（机械工程专业论文）pvc平行异向双螺杆挤出机螺杆的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 挤出机是型材生产所需的关键设备，它的作用是将p v c 与其它辅料混合的于混 料经过螺杆的塑化作用，使之成为熔融的塑料，并通过模具定型成门窗所使用的型材。 其中挤出机的螺杆是决定物料塑化质量的核心部件，决定型材产品的质量和稳定性。 9 3 挤出机在生产过程中，我们发现其塑化质量不很理想：稳定性差、排气性能不好、 对配方的要求很高、适应性差等缺陷。因此决定对其进行研究，设计新的螺杆，提高 挤出机的塑化能力和适应性，为适应新的配方作好充分的硬件准备。 本文详细介绍了国内外挤出机的发展现状；对9 3 挤出机结构特点进行了阐述， 并重点对其螺杆各段情况进行了详细分析，并提出改进措施，经过生产试验并进行适 当修整，设计并制造出符合目前生产条件和未来发展所需要的螺杆结构；另外本文还 利用编程生成节点、单元的方法，提出了一种新的异向双螺杆螺纹几何造型程序，建 立了异向双螺杆流道的三维等温模型；并利用a n s y s 有限元分析软件对全满状态下 的异向双螺杆熔体输送段的牛顿流场、非牛顿流场进行了三维等温模拟，模型考虑了 螺杆机筒间的所有间隙及速度条件，借助a n s y s 有限元求解器，求出了速度场、压 力场和粘度场，利用流场计算结果，分析了平行异向双螺杆挤出机熔体输送段的挤出 特性，据此提出对9 3 挤出机螺杆进行改进的措施，并进行实验，取得成功。 关键词：异向平行挤出机几何造型三维流场 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t e x t r u d e rist h e k e ye q u i p m e n tf orp r o d u c i n gd o o ra n dw i n d o w p r o f i l e i tp l a s t i c i z e st h em i x e r i n gm a t e r i a lo fp v ca n do t h e ra u x i l i a r y m a t e r i a lb yu s i n go fs c r e w ，a n dm a k e si tm e l t i n gp l a s t i c t h e nt h em e l t i n g p l a s t i cb e c o m ew i n d o wo rd o o rp r o f i l ew h e ni tt h r o u g ht o o la n dc o o l e db y c o o l i n gw a t er i n t h i s p r o c e s st h es c r e wo fe x t r u d eri st h ek e yu n i t i t d e t e r m i n e st h eq u a l i t ya n ds t a b i l i t yo fp r o d u c t w h i l ee x t r u d e r9 3i m p o r t e d f r o ma u s t r i ac a n n o tp l a s t i c i z ei d e a l l y ，h a sb a ds t a b i l i t y 、g a sv e n t i n ga n d a d a p t a b i l i t y i tn e e dg o o dq u a l i t yf o r m u l a t i o n t h e r ew a sa l s oap a i ro f s c r e wo fo n el i n ew a sd a m a g e db ys o m e t h i n gh a r dd r o p p e di nt h eb a r r e l a b n o r m a l l y s ow ed e c i d e dt or e s e a r c ha n dd e s i g nap a i ro fn e ws c r e w ，a n d t ob u i l dt h ef o u n d a t i o no ff or m u l a t i o na d j u s t m e n ti nt h ef u t u r e i n t h i st h e s i st h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n a la n de x t er n a le x t r u d e ri s i n t r o d u c e di nd e t a i l t h es t r u c t u r eo f9 3e x t r u d e ri sd es c r i b e d t h e s t r u c t u r eo f e v e r yz o n e o fs c r e wi s m a i n l ya n a l y z e d ，a n dt h ei m p r o v e m e a s u r ei ss u p p l i e d a f t e rt e s t e dw em a d et h es c r e ww h i c hi sb e t t e r an e w s i m p l i f i e da p p r o a c hw a sp r o p o s e d f o r t h e c o u n t e r r o t a t i n g t w i n - s c r e w g e o m e t r ym o l d i n g t hr e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h em e l tc o n v e y i n gz o n ei n t h ee x t r u d e rw a se s t a b l i s h e db ym a k i n gpr o g r a m s w eg o tt h en o d ea n d e l e m e n t b y t h eu s eo fa n s y s s o f t w a r e ，w e h a v ec a r r i e do u t t h r e e - d i m e n s i o n a lf l o ws i m u l a t i o n so fm e l t c o n v e y i n g z o n ei nt h e i n t e r m e s h i n gc o u n t e r r o t a t i n gt w i n - s c r e we x t r u d e r s e x t r u s i o np r o p e r t i e s a r e c o m p a r e d u n d e rd i f f e r e n t g e o m e t r y a n d o p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s a c c o r d i n gt o t h er e s u l t ，w eg o tt h em e t h o do fd e s i g n i n go fs c r e wo f9 3 e x t r u d e r w em a d eap a i ro fs c r e w sa n dg o ta c h i e v e m e n t ， k e yw o r d s ：c o u n t er - r o t a t i n g t w i n s c r e we x t r u d e r g e o m e t r ym o l d i n g t h r e e d i m e n s i o n a lf l o wf i e l d 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：q 分繁马 日期：细叶年f 。月? 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密留。 ( 请在以上方框内打“一”) 学位论文作者签名：埔岛 日期：纠年f o 月耳 日 指导教师签名：黼 日期：却4 年f o 月；口日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述 p v cf - 1 窗起源欧美，九十年代末我国引进p v c 型材和p v c 门窗的生产技术。与 传统门窗相比，p v c 门窗具有美观、隔音、环保、节能等优越性，因而得到广大用户 的青睐和政府部门的大力推广。在政府相关部门和塑钢门窗行业人士的共同努力下， p v c 门窗行业得到了长足的发展，p v c 门窗广泛的应用于办公楼宇和家庭装修。现 在全国有多家大型p v c 型材厂，其中以大连实得有限公司，北新建塑有限公司，芜 湖海螺有限公司为代表，总产量达到百万吨。在门窗市场，p v c 门窗已经占有率达到 门窗市场总份额的5 0 ，而且每年仍在不断地增长。塑钢门窗异型材的生产主要原料 有p v c 、碳酸钙、钛白粉、稳定剂等，通过混料机将这几种原料进行混合成干混料， 通过挤出机进行塑化，然后通过安装在挤出机头的模具将挤出机塑化挤出的物料定 型，通过定型模冷却定型，定长切割后即可。 商用双螺杆挤出机问世于二十世纪三十年代。因为起步较晚，而且双螺杆挤出机 不论其结构和理论都比较复杂，起初人们对双螺杆挤出机的工作机理、螺杆的设计理 论认识不足，使得双螺杆挤出机的设计和制造存在不少问题。早期的双螺杆挤出机没 有良好的机械可靠性，功能不够完善，主要是受推力轴承及传动系统设计局限性的限 制，因此并未得到广泛的应用。经过半个多世纪的不断改进和完善，双螺杆挤出机的 结构性能得到了长足的发展，特别是六十年代后期，由于开发出了应用于双螺杆挤出 机的专用推力轴承，使得双螺杆挤出机在聚合物加工领域得到迅速发展。1 9 6 0 年，奥 地利a n g e r 兄弟公司用k e s t e m a n n 公司的异向双螺杆挤出机进行硬聚氯乙烯挤出实验 获得巨大成功。从此异向旋转啮合型双螺杆挤出机因其在加工对温度和剪切敏感物料 方面的独特优势，而在硬聚氯乙烯加工领域占据了重要地位，成为挤出成型领域内的 重要机型。在聚合物加工领域中，它主要用来加工硬聚氯乙烯制品，如：管材、板材、 异型材，所以从这种意义上讲，双螺杆挤出机的发展是与聚氯乙烯的成型加工紧紧联 系在一起的【2 】【3 l 。 华中科技大学硕士学位论文 通过对9 0 2 3 和9 3 平行双螺杆挤出的研究发现，在生产过程中，9 0 挤出机工作 稳定，塑化质量很好，而9 3 挤出机塑化质量不很理想，生产稳定性和产品质量不高， 对配方要求比较高，对配方的适应能力差。通过对9 3 挤出机螺杆的分析研究，我们 认为其主要原因在于螺杆结构上存在差异，设计新型的螺杆，改善其加工性能。 双螺杆理论研究的难点集中在于螺杆啮合区，由于该区几何形状非常复杂，以往 设计大多依靠经验，国内外都极少见到有关异向旋转啮合型双螺杆挤出机理论分析的 研究报道。目前，关于双螺杆挤出过程的研究主要集中在熔体输送段，这是因为该区 段物料的输送特性更明显地影响着双螺杆挤出机的工作特性，并且物料在这一区段是 完全熔融的，因此其流动过程的求解方法可借鉴流体力学的研究成果【1 。 1 2 挤出机简介和国内外研究动态 1 , 2 。1 双螺杆挤出机的分类 由于设计原理、工作原理以及应用领域方面存在很大差异，双螺杆挤出机种类 繁多，性能各异。文献对双螺杆挤出机大致分以下几种【5 可】： 1 )根据啮合形式分为啮合与非啮合型双螺杆挤出机。非啮合型双螺杆挤出机 多为用于实验室的小型机台，目前仅美国w e l d i n ge n g i n e e r i n g 公司生产， 国内还未大批量投入生产实际当中： 2 )根据两根螺杆旋向的异同分为同向旋转和异向旋转双螺丝杆挤出机； 3 )根据两根螺杆的轴线相交或是平行分为平行双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤 出机： 4 )根据啮合区是开放还是封闭分为纵向开放或封闭、横向开放或封闭等几种 情况。 异向旋转双螺杆挤出机可分为平行和锥形两大类，前者两根螺杆的轴线互相平 行，后者两根螺杆的轴线相交成一角度。目前流行的平行异向双螺杆挤出机多为在啮 合区纵横向都封闭，即共轭型的。锥形双螺杆挤出机与啮合型平行异向双螺杆挤出机 的工作机理基本相同。如果将其设计成啮合区螺槽纵横向皆封闭的，则其输送能力和 建压能力都很强；因其加料端两螺杆轴线间有较大的空间，可以采用大的止推轴承和 2 华中科技大学硕士学位论文 扭矩分配齿轮，从而能承受高扭矩和高推力负荷，很适合挤出硬聚氯乙烯类制品 3 1 r l 。 鉴此，目前工厂挤出p v c 制品的中、小型异向双螺杆挤出机大多是锥形双螺杆挤出 机。但当螺杆直径大到一定程度时，锥形双螺杆挤出机需要大尺寸的止推轴承和扭矩 分配齿轮，使得机器结构过于庞大，因此这种情况下最好采用平行异向双螺杆挤出机。 目前串联止推轴承的设计制造已经成熟，因而锥形和平行双螺杆挤出机两者传 动系统制造难易的差异正在缩小，较突出的问题是锥形双螺杆挤出机螺杆及机筒的加 工制造难度较大，且磨损较大，制造成本比平行机要高，因此目前螺杆直径在 f 5 5 8 0 m m 以下的异向双螺杆挤出机多采用锥形双螺杆机。但也有直径f 3 0 左右的 平行异向双螺杆机，多用于实验室等场合。而直径f 8 0 以上者多采用平行双螺杆机。 1 2 2 双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的主要差别【”1 双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的主要差别有两点：首先是它们的输送机理不同。 单螺杆挤出机中的物料传送是拖曳，固体物料与金属表面之间磨擦系数的大小以及熔 体物料的粘度在很大程度上决定了单螺杆挤出机输送能力的强弱；啮合型异向双螺杆 挤出机中物料的传送是正位移输送，随着螺杆的回转，物料被相互啮合的螺纹强制性 地向前推进，其正位移输送的程度取决于一根螺杆的螺棱与另一根螺杆的螺槽的接近 程度。用紧密啮合的异向旋转双螺杆挤出机可获得最大的正位移输送。 其次，二者的速度场不同。单螺杆挤出机中速度分布相对来说比较明确并且易 于描述，双螺杆挤出机中的情况则相当复杂且描述困难，这主要是由于双螺杆挤出机 中啮合区的存在造成的。许多研究者通过忽略双螺杆挤出机中啮合区的漏流对其流场 做了分析，然而发生在啮合区的漏流的与双螺杆挤出机的混合特性和总体行为有很大 关系，因此在不计啮合区漏流的情况下所做的流场分析虽然具有一定的参考价值，但 其实用价值不大。由于发生在啮合区的复杂流动使得双螺杆挤出具有混合充分、热传 递均匀、熔融能力强、排气性能良好等诸多优点，所以许多科研工作者为了更准确地 分析啮合区的流动正在做着不懈的努力。 与单螺杆挤出机相比异向双螺杆挤出机具有很多优点：( 1 ) 加料容易。由于双螺 杆挤出机是靠正位移原理输送物料，不产生压力回流，因此可以加粘度很高或很低的 物料，以及与金属表面有很宽范围磨擦系数的物料，如带状料，糊状料，粉料及玻璃 华中科技大学硕士学位论文 纤维等。( 2 ) 物料在双螺杆挤出机中停留时间短，滞留时间分布窄，因此双螺杆挤出机 适于j j 7 - 热敏性物料。( 3 ) 优异的排气性能。这是啮合型双螺杆的自洁功能使得物料在 排气段获得完全的表面更新所致。( 4 ) 优异的混合、塑化效果。( 5 ) 低的比功耗。双螺杆 挤出机的比功耗比单螺杆挤出机低百分之三十左右，这使得双螺杆挤出机在节能、降 耗方面具有明显的优势。 1 2 1 3 同向和异向双螺杆挤出机的比较 6 】【8 1 【3 9 】 4 0 1 双螺杆挤出机中两根螺杆的旋转方向和啮合程度的不同，导致了同向旋转双螺 杆挤出机和异向双螺杆挤出机不同的泵送、混合和流动机理，同时也决定了这两类挤 出机不同的用途。在啮合型同向旋转双螺杆挤出机中，物料在螺槽中的的流动为8 字形螺旋流动。并且同向双螺杆挤出机转速较高，使得物料所受剪切作用较大。这些 特点使得同向双螺杆挤出机具有优异的分散混合及分布混合能力、较窄的停留时间分 布、优良的自清理效果等优点，因而被广泛应用于聚合物配混( 共混、填充、增强) 、 排气( 脱挥) 及反应挤出( 聚合物聚合及反应型改性) 等领域。但与异向双螺杆挤出 机相比，同向双螺杆挤出机的输送效率低，建压能力比较差，因此一般不能用来直接 挤出制品( 造粒除外) 。若想获得高的挤出压力，则需在下游接聚合物熔体齿轮泵， 或接第二阶单螺杆挤出机。这必将使机器设备成本提高。 在啮合型平行异向旋转双螺杆挤出机中，物料被封闭在绕每根螺杆的c 型小室 中，作类似于齿轮泵中的正位移输送。异向双螺杆挤出机转速较低，物料剪切发热量 小，因此它对物料的热稳定性要求不高，可以在物料成型温度范围的下限进行操作， 从而使物料的耐降解安全系数提高【3j ，特别适用于热敏性物料( p v c ) 的成型加工。 与同向双螺杆挤出机相比，异向双螺杆挤出机输送效率高、排气效果及熔融效果好， 对物料的分散混合效果较差，但建压能力强，因而可用来直接挤出制品。另外，异向 双螺杆挤出机特别适于加工p v c 粉料，可直接加入粉料而省去造粒工序，使制品成 本下降百分之二十左右。异向旋转双螺杆挤出主要用于挤出p v c 管材，型材，板材 和造粒。 1 2 4 国内外研究动态 华中科技大学硕士学位论文 1 2 4 1 异向双螺杆挤出机相似设计【9 础】【4 1 】【4 2 】 1 9 9 0 年kjg a n z e v e l d 和j a n s s a n 讨论了异向双螺杆的相似放大理论，同时 h k a r t g h o o s t 等人讨论了锥形双螺杆的相似放大理论。相似设计的目的在于通过相似 放大定律将从小型实验设备上得到的理论和成功经验应用到其他尺寸较大的挤出机 螺杆设计中，得到直径不同而性能相似的新螺杆，从而达到最佳的设计效果。 放大理论的基本原理是：采用无量纲形式，将与挤出过程相关的参数( 包括几何 参数，工艺参数，物性参数) 无量纲化，从而减少相关参数的数量，并使用这一过程 中的数学描述与所研究样机的规格无关。相似设计的基准参数是螺杆外径d b ( 对锥形 双螺杆挤出机来说，取小端直径) 。 根据相似设计原理，奥地利c i n c i n n a t im i l a c r o n 公司以c m t 5 8 为样机成 功地开发了3 5 r a m 9 2 r a m 系列锥型双螺杆挤出机。采用模拟放大理论对双螺杆挤出进 行研究，可把优质挤出机的参数及结构进行放大或缩小，促进了双螺杆挤出机的系列 化。但这种方法是建立在大量实验的基础之上，公式中的参数变量只能过实验来获得， 因而其应用比较困难。 1 2 4 2 双螺杆挤出机螺杆几何造型的理论研究。 双螺杆几何学的研究是建立在单螺杆几何学基础上的。对双螺杆来说，螺杆主 要尺寸之间的几何关系与单螺杆基本相似，但双螺杆啮合区的存在以及为保证螺杆正 常工作所留的几个间隙使得双螺杆几何学比单螺杆几何学复杂得多。双螺杆几何学研 究的开拓性工作是l e b mj a n s s e n 和m o o y 完成的。j a n s s e n 在假设螺棱为梯形时推 导出了一些有关几何参数的关系式，并由此计算出四个基本间隙及c 形小室的容积。 m o o y 讨论了无间隙紧密啮合型同向双螺杆挤出机的螺杆端面曲线，提出了一些有益 的结论。但由于他忽略了两个基本间隙( 侧面间隙和径向间隙) ，使得其结论具有一 定的局限性。我国也有不少研究人员对双螺杆几何学进行了探索性研究：文献 1 3 1 对 全啮合双螺杆螺纹外形益线的形成过程用数学分析的方法进行了详细的推导，并用解 析和几何两种方法总结出了同向和异向旋转双螺杆曲线形成上的共性及各自特点：文 献 1 4 1 根据双螺杆横截面几何造型方程，运用m d t 软件包的曲面造型功能绘制同向 和异向旋转双螺杆的三维实体图：文献 1 5 运用解析的方法对异向全啮合双螺杆挤出 华中科技大学硕士学位论文 机的几何原理进行了研究，并给出了螺杆端面曲线、螺杆形状、加工刀具的刀型曲线 等数学模型。 1 2 4 3 异向双螺杆挤出机性能的研究【1 6 1 7 j 文献【1 6 】介绍了错列型非啮合异向旋转波：状双螺杆挤出机的性能。作者借助计算 机对流场方程进行求解，并将它与并列型双螺杆挤出机的挤出量、混合效果、所建立 的螺杆头部压力以及螺杆特性线的求解计算及实验结果进行了比较，其物理模型的建 立思路和方法以及数学模型的建立、数值计算、求解流场方程所用的方法和处理技巧 与并列型基本相同。 文献 1 7 】用有限元的方法分析了牛顿流体在异向平行非啮合双螺杆挤出机( 包括 错列型及并列型) 中的流动情况。作者认为流体在挤出机中的流动包括：螺杆旋转引 起的拖曳流、机头压力产生的压力流、螺杆输送引起的螺棱上和啮合区的拖曳漏流和 机头压产生的漏流。考虑到螺杆几何形状以及物料流动的复杂性，作者假设：流体是 在全充满状态下不可压缩的、等温层流流体，并忽略惯性力的影响。在此前提下作者 分别对错列型及并列型异向双螺杆挤出机中流体的流动方程进行了分析。尽管进行了 上述一系列的假设，由于螺杆几何造型的复杂性，仍无法得到螺杆啮合区的流体速度 方程的解析解。作者采用无量纲化的方法分析出了影响流动的物性参数和螺杆几何参 数以及它们之间的相互关系，分析了螺杆各横截面上压力流的三维分布，并把所得结 果与实验结果进行了对比。 j a n s s e n 等人建立了完全充满状态下牛顿流体在双螺杆挤出机中的漏流模型。并 指出双螺杆挤出机中共存在四种不同的漏流。通过对以上四种漏流进行详细的分析 后，认为实际产量是理论产量与漏流之差，并画出了无因次挤出量与四种漏流之间的 关系图表。最终得出的结论认为漏流是由三个因素决定的：移动壁面产生的拖曳流动、 口模压力和各腔室中的流动所引起的内压所产生的压力流。 1 2 4 ，4 熔体输送机理的研究 为了充分了解和优化挤出过程，人们对异向双螺杆挤机挤出过程中的熔体输送 过程进行了一系列研究。国内外关于熔体在流道内的流动分析主要采用两种方法：解 析法和数值计算法。由于螺杆形状复杂使得物料的流动呈三维状态，因此用解析法求 6 华中科技大学硕士学位论文 解其流场几乎是不可能的：此外，因为加工过程中熔料的压力和温度较高，通过实验 方法测定熔料所受的应力、应变、滞留时间分布、温度和压力经历等物理参数比较困 难，迫切希望借助计算机辅助工程( c a e ) 技术掌握这些参数，为挤出机的合理设计 和工艺条件的科学设定提供依据，因而近年来随着计算机在工程计算领域的飞速发 展，使得c a e 技术和数值计算方法越来越得到广泛应用。在高聚物加工过程中应用 的数值解法主要有：有限元法( f e m ) 、有限差分法( f d m ) 和边界元法等三种，其 中用得最多的是有限元法。k i m 1 8 1 等人用f a n 法对f a r r e l 连续混炼机中的等温、稳定 流动进行了分析，他们假设螺槽是充满的；b a n g 1 9 j 等人对k i m 等人的工作进行了改 进，并考虑了饥饿喂料对流动的影响，但他们都没有考虑磨擦热的产生和传递；f u n a t s u k a z u m o d 等人进行了异向旋转非啮合连续混练机中非等温流动的数值模拟和实验验 证1 2 0 j ：船滓和守等人对异向啮合双螺杆挤出机内的非牛顿流动进行了数值模拟 2 1 2 2 l 。 h h w e r m a n 和k b u r k a r d t p 】分析了熔体在c 型小室内的环流，提出了异向双 螺杆挤出机的熔体输送理论模型，并在忽略间隙和啮合区的影响的前提下，讨论了螺 槽内及机筒内壁的剪切应力分布和螺槽内的速度分布。作者通过对剪切应力的分析指 出双螺杆挤出机中存在“压延效应”，异向双螺杆挤出机转速低的原因即在于此。 j a s s e n 【l l j 通过挤出机骤冷实验总结出双螺杆挤出机中的四个间隙和啮合区的存 在。在分析了物料在这四个间隙中的流动状态后，发现压力梯度是影响物料流动的主 要因素之一。他还分析了螺槽中沿轴向和径向的压力梯度，证明在靠近机筒壁面处轴 线方向的压力梯度是常数。另外拖曳作用也会在c 型小室切线方向产生压力梯度，在 异向双螺杆挤出机中这种腔室切线方向的压差对通过压延间隙和侧向间隙的漏流有 很大影响。 迄今已出现的有关啮合双螺杆挤出机熔体输送段的理论模型主要有：板框模型、 正位移泵模型和考虑四个间隙并包括啮合区的准三维模型等【2 l 】。 a 板框模型 图1 3 为异向啮合双螺杆的一部分，不难看出由于螺杆的啮合，螺槽被阻隔成 了一个个如图1 2 所示的c 形小室。板框模型把c 形小室展成如图1 - 1 所示的流动区 域，它的一个特点在于以c 形小室作为独立的研究对象来求解其内部熔体的流动，而 华中科技大学硕士学位论文 在计算时板框模型却又以平行板理论为依据分别求出顺螺槽方向和缧槽横向的速度 图i - i 板框模型图1 2 c 形小室图1 3 正位移泵模型 和压力降。该模型假设：不考虑螺棱侧壁的影响，不考虑间隙和螺槽表现曲率的影响， 不考虑啮合区，螺槽为矩形，且在整根螺杆上其形状和尺寸保持不变：物料为处于等 温状态的牛顿型流体，流动是层流并且在沿螺槽方向是充分发展的。 b 正位移泵模型 正位移泵模型认为双螺杆如同一个强制输送的正位移泵，产量可以表示为每转从 机头释放的净体积乘以转速。后来，为了考虑漏流的影响，人们又提出了将上述理论 产量乘以一个修正系数，但这个系数的大小却众说纷纭。显然，该系数取决于设计参 数和工艺参数，而且目前还无法在设计阶段确定。 尽管如此，正位移泵模型仍然是个基本模型，虽然它对于同向双螺杆、非啮合( 主 要是异向) 双螺杆的适用性还有争议，但公认它能从宏观上反映啮合异向双螺杆的强 制输送作用。 c 考虑四个间隙并包括啮合区的准三维模型【2 5 j 在分析了前两个模型的研究成果的基础上，又出现了一种包括啮合区、考虑四 个间隙的物理模型和数学模型，即准三维模型。这是一种关于c 型小室的新的物理模 型。该模型把螺槽区和四个间隙联系起来，反映了异旋转啮合型双螺杆挤出机螺丝杆 几何参数的变化以及主要流动和漏流之间的关系。在分析过程中作出如下假设：忽略 惯性力、物料流动是稳定的层流、流动过程是等温的、熔体是不可压缩的牛顿流体。 具体方法是在螺槽横截面上用二维有限元法、在与横截面垂直的方向上用差分迭代 华中科技大学硕士学位论文 法，在引入边界条件，建立有限元方程后，进行流量迭代、粘度迭代以及沿螺槽方向 压力梯度的处理。该方法使得计算熔体输送段的总压力降、总扭矩和总功耗成为可能。 尽管不少学者对异向双螺杆挤出机熔体输送理论进行了不断的研究，但这些模 型普遍存在以下几个问题i ：j ： 1 ) 认为一个、两个、甚至三个方向的速度是充分发展的，或忽略一个或两个方向的 速度，没有考虑压力梯度在任何方向上的变化。由于双螺杆螺槽较深，而且顺螺槽方 向的流动还不断受啮合区的干扰，因此上述处理都不可能较真实地反映流场情况。 2 ) 对于双螺杆中存在的几种漏流，以上几种模型或者没有考虑，或者是用平行平扳 模型理论或压延理论孤立地计算，因而不便考察间隙流动与螺槽内流动的相互作用， 也不便考察c 型小室之间的联系。 3 ) 以上模型只适于牛顿流体，而大多数聚合物熔体是非牛顿流体。 4 ) 上述模型一般用于解决一个c 型小室中的流动和混合问题，缺乏对熔体输送段整 体特性的认识。 5 ) 有些模型的建立缺乏全面的实验验证，有的根本未验证模型与具体实验的吻合度。 ( 大量的实验与计算数据表明这些模型的计算结果与实验结果差别较大) 6 ) 上述模型在对熔体输送整体分析上回避了加料量的变化对挤出过程的影响，而实 际上加料量是一个独立的操作变量，因此不应回避其影响。 上述几种模型尽管有的过于简化，有的则无解析解，但都从不同的角度和深度 上提示了熔体输送区的输送特性，这对认识双螺杆有很大帮助。但双螺杆挤出机之不 同于单螺杆挤出机，恰恰在于它有啮合区及四个间隙。可以说，不计啮合区和四个啮 合间隙的双螺杆理论模型，不可能从本质上全面、真实地反映双螺杆挤出机中物料的 流动，因而也不可能是完善的模型。正是基于这一点，人们越来越重视啮合区及四个 啮合间隙中物料的流动。j a n s s e n 等人对啮合区及四个啮合间隙中物料流动进行了深入 的研究，得到了很多有用的结论，但就其所用的模型而言，还存在着美中不足的地方， 就是没有建立起一个既包括螺槽区，又包括啮合区及其几个间隙的完整而统一的模 型。在借鉴前人研究成果的基础上，本文建立了一个包括啮合区的三维等温模型，并 分析了啮合区间隙的大小对螺杆挤出特性的影响，这对以后更深入的研究异向双螺杆 华中科技大学硕士学位论文 熔体输送机理有一定的帮助。 1 2 4 5 数值计算方法的研究【2 6 枷】 3 1 - 3 4 1 好的数学模型可以减少一系列复杂面又昂贵的实验。由于微分方程的复杂性， 所以绝大多数问题的解决需要用数值计算法。常见的数值计算方法有：有限差分法、 有限元法、边界元法，其中用得最多的是有限元法。下面就各种方法的特点作一个简 单介绍： 1 1 有限差分法( f d m ) ：有限差分法主要应用于模型较简单的场合，在求解非等温温 度场时，可和有限元法结合使用，在流场分析中已很少使用。 2 ) 有限元法( f e m ) ：有限元法具有一系列的优点，主要表现在以下两个方面： a 可方便地处理具有复杂边界条件的问题； b 稍加调整即可用于解决多种不同的问题。 3 ) 边界元法：边界元法是工程上解决数学模型满足泊松方程和拉普拉斯方程问题的 有效方法。理论上只要能求出原始微分方程的基本解，就可用边界元法进行求解。 这几种方法各有利弊，应根据具体情况决定该采用的方法。从运动方程求解速 度分布，可以用有限元法，也可用有限差分法。前者能处理各种复杂边界，但编程复 杂；后者则简单明晰，但使用面窄，仅适用于规则边界。考虑到双螺杆挤出机的复杂 边界，并借鉴前人的研究经验，可利用a n s y s 软件通过编程对流场进行有限元计算。 1 9 7 0 年，有限元法在挤出理论的研究中开始应用，首先是r t f e n n e r 用有限差 分法，随后他与p a l i t 尝试用有限元法来分析螺槽中的二维流动。从1 9 7 4 年到1 9 8 4 年1 0 年间，不少学者用有限差分法、有限元法和边界元法对不同螺槽截面进行了熔 体流动分析。三维流动计算虽然很复杂，但在某些情况下似乎是必须的。例如，如果 螺杆温度、机筒温度、熔体温度相关很大，或者粘性耗散热弓l 起很大的温升，此时非 等温流动的精确解便需要求出能量方程和运动方程的联立解，而且为计算由环流引起 的温度影响，还必须求出槽深方向的三维速度场，这种非牛顿非等温问题必须用三维 求解。1 9 9 0 年，m g u p t a 用三维有限元模型绘制了很多螺槽中的速度和压力分布图。 1 9 9 3 年，j w j o o 用拟三维有限元法来分析停留时间分布。 1 3 课题研究的目的和意义及主要内容 华中科技大学硕士学位论文 1 3 1 课题研究的目的和意义 近几年来，异向旋转双螺杆挤出机在国内外得到了突飞猛进的发展，其产量、 扭矩和螺杆直径大幅度地提高，应用也日益广泛。目前国外双螺杆挤出机已经发展到 第五代，并且具有超深螺槽、超高扭矩、大功率、高产低耗和微机控制等特点。现在 国外已把异向双螺杆挤出机的研究重点放在了扩大其应用范围，提高其加适应性以及 先进测控系统的应用上。 与发达国家相比，我国在双螺杆挤出机的设计制造及应用方面存在很大的差距。 国内双螺杆挤出机开发及研究工作起步较晚，因此产品档次较低，系列化程度低，多 数产品的技术水平、螺杆、机筒的精度、整机性能和质量与目前发达国家的发展水平 有一定差距。目前，我国生产的异向旋转双螺杆挤出机多为锥形双螺杆挤出机，平行 异向双螺杆挤出机很少，并且多为中、小型机，国内所需的大型挤出机几乎全部依赖 进口。在双螺杆挤出的设计、计算以及制造技术方面仍有不少难点需要克服，这些都 制约了我国双螺杆挤出技术与装备的发展。 从国外引进的9 3 平行异向挤出机因螺杆设计上存在缺陷，在生产过程中，我们 发现其塑化能力不强，而且对配方的适应性差等缺点。如果进行配方改变，其将是一 个很重要的制约因素，从而影响技术进步和成本领先，对生产经营很不利，因此迫切 需要对螺杆进行研究，进行重新设计，提高其塑化能力及适应性。 国内对异向双螺杆挤出机的理论研究才刚刚起步。在异向旋转啮合型双螺杆挤 出机理论分析中，其压力场、温度场院及速度场等的分析都很复杂，因为它们不但受 到螺扦复杂几何造型的影响，还受到物料之间，物料与机筒以及物料与螺杆之间产生 的磨擦热和剪切热的影响。国内外都极少见到有关异向旋转啮合型双螺杆挤出机理论 分析的研究报道，因此我们应该加大基础理论研究和应用研究的力度，不断提高我国 塑料加工机械的技术水平。 1 3 2 本课题研究的主要内容 本课题的主要工作是对异向双螺杆挤出机螺杆的设计及其挤出理论的研究，主 要内容可分为以下三个方面： 华中科技大学硕士学位论文 1 ) 对几何学进行研究，研究平行异向双螺杆的实体造型： 2 )对螺杆熔体输送段进行初步研究，建立接近实际的啮合型平行异向双螺杆挤出 机熔体输送段的数学、物理模型，分析熔体在该段的流动过程并对流场进行简 单计算： 3 )根据对流场计算的结果分析，对原 i 9 3 平行异向双螺杆挤出机螺杆进行改进， 使之满足生产u p v c 型材的需要。 华中科技大学硕士学位论文 2 异向双螺杆实体造型的研究 2 1 平行异向双螺杆实体造型【1 3 】【1 5 】f 3 7 1 2 1 1 基本尺寸关系2 1 双螺杆的几何形状如图2 - 1 所示： _ = _ _ = = = = ：二二二二二l ii 一一一 一一一一了 一 1 。1 s 一广_ 一一一。 - 一一l 。l 一一一r ! ”一“、j 一“f i = ：j j 一 图2 1 异向双螺杆几何尺寸 每根螺杆其主要尺寸之间的关系和单螺杆挤出机的螺杆完全相同，即： d6 2h = d ， t g 06 ；t ( d6 ) w6 =b 6c o s 日6 ( 2 1 ) t g0 ，；t ( d 。) w ，= bc o s0 ， r 奢n s 其中：d b ：螺杆外径，m m ； d 。：螺杆根径，m m ； e b ：以外径计算的螺纹升角，。； e 。：以根径计算的螺纹升角，。； t ：螺纹导程，m m ； s ：螺距，m m ： w b ：在外径计算的法向螺槽宽度，m m ； w 。：在根径计算的法向螺槽宽度，m m ； 华中科技大学硕士学位论文 n ：螺纹头数； h ：螺槽深度，m m ； b b ：在外径处计算的轴向螺槽宽度，m m ： b ；：在根径处计算的轴向螺槽宽度，m m 。 由于啮合异向双螺杆是相互啮合的( 如图2 - 2 所示) ，无间隙紧密啮合的两根螺 杆之间还应满足以下关系： i c l5 ( d 。+ d ，) 7 2 ( 2 - 2 、 l c o s ( a 2 ) = c d b 其中：c l 为中心距，m i l l ； a 为啮合角，n 。 图中阴影部分为啮合区，正是由于这一区域的存在使得双螺杆几何关系更为复 杂，并使混炼和塑化效果、产量、压力分布、速度分布等的计算更为困难。 2 1 2 啮合异向双螺杆旋转方向和螺纹旋向之间的关系【1 l l 在分析和设计双螺杆挤出机，为确保物料从加料口加入后能往机头方向输送，螺 杆转动方向和螺纹旋向之间必须保持一定的关系。对于异向啮合型双螺杆挤出机来 说，为保证物料正常输送，此关系有如图2 - 3 所示的两种情况： 根据挤出理论，异向旋转双螺杆挤出机为尽可能多地从料斗咬进物料，其螺杆上 部应向外旋转，此时物料被送到下部楔形区后受到局部预压，进入到分布的c 形室中。 螺杆每转一转，物料在c 形室中推进一个导程，物料输送是正位移输送。因此，现代 商品化的异向双螺杆挤出机其螺旋方向、放置方向以及物料流动方向之间的关系都采 用图2 3 ( a ) 所示的情况，即从加料口往机头方向看，左边的螺杆为右旋螺纹且逆时 针旋转，右边的螺杆是左旋螺纹且顺时针旋转。 异向双螺杆挤出机存在一个固有的问题：在物料进入双螺杆啮合区的间隙后，它 将产生一个很大的使螺杆推向斜上方( 如图2 4 所示) 的横压力p ，这种效应通常称 为“压延效应”，它加重了螺杆和机筒斜上方的磨损。为了减小此磨损，可以适当加大 机筒和螺杆之间的间隙以及降低螺杆转速，但这要以降低挤出机的产量为代价。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 图2 2 两螺杆的啮合关系 二= 、= = ： 、， f 协，。11 、 t 了航1 _ r 广 t ： 、= ：、竺： ( a ) 向外旋转( b ) 向内旋转 图2 - 3 螺杆旋向 萋，；7 。荔姜沁塞a i 睁j 一-?j一| 6 1 。，j - j 够、j、 kj 、+ 一i l jo 一_ ) j 。一，。j j 、t = = = ，= 二二：= = = = ： 图2 4 机筒的磨损区 1 5 p；r，r p 算| | 1 ， o ， p r r 。一lj 。 一翁一 一尉，_j 华中科技大学硕士学位论文 2 1 3 啮合异向双螺杆啮合机理及端面曲线的形成 图2 5 ( a ) 为啮合异向双螺杆端面曲线的形成过程示意图【1 5 1 。其中a ，b 两盘 半径皆为r b ，a ，b 两盘中心距o o l = c l ，a 盘作逆时针匀速转动，b 盘作顺时针匀 速转动，角速度均为( ! ) 。以a 盘中心o 为原点，建立相对静止的直角坐标系o x y ： 以b 盘中心o l 为原点，两盘中心连线为0 1 x l 轴建立动坐标系0 1 x l y l 。若在系统中 加入一以o 为中心，角速度为的顺时针匀速转动，则a 盘相对坐标系o x y 静止， 且b 盘a 盘的相对运动不变，即b 盘上的任一点p 相对a 盘的运动轨迹不变。 应用相对运动原理分折可知，b 盘轮廓上任一点在a 盘上的运动轨迹为双摆线。 对于螺纹头数为2 的啮合异向双螺杆，螺纹元件的端面形状如图2 5 ( b ) 所示，一般 取a 为p 2 ( 见图2 5 ( b ) ) ，各段曲线方程分别表示如下：( r b 为螺杆顶圆半径，r 。 为螺杆根圆半径) ，。= 墨_ 乏芸一 ， 一 1 x一 。 、 -。 一一十一 o 。= ，。? ，一一+ ，一 、j、j r 。 ， 、 、，r。 ，一 、 - 二王二二一j 甚三，l j 第1 段( a 4 一a 1 ) l ， _ _ 一：、! - 。二叭k ：j ? j如，+ ：之+ ，。j 。 、一一 ”i j 锄 图2 - 5 螺杆端面曲线的形成 l x = r 。c o s c o t j y ：rs i n 叫 【一石4 ( 研 口4 第2 段( a 1 一b 1 ) jj ；i 躲# 目 ( 2 3 ) 华中科技大学硕士学位论文 x c l c o sc o t r b c o s ( 2 w t 一兀| q y = - c s i n w t + r 6s i n ( 2 c o t 一万4 ) ( 2 4 ) i r g 4 一a r c c o s ( c l 2 尺6 ) sc o ts 玎4 第3 段( b 1 b 2 ) 卜= r 6c o s c o t y = r b s i a 0 3 t( 2 - 5 ) ：r 4 c a t 勋4 第4 段( b 2 a 2 ) f x = c c o s 凹一r 6c o s ( 2 w t 一3 s t 4 ) y = 一c ls i n “+ 只bs i n ( 2 c o t 一3 ：r 4 ) ( 2 6 ) l 匀r 4 甜s 玎4 + a r c c o s ( c 2 r ) 第5 段( a 2 a 3 ) h = r b c o s y = r 6 s i nc o t( 2 7 ) 【3 x 4 a ) t ( 5 ：r 4 第6 段( a 3 b 3 ) i x = c l c o sc o t r bc o s ( 2 t s q y = - c s i nc o t r bs i n ( 2 m t 一5 x 4 ) ( 2 8 ) j 5 ：r 4 一a r c c o s ( c 2 r b ) s0 9 t 5 x 4 第7 段( b 3 b 4 ) 卜= r bc o s o a t y = r 6 s i n0 3 t( 2 9 ) f 5 ：r 4 c o t 衍4 第8 段( b 4 b a 4 ) f x = c lc o sc o t r 6c o s ( 2 c o t 一7 ：r 4 ) y = 一c ls i nc o t 一r 6s i n ( 2 0 j t 一7 x 4 ) ( 2 1 0 ) 1 7 x 4s w ts7 石4 + a r c c o s ( c l 2 r 6 ) 双螺杆的几何参数包括：螺杆直径d ；，中心距c l ，螺纹头数n ，以及导程t ， 般部可按工作条件预