بهینه‌سازی مزایای اقتصادی اکسترودرها: تحلیل مختصری از عوامل مؤثر بر بهره‌وری ظرفیت

هم زدن اکسترودر دو مارپیچه (که از این پس اکسترودر نامیده می‌شود) به دلیل عملکرد عالی در ترکیب، ترکیب پیچ‌های شخصی‌سازی‌شده و عملکرد خوب خودتمیزشوندگی، به تجهیزات اصلی در پردازش پلاستیک‌های اصلاح‌شده تبدیل شده است.

راندمان تولید اکسترودر پارامتری است که شرکت‌های اصلاح‌کننده هنگام انتخاب تجهیزات، بسیار به آن اهمیت می‌دهند. عموماً اعتقاد بر این است که اکسترودرهای با قطر بزرگتر، راندمان تولید بیشتری دارند، اما در واقع، قطرهای بزرگ کلید بهبود راندمان تولید اکسترودرها نیستند. تنها عامل، قطرهای بزرگ هستند. عواملی که بر راندمان تولید اکسترودر تأثیر می‌گذارند عبارتند از: سرعت اکسترودر، نسبت حجمی، گشتاور ویژه، طراحی ترکیب پیچ، وضعیت مواد فرمولاسیون، شرایط پلاستیک‌سازی، فرسودگی تجهیزات و غیره.

در ادامه، عوامل مؤثر بر این موضوع، بر اساس وضعیت مواد در فرآیندهای مختلف در اکسترودر و طراحی ترکیب مارپیچ، یک به یک بررسی خواهند شد. در این مقاله، از منظر مکانیسم انتقال اکستروژن، به تفصیل توضیح خواهیم داد.

مکانیسم نوار نقاله اکستروژن

تحقیق در مورد مکانیسم انتقال مواد در اکسترودر تک مارپیچه، اساس توسعه اکسترودر دو مارپیچه است. اولین نظریه انتقال مواد در اکسترودر تک مارپیچه توسط دارنل و مول ارائه شد. نکته اصلی آن این است که قدرت انتقال مواد به جلو در یک اکسترودر تک مارپیچه بر اساس انتقال مواد جامد تحت نیروی اصطکاک است. با کاهش تدریجی سر عنصر مارپیچ اکسترودر یا اعمال نیروی اکستروژن عنصر مقاومت در برابر ورز دادن، مواد اولیه پف کرده و پراکنده به یک درپوش جامد بدون جابجایی نسبی تبدیل می‌شوند و اصطکاک بین درپوش جامد و سطح مارپیچ و درپوش جامد، همراه با نیروی اصطکاک بین سطح داخلی سیلندر مارپیچ، درپوش جامد در امتداد شیار مارپیچ به جلو منتقل می‌شود.

نظریه کلاسیک حمل و نقل، محدودیت‌های خود را در هنگام ارائه دارد. این نظریه فرض می‌کند که هیچ جابجایی نسبی در داخل پلاگ جامد وجود ندارد و نیروی اصطکاک دریافتی آن ثابت است. با این حال، وضعیت واقعی کاملاً متفاوت است، بنابراین فرمول محاسبه نظری اغلب با انحراف بزرگ واقعی متفاوت است. با این وجود، این نظریه، جوهره انتقال مواد اکسترودر را مطرح می‌کند، یعنی نیروی مؤلفه اصطکاکی سیلندر پیچ روی ماده در امتداد لبه پیچ شیار پیچ، منبع انتقال مواد است و اصطکاک بین سطح پیچ چرخان و ماده، ماده محدودکننده است. مقاومت پیشرونده. به عبارت دیگر، تفاوت بین ضریب اصطکاک fi بین ماده در حال انتقال و سطح فلزی پیچ و ضریب اصطکاک fb بین ماده و سطح فلزی داخل سیلندر پیچ، منبع نیروی محرکه برای کشش اصطکاکی است. تحلیل حرکت و نیروی انتقال مواد به جلو در تصویر 1 نشان داده شده است.

اگرچه قدیمی‌ترین و مفصل‌ترین نظریه انتقال جامدات مبتنی بر تریبواستاتیک جامدات توسط دارنل و مول ارائه شد، اما چندین فرض اساسی وجود دارد:
۱- در کانال مارپیچ اکسترودر، ماده رزینی به حالت یک درپوش جامد وجود دارد و سرعت تحویل آن ثابت است و جهت فشار بر درپوش جامد فقط با جهت حرکت ماده سازگار است.
۲. درپوش جامد و هر سطحی در شیار پیچ با یکدیگر تعامل دارند و ضریب اصطکاک آن با نوسانات فشار تغییر نمی‌کند، بلکه فقط با تغییرات دما تغییر می‌کند.
۳. صرف نظر از تغییر چگالی حجمی جسم جامد و تأثیر گرانش زمین، و با فرض اینکه هیچ فاصله‌ای بین سیلندر و مارپیچ اکسترودر وجود ندارد؛
۴. پیچ نسبت به بدنه پیچ ثابت است و هنگام حرکت بدنه پیچ، دیده می‌شود.
پوتنته و همکارانش معتقدند که در ناحیه شیار پیچ محور پیچ، چگالی حجمی/چگالی حجمی ماده در نواحی مختلف متفاوت است. در برخی نواحی، ماده در حالت شل قرار دارد و در برخی نواحی، ماده تحت فشار قرار می‌گیرد تا یک درپوش جامد تشکیل دهد. مکانیسم انتقال قسمت درپوش جامد مربوط به نظریه انتقال دارنل-مول است و فرمول زیر با تجزیه و تحلیل حالت حرکت و نیروی درپوش جامد بدست می‌آید:

از فرمول (1) می‌توان دریافت که حجم تحویل G با سرعت چرخش n، نسبت حجم H و قطر مارپیچ Db همبستگی مثبت دارد. از آنجایی که فرضیات نظریه انتقال تک مارپیچ دارنل و مول با واقعیت مطابقت ندارد، انحراف زیادی بین داده‌های محاسبه شده توسط نسل‌های بعدی و داده‌های تولید واقعی وجود دارد. از آن زمان، تعداد زیادی از محققان تحقیقات دقیق‌تری در مورد این نظریه انجام داده‌اند. در تعداد زیادی از مطالعات، دو نظریه شناخته شده توسط بسیاری از محققان، نظریه کشش ویسکوز ارائه شده توسط چانگ و همکاران و نظریه کشش ویسکوز ارائه شده توسط تدر است. نظریه تعادل انرژی.

اگرچه بین نظریه‌ها اختلاف نظر وجود دارد، اما نقطه شروع اصلی نظریه دارنل-مول و نظریه تدر در اصل یکسان است، یعنی نیروی اصطکاک دینامیکی بین ماده اکسترودر تک پیچ و دیواره داخلی سیلندر پیچ مهمترین عامل برای انتقال مواد جامد است. منبع جوهر. تفاوت در این است که چانگ معتقد است که مواد ابتدا به دیواره فلزی داخل سیلندر ساییده می‌شوند تا یک لایه نازک از مذاب تولید کنند و نیروی کشش چسبناک تولید شده توسط این لایه نازک مذاب است که بر عملکرد انتقال جامد تأثیر می‌گذارد. آنچه در سه نظریه فوق مشترک است این است که فرض می‌شود ماده جامد در اکسترودر یک درپوش جامد است، ماده در بخش انتقال جامد متراکم در نظر گرفته می‌شود و هیچ جابجایی نسبی بین ذرات جامد وجود ندارد.

ژو فوهوا و دیگران در کل فرآیند کار اکسترودر بصری متوجه شدند که قبل از ورود مواد به بخش ذوب، ذرات جامد اساساً در فرآیند تبادل متقابل و لغزش هستند و شیار پیچ کاملاً پر نشده است. این پدیده تا ورود به بخش ذوب به تدریج از بین نمی‌رود. علاوه بر این، در طول فرآیند انتقال رو به جلوی ذرات رزین، می‌توان به وضوح مشاهده کرد که بین ذرات رزین یک مذاب براق وجود دارد. با افزایش فضای اشغال شده توسط مذاب در مرحله بعدی، مرز بین ذرات و مذاب کمتر آشکار می‌شود. این امر به صورت بصری ناپیوستگی پلاگ جامد و اجتناب‌ناپذیری تغییر جابجایی پلاگ جامد را اثبات می‌کند. بر اساس تعداد زیادی از مشاهدات و آزمایش‌ها، ژو فوهوا برای اولین بار نظریه انتقال جامد جریان غیر پلاگ را پیشنهاد کرد.

متأسفانه، مدت‌ها پس از ارائه نظریه انتقال جامد با جریان غیرپلاگ، به دلیل پیچیدگی این نظریه، امکان استفاده از آن برای حل مسائل عملی در داخل و خارج از کشور وجود نداشت. اگرچه دقت محاسبه نظریه انتقال جامد با جریان غیرپلاگ به میزان زیادی بهبود یافته است، اما هیچ فرمول صریحی برای محاسبه تولید و فشار وجود ندارد و خود این نظریه یک مسئله تماس غیرخطی است. فرمول‌های زیاد و پیچیده‌ای وجود دارد و برای محاسبه آن به روش المان محدود نیاز است. این امر مشکلات زیادی را در کاربرد عملی ایجاد می‌کند. آقای کاروت هندسه دو مارپیچ همسوگرد درهم تنیده را مطالعه کرد و مدلی از فرآیند انتقال مواد در یک اکسترودر دو مارپیچه را بر اساس تحقیقات خود ایجاد کرد. آنها به اتفاق آرا خاطرنشان کردند که فرآیند انتقال مواد در اکسترودر پیچیده و متنوع است و عمدتاً دو مکانیسم انتقال وجود دارد، یعنی انتقال جابجایی مثبت در امتداد محور پیچ در ناحیه مش بالایی و انتقال اصطکاکی در ناحیه شیار پیچ. لیو تینگوا و همکاران. آزمایش‌های زیادی با اکسترودر بصری سه‌طرفه کامل انجام داده‌ام و بخش انتقال جامد را به انتقال جابجایی مثبت در ناحیه مش‌بندی و انتقال اصطکاکی ذرات دانه‌ای در ناحیه شیار پیچ جانبی تقسیم کرده‌ام. حجم انتقال جابجایی مثبت در ناحیه مش‌بندی به صورت فرمول (2) محاسبه می‌شود:

چگونگی به حداکثر رساندن مزایای اقتصادی اکسترودر از راندمان تولید اکسترودر جدایی‌ناپذیر است. راندمان تولید نه تنها توسط پارامترهای فیزیکی و شرایط فرآیند اکسترودر تعیین می‌شود، بلکه حالت ماده نیز بر راندمان تولید تأثیر می‌گذارد. هرچه چگالی حجمی ماده کمتر باشد، میزان هوای موجود در ماده بیشتر است. برای فرآیند انتقال مواد توسط پیچ، در واقع با همان حجم ماده به جلو حرکت می‌کند. هرچه چگالی حجمی کمتر باشد، ظرفیت انتقال کمتر است.

در طول اختلاط مذاب اکسترودر، تعداد زیادی از ذرات و پودرها فشرده شده و به مذاب تبدیل می‌شوند. تنها راه خروج از داخل اکسترودر، بازگشت به انتهای آن است که از تغذیه مداوم پودر جلوگیری می‌کند. هنگامی که فشار و سرعت جریان مخالف از یک مقدار بحرانی خاص فراتر رود، نیرو را برمی‌گرداند. هنگامی که فضای مقطع مارپیچ کوچکتر می‌شود، جریان مخالف هوا. هرچه فشار بیشتر باشد، سرعت نیز بیشتر خواهد بود. در این زمان، ممکن است تأثیر منفی بر تغذیه داشته باشد، زیرا نقطه سرریز نرخ با افزایش سرعت کاهش می‌یابد، یعنی هرچه سرعت بیشتر باشد، خوراک روان‌تر می‌شود. همانطور که قبلاً ذکر شد، اصطکاک کلید انتقال مواد است. راندمان انتقال مستقیماً با ضریب اصطکاک "دینامیکی" متناسب است. هرچه ضریب اصطکاک سیلندر مارپیچ بیشتر باشد، راندمان انتقال نیز بیشتر است. تغییر نیروی اصطکاک نیز بر راندمان انتقال آن تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این، ترکیبات و ساختارهای مختلف مارپیچ نیز بر ضریب اصطکاک "دینامیکی" آن تأثیر می‌گذارند.