三螺桿擠出機是北京化工大學塑料機械及塑料工程研究所在擠出機械領域的又一創新。以其靈活多變的幾何排布方式、多個嚙合區、形成物料在流向、流速上的多重變化,且質點在空間位置的分布產生了極其有益的影響,以優異的混合特性、小的長徑比、較高的產能比倍受關注。 　　在近一個世紀中,螺桿類擠出機經歷了柱塞式、單螺桿式、平行雙螺桿式、錐形雙螺桿式等的漫長過程,大大促進了高聚物加工工業的發展。 　　1. 單、雙、三螺桿擠出機 　　多螺桿的研制開發,出于使投資成本與產能比及塑煉質量達到最佳的思想。由于塑料具有不良的熱傳導性,大直徑的擠出機(φ130 mm以上)中,由于每個螺紋槽中可能擁有大量的"靜態"物料,從而引起不均勻塑化。這個問題不可能通過增加螺桿轉速來加以解決,因為這會引起波動,以致引起流痕變粗。盡管也可通過加大螺桿長徑比來解決,但有局限性,且加大了螺桿懸臂引起的許多負面影響。采用小直徑、短長徑比的多螺桿組合是解決這一矛盾的有效辦法之一。圖1表示單、雙、三螺桿擠出機嚙合區的比較。 從圖1可見,單螺桿無嚙合區,雙螺桿有一個嚙合區,一字形排列的三螺桿有兩個嚙合區,三角形排列的三螺桿有三個嚙合區。三螺桿擠出機嚙合區增多,碾壓面積成倍增加,運轉中對物料構成了高效的擠壓、破碎、揉捏、壓延、拉伸作用。正是這種高效的混捏作用,使三螺桿無需單螺桿或雙螺桿的大直徑、大長徑比,便可獲得同等質量、產量的生產條件,充分體現出三螺桿擠出機高效的混合均化特性、結構上的緊湊性和經濟性。為提高產量,改善產品質量,對單螺桿和雙螺桿須加大螺桿直徑,加大長徑比,成倍提高驅動功率。如將直徑45mm的雙螺桿擠出機螺桿加大到70mm,雖然后者的生產率是前者的3倍,但驅動功率也需提高3倍以上。若將螺桿直徑45mm的雙螺桿改為直徑45mm的三螺桿,則后者的產量會翻番,為前者的兩倍,而驅動力不足前者的1.5倍(見表1)。 　　表1 雙、三、四螺桿的產能比 表1中的數據充分表明,直徑較小的多螺桿組合比大直徑的雙螺桿的產能比高,技術經濟效益好。 　　2. 螺桿"一"字排列的三螺桿擠出機 　　由于螺桿類擠出機應用領域不斷拓寬,因而促進了擠出機的發展創新。三根螺桿"一"字排列的三螺桿擠出機和三根螺桿三角形排列的三螺桿擠出機是近十幾年研制開發的新機型。 　　無論是單螺桿還是雙螺桿,支撐螺桿全部重量的是螺桿一端套設的軸承。這種懸臂結構使螺桿前段下垂的重量對套設于另一端的軸承造成極大的不對稱負荷,特別是在螺桿連續運轉的動摩擦情況下,必然會影響到軸承結構的強度,時間一長,螺桿會發生前段下垂,影響運轉的順暢性。 圖2、圖3表示為"一"字排列的兩種不同的三螺桿擠出機。圖2表示的三根螺桿等長不等徑,中間的主螺桿直徑大,兩根輔螺桿直徑小,主輔螺桿互相嚙合,反向旋轉。這種設計,擴大了碾壓面積,加強了揉壓作用,具有較好的塑煉效果,不但增加了產量,且能耗增加不多。由于兩個嚙合區的存在,碾壓面積成倍增加就可縮短螺桿長度,減小螺桿懸臂造成的負面影響。 圖3中,主喂料口位于主輔螺桿之間(圖3中的陰影框)。輔螺桿與中間的主螺桿反向內旋轉,非嚙合。輔螺桿直徑可與主螺桿等徑,亦可比主螺桿直徑大:或者主輔螺桿等徑,但輔螺桿轉速稍高于主螺桿。主輔螺桿的非嚙合加大了兩螺桿之間的進料空間,便于對大塊物料的夾鉗。主輔螺桿的反向向內旋轉可獲得強力的擠壓、破碎、壓片、卷入作用,獲得穩定而高效的喂料機能。輔螺桿直徑比主螺桿稍大,或輔螺桿比主螺桿轉速稍高,用以形成一定的速度差,產生剪切速率,對原料的磨碎、切斷、延展效果更有效。 　　圖2中,由于三根螺桿"一"字排列,且兩根螺桿直徑小(輔螺桿直徑是主螺桿直徑的一半以下),附加軸向力小;又分列主螺桿兩側,空間位置上對推力軸承的設置不存在大問題。圖3中的第三根輔螺桿短,其工作處于低壓的固體輸送區,軸承的選擇和設置也不存在困難。 3. 螺桿中心連線為倒晶字形的三螺桿擠出機 　　螺桿中心連線為倒品字型的三螺桿擠出機是擠出領域內的創新。與前述的兩種"一"字型排列的三螺桿擠出機相比,全嚙合的三螺桿的正三角形排布構成了特有的三個嚙合區,相當于三對雙螺桿同時運作。三個嚙合區的存在對物料在流向、流速以及空間位置的分布產生了極其復雜的影響。使之可以小直徑、小長徑比的多螺桿組合獲得高產量、高混合質量的效果。 　　3.1 不干涉運轉條件按照嚙合與非嚙合,或旋轉方向的不同,三角形排列的三螺桿的設置方式可分為5種形式(見圖4)。 圖4a、4b為V字型設置,兩對螺桿能實現全嚙合,即可同向旋轉,亦可異向旋轉:圖4c上部兩根螺桿相切,與下部第三根螺桿嚙合,三根螺桿同向旋轉;圖4d只有在上部兩根螺桿相切時,才能實現與下部第三根螺桿的異向旋轉。上述4種三角形排布,三根螺桿只構成了兩個嚙合區,相當于兩對螺桿嚙合。圖4e的倒品字型設置卻構成了三個嚙合區,相當于三對雙螺桿同時運作。 全嚙合的三螺桿擠出機螺桿螺紋端面曲線的生成以雙螺桿相關理論為基礎。由于同向和異向旋轉的兩根螺桿的螺紋元件端面曲線生成原理截然不同,一根螺桿不可能同時滿足兩種齒形形成原理。因此,全嚙合三角形排列的三根螺桿必然是同向旋轉,而且螺紋頭數必須為奇數,或為單頭,或為三頭,不能是雙頭(雙頭螺紋三螺桿的任何相位都會有干涉)。顯然,三角形排列的三螺桿,幾何上不能實現共軛嚙合,即螺棱和螺槽不能是等寬度嚙合。三根螺桿以正三角形排布,從兒何關系上易于保證三根螺桿的加工裝配精度(見圖5)。 為確保三根螺桿的不干涉運轉,本研究利用C、VC 6.0、Visua1 Lisp語言專為螺紋元件曲線設計編制了法向修正軟件,使相互嚙合的三根螺桿螺紋元件的軸向曲線設計及制作更精確。 　　3.2 獨特的中心區 　　中心區是三角形排列的三螺桿特有的區域,如圖5所示。中心區是三根螺桿在任何相位都掃掠不到的區域,且是一個由大到小,又由小到大不斷變化的區域,數值上中心區最大狀態時的面積是最小狀態時面積的7倍,而最小狀態時的面積僅為機筒凈面積(除去螺桿截面積)的1/200(見表2)。 　　由于中心區的面積不斷變化,變化的區域不會有靜止的流體,在物料的粘性作用下,這些流體會被帶入流道推進區,即這種回流某種程度上促進了混合。不過,中心區的作用復雜有待于進一步深入實驗研究。 　　表2中心區面積與機筒凈面積的比值 注:計算以φ 60 mm的三螺桿擠出機為基礎 4 結論 　　三螺桿擠出機雖然面世不久,但已在功能塑料的制備、高亮度涂料的制備及方便食品加工領域得到很好的應用,并以其優異的混合特性、較好的產能比、較小的長徑比開始受到關注。三螺桿擠出機,特別是三根螺桿正三角形排列的全晴合三螺桿擠出機的工業化應用,因其在軸承設置、制造工藝等諸多方面有特殊性,技術上尚待成熟,其運作機理有待深入研究,但應當看到,這項工作頗有前途。 信息來源于：中國硫化機網