الطارد المزدوج اللولب ذو الدوران المشترك مقابل الطارد المزدوج اللولب: كم يفعل

هل يختلف أداء البثق باختلاف اتجاهات الدوران؟
في معالجة خلط المواد، فإن أداء آلة البثق ذات اللولب المزدوج يحدد بشكل مباشر تأثير خلط المواد، وكفاءة الإنتاج وجودة المنتج النهائي. وفقًا لاتجاه دوران اللولب، يتم تقسيم آلات البثق ذات اللولب المزدوج إلى بثق مزدوج اللولب يدور بشكل مشترك وآلات بثق ثنائية اللولب متعاكسة الدوران، والفرق الرئيسي بين الاثنين يكمن في اتجاه دوران اللولب. ما يبدو أنه مجرد اختلاف في اتجاه الدوران يؤدي إلى اختلافات كبيرة بين الاثنين في خصائص المعالجة، وقدرة الخلط، وتوافق المنتج.

يكمن الاختلاف الرئيسي بين اللولب المزدوج الذي يدور بشكل مشترك واللولب المزدوج الذي يدور بشكل معاكس في عملية تفاعل البراغي:
• عندما يقوم سن اللولب المزدوج الذي يدور بشكل مشترك بدفع المادة، يتم فرض قوة الدفع الخاصة بهم.
• عندما يقوم الخطان اللولبيان لمادة دفع ذات لولب مزدوج بعكس الدوران، فإن دفعاتهما تلغي بعضها البعض.
يحدد هذا مبدأ العمل الأساسي وخصائص الأداء لكل من البراغي المزدوجة الدوارة والمضادة الدوران.

الشكل 4: تركيب المسمار المزدوج الدوار

يظهر الشكل 4 وضع التزاوج للبرغي المزدوج الذي يدور بشكل مشترك. يدور المسماران اللولبيان للبرغي المزدوج في نفس الاتجاه، وتكون خيوط اللولب كلاهما في اليد اليمنى. إن تحديد اتجاه نقل المواد هو نفس اتجاه اللولب المفرد.

يظهر الشكل 5 وضع التزاوج للبرغي المزدوج المعاكس للدوران في الشكل 5. يدور المسماران اللولبيان للبرغي المزدوج المعاكس للدوران في اتجاهين متعاكسين، وتدور خيوط المسمارين في اتجاهين متعاكسين. المسماران يدوران للخارج. أي أنه على طول اتجاه البثق، الجانب الأيمن هو المسمار الأيسر، الذي يدور في اتجاه عقارب الساعة، والجانب الأيسر هو المسمار الأيمن، الذي يدور عكس اتجاه عقارب الساعة.

الشكل 5: تركيب برغي مزدوج مضاد للدوران

تحليل نتائج تجربة المحاكاة
المجال المادي
1
مجال الضغط
كما يتضح من خريطة سحابة الضغط (الشكل 6) ومنحنى تباين الضغط (الشكل 7):

في عملية البثق ذات اللولب المزدوج، يتقلب الضغط في قناة التدفق. بالإشارة إلى الهيكل بعد تركيب المسمار المزدوج الدوار (الشكل 4)، فقد وجد أن تقلب الضغط يتقلب لأعلى ولأسفل مع موضع حافة المسمار. وذلك لأن الحافة اللولبية عبارة عن جزء بارز مرتفع من سطح المسمار، والمواد المبثوقة تتعرض لقوى قذف وقص أقوى عند المرور عبر الحافة اللولبية، لذلك غالبًا ما يكون الضغط مرتفعًا نسبيًا عند موضع الحافة اللولبية.

في عملية البثق ذات اللولب المزدوج ذات الدوران المعاكس، يزداد الضغط في العداء أولاً ثم ينخفض ​​على طول اتجاه البثق، ويحدث الضغط المحلي المرتفع في الموضع الأوسط. بالإشارة إلى هيكل اللولب المزدوج المضاد للدوران (الشكل 5)، فقد وجد أن الضغط العالي المحلي يحدث عند نقطة التشابك على طول منتصف اتجاه البثق. وذلك لأن المسمارين يدوران في اتجاهين متعاكسين، ويكون تدفق المواد غير متساوٍ أو مسدودًا أثناء عملية البثق، والتي تتراكم في الموضع الأوسط ثم تشكل الضغط المحلي العالي في القناة.

الشكل 6: مخطط سحابة الضغط في العداء أثناء عملية البثق

الشكل 7: منحنى تباين الضغط

2
مجال معدل القص
كما يتضح من سحابة معدل القص (الشكل 8) ومنحنى تباين معدل القص (الشكل 9):

في كل من البثق المزدوج اللولب المشترك الدوران والبثق اللولبي المزدوج المعاكس للدوران، يكون معدل القص أعلى عند حافة اللولب وأقل عند أخدود اللولب. والسبب في هذه الظاهرة هو أن المادة تتدفق بشكل أسرع في الفجوات الضيقة، والفجوة بين حواف المسمار والجدار الداخلي للبرميل أصغر، وبالتالي فإن معدل القص أعلى، في حين أن الفجوة بين الأخاديد اللولبية والجدار الداخلي للبرميل أكبر، وبالتالي فإن معدل القص أقل.

إن معدل القص المحلي المرتفع في اللولب المزدوج المضاد للدوران ناتج عن التسرب.

الشكل 8: سحابة معدل القص أثناء البثق

الشكل 9: منحنى تباين معدل القص

ينقسم الخلط بشكل أساسي إلى الخلط التوزيعي والمشتت.

يستخدم الخلط الموزع لوصف عملية توزيع المادة، حيث يتم إعادة ترتيب المادة وتوجيهها باستمرار تحت ضغط الدوار اللولبي؛

يستخدم الخلط المشتت لوصف العملية التي يتغير فيها حجم المادة حيث يتم تمديد جزيئات المادة وقصها باستمرار. تم استخدام طريقة الجسيمات التتبعية لإجراء إحصائيات رياضية على معلمات المسار مثل وقت الإقامة، ومؤشر التوزيع، ومقياس الفصل، والحد الأقصى لتوزيع إجهاد القص لتحليل الاختلافات في أداء الخلط بين المسمار المزدوج المشترك الدوران والبرغي المزدوج المضاد للدوران.

أداء الخلط المحوري
يعد توزيع وقت الإقامة مؤشرًا مهمًا لقياس أداء الخلط المحوري للعناصر اللولبية. فهو يصف توزيع وقت بقاء المواد في الطارد المزدوج اللولب في شكلين: دالة توزيع وقت المكوث التراكمي ووظيفة توزيع وقت المكوث، والتي يتم التعبير عنها على التوالي بواسطة دالة الاحتمالية ووظيفة كثافة الاحتمالية.

1 توزيع وقت المكوث التراكمي
يصف منحنى توزيع وقت المكوث التراكمي (الشكل 10) التوزيع الاحتمالي التراكمي لوقت مكوث السائل أو المادة الموجودة في الطارد.


كما هو مبين في الشكل 10، في اللولب المزدوج الذي يدور بشكل مشترك، يكون الوقت الذي تخرج فيه جزيئات التتبع لأول مرة من العداء هو 1.00 ثانية، والوقت الذي تخرج فيه تمامًا من العداء هو 54.82 ثانية، وعرض توزيع وقت المكوث هو 53.82 ثانية.

في اللولب المزدوج المضاد للدوران، يكون الوقت اللازم لتدفق جزيئات التتبع لأول مرة خارج القناة هو 1.48 ثانية، والوقت اللازم لتدفقها بالكامل خارج القناة هو 59.80 ثانية، ويبلغ عرض توزيع وقت الإقامة 58.32 ثانية.

يكون منحنى توزيع وقت المكوث التراكمي للبرغي المزدوج المشارك في الدوران أعلى من وقت المكوث التراكمي للبرغي المزدوج المشارك في الدوران، ويشير المنحنى الأعلى إلى أن المزيد من الجزيئات تتدفق خارج القناة في لحظة معينة.

الشكل 10: توزيع وقت السكن التراكمي

2 توزيع مدة الإقامة
يصف منحنى توزيع الكثافة الاحتمالية لوقت الإقامة التوزيع الاحتمالي لوقت بقاء المادة في الطارد على فترات زمنية مختلفة. وتعني الكثافة الاحتمالية الأعلى احتمالية أكبر لبقاء المادة خلال تلك الفترة، في حين تشير الكثافة الاحتمالية المنخفضة إلى فترة بقاء أقصر نسبيًا. ومن دالة الكثافة الاحتمالية لتوزيع زمن الإقامة (الشكل 11) يتبين أن:

في اللولب المزدوج الذي يدور بشكل مشترك، تتركز غالبية الجزيئات عند 1.00 إلى 1.99 ثانية، وفي اللولب المزدوج الذي يدور بشكل معاكس، تتركز غالبية الجزيئات عند 1.48 إلى 2.97 ثانية. المنحنى المقابل للبرغي المزدوج الدوران المشترك هو أبعد إلى اليسار، والذروة أعلى، مما يشير إلى أن قدرة النقل للبرغي المزدوج الدوران المشترك أقوى. قد يكون سبب هذه الظاهرة هو أنه أثناء عملية بثق اللولب المزدوج ذات الدوران المشترك، يتم نقل المادة بالقوة على طول مسار على شكل "∞" بواسطة المسمار.

في عملية البثق ذات اللولب المزدوج ذات الدوران المعاكس، تتحرك المادة على شكل "C" وتمتزج وتتفاعل بشكل متكرر في الحجرة على شكل C، مما يؤدي إلى فترة بقاء ممتدة.

الشكل 11: توزيع وقت السكن

أداء الخلط الموزع
1 مؤشر التوزيع
تصف مؤشرات التوزيع الخصائص الريولوجية وسلوك تدفق المواد المبثوقة. يمكن أن نرى من منحنى مؤشر التوزيع (الشكل 12) أن انتظام التوزيع للبرغي المزدوج الذي يدور بشكل معاكس أفضل من اللولب المزدوج الذي يدور بشكل مشترك.

الشكل 12: مؤشر التوزيع

2 مقياس الانفصال
تميز موازين الفصل عمليات الخلط الموزعة. ويبين الشكل 13 منحنى مقياس الفصل. في اللحظة الأولية، يكون الجسيمان على جانبي المدخل، وبالتالي فإن قيمة مقياس الفصل تكون كبيرة. مع زيادة الوقت، يتناقص مقياس الفصل تحت تأثير الخلط اللولبي، وينخفض ​​المنحنى، وتتعمق درجة خلط توزيع جزيئات السطح تدريجيًا، وهناك ظاهرة تقلب أثناء العملية، والتي تنتج عن تجميع الجزيئات أثناء عملية التدفق.

إن منحنى مقياس الفصل للبرغي المزدوج الذي يدور بشكل مشترك يكون دائمًا أقل من ذلك للبرغي المزدوج الذي يدور بشكل معاكس، مما يشير إلى أنه أكثر اتساقًا في التوزيع.

الشكل 13: مقياس الانفصال

في عملية البثق ذات اللولب المزدوج ذات الدوران المشترك، يدور المسماران في نفس الاتجاه ويشكلان تأثير قص قوي عند نقطة التشابك، ويتم تبادل المواد عدة مرات بين البراغي، مما يساعد على تحقيق خلط توزيع موحد.

في عملية البثق ذات اللولب المزدوج ذات الدوران المعاكس، يتم الاحتفاظ بمعظم المواد في حجرة على شكل C، مع تدفق كمية صغيرة فقط من المواد من الفجوة لتتعرض للقص والتمدد. الختم جيد، مما يقلل من التدفق غير المنتظم للمادة في العداء، وبالتالي يتم تقليل تجانس الخليط أيضًا.

أداء التشتت والخلط
عملية التشتت والخلط هي عملية يستمر فيها حجم الجسيمات في التناقص، وتلعب قوى القص والشد التي تتعرض لها جزيئات المادة دورًا مهمًا في هذه العملية.

يشير الحد الأقصى لإجهاد القص الذي يتعرض له جسيم التتبع إلى عملية القص التي يمر بها جسيم التتبع أثناء عملية البثق المزدوج اللولب. كلما زادت نسبة جزيئات التتبع التي تعاني من القص العالي، كان تأثير التشتت اللولبي أفضل.

ويبين الشكل 14 الحد الأقصى لمنحنى احتمال إجهاد القص. كما يتبين من الشكل 14، فإن المنحنى المقابل للبرغي المزدوج الذي يدور بشكل معاكس أعلى من المنحنى الخاص بالبرغي المزدوج الذي يدور بشكل معاكس.

الشكل 14: الحد الأقصى لاحتمال إجهاد القص

ويبين الشكل 15 منحنى الكثافة الاحتمالية لإجهاد القص الأقصى. من الشكل 15، يمكن ملاحظة أن الحد الأقصى لإجهاد القص الذي يتحمله الجسيم يتركز عند قمة نتوء المنحنى.

تشير ميزتا المنحنيتين إلى أن اللولب المزدوج الذي يدور بشكل معاكس يتمتع بقدرة تشتت أقوى ويمكن أن يوفر تأثيرات قص وشد أقوى من اللولب المزدوج الذي يدور بشكل مشترك.

الشكل 15: الحد الأقصى لكثافة احتمال إجهاد القص

تحليل النتائج التجريبية
تحليل اختبار تأثير الشد
ويبين الشكلان 17 و18 بيانات اختبار الشد والتأثير، على التوالي.

كانت قوة الشد وإجهاد الشد عند كسر شرائح المواد المبثوقة عن طريق قذف اللولب المزدوج الدوار أعلى قليلاً من تلك المبثوقة عن طريق قذف اللولب المزدوج المضاد للدوران.

إن امتصاص طاقة الصدم وقوة الصدم لشرائح المواد المبثوقة بواسطة قذف اللولب المضاد أعلى قليلاً من تلك المبثوقة بواسطة قذف اللولب المشترك.

الشكل 17: بيانات اختبار الشد

الشكل 18: بيانات اختبار التأثير

نتائج الاختبار الريولوجي
تنعكس الخصائص الريولوجية للبوليمرات عادةً في معامل التخزين (G')، ومعامل الفقد (G')، واللزوجة المركبة (η*). يعكس معامل التخزين مرونة المادة، ويعكس معامل الفقد لزوجة المادة، وتعكس اللزوجة المركبة الوزن الجزيئي. تعتمد سيولة ذوبان البوليمر على قدرة أجزاء السلسلة الجزيئية على الحركة. يؤدي البثق اللولبي إلى تغيير التركيب الجزيئي لـ PLA، مما يتسبب في كسر سلاسله الجزيئية وتقليل اللزوجة.

ويبين الشكل 19 منحنى اللزوجة المركبة η* مع التردد الزاوي. يتبين من الشكل 19 أن η* تتناقص مع زيادة التردد الزاوي.

بسبب الاختلاف الهيكلي، فإن اللولب المزدوج المضاد للدوران لديه قدرة تشتت وخلط أقوى، وتنكسر السلسلة الجزيئية بشكل كامل. ولذلك، فإن η* للمادة المبثوقة بواسطة اللولب المزدوج الذي يدور بشكل معاكس أقل من تلك الموجودة في اللولب المزدوج الذي يدور بشكل مشترك.

الشكل 19 منحنيات η * مع التردد الزاوي

ملخص
مزايا الطارد المزدوج اللولب المشترك الدوران:
• مجال التدفق (وخاصة الضغط) مستقر نسبيا.
• قدرة خلط التوزيع قوية للغاية، والتوحيد العالي لتوزيع المواد.
• قصر مدة بقاء المادة وكفاءة النقل العالية مما يسهل عملية معالجة المواد الحساسة للحرارة ويقلل من مخاطر التدهور الحراري.
• تتميز المنتجات المبثوقة بخصائص شد أفضل.

مزايا الطارد المزدوج اللولب المضاد للدوران:
• قدرة أقوى على بناء الضغط (ولكن احذر من الضغط المحلي المرتفع المحتمل).
• قص أكثر كثافة، وقدرة تشتت وخلط فائقة. يمكن أن يوفر تأثير تمدد أقوى.
• مدة بقاء أطول وتوزيع أوسع للمواد، مناسب للعمليات التي تتطلب تفاعلًا كافيًا أو وقت خلط.
• تتميز المنتجات المبثوقة بقوة تأثير أعلى ولزوجة ذوبان أقل (فواصل سلسلة جزيئية أكثر شمولاً).