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郑州大学硕士论文第1 页 销钉式挤出实验机研制及流动混合性能研究 摘要 为了研究开发新型销钉机筒挤出机，本文作者首先优化设计了挤出机实验机，通过实 验，观察物料在挤出机内的流动和混合等状况，并与计算机模拟进行对比分析，以获得设 计新型销钉机筒挤出机的参考数据。为使模拟更符合实际情况，在挤出机流动模拟及后续 处理中也进行了一系列的改进：对位于螺杆中熔融段以及计量段的胶料进行三维全尺寸模 拟：与以往的模拟中把挤出机中胶料的粘度设为一个很大的固定值不同，在本文的模拟当 中把粘度设为一个变量，将胶料的粘度与胶料所受剪切率相关联；通过考察螺杆所受扭矩 随各参数变化的规律来考察功耗变化的规律，并提出了利用剪切应力计算扭矩的方法；研 究了每排销钉个数、销钉排间距、螺槽深度对销钉挤出机流动性能的影响。 通过观察、对比分析实验数据与模拟数据得出以下一些结论： 1 销钉能有效的减小无销钉结构中存在的低剪切率核心区，但不能消除这个核心区； 销钉的影响范围和强度随销钉个数和排间距而异。 2 增加每排销钉个数，剪切效果将提高，螺杆上的扭矩下降，功耗比也下降，但同 一排相邻两个销钉间的混合却不均匀。且销钉数增加到8 个以后各流动性能提升 并不显著，因此每排销钉8 枚销钉较为适宜。 3 转速在挤出机流动性能的各影响因素中所占比重最大。不管销钉的布置如何，转 速与挤出量基本上成正比关系；转速增加，增加了单位时间内销钉对物料的分割 次数，剪切效果变好，但它们增大或减小的幅度是逐渐变缓的。 4 在同一转速下，反向压差与挤出量成线性关系，反向压差越小挤出量越大；反向 压差越小，螺杆上的扭矩越大，但功耗比减小；反向压差对混合均化效果的影响 不明显。 5 机简内壁的粗糙度对物料的剪切效果有很大影响。内壁越光滑，物料越不易挂壁， 物料层间的相对运动速度减小，剪切速度变慢。 关键词t 流场混合效果数值模拟销钉机筒挤出机f i 胍m 郑，i l 大学硕士论文 第2 页 d e s i g no fr u b b e re x t r u d e r f o r 1 s t i n ga n d t h er e s e a r c ho fn u i df l o w a b s t r a c t a t e s t i n gm a c h i n eo fr u b b e re x t n l d e r 、忱sd e s i g n e d 锄de x p e r i m e n t e d b e s i d e sm e s e ，a i m e da t t h cp r o b l e mo ff 0 册e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ne ) m l l d 盯n u i d ，s o m ei m p r o v c r n e mi ns i m u l a t i o n a n dp o s tt r e a 皿e n ta r em a d e t h er 蛐g eo fn u m e r i c a ls l m u l a t i o ni sb a t l li n c l u d em e np a na n d m e a s u r ep a no fs c r e w i nt l l i sp a p e r ，r u b b e r “s c o s i t yi sn o tf i x e db u tv a r i e dw i ms t m i nr a t e a m e t l l o di sp u tf o r w a r dt oc o m p u t em o m e n to ft o r q u eo fs c r e w 谢t 1 1 、v a l ls h e a rs t r e s s w i mt 1 1 i s m e m o dw r i t e rs t u d yp o w e rc o n s u m p t i o n 邝l e rt h a tv a r yw i 廿lp a r a m e t e r sv i as t i l d y i n gt o r q u e t h ee b c c to f p i nm l m b e ri nar 0 w ，a x i a ld i s t a i l c eb e t w e e nt 、or o 、v so f p i n s ，d 印t l lo f g r o o v eo n p e r f o n n 吼c eo fe x 咖d e rn o wi si n v e s t i g a t e d f i n a l l ya i lo n h o g o n a lt e s ti sm a d et oj u d g et h e h e no fp i nn 响b e r 证ar o w ，s p a c eb e t w e e n 柳or o w so fp i n ，r o t a t i o n a ls p 。e d ，柚dr c v e r s e d r e s s u r e w i t l lt l l ec o m r a s to ft e s td a t aa n ds i m u l a t i o nc i a t a s o m ec o n c l u s i o nc o l l l db ed r a 、v i lo u tb a s e d o ns t r i c ts t i l d yo nr e s u l t 1 t h ea r e ao f b a dm i x i n ge 腩c tc o r ec a i lb ee 位c t u a lr e d u c e dw h e np i n sc u tmg r o o v e ，b u t t l l i sc o r e 谢l ln o t ( 1 i s 印p e 虬n ei n c i d e n c ea n di n t e l l s 时o fp i ni sd i 艉r c m 、) l ，i mt h en u m b e r o f p i n sa 1 1 dt 1 1 ea ) 【i a ld i s t 舭l c eb e t w e e n t v mr o w so f p i n s 2 w h e nt l l en 岫b e ro f p i n sp e rr o wi n c r e a s e ，也em i x i n ge 行b c t 、v i l lb ei m p r 0 v e d ，t h em o m e m o ft o r q u ew mm i n i s h m ep o 、e rc o m 啪p t i o no fu n i tm 舔so u t p u t 、珩l lb el o w b u tt h e d i s 埘b u t i n go fs t a i nm t ew i l lb em o r eu l l e v e n 1 1 1 ei n l p m v e m e mo fn o wp e ：r f b 珊a i l c eo f e x t r t l d e rw i l ln o tb em o r en o t a b l ew h e nn l en u r n b e ro f p i n sp e rr o wi sb i g g 盯t l l 锄8 s ot h e n 啪b e r o f p i n s p e r m ws h o u l db e 丹o m6 t o 8 3 t h er o t a t i o 删s p e c di st l l em o s ti m p o n 锄ti i l f l u e n c i n gf a c t o t1 1 1 e r ci sal i n wd i r e c tr a t i o r e l a t i o n s l l i pb e t w no u t p u t 卸dr o t a t i o n a ls p c e d i n c r e 弱i n gt h e 训o n a ls p c e d ，t h e 协r q u e g ou pa n d t h ep o ，e rc o n 叫n p t i o no f u 妯tm 髂so u 土p u t u c e 4 a ts a i r l er o t a t i o n a ls p e e d ，w h e nt l l er e v e r s ep r e s s u r ed e c r e a s e dt i l eo u t p u tw i l lf h l l 姐d t o r q u e 丽ui n c r e a s e ，t l l ep o w e rc o n s 硼印t i o no fu n i tm a s so u t p u tw i l lb el ow t h e c o m r i b u t i o no f r e v e r p r e s s u mt om i ( i n ge m c i c n c yi sn o to b v i o u s 5 t h ed e g r e eo fr o u g l l i l e s sh a sg r c a li n n u e n c eo nm es h e a re 腩c t w i mas m 0 0 mi n w a l l ，m e s 圮a re f f b c tw i l lb ew e a k e nf o rt t 地r e a s o no fd e c r e a s eo fs h e a rf o r c e 郑州大学硕士论文 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、 抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生 的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 论文作者繇移竞选 2 0 0 6 年5 月2 5 日 郑州大学硕士论文 第1 页 引言 挤出机是聚合物加工企业或研究单位的基本装置之一，大约有8 0 的的聚合物加工都 要经过螺杆挤出这一重要加工工艺。橡胶挤出机主要有热喂料挤出机和冷喂料挤出机两大 类。由于冷喂料挤出机可使挤出物达到理想的均匀性，因此众多研究者对冷喂料挤出机开 展了研究与开发，开发出多种结构的挤出机，其中二十世纪七十年代德国开发的销钉机筒 冷喂料挤出机以其结构简单、制造成本低、运行可靠、操作方便等优点成为冷喂料橡胶挤 出机的主流产品。 目前销钉机筒挤出机的设计很大程度上仍处于半经验性质阶段。这种传统研究开发方 法周期长费用高，且不一定是最佳设计方案。为此国外一些研究人员使用不同软件对挤出 机内的流场进行了二维模拟与分析，意图发现影响挤出机性能的因素，但挤出机内流场是 一个复杂的三维流场，二维的模拟对于正确认识销钉机筒挤出机内的三维流场还有一定的 距离，为此郑州大学的魏新利教授利用f l u e n t 软件对挤出机内的流场进行了三维模拟， 使得对挤出机内流场的研究有了新的进展，但这个模拟也有其不足之处，如粘度是一个定 值、模拟区域内只有两到三排销钉等，另外，模拟是在简化条件下的模拟，与实际挤出机 的挤出情况有一定的不同。为此本文作者在魏新利教授的指导下，首先设计销钉机筒挤出 机实验机并进行实验，通过实验，宏观观察和分析挤出物料的混合效果、流场状况，并和 计算机模拟结果进行比较，验证销钉数量、反向压差、螺杆转速等对物料混合效果的影响， 然后利用正交试验对影响挤出机性能的几个主要因素进行排序，并找到一个最佳的组合， 为优化设计新型结构挤出机准备了可靠数据。 郑州大学硕士论文 第2 页 1 1 引言 第1 章绪论 聚合物和金属是当今世界应用最广、最重要的两类材料。在聚合物加工中，大约有8 0 的聚合物都要经过螺杆挤出这一重要加工工艺。在任何一个聚合物加工企业或研究单位， 挤出机都是最基本的装置之一。 最近2 0 多年来，随着挤出科学与工程的发展，挤出机除了可以完成传统的如固体输 送、增压、熔融、排气、脱湿、熔体输送、混合均化、泵送等加工工艺之外，其它过程， 如交联、发泡、接枝、甚至聚合反应等都愈来愈多地在挤出机上进行。 挤出机也叫螺杆挤出机，图1 1 所示为一中1 5 0 ( 螺杆外直径1 5 0 m m ) 的实际生产使 用的普通螺杆挤出机。主要由螺杆、机筒、机头、喂料机构、传动装置、温控装置和电控 系统组成。螺杆4 由两个径向轴承7 和1 0 支承，轴向力由推力轴承8 承受，全部轴承精 密的安装在机体内，以保证螺杆与机筒衬套之间的间隙，螺杆的尾部安装有齿轮，通过减 速器9 带动旋转。机筒2 、机头1 和螺杆4 的温度，由温控装置1 4 加以调节，物料从喂料 口加入，由喂料辊1 5 把物料挤到螺杆的螺槽中，通过螺杆的旋转作用，推动物料向机头 方向移动，在物料向前移动的过程中，由于物料与螺杆和机筒内表面之间的摩擦，以及螺 棱的剪切挤压作用，物料不断受到传递式的压缩、摩擦生热以及剪切作用，从而使物料塑 化、混合、均化，并通过不同形式的机头和口型挤出各种形状的半成品。 由于挤出工艺装备是连续操作，集中了多种化工单元操作过程于一体，大大提高了生 产效率并降低了能耗，同时节约占地，自动化程度高，污染小，劳动条件好，因此，挤出 加工工艺不仅广泛用于聚合物加工，而且在建材、食品、制药、军工、环保、造纸等工业 部门也逐步得到广泛应用。 在聚合物加工工业中，挤出机主要用于橡胶和塑料加工过程。 1 2 橡胶挤出机结构研究进展 橡胶挤出机主要有两大类，热喂料挤出机和冷喂料挤出机。早在1 8 7 0 年橡胶挤出机 就问世了，最初只有热喂料挤出机，挤出机的结构比较简单，胶料经开炼机加热后，加工 成胶条供给挤出机，主要用于电线的包胶。二十世纪六十年代初开发了冷喂料橡胶挤出机， 因采用特殊的螺杆结构和加长螺杆长度，增加了胶料在螺槽和机筒内的运行时间，可将喂 入的冷胶料加热塑化，从而可省掉热炼机以及相应的供胶装置，减少操作人员，减少占地 面积和空间，降低动力消耗。 郑州大学硕士论文 第3 页 蠹 耋 暑 三 雕曩寡霹i峥一 -鼻茸坼_i -量囊曩= -圳i蠼，n一 -嚣曾_承卜i_一翟 -诫_幕匾= -叠-霹曩i营-*幂畏冁_*幂即麓瞥零暮霉并。_l，卜抽备-；吼-靶-靶n-暮一。讯一 郑州大学硕士论文 第4 页 由于冷喂料挤出机转速较高，可使挤出物达到理想的“均匀性”。但这种挤出机胶料 生热量大，产量较同规格的热喂料挤出机低，特定的螺杆结构只适合于加工几种特定的胶 料。由于普通冷喂料挤出机存在这些缺点，故还无法全面取代热喂料挤出机。因此众多研 究者进一步开展了对冷喂料挤出机的研究与开发。 从理论上讲，挤出机是混炼装置。理想上应达到挤出物组分混合均匀，且温度分布一 致。如将非均匀挤出物剖开，人们能清晰看见多层结构，这些多层结构的轮廓具有“年轮” 形状，如图1 2 所示。 图1 2 种非均化挤出物中的。年轮。 螺杆挤出机的“均匀性”，常称作分布混合性能( d i s t r i b u t i v em i x i n gp e r f o r m a n c e ) 或均化性能( h o m o g e n i z a t i o np e r f o r m a n c e ) ，也有学者称为机械混合性能( m e c h a n i c a l m i x i n gp e r f o r m a n c e ) 。这种性能及挤出能力均因螺杆与机筒构成的流道的不同而不同， 近3 0 年来，研究人员开发了多种流道结构，如图1 3 和图1 4 所示。 霞暖辫瞪圆 ( g ) ( h ) ( - ) 掐板环lc b ) h 儿l e 触剪切蚊l ( c ) h d d o 吐杆j 眙嚣t ( d ) t 瑚b t l r 杆瓤合l ( e ) 黻扫簟i ( f ) d ，町轩撮含量i 如l - 扣杆精合暑l 参杖阻挡詹 圈1 3 单杆挤出机的各种剪切结构 郑州大学硕士论文 第5 页 圭g 出篆圭魁当e 釜墨笔考耸 j 置娶s 叠娶垒： 。， ooc ；o 己o 一号历旁眵莠岛书眵) 旁男 c ) ( d )( e ) 情钉i 怔疆穗台头i ( c ) 切口坟头i ( d ) 齿轮l ( e ) 锖钉机霄l ( f ) 淘槽混合i 矩，i 矗古l 夏形 眙嚣i ( i ) 球形矗告嚣l ( j ) 双嘲i 擒合嚣 圈1 4 单一轩挤出机的各种混合装置 其目的都是为了提高对胶料的剪切力，促进生热并均化，改善胶料的均布混合性能， 在研究开发的新型挤出机中，销钉机筒挤出机以其相对较好的费效比得到了广泛的应用。 1 2 1 机筒销钉挤出机及其它类型挤出机 联邦德国的尤尼劳埃尔公司( u n i r o y a la g a a c h e n ) 于二十世纪七十年代开发了销 钉机筒冷喂料挤出机“1 。这种销钉机筒冷喂料挤出机不但具有普通冷喂料挤出机的优点， 而且生产能力大、排胶温度低、动力消耗和单位功耗低，适用的橡胶种类达9 0 9 6 左右，于 是很受橡胶厂的欢迎，迅速得以推广，很有完全取代热喂料挤出机的趋势。 销钉机筒挤出机为单螺杆挤出机，其结构特点是在机筒上安装了6 1 6 排( 圈) 、每 排( 圈) 6 1 2 枚销钉，销钉穿过机筒伸向螺杆根部，呈辐射状固定在机筒上，如图1 5 所 水a 由于销钉从机筒壁一直插到接近螺杆的根径处，故在螺杆上对应销钉的部位开有环形 切槽，这样在螺杆转动时销钉不会妨碍螺杆的转动。销钉的排数和每排销钉的个数及销钉 的大小、长短均视挤出机的规格大小和使用要求而定。 销钉机筒冷喂料挤出机不仅保留了普通冷喂料( 无销钉) 挤出机螺杆与机筒对胶料的 剪切、混合均化作用，而且插入的销钉改变了普通挤出机螺槽中胶料的运动状态和剪切生 热过程。螺杆转动时胶料在螺槽中被销钉切割分流，突然改变流向；流过销钉两侧面的胶 料被挤压拉长呈扇形面延伸展开，将胶料翻转出新的表面：胶料每通过一排销钉，被分割 成为销钉数2 倍的股流，然后再汇合。当进入第二排销钉时，又被重新分割、重新汇合， 如此反复分合翻搅地流过所有销钉截面，显著提高了胶料的混合均化程度。胶料在无销钉 的普通挤出机中，因得不到反复的分流搅拌而形成混合塑化较差的核心”1 ，如图1 6 ( a ) 的“a ”所示。特别是当胶料中有硬块时，更易形成这个核心。而销钉机简挤出机螺杆 攀 郑州大学硕士论文 第6 页 圈1 5 镑钉机筒挤出机的机俺及锖钉结构 螺棱沟槽中存在销钉，它会破坏这个核心。每当该核心通过销钉时，便被销钉切割分流， 螺轩每转一周，胶料便会受到一排销钉的多次分割与搅拌，如图1 6 ( b ) 所示。从而加速 了胶料在螺杆螺棱沟槽中的流动，强化了混合均化，有利于提高产品的质量。同时，由于 销钉机筒挤出机螺杆的螺槽深度比普通冷喂料挤出机要深得多，加上销钉有效地阻止了胶 料在机筒内壁打滑和回流的现象，从而大大提高了挤出机的排胶量，且降低能耗。此外， 在挤出过程中，由于销钉插入到胶料中间，有利于胶料中热量的导出，因此大大减小了胶 料的热积聚，能在获得均匀塑化效果的同时避免过度的温升，有利于降低排胶温度，从而 可使螺杆转速适当提高，进一步提高产量。一般销钉机筒挤出机与普通冷喂料挤出机相比 产量可提高2 0 7 0 ”“。 (-)o，) 圈1 6 镝钔t 螺槽横穰面内胶辩的分割作用 除销钉机筒挤出机外，近几年来国外还开发出其它几种挤出机： 多切割传递式挤出机n ，其实是一种改性传递式挤出机。与原来的传递式挤出机相比， 这种挤出机的加工制造难度降低了。其缺点是：由于增强节流，造成了局部温度升高，同 时由于在节流处压力下降，在节流后会形成空气及蒸汽气泡，导致在挤出物内产生气体并 形成气泡，影响挤出物的致密性。 传递式挤出机，这种挤出机在螺杆上设有挡板环且螺槽的深度是变化的，在机筒内也 有深浅变化的螺旋式流道。1 ，其缺点是：机筒和螺杆制造费用特别高，且不能确保流道的 自行清洁。因此阻碍了传递式挤出机的进一步发展，没有形成规模化工业生产应用。 郑，i l 大学硕士论文 第7 页 1 2 2 本文研究的内容及意义 挤出机结构研究的最终目的是开发适合某类橡胶加工的高性能的挤出机。所谓高性能 挤出机的评价指标可以是多方面的。如能耗与成本低；挤出制品的均匀性好质量高：单位 功耗挤出量大；操作运转性能可靠：环境污染小：劳动强度低等。而决定因素在于胶料在 挤出机内的流动与混合状况。胶料在挤出机内的流动与混合状况又主要取决于挤出机机筒 与螺杆的结构。这些结构好坏的评判，目前仍主要采用实验方法，属于事后验证设计。其 基本程序是，在经验基础上进行结构设计、实验研究、工业试验、修改完善设计。这种研 究开发方法周期长费用高，且不一定是最佳设计方案。那么能否做到事前分析设计呢? 即 提出一种创新结构，利用现代分析计算手段，对其混合效果进行预测和比较，在较短的时 间里完成对大量结构的分析比较，从中找出较优的结构设计方案后再进行有限的实验验 证，以大大提高设计开发的速度与质量。 尽管研究单位提出了不少新的挤出机结构，但因销钉机筒挤出机结构简单、制造成本 低、运行可靠、操作方便，综合性能价格比较为合理。所以仍是应用最多和最成熟的。 自1 9 8 5 年以来，我国相继引进了国外多种规格的销钉机筒橡胶挤出机，使我国橡胶 加工行业充分认识到这种工艺和设备的优越性，使得在新建橡胶厂和技术改造中提出了对 销钉机筒挤出机的大量需求，国内一些科研院所和高等院校对这种挤出机及相应的使用工 艺已有一定的研究基础n 。4 “1 。 由此确定本文的主要研究内容：通过实验观察和分析并利用一定的混合均化效果的评 价方法对销钉机筒挤出机的销钉个数、销钉排间距、转速、反向压差等影响剪切效果、功 耗、产量等挤出机性能的参数进行研究。 1 3 销钉机倚挤出机内物料混合均化行为研究进展 b i g i o 。”等用染色的混合橡胶，通过销钉机筒挤出机进行挤出加工，发现销钉可有效 增加和细化染色条纹，表明销钉结构具有强化混合均化的作用。同时表明销钉机筒挤出机 的销钉及几何尺寸的改变能成倍地提高混合均化效果。 l 髓k e 。等用黑白两种橡胶进行混合挤出实验，发现当螺杆螺棱上开槽后，由于胶料通过 开槽的漏( 返) 流，强化了混合均化作用，当插入销钉后进一步强化了混合均化作用。 s h i n “”等也对普通冷喂料挤出机与销钉机筒冷喂料挤出机进行了对比实验，发现销钉 机筒冷喂料挤出机的混合均化性能远比普通冷喂料挤出机好，对泵送能力影响小。认为混 合均化的关键机理在于各界面的不断重新取向，销钉机筒挤出机就是由于销钉和螺棱切槽 的作用，使重新取向运动频繁，达到提高混合均化性能的目的。但对不同的胶料，其混合 均化效果却有所不同。 e 1 e m a n s o ”等对销钉挤出机的研究也表明，当胶料连续从销钉区通过时，不仅经历了 高剪切而且重新取向，促进了胶料的分散与混合。 从上述研究结果可见，在机筒上安装销钉后的混合均化效果优于在螺杆螺棱上开槽但 不安装销钉的情况，开槽不安装销钉的情况又优于不开槽不安装销钉( 普通挤出机) 结构。 由于在螺杆螺棱上开槽或在机筒上安装销钉后，界面的再取向、剪切、挤压、拉伸等作用 郑州大学硕士论文 第8 页 明显强化，因而可以认为界面的再取向、剪切、挤压、拉伸是主要的混合均化机理。 y a o w e i g u a n g m w 等按牛顿流体研究了在螺杆上安装不同结构销钉时，物料在螺槽横截面内 的流动和混合效率。研究结果表明在螺槽内安装销钉后可提高混合效率，同时证明在销钉上 开孔后可迸步起到强化混合的作用。 文献 3 8 ，3 9 研究了类似结构螺槽横截面上的流体流动与混合行为。 文献 4 0 4 7 则主要针对无销钉螺杆挤出机内的混合行为进行了相关的研究。 由于挤出过程是个十分复杂的三维流动与混合过程，这些主要针对螺槽横截面二维 状态的研究尚不足于深入了解挤出机内的流动与混合情况。 随着计算机技术和软件技术的发展，三维实际结构流场的数值计算不存在大的问题， 而上述文献之所以均采用螺槽横截面的二维模型进行研究，而没有采用三维实际结构模型， 主要原因是三维结构流动混合的实验验证存在一定困难。 1 4 锖钉机筒挤出装置有待研究解决的阔蜃 综上所述，销钉机筒挤出机作为新一代挤出设备，具有许多优异的特性，但尚有许多 问题有待进一步研究解决。 1 目前销钉机筒挤出机的设计在很大程度上仍处于半经验性阶段。设计高质量销钉 机筒挤出机需要掌握销钉机筒挤出机内物料流动与混合均化的特性和机理；提供科学、物 理意义明确、计算简单、适用面广的评价物料流动混合均化效果的参量及计算方法；掌握 螺杆参数、工艺参数、销钉布置等对胶料流动状态、和剪切效果等的影响；掌握强化胶料 流动与混合均化过程的技术。但这是一项难度很大、工作量很大的研究工作，国内尚未见 有这方面系统研究的文献报道，国外仅有少量相关研究内容的文献报导，尚还很不完善。 2 现用的销钉机筒冷喂料橡胶挤出机的销钉布置设计主要靠经验，缺乏理论依据。尤 其是在设计时没有考虑销钉机筒挤出机工作时功率消耗的问题，即每挤出单位质量的物料 所消耗的功率。 1 5 本文的目的和任务 作者拟在通过实验，观察、分析剪切效果，并与计算机模拟销钉机筒挤出机内物料流 动状况进行比对，利用对剪切效果的评价，对挤出机的销钉个数在不同的工艺参数下进行 优化设计，同时对整体结构进行改进设计，克服上述存在的问题。 1 5 1 本文研究的目的 通过数值模拟技术及模型实验研究物料的流动与所受剪切作用，探讨强化流体混合均 化效果的手段，为强化销钉机简挤出机及其他混合过程提供科学技术基础。探索优良的销 钉机筒挤出机结构，为设计性能优异的销钉机筒挤出机提供技术依据，从而开发出适合我 国国情、制造成本低、操作维修方便、运转平稳可靠、能耗低、通用性强、综合经济性能 好、工艺指标先进的销钉机筒冷喂料挤出装置，改变和提高我国橡胶加工装备的工艺水平， 郑州大学硕士论文 第9 页 为我国橡胶加工行业的科技进步及发展做出贡献。 l - s 2 本文的研究方案及研究重点 作者认为要研究挤出机内的剪切行为，最好是通过它的流动行为即流场的某种参量来 间接评价其剪切效果，通过实验，可直接观察和定性分析物料在机简内的流动状况，通过 对在不同混合段混合物料剪切效果的分析，特别是通过利用计算机c f d 软件的模拟，流场 可以通过c f d 软件进行流场数值模拟计算出来，这样对比分析，对所设计结构的剪切效果 进行评价。因而本文的研究重点及研究路线如下： 通过样机实验，观察和定性分析物料在机筒内的流动状况 用c f d 软件对销钉机筒挤出机内胶料的实际三维流动进行数值计算，并对销钉机 筒挤出机内物料剪切效果进行评价。对比考察评价不同销钉布置时剪切效果的优 劣，寻找几何结构和操作参数对销钉机简挤出机剪切行为的影响规律。 在对销钉机筒挤出机内物料剪切效果进行评价的同时考察不同结构对橡胶挤出过 程中的功耗比的影响，寻找操作参数对销钉机简挤出机功耗比的影响规律，以获 得优化的结构设计参数。 1 5 3 本文研究解决的具体内謇和任务 以销钉机筒挤出机的实际结构为基础，设计并制作试验机，利用混有示踪剂的物料进 行试验。对不同结构和工艺条件下的销钉机筒挤出机内的物料进行三维流动和剪切效果的 数值模拟与评价研究，对比实际实验的物料混合效果。寻找销钉布置结构对物料流动和剪 切效果以及功耗比影响的规律，为销钉机筒挤出机的结构设计提供参考依据。 郑州大学硕士论文 第1 0 页 簟2 章铺钉机篱挤出机实验机的设计和试验 2 1 引言 目前的挤出机技术的瓶颈有两方面：一是挤出过程的软件问题，二是挤出机的硬件问 题。挤出过程的软件是指挤出的生产能力、挤出的质量( 含膨胀率、收缩率等) 。而这些 参数又与胶料的配方、挤出的速度、设备的温度、牵引速度和设备的参数等有关，要实现 生产全自动化技术，必须将这些复杂的影响因素建立一个统一的数学模型，为实现智能定 量自动控制提供条件。挤出机的硬件主要是指螺杆构型和喂料段构型问题。目前挤出设备 主机主要解决塑化能力和喂料能力问题。螺杆的塑化能力经过几代科研人员的努力，已有 许多突破，如：主副螺纹强力剪切螺杆、机筒销钉螺杆和传递式螺杆等。在喂料能力方面， 青岛科技大学已取得专利，德国一公司正在进行轴向喂料方法和装置的研究，希望有所突 破咖1 。本文拟通过实验与计算机模拟对比，也希望找到销钉机筒挤出机设计的可靠依据， 为挤出机的发展出一份力。 2 2销钉机倚挤出机实验机的设计 2 2 1 销钉机俺挤出机实验机的设计思路 应该说，机筒销钉挤出机是相对比较简单的机械，但是由于其挤出过程中产生了极高 的轴向压力、径向压力及较高的挤出温度，因此，在实际生产中，挤出机的机筒是带水冷 却夹层的；喂料段与机筒分开设计制造，喂料段由喂料辊辅助进料，这一段要求有较高的 密封性。为了便于观察实验效果，本文拟以有机玻璃为主要材料设计实验挤出机，如还按 实际生产中的挤出机式样制造实验机，一是没有必要，二是其复杂的冷却夹层和强度要求， 有机玻璃材料是不可能达到要求的。所以，在设计实验挤出机时，本文遵循了以下原则： - 结构简单、实用，实验基本反映实际； 便于操作，便于观察实验混合状况。 2 2 2 销钉机筒挤出机实验机的设计 本文设计的是挤出机实验机，既要简单、实用，基本反映实际，又要便于清楚地观察 到挤出机实验机筒内物料的混合状况，就必须化繁为简，经济实用。因此，省掉了喂料段 由喂料辊辅助进料部分。 在设计机简时考虑到有机玻璃材料加工性能限制和在可见光下观察机简内物料的流 动状况的需要，去掉了机筒冷却夹套层，为使机筒在承受一定的压力并满足实验强度要求 的情况下，有机玻璃材料厚度选定为1 5 1 1 1 l n 机筒长度1 0 0 0 m m ，内径9 0 咖，外径1 2 0 唧， 在销钉挤出机简两端设有法兰和中5 7 哪的喂料口。在机筒壁上距出口1 7 0 哪至7 4 0 唧处均 郑州大学硕士论文 第1 l 页 1 _ f l j8 排销钉孔。机筒有两套，区别就在_ j 二每排销钉数：一套每排8 个销钉，销钉总数为6 4 个；另一套每排6 个销钉，销钉总数为4 8 个。这样可以实现的销钉组合为8 8 ，8 6 ，8 4 。销钉数为4 8 个的机筒的具体结构如下图2 1 ，销钉数为6 4 个的机筒结构图省略。两 套机筒的实物如图2 2 。 鼎l 。i il 庙 r - 1jij 一 11i ij fl 二1 蓟蓟审令 2 1 机筒零件圈 2 2 试验机机筒实物图 8 6 ( 上) 8 8 ( 下) 销钉的材料采用有机玻璃，外形和尺寸和实际使用的销钉一致，如图2 3 所示。销钉 插入挤出机内的长度为1 3 5 唧，圆锥台状，上圆直径1 0 m m ，下圆直径8 m m 。 图2 3 销钉零件图 螺杆螺纹部分按标准生产型巾9 0 型挤出机螺杆设计，为双头螺纹和变螺距设计，从喂 郑州大学硕士论文 第1 2 页 料口丌始长度为8 0 0 m 的螺距为1 0 8 m m ，其余的螺距为9 0 m 。简化螺杆的支撑、密封等处 的没计。螺杆长径比为1 5 ：1 。螺杆长度为1 0 5 0 m m ，螺杆头部为半球形，螺杆内径6 0 m m ， 落槽深度为1 5 m m 。试验机螺杆实物如图2 4 。 图2 4 螺杆实物图 螺杆材料选用p v c 塑料棒，螺纹材料为有机玻璃。 螺杆转速范围为3 6 0 转分，螺杆转速采用调速器调节，实验时螺杆转速可在设定范 围内可任意快速调动。 简化设讨1 后的销钉机筒挤出机实验机主要由机筒、螺杆、电机、调速器、机架等组成。 销钉机筒挤出机实验机实物如图2 5 。 图2 5 销钉机筒挤出机实验机结构图 2 3 挤出试验 物料在销钉机筒挤出机中的流动是一个很复杂的过程，怎样在实验过程中观察到机筒 内物料的运动状况和物料混合的变化情况并不是一件容易的事。有人使用一种酸基染色消 失法进行观察实验，既在销钉机筒挤出机挤出实验中，用混合有碘的谷糖浆( c o r ns y r u p ) 郑州大学硕士论文 第1 3 页 作为示踪剂被泵入混合有亚硫酸钠( s o d i u mt h i o s u l p h a t e ) 的纯净的谷糖浆溶液中。在 螺杆旋转过程中，两种流体被先前推进，它们的流动既有轴向运动，又有径向运动，物料 层之间的层流速度也不一样，当它们遇到障碍销钉时，又被反复的切割分流、融合。流体 中的碘和亚硫酸钠发生混合和再反应，使溶液中的碘量逐渐减少，溶液颜色变浅，随着销 钉机筒挤出机中物料混合的进行，反应继续进行着，直到溶液颜色展后变为无色，示踪剂 完全消失。示踪剂的存在，说明混合还不均化，示踪剂完全消失，证明混合已完全均化， 达到最佳混合效果。在这个实验研究中，从销钉混合部分的一端开始到另一端中，示踪剂 完全消失的长度可以测量。如果螺杆挤出机中有一高效混合部分，那么，示踪剂完全消失 的长度将是较短的。测量示踪剂完全消失的长度就可以确定物料混合的质量。这种方法可 以对销钉机筒挤出机混合的效果定性的给以判断，因为，物料的性质不同。使用与橡胶性 质相近的物料进行实验，混合效果的优劣将会更接近或更能反映销钉机筒挤出机混合的实 际效果，这种实验更重要和必要。 2 3 1 实验物料的选择与准备 鉴于销钉机筒挤出机实验机的强度有限，所使用的物料不能是橡胶等高粘度物料但同 时所选用物料的流动特性必须接近非牛顿流体。只有在试验所使用的物料在挤出机内的流 动特性和橡胶的流动特性接近，得到的实验结果才有可能接近实际，对指导实践才有意义。 本文首先选择了不同浓度下果胶冻( 浓度分别为5 、1 0 、1 5 、2 0 、2 5 、3 0 ) 做 挤出实验。 经过对几组不同颜色但浓度相同的果胶冻进行挤出实验发现，在一定螺杆转速下，低 浓度( 2 0 以下) 不同颜色果胶冻在挤出机的无销钉段因扩散作用和在螺杆推动挤压下而 出现较好混合效果。而较高浓度( 2 5 以上) 下不同颜色果胶冻在挤出机的挤出过程中物 料呈晶粒状，不能融合为一体。 为分析此原因，作者使用黏度计对各浓度下的果胶冻的黏度进行测量，在测量中发现， 果胶冻的黏度是不断变化的，通过仔细观察，发现黏度计转子附近的果胶冻黏度很小，但 这层黏度很小的区域只有在转子周围约5 哪范围内，在这个区域以外，果胶冻的黏度基本 不变，尤其是在高浓度下这个现象更明显。也就是说果胶冻的黏度特性与橡胶差别较大。 另外果胶冻属于水溶介质，在试验时其内部的扩散作用比机械混合作用更大，因而果胶冻 不适宜充当本试验的试验材料。 通过在烧杯中对发胶的作简单的搅拌试验并与果胶冻作对比后，发现发胶也不能作为 挤出机挤出实验的物料。 通过查阅参考文献，并做简单试验对比，分析了上性淀粉的性质后，本文确定以上性 淀粉为挤出机试验物料。 实验物料由淀粉、盐、油、颜料液等按一定的比例混合( 淀粉、盐、油、颜料液比例 为：2 5 0 0 ：3 0 ：8 0 ：7 0 0 ) 而成，并在混合后放置5 小时以上，使其上性后才可用于实验。 准备的用于实验的物料有三种颜色：白色、红色、兰色，尽量保持较大色差。使其在 郑州大学硕士论文第1 4 页 实验过程中，在用两种不同颜色的物料进行混合实验时，极易在可见光条件下观察挤出机 中两种颜色物料的混合状况。 2 3 2 挤出实验 本文所用的实验设备是由透明有机玻璃制作的挤出机试验机，如图2 5 所示。试验所 用物料为混和有不同颜色的上性淀粉面团。试验记录由一台j v c 数码摄像机记录。 实验方法和步骤如下： 1 、开启试验机，设定螺杆转速，并保持恒定。开启摄像机。 2 、将两种不同颜色的物料制成直径约为1 5 m m 的长条状，同时从试验机喂料口喂入挤出 机试验机。 3 、在物料在试验机中进行挤出操作时，观察并记录物料在试验机内的流动状态、混合状 况。 4 、当物料由挤出口挤出时，停止挤出机运转。将机简取下，使用裁纸刀仔细地将螺槽内 的物料在落槽的垂直方向上切出一个横截面，观察并记录。所切横截面位置分别位于 无销钉区，销钉前和销钉后。 5 、将物料清除干净，装配好以后，重复试验步骤l 。 2 4 实验结果 在试验当中，对实验的观察和结果的记录有两种方式：对挤出过程的动态观察记录和 对横截面的静态观察和记录。两种方法从不同角度考察了不同挤出过程。 2 4 1 动态观察 开动挤出机后，设定转速，然后把不同颜色的面团各自拉伸成直径1 5 咖的长条后， 两种不同颜色的物料条一同投入挤出机喂料口。通过观察可以发现，当物料剐刚投入挤出 机内的时候，物料在开始的一到两个螺槽的长度内还是颜色分明的，并在螺杆的罗棱推动 下前进，在机筒壁的摩擦作用下，物料在螺槽内部成螺旋状前进。这一点和传统理论的描 述一致，见图2 6 。 n 圈2 6 胶料在一槽中的运动轨迹 当物料进入有销钉区域，在遇到销钉时，物料流被销钉割裂开来，但由于物料的流动 性比较差，所以在销钉后部没有能够及时地重新汇合，而是留有一定的空间，在距离销钉 一段距离( 约5 l o m ) 重新汇合。 从整体上观察可以发现，试验机内物料的颜色从喂料口的红白分明逐渐过渡到出料口 的单一颜色。 郑州大学硕士论文 第1 5 页 2 4 2 静态观察 当挤出机内物料的达到出料口后，停止机器运转，将机筒取下，使用裁纸刀将螺槽内 的物料沿垂直方向作一个横截面。观察和记录横截面，可以推断物料在螺槽内的运动状况 并判断其混合效果。 图2 7 是在转速为5 r p m ，8 8 个销钉组合时的螺槽横截面照片。 郑州大学硕士论文 第1 6 页 图2 7 转速为5 r p m8 排每排8 个销钉 螺槽横截面图 郑州大学硕士论文 第1 7 页 图2 8 是在转速为1 0 r p m ，8 6 个销钉组合时的螺槽横截面照片。 郑州大学硕士论文 第1 8 页 图2 8 转速为1 0 r p m8 排每排6 个销钉 螺槽横截面图 由图2 7 、2 8 可见，在无销钉区域螺槽内物料是在机筒壁和螺杆的联合作用下，在 螺槽内滚动前进，因而物料在螺槽中不同颜色的物料呈层状叠放在一起，混合效果不好。 当物料进入有销钉区域时，由于销钉的切割作用，以及物料可以从罗棱上的开口部分回流， 物料内的层状分布逐渐被打破，物料的混合效果明显好于无销钉区域。到了出料口附近， 物料的基本已经混合均匀。 对比图2 7 、2 8 可见，转速的提高能够加强剪切作用，销钉数对剪切作用有一定影 响。 2 5 小结 。一通过设计并利用橡胶挤出试验机试验获得对挤出机内物料的定性认识： l 、 在无销钉区，物料在螺槽内呈螺旋状前进，物料的混合作用主要靠机筒壁和螺杆的 摩擦作用。 2 、 销钉能够有效的切割螺槽内的物料，使其能够比较好的混合。 3 、 罗棱上的开槽，使部分物料回流，也起到一定的混合作用。 4 、 转速对挤出机内的剪切效果有着重要影响。 郜州大学硕士论文 第1 9 页 但为了方便在可见光下观察，选用有机玻璃做为挤出机的主要材料，造成试验机的强 度不高，因而也就限制了试验用的物料的选择和转速的调整。另外就是试验用的物料比较 粘，在试验的后处理上比较困难。 查塑查堂堕主堡奎 篁! ! 墨 第3 章铺钉机筒挤出机内椒料漉动的数值模拟 3 1 引盲 虽然前人“”在销钉机筒挤出机流场分析方面做了一些工作，但由于结构的复杂性 及当时计算手段的限制，仅限于将销钉固定于螺杆上的螺槽横截面和螺杆展开面的流场简 化分析：前人对销钉机筒挤出机混合效果的研究仅限于实验研究“。“3 ”，其他的相关研究 也仅限于将销钉固定于螺杆上对螺槽横截面二维流动混合行为的研究汹。“。而实际销钉机 筒挤出机的销钉是固定在机筒上，与螺杆有相对运动，是一个十分复杂的三维流动与混合 过程。 同时挤出制品的质量与胶料在挤出过程所受到的剪切作用大小有关，并且希望所受到 的剪切作用比较均匀。局部高剪切可能导致胶料烧焦，局部的低剪切可能导致胶料塑化不 好。因而希望挤出过程产生个比较均匀的剪切效果。同时在以往的模拟中考查对象也仅 限于混合效率，没有考查生产过程中功率消耗、产量以及它们之间的比值，而这两项不仅 是在实际生产中很重要的考查对象，也是设计一台优秀的挤出机需要的考虑的主要问题。 由于销钉机筒挤出机结构十分复杂，对其内物料的三维流场进行解析求解是十分困难 的。随着计算机技术和c f d 软件的发展，以销钉机筒挤出机实际结构为模型对其进行三维 流场分析己成为可能。本章将采用国际著名的c f d 计算软件f l u e n t ，对销钉机筒挤出机中 物料三维流动进行数值计算，而后重点对剪切率进行考察。并研究销钉排数、每排销钉个 数、螺杆转速、反向压差等参数对物料流动与剪切效果的影响规律；同时还研究了不同销 钉结构对挤出量、扭矩以及它们之间的比值即挤出单位胶料的功耗的影响。以寻找合理的 销钉布置设计，使设计人员能在设计阶段对结构设计结果进行评估，避免设计风险，节约 研制费用，缩短研制周期。为优化销钉机筒挤出机结构，设计低成本、高效率的销钉机筒 挤出机提供参考。 3 2 流场分析计算模型的建立和参数的设定 计算模型的几何模型以挤出机试验机和魏新利教授设计的巾9 0 销钉机筒挤出机为基 础，固定其总长度及各部分的长度，模拟处于熔融段和输送段的流体。这样取值是考虑到 当加大销钉排间距时，如果销钉排数不变，则螺杆总长度会变的大，而在实际生产当中螺 杆的总长度是有限制的，同时这样模拟出来的结果尤其是关于扭矩和功耗比没有可比性。 所以在本文中的计算模型固定螺杆总长度，改变销钉排间距，在熔融段的销钉排数由销钉 排间距决定，这样更接近实际使用情况。 图3 1 为其中一种销钉机筒挤出机机筒与螺杆的结构模型。图3 2 所示为计算模型之 一的流体形状，其中左端为物料入口，右端为物料出口，计算长度取7 5 0 m m ，由于本章重 点是对各种结构的流动与混合效果进行比较研究，为了方便显示与计算，计算时假设螺楞 外圆与机筒内壁无间隙。 胶料的物性参数：胶料为非牛顿流体，其表观粘度和其所受剪切速率有关”，根据高 郑州大学硕l 沧文第2 l 页 分予物理