先進結構擠出機-課件

1.先進結構擠出機介紹

（AdvancedStructureExtruder，簡稱ASE）先進結構擠出機（ASE：AdvancedStructureExtruder），利用了軸流式渦輪結構來進行物料輸送、熔融換能、熔體混合的一類擠出機。先進結構擠出機是軸流式渦輪結構在高分子材料擠出成型裝備領域的首次應用，相關知識產權已經(jīng)申報中國發(fā)明專利CN201510019482.X。先進結構擠出機軸流式渦輪結構軸流式渦輪結構由多個動葉輪和靜葉輪組成，動葉、靜葉的傾斜角方向相反。一個動葉輪和一個靜葉輪構成一級渦輪結構，多個動葉輪和多個靜葉輪交替排列構成多級渦輪。ASE的動葉、動葉輪、軸一起構成了ASE的螺桿。一般動葉動葉輪為一體結構；動葉（輪）和軸可以是整體式，也可以是組合式。靜葉、靜葉輪和料筒一起構成了ASE的料筒，一般是整體結構。因為裝配需要，ASE的料筒采用剖分料筒結構。先進結構擠出機（ASE）項目的成果，是秉承性能優(yōu)良、結構簡潔、節(jié)能降耗、維護簡單的原則研發(fā)的一款新型擠出機。先進結構擠出機利用了渦輪結構普遍具有流量大、計量輸出；軸功率大、能量轉換效率高；混合效率高、效果好；受力平衡、驅動方便；高速、結構簡單維護性好等優(yōu)點。先進結構擠出機結合了單螺桿擠出機結構簡單、雙螺桿擠出機性能優(yōu)良的特點。ASE與雙螺桿的拓撲變形ASE可以看作是同向雙螺桿的一種變異結構：雙螺桿其中的螺桿B拓撲變形，反向包覆螺桿A，形成料筒反向螺紋結構——>反螺紋開槽料筒擠出機（螺桿螺紋-料筒螺紋的嚙合程度為0，非嚙合）。開槽料筒擠出機的螺桿螺棱、料筒螺棱交替延伸至對方螺槽——形成渦輪結構的原始形態(tài)——葉片形狀、參數(shù)優(yōu)化——ASEASE將同向雙螺桿的一條螺桿變?yōu)榱贤猜菁y；雙螺桿變?yōu)閯屿o螺桿；雙軸結構變?yōu)閱屋S結構；側向嚙合變?yōu)槎嗣鎳Ш??！郃SE既有單螺桿結構簡單、受力均衡的優(yōu)點，又有雙螺桿性能優(yōu)良的特性，是一種優(yōu)秀的擠出機型。ASE與其他擠出機ASE具有單螺桿的單軸結構及優(yōu)點，比雙螺桿擠出機結構簡單、動力加載方便、高速性能好、操作-維護方便、可靠性高等優(yōu)點；ASE比常規(guī)單螺桿擠出機產量、塑化、混合、高速、節(jié)能性能更好；ASE具有同向雙螺桿擠出機塑化好、混合好、產量無限制優(yōu)點，可以用于造粒；ASE具有異向雙螺桿擠出機機頭壓力高、擠出穩(wěn)定優(yōu)點，可以用于制品擠出生產。ASE是常規(guī)擠出機的一種進步機型。提問：先進結構擠出機的螺桿結構有什么特點？先進結構擠出機是一種單螺桿擠出機，還是多螺桿擠出機？什么是軸流式渦輪結構？在其他行業(yè)有哪些應用？2.先進結構擠出機（ASE）之

物料輸送軸流式渦輪結構是指流體由軸向進入葉輪又沿軸向輸出的渦輪結構；先進結構擠出機（ASE）是運用了軸流式渦輪結構進行物料輸送的一類擠出機；ASE輸送量由固體輸送量決定：

式中： Q：輸送量； n：轉速；A：斷面流道面積； S：螺旋導程

η：輸送效率

邊界效應料流和葉片表面的接觸，對邊緣物料的流動產生了阻礙作用，即邊界效應；葉片尺度越小，葉片數(shù)量越多，邊界效應越明顯；高摩擦系數(shù)物料、高粘度物料邊界效應明顯；由于邊界效應的影響，中小型的先進結構擠出機需要改進其物料輸送系統(tǒng)，提高物料輸送效率。先進結構擠出機ASE因此變化出了幾種不同的機型結構。全渦輪結構型ASE整個螺桿完全采用渦輪結構，適合于大型的先進結構擠出機；此時，物料輸送的邊界效應小，渦輪的輸送效率高；優(yōu)點：結構簡單，加工容易；但是渦輪葉片參數(shù)需要匹配加工物料及運行參數(shù)。運行工況偏離設計狀態(tài)可能引起物料輸送困難。外涵道型ASE加料段流道由料筒反向螺槽結構和渦輪結構結合構成的一類型ASE。從加料段到均化段，料筒螺槽比例逐漸減少，渦輪比例逐漸增加，直到完全的渦輪結構。外涵道型適合大中型先進結構擠出機。料筒反向螺槽相當于渦輪的外涵道，外涵道的輸送遵循摩擦輸送原理。外涵道加大了加料段物料輸送量，相應降低了對于渦輪輸送的依賴。外涵道型ASE加料段渦輪葉片比較短，增強了加料段螺桿及葉片強度。半渦輪型ASE加料段流道由螺桿螺槽、料筒反向螺槽構成，過渡到螺槽結構減少、渦輪結構增加的半渦輪結構，最后到完全渦輪結構的一類型ASE。半渦輪型適合中小型先進結構擠出機。螺槽輸送遵循摩擦輸送原理，加料段相當于開槽料筒擠出機。料筒反向螺槽加大了擠出機輸送量，相應降低了螺桿螺槽輸送的依賴，螺桿根部直徑增大，增強了螺桿的根部強度。反IKV型ASE加料段流道完全由料筒反向螺槽構成，過渡到料筒螺槽結構減少、渦輪結構增加，最后到完全渦輪結構的一類型ASE。反IKV型的加料段流道完全建立在料筒上，螺桿是一條光桿（為了增大摩擦可開設溝槽），和IKV擠出機加料段的螺桿-料筒結構完全相反。反IKV型適合小微型先進結構擠出機。反IKV型的螺桿強度達到最大，解決了小微機型螺桿強度不夠的問題。渦輪輸送在小尺寸時，邊界效應加劇，輸送效率降低；摩擦輸送在小尺寸時效率高，但是在大尺寸時，輸送效率低；先進結構擠出機就是根據(jù)不同螺桿尺寸、物料粒度優(yōu)化螺桿結構，得到四種機型，加料段在不同情況下都可以保持較高的物料輸送效率。加料段輸送方式渦輪輸送渦輪+螺槽螺槽輸送全渦輪型ASE外涵道型ASE半渦輪型ASE反IKV型ASE提問：先進結構擠出機幾種機型是哪些？先進結構擠出機不同機型選擇依據(jù)是什么？軸流式渦輪輸送結構在其他行業(yè)有哪些應用？輸送量怎么樣？3.先進結構擠出機（ASE）之

物料熔融ASE的熔融能量來源ASE的熔融能量來源，和一般擠出機一樣，遵循能量守恒定律1）料筒的外加熱；2）螺桿的機械能耗散發(fā)熱。外加熱的缺點：能量傳遞有限，且不利于大型擠出機：溫差不能太大，否則容易燒焦，且溫度不均衡嚴重；（只能低溫差）大尺寸螺桿，受熱比表面積小，且溫度不均衡嚴重。（只能小尺寸）ASE機械能耗散發(fā)熱機械能主要消耗在物料在動靜葉片間的摩擦（固體）、和動靜葉片間的粘性耗散（熔體）；機械能做功：

ASE機械能耗散發(fā)熱特點機械能主要消耗在物料在動靜葉片間的摩擦（固體）、和動靜葉片間的粘性耗散（熔體）；固體物料摩擦熱隨摩擦系數(shù)增加而增加，隨軸向壓力增加而增加；熔體物料摩擦熱隨熔體粘度增加而增加；物料隨通過渦輪級數(shù)增加逐級升溫；忽視物料之間的差異、設備制造誤差，物料可以均勻的獲得摩擦熱；高速、大扭矩（螺桿強度足夠）——很大的機械能耗散發(fā)熱，足夠熔融加料段輸送的物料。ASE熔融方式的優(yōu)點ASE高速運行模式下，可以提供大功率的熔融能量；ASE的均衡分布的摩擦熱，能夠在大功率條件下的高質量、高效率熔融，是大型擠出機熔融方案的一個優(yōu)秀選擇；ASE的均衡分布的摩擦熱，有利于熱敏性樹脂的加工；ASE的逐級升溫特點，使物料高溫時間縮短，及熱敏性樹脂的加工。不同參數(shù)渦輪元件的組合，可以拓展ASE的原料、運行包線。ASE熔融能量中機械能比例高，有利于降低能耗。ASE的高效率混合，也有利于溫度的均衡，消除過熱點。提問：先進結構擠出機（ASE）螺桿大功率做功時，是如何避免物料的熔融過熱的？先進結構擠出機（ASE）可以加工PVC之類的熱敏性樹脂嗎？使用常用螺桿材料38CrMoAl制造的D=65的半渦輪型ASE螺桿，d=55、400rpm/600rpm時，機械能最多能夠熔融多少單耗0.35KwH/Kg的樹脂（取安全系數(shù)2.5）?4.先進結構擠出機（ASE）之

熔體混合ASE的熔體混合ASE的熔體混合類似于化工過程常見的管道攪拌器，秒級的混合時間和擠出機物料停留時間可以很好的匹配；ASE相對較低的驅動功率（僅指熔體混合驅動功率），使熔體的溫升作用有限，有利于高質量的擠出。ASE的拉伸流動與剪切流動ASE的動態(tài)拉伸：與常見的流道面積變化產生的拉伸流動不同，ASE熔體的拉伸流動是由葉片流道內流動速度v1和渦輪葉片旋轉速度v2的不同帶來的；拉伸比v2/v1在10至100之間，依熔體情況及渦輪參數(shù)而定；ASE的拉伸流動，是熔體混合的主要因素。ASE的剪切流動：主要來自于動葉片與靜葉片之間的速差，是熔體混合的次要因素。ASE的不穩(wěn)定流動多普勒效應：動葉輪旋轉使得動靜葉片間流道大小周期性變化，帶來熔體局部壓力、流速的周期性變化，產生不穩(wěn)定流動；卡門渦街效應：熔體繞過動靜葉片時，兩側會周期性地脫落出旋轉方向相反、排列規(guī)則的雙列線渦，經(jīng)過非線性作用后，形成卡門渦街。ASE混合的優(yōu)點多種混合形式及不穩(wěn)定混合流場，使得ASE具有高效率混合的特點。對于大中型擠出機、高產量擠出機、高混合需求材料的擠出裝備，ASE是其混合方案的一種優(yōu)秀選擇；高效率的傳質，帶來高效率的傳熱，減少了過熱點，有利于熱敏性樹脂的加工；熔體混合驅動功率小，熔體溫升低，有利于低溫擠出；ASE使用渦輪端面混合，混合面積隨渦輪級數(shù)成正比。采用更密集的渦輪葉片排列，比雙螺桿加大長徑比，更加容易獲得超大的混合面積。提問：先進結構擠出機（ASE）高效混合的原因是什么？先進結構擠出機（ASE）的拉伸流動有什么特點？先進結構擠出機（ASE）混合對于小型擠出機是否有效？5.先進結構擠出機（ASE）之

應用展望ASE先進結構擠出機（ASE）理論上的物料輸送能力、熔融功率、混合效率、結構、能耗等方面都有不俗的表現(xiàn)，和傳統(tǒng)單螺桿擠出機、雙螺桿擠出機比較也是不落下風，各種應用場景都能夠適應。下面就ASE理論上的一些應用場景進行推算，應用情況還看試驗數(shù)據(jù)結果。1.石化級大型擠出造粒機高產量要求；大功率且及均衡分配的熔融功率，滿足熔融和不過熱的要求；大混合空間條件下高混合效率，滿足微小組份的分散要求；可靠性高，可連續(xù)生產，無臨時停機。是擠出機皇冠上的明珠。ASE可以滿足上述要求，和雙螺桿造粒機比較，單軸結構，無側向受力，動力加載方便，可靠性、維護性會更好。2.高分子改性材料、功能材料制造高混合效率，組份分布均勻；粒子直徑足夠小，形成一定的機械互容。ASE可以滿足上述要求。和同向雙螺桿造粒機比較：單軸結構；容易高速、容易高產量；動力加載方便；可靠性、維護性更好。3.納米改性材料、石墨烯改性材料、色母制造高分散性混合效率，徹底的分散粒子團聚；高分布性混合效率，粒子分布均勻。ASE可以滿足上述要求。和同向雙螺桿造粒機比較：優(yōu)勢同上；和連續(xù)密煉機、BUSS機比較，結構簡單，投資少，產量高。4.PVC高速擠出PVC高速塑化，無過熱不分解。ASE可以滿足上述要求。和異向雙螺桿擠出機比較：無分離力，容易高速，無產量限制能夠成型大型制品，可靠性、維護性更好。5.PVC壓延預塑化PVC高產量、徹底塑化，無過熱不分解。。ASE可以滿足上述要求。和開煉-行星螺桿擠出機（或者密煉-開煉-擠出）比較：工藝流程簡化，設備簡化、投資少、占地小，可靠性、維護性更好。6.長纖維增強材料制造高效率分布混合，耐磨或者擠出性能對磨損不敏感。ASE可以滿足上述要求。和同向雙螺桿擠出機比較：ASE磨損主要在端面，對性能影響??；纖維長度小于葉片及流道尺寸，對流動性影響小。汽車輕量化的關鍵技術7.高填料材料制造、金屬粉末混煉、陶瓷混煉高效率分布混合，輸送能力強，擠出性能對磨損不敏感。ASE可以滿足上述要求。和同向雙螺桿擠出機比較：ASE磨損主要在端面，對性能影響小。8.微發(fā)泡擠出發(fā)泡劑組份高效分散混合（化學發(fā)泡），氣泡高度分散、微?；ㄎ锢戆l(fā)泡），較高機頭壓力（超臨界發(fā)泡）。ASE可以滿足上述要求。和單螺桿擠出機、雙螺桿擠出機比較有優(yōu)勢。是汽車輕量化關鍵技術。9.大型制品擠出快速塑化、溫度均勻、擠出穩(wěn)定。ASE可以滿足上述要求。和傳統(tǒng)單螺桿擠出機多級共擠比較，單機擠出，占地小，工藝簡單；和同向雙螺桿機+熔體泵比較，工藝簡