也可以看出，理論計算和實驗曲線比較接近。

圖2 溝槽寬度對固體輸送段產量的影響Fig.2 Effect of groove width on the output of solidconveying zone

2.2 螺桿螺距變化對固體輸送段產量的影響

螺桿螺距對固體輸送段產量的影響如圖 3所示，實驗用原料粒徑均為1.8～2.0 mm。

由圖3可知，當襯套結構參數一定時，螺桿螺距變化對擠出機固體輸送段產量的影響很小，不明顯。主要原因是擠出機的產量主要取決于進料處的喂料容積，而螺桿-b（漸變螺距螺桿）雖然螺距逐漸變小，但是其變化是從距離加料口一段距離后開始的，即二者在加料口處的喂料容積相同，同時由于擠出機基本為正位移輸送[6]，根據質量守恒原理，產量也相等。

圖3 螺桿螺距對固體輸送段產量的影響Fig.3 Effect of screw pitch on the output of solid conveying zone

由此也可以判定，具有正位移輸送功能的螺旋溝槽單螺桿擠出機的產量主要取決于進料口處螺桿螺距的大小，進料口后面螺桿螺距的變化對產量基本沒有影響。

2.3 原料粒徑大小對固體輸送段產量的影響

原料粒徑大小對固體輸送段產量的影響如圖 4所示，螺桿轉速為40 r/min。

圖4 粒徑大小對固體輸送段產量的影響Fig.4 Effect of particle size on the output of solid conveying zone

由圖4可見，固體輸送段的產量隨粒徑的減小呈增加的趨勢，主要原因是在擠出機進料處喂料容積一定的情況下，物料的粒徑越小，松密度越大，可壓縮性越強，故在相同體積下，粒徑小的，其總質量要高，同時由于擠出機基本為正位移輸送，所以粒徑越小，擠出機固體輸送段的產量越高。實驗中最小粒徑下的產量較最大粒徑下的產量高22%。從圖4也可以看出，無論溝槽寬度和螺桿螺槽寬度如何變化，均滿足該趨勢。

2.4 螺桿轉速對固體輸送段產量的影響

螺桿轉速對固體輸送段產量的影響如圖 5所示，實驗用原料粒徑為1.8～2.0 mm。

圖5 螺桿轉速對固體輸送段產量的影響Fig.5 Effect of screw speed on the output of solid conveying zone

從圖5可以看出，無論是開槽擠出機固體輸送段的產量與螺桿轉速之間均滿足很好的線性關系，而且實驗值和理論計算值很接近，這與正位移輸送的理論預期比較吻合[6]。

2.5 與IKV擠出機的比較

螺旋溝槽襯套擠出機與IKV擠出機（直槽襯套）固體輸送段的產量對比如圖6所示。

圖6 螺旋溝槽擠出機和IKV擠出機固體輸送段產量的對比Fig.6 Comparison of the output in solid conveying section between helically grooved feed single-screw extruder and IKV extruder

從圖6可以看出，IKV直槽擠出機固體輸送段的產量明顯小于螺旋襯套擠出機的產量，而且隨著轉速的增加，趨勢越明顯。主要原因是IKV擠出機的輸送機理為摩擦拖曳輸送，襯套溝槽對固體輸送量的貢獻較小，固體輸送效率低，而螺旋溝槽襯套擠出機為正位移輸送，溝槽對固體輸送產量貢獻大，輸送效率高，故其總產量比IKV直槽擠出機高，且轉速越高，二者的產量差距越大。實驗測試的螺旋溝槽襯套單螺桿擠出機在擠出對象為LDPE時，其固體輸送段的比流率約為 0.58（kg/h）/（r/min），相當于擠出機標準中（JB/T 8061－96）比流率的兩倍，由此可見螺旋溝槽擠出機在產量上還是非常有優勢的。

3 結 論

（1）粒徑越小，物料的松密度越大，固體輸送段產量越高；寬螺旋溝槽襯套擠出機固體輸送段的產量明顯高于窄螺旋溝槽襯套的產量；當襯套結構參數一致時，螺桿螺距變化對開槽擠出機固體輸送段產量的影響很小；

（2）IKV直槽擠出機固體輸送段的產量明顯小于螺旋溝槽襯套擠出機固體輸送的產量，隨螺桿轉速的增加，趨勢越明顯。

[1] Sikora J W. The effect of the feed section groove taper angle on the performance of a single-screw extruder[J]. Polymer Engineering and Science, 2001, 41(9)： 1636-1643.

[2] Rauwendaal Chris, Sikora Janusz. The adjustable grooved feed extruder[J].Plastics Additives and Compounding, 2000, 2(6)： 26-30．

[3] Potente H. Methods of calculating grooved extruder feed sections[J].Kunststoffe- German Plastics,1985, 75(7)： 25-26.

[4] 朱復華. 擠出理論及應用[M]. 北京： 中國輕工業出版社, 2001：18.

[5] Miethlinger Jurgen. Modeling the solids feed section in grooved-feed extruders[J]. Kunststoffe Plast Europe, 2003,93(4)：49-53.

[6] 潘龍,賈明印,等.螺旋溝槽單螺桿擠出機雙螺棱推動模型的研究[J],中國塑料,2010, 24(11)： 94-99.

[7] 苗立榮, 潘龍, 薛平.單螺桿擠出機螺旋溝槽固體段壓力的實驗研究[J]. 當代化工,2011, 40(4)：347-350．

Experimental Research on the Throughput of Solid Conveying Section in Helically Grooved Feed Single-screw Extruder

JIA Ming-yin,XUE Ping,MIAO Li-rong,PAN Long
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029，China)

Experimental research on the throughput of solid conveying section in helically grooved feed single-screw extruder was carried out by the self-designed tester．Effects of main structural parameters of the groove and the screw,particle size of the material and screw speed on the throughput of solid conveying section were discussed．Besides，the throughput of solid conveying section in helically grooved feed single-screw extruder was compared with that in IKV extruder．The results show that the smaller particle size and the bigger groove width，the higher the throughput of solid conveying section ; effect of screw pitch on the throughput of the extruder is not obvious; the throughput of IKV extruder is much lower than that of helically grooved feed single-screw extruder, and the higher screw speed , the more obvious the trend.

Helically groove；Single screw extruder；Solid conveying；Throughput

TQ 051

A

1671-0460（2012）01-0004-04

國家自然基金項目，項目號：50873014

2011-11-18

賈明印（1979-），男，河南人，博士，研究方向：從事高分子材料加工技術的研究。E-mail：jiamy@mail.buct.edu.cn，電話：010-64436016。

薛平（1963-），男，教授，博士生導師。E-mail：xuepmail@263.com，電話：010-64436016。