郭泗建 (烟台科利时智能科技有限公司)
摘要：介绍往复式单螺杆挤出机的发展历史和技术特点；介绍挤出机结构和螺杆布局；使用三维CAD软件仿真运动过程；使用CAE软件研究物料的混合特性等等。
1 往复式单螺杆挤出机的发展历史
往复式单螺杆挤出机，也就是通常所说的Kneader(捏炼机)或Ko-Kneader，这种机器已被广泛地用于高要求的分配混合和分散混合的场合。现在，人们普遍认为往复式单螺杆是Heinz List在20世纪40年代早期发明的。1944年，List到了瑞士，专心进行他的 Ko-Kneader 研究。List完成该机设计后，开始与位于瑞士的机械制造厂商 BuSS AG合作并授权 Buss 制造和出售Ko-Kneader，之后，BussAG建立了美国的 Buss 公司。2001年，Tschoop对Buss机螺杆尾端密封结构进行了改进，以防止细微颗粒粉体物料进入驱动系统。这一装置主要包括两个密封部件和一个支撑部件，Buss机工作时，支撑部件会随螺杆轴往复运动，而不随之圆周转动。2003年，AnderseII等人对Buss机的混炼元件和加料段结构进行了改进，提出了四条螺纹的混炼元件。这些改进方法不仅提高了机器的混合效果而且提高了机器的输送能力。全世界已有超过3000台Ko-Kneader，它们被用来混合工程塑料、聚氯乙烯(PVC)、碳电极浆糊、热固性粉体涂料、固体火箭推进剂，另外还可以用来进行缩聚和聚合反应。在我们国内也有一定数量的此类挤出机，其中包括国产的型号。
2 往复式单螺杆挤出机的技术特点
(1) 混炼效果好，物料不断地被销钉剪切、分流、拉伸、挤压。物料通过销钉与螺棱的间隙处，产生轴向回流，并受到销钉的搅拌能使高聚物混合物在轴向和径向得到很好的分布混合，可以有效避免物料局部温升过高现象，实现理想的分散混合。
(2) 自洁性好，螺杆往复运动中，当销钉靠近螺棱时，会起到擦刮积聚在螺棱侧壁处物料的作用，保证了往复式单螺杼销钉挤出机具有良好的自洁性能。
(3) 为数众多的捏合销钉可以保证在很小的长径比范围内实现高体积流率熔体的良好混合。往复式单螺杆销钉挤出机在L/D<4情况下也可实现良好混合。
(4) 挤出温度低，物料由于受到柔性剪切，不会产生局部温升过大现象，保证了往复式单螺杆销钉挤出机可以实现低温挤出。
(5) 温度控制精确销钉的搅拌作用均化了料温的分布，螺杆的往复运动清理了机筒的内表面，增大了传热系数，有利于温控。销钉内装有热电偶，能直接测量物料内部的温度，保证了温度测量的真实性和温度的精确控制。
(6) 应用范围广由于螺杆内物料所承受的压力低，物料在挤出过程中生热少，可实现低温挤出，因此Buss机特别适用于热敏性物料、热固性物料以及粉体涂料等的混合工艺。
3 国内往复式单螺杆挤出机的发展和使用现状
(1) 粉末设备行业2000年左右突破垄断生产该设备，2009年左右开始生产四排钉机型。但总体来说使用量不是太大。
(2) 对设备机理的研究基本是空白，设备的制造主要是仿制为主，理论研究更是远远落后。挤出机内物料的流动、销钉对混合的影响等等因素考虑较少。White等对Buss机的流动机理进行了一系列的研究，建立了等温牛顿流体、等温非牛顿流体、非等温非牛顿流体、线性粘弹性流体和非线性粘弹性流体等多种物理模型。国外采用放射强度测量法、超声波反射强度测量法、超声波透射强度测量法、光反射强度测量法等等方法来研究停留时间。
(3) 国内粉末涂料生产厂家不太接受单螺杆挤出机，因为该型设备在制造过程中对工件的加工严格，装配过程也比较复杂，因此设备整体价格较高。
(4) 单螺杆挤出机主要应用在砂纹，美术粉或者某些低温固化的产品场合，对于生产高光泽高流平等情况不太擅长，另外由于其复杂的结构螺杆布局针对产品的更改非常不容易，这也是粉末行业不太使用的一个原因。
(5) 单螺杆挤出机使用过程中也有很多问题，比如销钉在生产过程中磨损很严重，时常发生崩裂的现象，由于混炼元件相对于输入载荷来说强度相差太大，很容易造成整付螺杆连同销钉损坏。
(6) 由于市场用量较少，粉末生产厂家的技术人员对该型设备认识了解不足，在备件更换和设备保养方面缺乏相应的专业的知识，在设备推广方面也有难度。针对以上问题，本文将在介绍该机型结构的基础上，通过CAD和CAE软件揭示它的运动过程和混合过程中的若干参数研究，试图增强粉末制造行业和粉末生产行业对该设备的了解和认识。以下简称单螺杆挤出机。
4 粉末涂料用单螺杆挤出机分类和结构
4.1 单螺杆挤出机分类：
按照销钉排数分为两种：三排销钉挤出机，四排销钉挤出机，如图4-1～4-2所示。
按照螺杆长径比，9～25D均可选择。
4.2 单螺杆挤出机结构：
粉末生产用单螺杆挤出机的结构如图4-3所示几个部分构成：螺杆组成：同双螺杆挤出机一样，根据不同的产品要求可以改变螺杆的布局，但是由于单螺杆挤出机需要销钉的缘故，螺杆布局的改变不太容易。图4-4～4-6是本公司设计的70系列
挤出机的三种螺杆布局，三者的区别如下：混炼能力SS﹤MX≦QS，产能SS﹤MX﹤QS。图4-7～4-8是国外典型螺杆布局，图4-9是几种典型的混炼元件。
5 单螺杆挤出机运动规律的研究
三排销钉挤出机意味着螺杆旋转一周，混炼元件将被销钉切割三次，四排销钉则是四次，借助三维CAD软件可以实际的进行模拟这一过程，我们将以BUSS200三排销钉为例进行仿真分析，得到一些可视化的结果，其中，图5-1是运动轨迹，从图中我们可以看出它的往复行程为30mm。图5-2记录了螺杆旋转一圈，销钉相对于螺片的位置，红色的销钉作为观察对象，螺棱从起始位置的黄色将依次通过粉红色和紫色的螺片，在这个过程中可以看到销钉扫过螺片的不同位置，并且在左右两侧间隙会不断变化。
6 单螺杆挤出机混合特性方面的基础研究
6.1 仿真设置：
粉末涂料在生产过程中包含了物料由固态到熔融态的转化，过程中伴随着温度的上升，因此完整的仿真混合过程是困难的，笔者试图通过CAE软件来模拟熔融态的物料流动，在这个过程中不考虑传热，物料多组分特性等等参数，但作为一种流体考虑了物料的粘性和密度，仿真过程中的设置从略，仿真结果将从流动速度和粒子的停留位置两个方面来探讨物料混合的情况，初步揭示这种挤出机的混合特点。本文将以SS70三排销钉螺杆作为研究对象，模型的建立如图6-1所示，其中红色为销钉，黄色为混炼元件，包括了喂料和捏合段两部分
6.2 仿真结果：
6.2.1速度分析：
通过图6-2可以看出流体在混合过程中存在很多的低速区域，压力也比较低，即使在销钉扫过螺片的过程中也没有引起很大的速度变化，因此也决定了它低温的特性，总体来说单螺杆挤出机的混合过程是温和的，不同于双螺杆挤出机在混合元件的顶端会出现最大速度，局部产生高温。
6.2.2 剪切强度分析：
剪切次数是衡量物料混合过程中的剪切强度的重要参数，可以直观的比较混合的强度，公式如下所示。
其中Nt---剪切次数(次/min);n--螺杆转速(rpm):u---每一个长径比为1的混炼元件参与混合的螺片数单螺杆一般是10,双螺杆一般为8,L----混炼段的总长度(mm);D---混炼元件外径(mm)我们取一个长径比(L/D=1)长度的元件来计算剪切次数,设转速为500rpm,可知剪切次数为5000次,相同直径的双螺杆挤出机则为4000次,所以如果达到相同的剪切次数双螺杆挤出机则需要增加混炼元件的混炼片数。
6.2.3 停留时间的研究：
宏观上来说，物料在机筒内的停留时间是产能，衬瓦容积，螺杆转速，充满度等等因素的函数，但是在微观上看，物料在通过不同的元件时是存在微小的差异的，比如通过单螺条的元件时，物料会被赋予更多向前的推力而较短的停留，但是通过多棱体的时候由于存在更多的开口，则物料会遭遇回流的过程，物料的停留时间就会变长，不过这种有长有短的停留时间在宏观上很难得到直观的体现，笔者认为单螺杆挤出机能够在较短的长径比的情况下实现较好的混合，其根源在于除了物料受到更多的剪切次数外，物料在同样的时间里面走过了更长的路程，从一些仿真结果可以发现这一点，图6-3中可以看到观测粒子沿运动方向前后折返，速度结果图中的负值则显示了回流的情况。图6-4截取了几个时间段的流动结果，速度的分布方面高速段只发生在螺棱与衬瓦内壁之间，当销钉扫过螺片时速度的变化不是很大。可以看到由于重力作用，物料主要集中在中下部，上方会有些空腔。
7 结语
本文通过大量的仿真实验数据和资料对往复式单螺杆挤出机进行了介绍，通过资料我们可以看出：对于大多数双螺杆挤出机，由于推料段螺纹套几乎没有回流空隙，因此物料很容易被建立起来的压力推动向前，但是单螺杆挤出机则没有强大的建压机制，因此在需要压力较大的场合需要增加限流环和完整螺棱的元件来完成建压。往复式单螺杆挤出机在相同的长径比的混炼段内拥有更多的剪切次数，但是由于销钉和螺片之间不构成强制的推动作用，因此物料随着螺杆的前后振动会走更长的路径，接受更多的剪切，从而获得更好的混合效果。通过速度云图我们可以看到物料剪切过程中速度分布均匀，也意味着基本不会出现温度集中的现象，因此可以降低局部过热造成物料改性降解等等风险。单螺杆挤出机的销钉与螺片之间的间隙要求非常严格，太大的间隙会造成螺杆的清洁能力降低，因此设计和加工都困难，销钉直径和螺片厚度被限制在一定范围，同时销钉在运动过程中会经过螺片的薄弱位置，这些位置都存在生产中崩裂的隐患借助三维CAD软件可以仿真单螺杆挤出机的运动过程，借助CAE软件可以初步的探讨关于混合和停留时间之类的问题，但是实际生产中存在物料相变以及物料不同组分输运的复杂问题，所以目前的仿真手段非常粗糙，结果只具备参考意义。
来源：粉末涂料与涂装 2024会刊
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