单螺杆挤出机螺杆参数的计算.pdf

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挤出设备ExtrusionEquipment螺杆挤出概螺杆参数的计算吴崇周（四川大学高分子助剂研究所，成都610065）摘要：

本文对普通三段式螺杆的设计提出了有关参数的计算方法。

以聚合物的热物理参数、流变学参数为据，以例题形式对深延比、拖曳流、剪切速率、剪切应力、比能耗、混合度、停留时间、料温升高进行了大量的计算，并得出了最佳的设计效果。

关键词：

单螺杆挤出机；螺杆设计；参数计算ScrewParametersCalculation0fSingle-screwExtruderWuChongzhou（ThePolymerAdditivesResearchInstituteofSichuanUniversity,Chengdu610065）Abstract：

Thecalculationmethodofrelevantparametersofconventionalthree-zonescrewisintroducedinthearticleBasedonthermalphysicalparameters，rheologicalparameters，thedeeptensionratio，dragflow,shearrate，shearstress，specificenergyconsumption，mixingdegree，residencetime，temperatureelevationofmaterialarecalculatedTheoptimumdesigneffectisobtainedKeywords：

Single-screwextruder；screwdesignandrelevantparameters关于单螺杆有关参数的计算，作者曾有过报道n20本文主要对物料在单螺杆挤出机内的输送过程中所关心的几个问题进行了详尽分析。

混合度（M）是分析物料在螺槽中的分散程度，比能耗（e）是分析物料在螺槽中的塑化程度，停留时间（t）是分析物料主要成分的热历史或老化程度。

深延比（一仅）是与挤出流量Q和拖曳流（DragFlow）量Q相关的物理量又表征流体粒子的应变程度。

所谓三段式螺杆是把螺杆划分为如图l所示的三段：

供料段主要承担固体物料的输送；压缩段主要完成物料的压实和塑化；计量段主要承担熔体的输送和进一步塑化。

图190单螺杆及相关尺寸槽深比=h1h3=41，压缩比=384，计量段-LL；=L3h3：

315Fig1击90single-screwandrelevantsizeschanneldepthratio=LJha=41，compressionratio=384，length|depthratioofmeteringzone=LJha=315182oo3年第六期（总第l绷）：

塑料捕出维普资讯http:

/ExtrusionEquipment挤出设备一实例1

（一）螺杆直径635ram，螺杆长径LD=27，计量段长径比L。

D=12，计量段螺槽深度h0381ram，螺杆未设冷却，螺杆转数n=60rPm，132LDPE，挤出量Q=513kghr，机头压力70kgcm2，压力波动67。

LDPE在167C的物理参数：

熔体密度P=078gcm：

，表现粘度11=26gseccm，定压比热Cp=068caYgC。

解析如下：

1、深延比

（一）已给挤出量Q=513kghr=183cmVsec，设螺槽有效面积为97，拖曳流（DragFlow）量QD，QD=rDnh3cose（COSe一01）x097=190cm。

sec式中：

螺棱宽度=01D，则深延比

（一）定义为：

Q183r1=】一=】一=（）04QD1902、螺杆剪切速率：

QDl：

rrx635x1：

524sec-1h3O381这是计量段的剪切速率，与经验值比较显得较小。

3、混合度M根据文献，设计量段的有效长度L=12D，即物料完全熔融进入计量段。

M5近似简化为：

M詈（【+】一般把螺杆的螺旋升向0设为l7。

40，则上式改写为：

M：

372f）f164-）：

37212x635164+004：

l3023_2）_234、比能耗e比能耗定义为剪切应力与剪切应度9的积或发生单位应变所需的力或单位容积内所作的功。

冲2讪L3c=217IT635126635+12047+0040038121-004=2910gcmcm。

=2842Jcm注：

lgcm=981（）一（焦尔）5、停留时间t停留时间是指物料流经计量段所需的时间：

=2910gcm：

塑料挤出2oo3年第六期（总第12期）19维普资讯http:

/挤出设备ExtrusionEquipmentL3t：

693一丌Dn（635121丌635ll一004=276sec6、料温升高1r3T是在计量段均质熔体允许的最高温度T与进入计量段初始温度T之差。

Ta=e29X100002342PC。

078068100128oC注：

lkgmsec（）O02342Kcalsec根据以上计算结果，分析如下：

深延比

（一）仅为004，足以说明挤出物的质量不会太好；混合度M=1302，说明物料分散性不好，均质性差，挤出压力波动较大；比能耗e=2842Jcm，较小。

说明物料在输送过程中的应变小，自然反映出制品的均一性差。

（二）如果上述螺杆尺寸保持不变，而改变加工工艺，对挤出物的质量有何影响?

解析如下：

首先将深延比

（一）凭借经验设为03。

1、螺杆转数n挤出量Q=QD（1+），已知挤出量Q=183cm。

secQD-=1h3nD2rrcos0（cos0-01）x097=261cc故n=26120381丌635095308530972、螺杆剪切速率71n635137丌=h30381=717sec一3、混合度M635l2164+03M=3724、比能耗e038ll一03e=217丌635l26=2062=82rpm63512047+030=6510gcmcm。

=637Jcm。

5、料温升高AT：

038ll一03：

__e一：

鱼：

曼0002342t2TX=287，=一“PC。

078X0681006、停留时间t202o03年第六期（总第l2期）：

6510gcm。

：

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/ExtrusionEquipment挤出设备t=693鱼=276sec6351371-03由于深延比由004增大到03，螺杆转数提高tJ82rpm，机头阻力增大，混合度达2000以上，挤出制品质量大为改善。

（三）对于薄膜生产的场合，混合度要求达2500E右，螺杆尺寸调整如下，计量段长度ft312D增加为14D，深延比

（一）=03，计算有关参数。

解析如下：

1、螺杆转数仍不改变n=82rpm，（137rps）；2、螺杆剪切速率Dnh33、混合度M1T6351370381M：

372鱼：

曼曼：

+o_兰0381（103）4、比能耗e=717sec一=2406e=217763513726635x14_（047+0_32）=76l0gcm2=745Jcm30381（1-03）。

5、料温升高LT。

：

76xl0sx0002342U_00lUIJ6、停留时间tt=693鱼：

兰曼：

336oC：

322sec=1-037、剪切应力T：

（!

_鱼：

2鱼）专：

248gcmz322由于螺杆（计量段）II-L：

，混合度和比能耗都增大，料温由l28升到336C，特别对热敏树脂的加工，料筒冷却是十分必要的。

二实例2螺杆直径D：

635cm，螺杆长度LD=22（从加料孔至螺杆顶端）；供料段LD=2，螺槽深度h=1143cm；压缩段长度L，D：

16，计量段长度LD=4，螺槽深度h0239cm，螺槽深度比hh。

=475，计量段长深比Lhs=鱼兰曼__：

l06，料筒温度l80，螺杆转数n：

80rI）m，挤出物LDPE，密度0，918，MI：

16，LDPE在l80的密度0239P=076，定压比热Cp=068。

解析如下：

1、拖曳流（DragFlow）量QD；10（cosQD=2h3rrnD2cos00-01）x097=159cmsec2、将几种情况计算和测定结果列入表1。

塑料挤出2oo3年第六期（总第l2期）21维普资讯http:

/挤出设备ExtrusionEquipment表1计算和测量结果Tab1Calculationandmeasurementresults单位abCd机头压力Kgcm。

5814121l269挤出量QKghr558517454434深延比（一o）一028019004O0混合度M757102214651646比能耗eJcm13593133281695418718料温升高T5l596761838停留时间tSeC96143l76198剪切应力一rKgcm。

10091010计算结果表明，挤出量改变，料温变化较大，挤出量增加，混合度仅为757，塑化不好。

随机头压力升高，混合度M增大，挤出物品质提高，但挤出量减小。

就a、b、c、d四种工艺计算出的LDPE的熔融过程如图2（A）所示。

：

8。

402n供料压缩、一、一48060一三一4。

一20料图2LDPE的熔融过程Fig2MeltingprocedureofLDPE141822螺杆长度（xD三实例3为了在实例2中提高螺杆转数，增大挤出量，又不引起挤出量的波动，故增长计量段，由L3=4D延长为L3=13D，具体尺寸如下：

螺杆直径D=635cm，LD=22；供料段长度L=2D，螺槽深度h】=1143cm；压缩段长度L，=7D；计量段长度L=13D；螺槽深度（a）h3=0239cm，hitl3=475，L3113=341（b）h3=0279cm，h1h405，L3h3=293解析如下：

（a）场合h=0239cm，螺杆转数n=16Orpm，机头压力为140kgcm，挤出量Q=7875kghr，拖曳流量QD=3187cm3sec，温度控制为225C，该温度下LDPE的熔体密度9=074gcm。

（b）场合h3=O279cm，螺杆转数n=280rpm，机头压力为238kgcm，挤出量150kghr，拖曳流量QD=655cmVsec，温度控制为同（a）。

计算结果列入表2，料温升高如图3所示。

2oo3年第六期（总第l凋）PLASTI。

CS塑料菥出b一、一，_、蟾压维普资讯http:

/ExtrusionEquipment挤出设备a图3螺杆转数与料温关系a计量段L3=13D，螺槽深h3=0239cm；bh3=0279cm；c计量段L=4D，螺槽深h3=0239cmFig。

3Relationbetweenscrewrevolutionandmaterialtemperature表2计算与测定结果Tab2Calculationandmeasurementresults指标单位（al（b）Cm0，sec2956563挤出量Qkghr7875l50深延比（一d）007014混合度M138（1999）1314（1927）比能耗eJcm31962353料温升高AT3891l06停留时问tSec67641剪切应力kgcm。

1114实验结果表明，用比较小的混合度得到了较好的挤出制品，但计量段平均剪切应力达lkgcmz以上，进入计量段的未熔完的固体余料在计量段切力场下破碎的同时又促进熔化，熔融过程如图2（B）虚线所示，设有10未熔余料在llD位置熔完，而混合度M列入表2括号中。

四实例4用90ram挤出机JIJPVC膜，质量较好但用15ram挤出机加工时，可嗅到分解气味，挤出量尽可能提高140kghr左右，应对挤出机如何改良?

挤出机螺杆参数如表3。

表3挤出机螺杆参数Tab3Screwparametersofextruder巾90击115螺杆长径比2222供料段长度L3D3D螺槽深度h165ram1J88mlm计量段长度4D4D螺槽深度h055ram055ram一PLASTI。

CS塑料出20o3年第六期（总雾l2期）23一维普资讯http:

/挤出设备ExtrusionEquipment压缩比2630挤出量Q65kghr134kghr螺杆转数1137rPm37rPm计量段有效长LE09h309h3PVC物理性能：

熔体密度：

P=135gcm。

；定压比热：

Cp=O5calgC；表观粘度：

=28gseccm2。

解析如下：

（一）90mm挤出机螺杆转数n=37rPm=0617rps；挤出量Q=65kghr=-134cm。

sec；拖曳流（DragFlow）量QD，1QD_=_h3盯nD。

COS0（cos001）097=34cm。

secZL3h3=49055=6551、剪切速率一y=叮T906l7=317secl4552、深延比

（一）（-l_-（）_6l3、混合度MM=3724099（164+061）055（1-061）=12644、比能耗ee=217百9。

617284099（04j7+0612一）251。

cm2=245Jcm3055（1061）5、料温升高ATT：

25xl0sx0002342：

87oC一一051351006、停留时间tt：

639IT906l7

（二）115mm挤出机：

304see=5U1-06l螺杆转数n=37rPm=0617rps；挤出量Q=134kghr=276cm。

sec；拖曳流量（DragFlow）QD，Qn：

一1D2COSO（cosO一01）097：

556cm37rnh3secQ。

oo一0）0_97=6ec242003年第六期（总第l2期）塑料挤出维普资讯http:

/ExtrusionEquipment挤出设备L3h3=4115055=8351、剪切速率丌11506l7y=405sec一0552、深延比（一0【）（一0【）：

l一276：

0505563、混合度MM：

3-72：

!

：

=1198055【lU50）4、比能耗ee：

217丌115061728_115x4x0_9（047+0502）：

27l0gcm2：

2646Jcm3055（1-050）5、料温升高：

兰-70002342：

9-4051351006、停留时间tt：

639：

237sec丌l1506171-0507、平均剪切应力Tr：

犀=（8gg将以上计算结果汇集表4。

从表4可见，1l5mm挤出机的比能耗e比90mm挤出机大，料温升高T。

也高07c。

由于挤出量的比与螺杆直径比的2957Y相等。

=c）（，=cx=295所以，尽管料温升高T。

仅差（）7，但115挤出机物料的热历史就比90挤出机要差，导致PVC的热分解。

表4指标单位90挤出机115挤出机螺杆转数nrps06l706l7挤出量Qcm3sec13-4276QDn340556kn655835剪切速率Sec一317405深延比L一（0【）06l050混合度M1641198比能耗eJcm02452646料温升高879-4停留时间tSec30-4237平均剪切应力一rKgcm015018：

塑料挤出2oo3年第六期（总第l2期）25维普资讯http:

/I挤出i殳备ExtrusionEquipment如何对l15挤出机进行i忙4整呢?

提出了降低比能耗的修正方案。

修正方案：

螺杆直径与螺槽深度h：

和螺杆转数n的关系，根据FischerlI的放大原理表示如下：

h。

CDn。

CD一ll5挤出机的计量段螺槽深度h，l15h3h3（90（9（）07=065cmll5挤出机螺杆转数n：

l15cllfI“=n（9）9=053rps=32rpm将混合度M、比能耗e、料温升高L、停留,PJt等参数的计算结果列入表5。

从表5可见，计量段长度不变（L=4D），加深螺槽深度，料温升高降为59C，减小了物料在输送过程中的摩托热，但混合度降为1040，显然，对薄膜的加工所所要求的参数小了一些。

为了使M1200右，将计量段长度L由4D改为5D，计量段的长L深h的比：

5l15Lh3=一=885065从表5可见，L=5D，M和T都有所升高，为了使挤出量达tJ140kghr（288cm。

sec），对挤出机调整如下：

285深延比

（一）：

l一=049565可以通过机头阻力的调整达到此目的，调整后的计算结果列入表5中，M=1237，比能耗e=196Jcma，料温升高AT=69，实验结果可以满足加工要求。

表5115挤出修正比较Tab5Correctioncomparisonof击115extruder修正前修正后单位Q=134Q=140L3=4DL3=4DL3=5DL3=5D供料段长度LCm3D3D2D2D螺槽深度hCm188188188188计量段长度LCm4D4D5D5D螺槽深度hCm055065065065长深比Lh：

836708885885槽深LLhh34292929