螺桿設計方法探討及在果筐注射機螺桿設計中的應用

韋浪舟，王昭，周博

(1.柳州塑機總廠，廣西 柳州 545000,2.伯樂智能裝備有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

在塑料制品的生產歷程中，塑料發生了諸多變化。塑化就是其中一個極其復雜的變化過程。即便到了今天，螺桿設計者仍然不能通過計算描述這一過程的數學模型來確定設計參數。甚至連這一數學模型也是在作了眾多假設和簡化后才能建立。設計螺桿被視為是一種技藝而不是科學。

盡管如此,理論研究的成果能給設計者指明設計路徑和給出取值范圍。理論分析與實踐經驗相結合，能收到事半功倍的效果。

將塑化過程看成是螺桿在一個可伸縮的機筒內旋轉，這樣，就可以借鑒擠出理論來分析物料在注射螺桿中塑化的熔融機理。

文中所說的果筐注射機是指生產筐狀的塑料制品的專用機型。

文中所說的果筐是指一次性使用的果筐。加工它需要滿足的要求，遠比加工可重復使用的果筐，或者塑料周轉箱之類產品需具備的條件來得苛刻。

加工果筐對螺桿的基本要求：

（1）很高的塑化能力：一只重量為1 100 g的果筐,允許塑化時間只能在12～15 s之間。

（2）果筐裝滿水果后,在運輸途中果筐不損壞的前提下,能夠堆垛的筐數多,果筐就暢銷，而且售價高。

（3）塑料原料是回收料，主要成分是PE，混有其它型號的塑料回收料，原料中有金屬粉末也不奇怪。

1 螺桿設計

1.1 螺桿構型的選擇

波狀螺桿塑化能力強；塑化質量好；流道中沒有死角,塑料中混入硬質顆粒,也不容易造成機筒或螺桿磨損。而且，對不同型號的塑料適應性強；通用性好，在不是水果收獲的時節，不用更換螺桿，機器也能用于加工別的產品。

銷釘混合段設置在均化段末端。外形呈菠蘿狀的銷釘段可分割料流，迫使物料流線的空間位置、速度發生變化。經過一系列的分流、匯合和換向之后，提高了螺桿的混合能力。

圖1是螺桿的示意圖。

式（1）是該螺桿的流率計算式[1]:

式中：

V——擠出量總體積；

H——均化段螺槽深度，(為統一起見，下文均用H3表示均化段槽深)。

式（1）的第一項是拖曳項，第二項是壓力倒流項，其余兩項是漏流項。

如果暫時不考慮漏流項，從式（1）知，拖曳流量與H3成正比，壓力倒流流量卻與H3的三次方成正比。設計資料[2]推薦：

式中DS螺桿直徑

由下述公式確定值H3:

過大的均化段槽深會造成塑化不良和壓力倒流量加大，在注射機的塑化系統中，噴嘴處的壓力是比較小的。而雙波螺桿，由于結構的特殊性，不必對壓力作過多的考慮。只是在設計塑化單元其他零件（止逆環、推力環、螺桿頭）時，須考慮它們與螺桿的匹配問題[5]。

鑒于果筐注射機專用螺桿的特殊要求，可加大均化段槽深值以提高產量，與普通螺桿相比，前者取值是后者的1.3倍。

1.2 雙波段設計

波狀螺桿的設計工作內容，主要包括選擇波數、波峰值Hmin、波谷值Hmax、附加螺紋棱頂寬度值δ和附加螺紋棱頂與機筒內壁間隙值的大小。

這幾個參數的確定，需根據對螺桿的使用要求，統一考慮。

（1）波數與螺桿長徑比有關，由于受到機器整體布局的限制，（見表1），只能取4個波數，這是波數的最小值。

表1 果筐注射機專用螺桿的參數和使用效果

（2）在螺桿的波峰處，機械能迫使解體后的固體床產生滑移摩擦，物料顆粒表面因摩擦而產生內能（FED）；物料顆粒受到外壓力而發生變形、破裂，產生內能（PED）；熔融體相鄰層間的摩擦力產生的內能（VEP）增大。在螺桿波谷處，物料因螺槽深，容積大，受到剪切小，壓力也低，停留時間長，固體床和熔融體相互摻混。物料受到反復擠壓和攪混，熱量均化和混合狀況得到了改善，這一切使得熔融過程加快。

波谷值受螺桿強度的約束。

雙波螺桿一般以2π為一個波形周期，相鄰波型起點相位差值為π。將雙波螺桿彼此相鄰的兩條波狀槽，分別命名為A槽和B槽， A槽和B槽中間再增加一條附加螺紋。

在一個波形周期中，由于起點相位差的原因，如果在波形的前半個周期，A槽的槽深值在逐漸增加，那么，B槽的槽深值肯定在逐漸減少。在波形的后半個周期，情形正好相反。兩槽之間就形成壓力差。

這樣，在波形的前半個周期，B槽的熔融體越過附加螺紋與機筒形成的間隙而進入A槽，而在波形的后半個周期，A槽的熔融體用同樣的方式進入B槽。任一個波形周期中，A槽和B槽，同時都有熔融體流進和流出。越過附加螺紋與機筒內壁間隙的熔融體體量多少，很大程度上由附加螺紋螺棱的頂部寬度值與附加螺紋與機筒內壁的間隙值大小所決定。間隙值越大，寬度值越小，越過附加螺槽的熔融體體量就多；橫流增大；波狀槽的壓力降就小，輸送效率就高；這是有利的一面。不利的是，物料通過附加螺紋螺棱的頂部時，受到的剪切力就小，一些未熔的固體塊也能越過附加螺槽，混合質量下降。為了提高產量，間隙值可取大一些。

物料處在波峰區域時，應該受到足夠的剪切，因而，波峰值由原料的尺寸來決定的。根據原料的情況定Hmin值。

加工果筐的原料是回收料，尺寸不一，形狀各異，原料是由少量的粉、片狀粒子摻混加入到顆粒狀的物料中構成。因此，只能由構成原料主體的那一部份物料的尺寸確定波峰值。

資料[2～4]介紹，擠出機雙波螺桿波谷處的槽深可取值：

相仿，設計果筐注射機專用螺桿，波谷深度的參考值為：

若Ds=85 則Hmax=17.4

就波狀段而言，壓力最大值出現在料流離開波狀段處，壓力最小值出現在料流進入波狀段處，定義為波形段壓縮比。波形段壓縮比增大，波狀段兩端壓力差就大，塑化能力下降。同樣的波形段壓縮比，深谷螺桿比淺谷螺桿產量低。

基于果筐注射機專用螺桿的特殊要求，依據以上分析，經生產驗證后，修改波谷值。?。?/p>

（3）間隙值δ是一個重要的參數，資料[4]介紹：

Δ為主螺紋與機筒內壁間的間隙值。在大多數的設計中，Ds=85的螺桿，Δ=0.25～0.35。

加大δ值，盡管一些未熔的固體塊能越過附加螺槽，但固體塊在向前移動時的空間流線，要經過幾個波狀段，經過每一個波段，空間流線的方向、位置、流動速度都在變化，螺桿前端還設計有菠蘿型混合段，混合質量能保證。

取δ=1

（4）附加螺紋螺棱頂部寬度值w

附加螺紋螺棱頂部寬度值，要受到螺棱機械強度到約束。在塑化、注射過程中，螺棱前、后緣壓力差；螺棱頂部的剪應力是作用于螺棱的外載[1]。

取：W=5

采用圖2所示的螺棱構型，螺棱底部的應力集中狀況大為改善[1]。

經理論分析和生產實踐驗證后取值，機器的產量和產品的質量達到了預期的目的。

2.3 加料段的設計

加料段的主要功能之一是保證穩定、與熔體輸送和物料塑化能力相匹配的固體輸送量。

固體床與機筒的摩擦力構成了固體床前移的推動力，而固體床與螺桿的摩擦力構成了固體床前移的阻力。

固體輸送速率為[2]：

QS——固體塞的流率；

H——加料段槽深，(為統一起見，下文均用H1表示加料段槽深)；

Φ——輸送角。

從式（5）知：H1與Φ和QS的關系很復雜(螺桿幾何參數還是決定Φ數值的重要因素之一)，H1有最佳值。在其它條件不變的情形下，隨著槽深（H1）值由小變大，固體床與螺桿的接觸面積、螺桿螺槽的截面積都也隨之增大，而固體床與機筒的接觸面積卻不變。這樣，固體輸送量先是隨著槽深值增大而增大，當槽深值到某一數值后，固體輸送量卻是隨著槽深值增大而減小。

單獨考慮輸送段槽深值是不恰當的。在固體輸送段中，螺槽兩端壓力差的增大會減少固體輸送量[3]。均化段槽深（H3）、壓縮段長度(L2)、

輸送段槽深（H1）這三個數值必須與固體床的熔融速度相匹配，同時采用短長度的壓縮段和大數值的螺桿壓縮比的螺桿結構是極為不妥的。不存在為了正常塑化而需要快速壓縮螺桿的物料。

資料[2][5]給出了壓縮比的參考數值。和決定波谷值的過程相似，最終取螺桿壓縮比取值為ε=2.1。

順帶說的是，通用型的雙波螺桿，螺桿壓縮比取2.1，也得到了很好的塑化效果。

增大螺槽截面積或者減少物料與螺桿的接觸面積能增大機器的塑化能力。圖2是果筐注射機專用雙波螺桿垂直于螺棱的剖面圖，圖3是通用型螺桿垂直于螺棱的剖面圖。

ΔL: 圖三、圖二兩者的物料與螺桿接觸線長度之差。

ΔS: 圖2、圖3各自的螺槽截面積之差。

α值較小，按級數展開后作近似計算：

由此可知，圖2中，螺槽截面積增大(對塑化有利)的同時，螺桿與物料的接觸線長度也在增加(對塑化不利)，只是有利影響大于不利影響。

粘性牽附理論[3]的模型示意圖見圖4。圖2所示的螺棱構型，在固體輸送段，一區熔料的一部份將會進入圖三所示的螺槽新增三角型區域內，固體床的寬度會增大，牽引角也會增大，從而增大固體輸送率。

在熔融段，局部熔融速度直接決定于固體床寬度，圖2所示的螺棱構型對螺桿的熔融性能帶來了收益。

更改螺棱構型，僅考慮由于幾何參數變化而帶來的收益，是不全面的。從式（8）、（9）中看到，ΔL、ΔS的數值均不大，螺棱構型的更改必須受到不能削弱螺棱強度這一條件的約束。更改的目的主要是使螺棱構型有助于增強物料正向輸送能力和幫助加快物料熔融過程。

在生產中取得很好效果的雙波螺桿見圖1。

表1給出了雙波螺桿的部份設計參數。

表1是兩種果筐注射機專用螺桿的參數對比和使用情況匯總。

3 改進

拆、裝噴嘴時，螺桿處于靜止狀態，停留時間比正常生產時的停留時間增加9～14倍。塑料在機筒熱傳導作用下得到更充分地熔融。所以，取輔以合理地設計機筒[6]，塑化能力更好。

與的螺桿相比，的螺紋段加長。螺桿各段需要具備的功能是不同的，因而，改進后的螺桿輸送段長度為9.49D, 均化段長度不變。

4 用相似理論設計不同規格的果筐機螺桿[3] [5]

相似設計不是類比放大。設計前須規定一定的前提條件：

雙波螺桿有四個波形；

果筐機螺桿的尺寸按下列算式確定：

式中，下標帶“N”者，為新設計的果筐機螺桿；下標帶“O”者為經生產實踐檢驗性能良好的果筐機螺桿。

筆者應用式(10)至(18)設計了多種不同規格的果筐機螺桿，效果令人滿意。

5 結論

作者在塑化理論的指導下設計果筐注射機專用螺桿，在生產實踐的基礎上修改設計參數。提出了設計規范。

設計注射機螺桿所需的基礎理論知識涉及眾多學科。復雜、多變的加工工藝條件；相同型號的物料流變性能因聚合物生產條件的不同而產生差異，這一切，使得通過計算來確定設計參數變得異常困難。管見所及，本文探討適用于工程實際的設計思路和設計公式。目的是在設計被稱為注射機心臟的螺桿時，有一種實用的設計方法，并使之不局限于設計果筐注射機的專用雙波螺桿。