一種評價螺桿性能的簡單方法

文/Frankland Plastics Consulting公司Jim Frankland

在擠出加工中，單螺桿的性能是最關鍵但同時也是最不容易理解的因素之一。要成為這方面的專家往往需要非常專業的培訓以及豐富的經驗積累。但是，如果只是想要了解有關單螺桿性能的基礎知識，你只需要一個簡單的計算器和幾個方程……

本刊在2018年第7/8期中，以螺桿（計量段采用標準螺距）的拖曳流方程簡化了對螺桿擠出量的計算，最終公式為：

式中D =螺桿直徑（in）；

H =螺槽深度（in）；

N =螺桿轉速（r/min）。

然后，由該公式得到的擠出量乘以130，再乘以聚合物的熔體比重，就可以將擠出量從in3/sec轉化為lb/h。不過，這種計算方法只適用于開放式出料或是無機頭壓力的情況下。

如果由筆者來評估螺桿的性能，第一件要做的事情就是看螺桿的實際運行如何能達到計算出的拖曳流水平。通常，一根螺桿的實際運行效果不會顯著超過計算得到的拖曳流數值，除非計量段非常短或是進料段開槽。因此，計算得到的拖曳流一般就是預期的最大擠出量。

如果實際擠出量非常接近計算值并且很穩定，說明螺桿設計平衡，也就是說進料段、熔融段和泵送段都與螺桿的計量段協作良好。但如果擠出量顯著低于計算的拖曳流，那就需要檢查一系列事項，而首先就是機頭壓力的影響。因為當機頭壓力存在時（如同在實際的擠出過程中一樣），擠出量通常要低于計算的拖曳流。這是為什么？

文中的示意圖說明了原因。在圖中，A表示純粹的拖曳流，其螺槽頂部的速度（Vb）與螺桿相對于機筒的運行速度相同，底部的速度為零速度（V0）；而B展示了機頭壓力帶來的影響：雖然拖曳流仍然存在，但是機頭壓力導致處于螺桿底部的熔體向后移動，所以，在機頭壓力的作用下，凈流量等于拖曳流減去向后的壓力流。

本來，通過拖曳流來預估擠出量就是一種近似的計算。而與拖曳流相比，想要計算機頭壓力的影響其精確程度還要再低一些，這是幾個原因導致的。首先，它取決于計量段的聚合物黏度；其次，在計量段的開始處通常存在一個壓力，該壓力會抵消機頭壓力。而即使采用先進的計算機模擬，也很難精確地確定這些變量。

壓力流的計算基于兩個數值，其一是剪切速率/黏度曲線（在特定的熔體溫度下）上的黏度估計值，其二是計量段開始處的壓力假設值。如果你知道現有的熔體溫度，同時有該聚合物的剪切速率/黏度數據，那么黏度的估計值會非常準確。而計量段開始處的壓力值涉及相當多的變量，而且需要經驗。

螺桿中的壓力變化與螺桿轉速、段長度、熔體黏度、螺距和螺桿直徑成正比；與螺槽深度的平方成反比。即使有相當多的經驗，但是如果沒有沿著機筒放置的壓力傳感器，也很難確定進入計量段的壓力近似值。所以，這個問題常常被忽略，從而變成采用出料壓力或機頭壓力來計算壓力流。

對于機頭壓力導致的壓力流的計算還是以20世紀50年代Western Electric公司所進行的研究工作為基礎，且至今仍被廣泛使用：

大多數螺桿的W值（螺槽的百分比）為0.9或90%，因為大多數的螺紋是螺距的10%。對于標準的螺距（除了非常深的螺槽外），Fp為1.1，基本上與W相互抵消。

在這個螺槽示意圖中，A代表純粹的拖曳流，螺槽頂部的速度（Vb）等于相對于機筒的螺桿速度，底部是零速度（V0）；B展示了機頭壓力的影響

然后，這個等式可簡化為：

壓力流=πDH3P（sinθ）2/（12Lμ）或0.02163 D H3P/Lμ式中D =螺桿直徑（in）；

H =螺槽深度（in）；

P =機頭壓力或出料壓力（psi）；

L =計量段長度（in）；

μ= 黏度（lb·sec/in2）。

由于大多數的黏度數據是以Pa·sec或poise為單位，因此可以通過以下方式轉換：

或者10 poise= 1 Pa·sec

其余的數據可以采用英制單位。

為了更好地理解，我們舉例說明這個公式如何使用。假設采用一根3.5 in的螺桿，以100 r/min的速度旋轉，機頭壓力為30 psi。螺桿采用標準螺距（3.5 in）和標準的螺紋寬度（0.35 in），計量長度為30 in，螺槽深度為0.15 in。在螺槽中的剪切速率和出料溫度下，熔體黏度為10 000 poise。

那么，凈擠出量為（0.02258）D2HN-（0.02163）DH3P/Lμ=4.149-0.176 = 3.973 in3/sec 。

如果材料為LDPE，則凈擠出量可進一步轉化為3.973 ×130× 0.75 （熔體比重）= 387.4 lb/h。

如果螺桿實際的擠出量為375 lb/h，與計算結果非常接近，可以說明對于這個應用而言，螺桿具備了所需的性能。但假設實際的擠出量為250 lb/h，說明有一些原因造成了螺桿的性能低于計算的凈流量。這可能是進料、熔融問題，或者對特定的聚合物而言螺桿設計不佳。