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北京化工大学工程硕士论文 m 1 0 4 同向双螺杆混炼挤压造粒机组的研制 摘要 同向双螺杆挤出机由于其自身的诸多优点，目前已成为高分子材料的 成型加工方面最为主要的设备之一。然而随着对产品产量和质量的不断提 高，对于双螺杆挤出机的设计提出了新的要求。特别是大型、高速双螺杆 挤出机近年来已成为各生产厂商研发的热点。 本文根据我公司的s j s h _ 9 2 x 3 2 机组，自主研制开发了m 1 0 4 同向双 螺杆混炼挤压造粒机组。包括对其传动系统、混炼挤压系统、水环造粒辅 机及以上各系统的高自动化控制系统的设计与优化。 通过对此机组进行的试制，结果表明该机组在生产能力、混合性能等 方面均达到预期要求，该机组的试制成功为今后大型造粒机组的开发在设 计机理上提供了支持。 关键词：同向双螺杆挤出机、混炼、造粒机 j 匕京化工大学工程硕士论文 t h e d e v e l o p m e n to fm 1 0 4c o - r o t a “n g 伽i n s c r e we x t r u s i o np e i l e t i z e r a b s t r a c t a tp r e s e n t ，i m e r m e s h i n gc o - r o t a t i n gt w i ns c r e we x t m d e rh a sb e c a m e o n eo ft h em o s t i m p o r t a n te q u i p m e n t f o rp o l y m e r b l e n d i n g a n d p r o c e s s i n go w i n gt oi t sa d v a n t a g e s w i t hm ed e v e l 叩m e n to fp r o d u c t s q u a l i t ya n dt l l r o u g h p u t ，t h ed e s i g no ft w i ns c r e we x t n j d e rf a c e sn e w d e m a n d ，e s p e c i a 】l yt h el a r g ea n dh i 曲s p e e dt w i ns c r e we x t r u d e r sh a v e t u m e di n t ot h ef o c u sf o rm a n ym a n u f a c t u r e r sa n dr e s e a r c h e r s i nt h et h e s i s ，b a s e do ns j s h 一9 2 x 3 2u n i to fm yc o m p a n y ，m 1 0 4 c o - r o t a t i n gt w i ns c r e we x t m s i o np e l l e t i z e rw a s r e s e a r c h e da n d e x p l o h e d ， w h i c hi n c l u d i n gt r a j l s m i s s i o ns y s t e m ，b l e n d i n ga n de x t m s i o ns y s t e m ， w a t e rr e c y c l i n gg r a n u l a t i n gs y s t e ma n da u t o m a t i z a t i o nc o n t r o ls y s t e m i nt 1 1 ee n dw em a d et h et r i a l m a n u f a c t u r eo ft h eu n i t ，o nt h eo n e h a n d 廿1 er e s u l t ss h o wt h a tt h et 1 1 r o u 曲p u ta n db l e n d i n ga b i l i t yo fm eu n i t h a sm e tt h ee x p e c t e dd e m a n d 0 nt h eo t h e rh a n dm es u c c e s so ft h e t r i a l m a l l u f b t u r e p r o v i d e s s o m e s u p p o r t f o r d e s i g n i n gl a 唱e - s c a l e s q u e e z i n gg r a n u l a t i o n u n i tf o rt h e 凡t u r er e s e a r c h k e y w o r d s ： c o - r o t a t i n gt w i ns c r e we x t m d e r ，c o m p o u n d i n g ，p e l l e t i z e r 北京化工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 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：匆瘸乏 渺z 年f 月细 j 匕京化工大学工程硕士论文 第一章绪论 双螺杆挤出机是随着聚合物加工业和食品加工业的发展而出现和发展的，在聚合 物加t 中真正应用的双螺丰t 挤出机是在2 0 世纪3 0 年代，首先在意大利研制成功， r o b e 渤c 0 j o m b 0 研制成功了同向双螺杆挤出机，p 黜q u e 撕研制成功了异向双螺杆挤 出机；第二次世界大战后，双螺杆挤出机发展较快；现代双螺杆挤山机是在2 0 世纪 6 0 年代末和7 0 年代初发展起来的。更准确地说，现代双螺杆挤出机是随着p v c 制品 的发展而发展的，啮合同向双螺杆挤出机则是在聚合物改性的推动下发展的【1 】。 1 1 同向双螺杆挤出机的发展 同向双螺杆挤出机真正应用于聚合物加工是在2 0 世纪3 0 年代，在意大利研制成 功，但现代啮合同向双螺杆是随着聚台物改性的发展，于2 0 世纪6 0 年代未7 0 年代 初发展起来的。技术先进的国家有德国、美国、日本、意大利等曲方国家。 同向双螺杆挤出机在我国的应用大约在2 0 世纪7 0 年代，到了2 0 世纪8 0 年代才 开始较多地从国外引进设备；8 0 年代我国专业生产，家和科研院所升始研制小规格的 同向双螺杆造粒机组，主要规格从直径中2 5 m m 至西8 3 m m ，到9 0 年代后，我围同向 双螺杆挤出机出现发展高峰，生产厂家有几十家，生产规格已从小规格向较大规格发 展。螺杆直径在1 0 0 m m 以上规格的产品，只有个别厂家研制过螺丰t 直径为1 3 0 m m 、 1 6 0 m m 的同向双螺杆挤出机，但其技术参数比较落后，不适应发展要求。 我崮的同向双螺卡1 挤出机就技术水平而言与西方先进技术还有一定差距，主要表 现为：设各的主要技术性能偏低，例如比扭矩只相当于国外8 0 年代水平：螺杆 转速低，国内生产的挤出机其转速大多集中在3 0 0 4 0 0r m i n ，而先进水平的挤出机 己达到6 0 0 一1 2 0 0r m i n 以上；同等规格机组的生产能力低，国内同向双螺杆挤出机 的生产能力只相当于国外先进机组的1 ，3 甚至更低；同等规格设备的装机容量即电 机功率低，如国外先进技术生产的直径为i d 7 2 m m 同向双螺杆挤出机装机最大容量为 7 5 0 k w ，而国山同等规格的挤出机其最大装机容量为2 5 0 k w ：设备适应物料能力 窄，即可适应的加工物料少，工艺适应性莘；加工出的物料，不仅与国外的产量有 明显差别而且制备的物料性能低，不能满足高档、高附加值产品的要求。以上这些差 距形成的主要原因是我国的自主开发能力不足，预研经费投入量少，各生产厂家很少 有自己的研究中心和试验基地，使开发设备的能力受到限制，设备应用领域的拓展也 很有限，市场形成低价位低性能竞争，进而造成恶性循环。 但从2 0 世纪9 0 年代虬来，随着我国丈专院校、科研院所和一些牛产厂家对同向 但从2 0 世纪9 0 年代虬来，随着我国丈专院校、科研院所和一些牛产厂家对同向 北京化工大学工程硕士论文 双螺杆挤出理论方面研究的不断进展，我国生产的一些高档样机、实验机台、中小型 同向双螺杆造粒机组上也有所突破。但这远远满足不了制品业高速发展的需要，尤其 是高品质聚合物改性项目的要求，在这些高品质聚合物改性项目上所需的混炼设备完 全依赖进口。同时虽然国内对中小型同向双螺杆造粒机组具有了一定的生产规模，但 在树脂合成行业所需的年产万吨以上级别的大型同向双螺杆混炼造粒机组的研发上 投入更为有限，真正意义上用于树脂合成生产线的同向双螺杆造粒样机基本没有，还 是完全依赖进口。 在国际上，能够生产螺杆直径在0 1 0 0 m m 以上规格、年生产能力万吨以上的同向 双螺杆混炼挤压造粒机组的厂家主要有德国的w & p 公司( k m p pw e m e r & p n e i d e r e r ) 、 l e i s 仃i t z 公司、b e r s t o r f f 公司，日本的f 1 本制钢所、东芝机械、神户制钢所，意大利 的m a r r i s 公司等，其技术水平处于国际领先。已经被用户认可的生产能力在7 万吨至 4 5 万吨的、用于合成树脂在线生产的大型混炼挤压机组生产厂家主要有德国的w & p 公司( k m p p w e m e r & p n e i d e r e r ) 、美国的法拉尔公司、r 本的日本制钢所和神户制钢所， 这类机组的主要特点为单机的生产能力高、装机容量大( 电机功率) 、螺杆转速高、 自控程度高、高可靠性即年连续丌机能力高( 一般要求每年连续丌机8 0 0 0 小时以上) ， 一次投料开机即可达到设计的生产能力及物料的适用范围和塑化混炼质量等各项性 能指标的要求。我国石化乙烯工程上所使用的大型混炼挤压造粒机组均使用了上述四 家生产厂家的产品，而这也是国内乙烯项目上唯一没有实现国产化的关键性设备。乙 烯工程中用于合成树脂造粒的大型混炼挤压造粒机组主要有以下三大类装备：第一 类：同向双螺杆混炼挤压造粒机组，主要适用于合成的粉状树脂如： p p 、l l d p e 、 m d p e 、h d p e 的混炼造粒，世界上技术先进的生产商有德国w & p 公司，日本的日 本制钢所( j s w ) 公司；w & p 公司生产的z s k 系列机组，为啮合同向双螺杆混炼挤 压造粒机组，螺杆直径从0 1 7 7 m m 至m 3 8 0 m m ，其具有装机功率大、转速高、啮合比 大( 通常为1 5 5 ) 、比扭矩大( 可高达1 3 6n m c m 3 ) 、年产能高( 单台年产高达4 万吨 至7 0 万吨) 等特点；而日本制钢所( j s w ) 生产的c m p 系列机组，虽为向双螺杆挤出 机，其输送段与混炼段为啮合式，但其计量段为非啮合式，可通过轴向移动机筒改变 机筒与螺杆锥度间隙控制设备混炼性能。第二类：连续混炼密炼挤出造粒机组，主要 适用于合成的粉状树脂如：l l d p e 、m d p e 、h d p e 、p p 、的混炼造粒，世界上技术 先进的生产商有日本神户制钢所( c o b e ) f i 本制钢所( j s w ) ，美国f a n 1 l 公司， 其特点为转子两端支撑、异向旋转、混炼段为非啮合式，神户制钢所( c o b e ) 生产 的l c m 系列机组技术领先，其转子规格从m 2 3 0 m m 至0 4 5 0 m m ，转子转速高达 4 0 0 r m i n - 6 6 0 r m i n ，单台年产高达7 万吨至4 5 万吨。第三类：单螺杆混炼挤出造粒机 组，主要适用于合成的熔融树脂如l d p e 等的混炼造粒，主要的生产厂商有德国的 b e r s t o r f r 、f 1 本的神户制钢所( c o b e ) 、f 1 本制钢所( j s w ) ，其螺杆直径高达0 6 0 0 m m ， 单台年产高达3 0 力吨。 北京化工大学工程硕士论文 由于双螺杆挤出机挤出过程的复杂性，使得对于大型同向双螺杆挤出机的设计并 不是在小型挤出机尺寸的基础上进行简单的比例增加吼 随着同向双螺杆挤出机尺寸的增大，挤出过程中聚合物对于热量的吸收和传递都 更加困难，热效应对挤出过程中聚合物熔体的影响就显得更为复杂和重要；另外如何 保证机器运行的稳定性也成为大型机组设计中的一个难点。已有大量文献对大型单螺 杆挤出机组的设计进行了深入的研究 2 4 】。然而对于大型双螺杆挤出机机组的设计目 前国内还较少。 1 2 同向双螺杆挤出机主要技术参数 通常，衡量啮合型同向双螺杆混炼挤压机造粒机组性能主要有以下几种技术参 数： 1 、螺杆直径 螺杆直径的大小，在很大程度上反映出挤出机规格的大小以及生产能力的大小。 国外生产厂家，其双螺杆直径己标准化、系列化。如德国w & p 公司，其直径规格为 m 2 5 、m 3 0 、m 4 0 、0 5 3 、m 5 7 、巾5 8 、m 7 0 、m 8 3 、0 9 0 、0 9 2 、0 1 2 0 、巾1 3 0 、m 1 3 3 、 m 1 6 0 、m 1 7 0 、m 1 7 7 、巾2 2 0 、m 2 4 0 、m 2 8 0 、0 3 0 0 、0 3 2 0 、m 3 5 0 、m 3 8 0 ( 单位为m m l 等2 3 种规格。虽然螺杆直径各个厂家不尽相同，但规格基本相差不多。 而我国挤出机厂家生产的同向双螺秆挤出机规格数量有限，1 9 9 1 年版的同向双螺 杆挤出机行业标准( j b 厂r 5 4 2 0 一1 9 9 1 ) 规定的规格为m 3 0 、巾3 4 、0 4 5 + 、m 5 3 、0 5 7 、 西6 0 、m 6 8 、m 7 2 、0 8 3 、m 9 2 、m 1 0 2 畸、m 1 2 8 、0 1 5 0 + 、m 1 7 0 + 、巾2 0 0 + 、0 2 4 0 + f 其 中代+ 号的为推荐发展规格，当时没有厂家生产，单位为姗) 。2 0 0 1 年版的同向双螺 杆挤出机行业标准( j b t 5 4 2 0 2 0 0 1 ) 规定的规格为m 2 0 0 1 8 0 ，至今在实际生产中， 国内具有一定生产量的规格有m 3 0 、m 3 4 、m 5 3 、0 5 7 、m 6 0 、m 6 8 、0 7 2 ( 0 7 5 ) 、m 9 0 ( 0 9 5 ) ，巾1 0 0 ( 单位为m m ) 等机组，只有个别厂家有过大规格单台生产，由此可以看 出，国内外同向双螺杆挤出机在规格型号上的差距。 2 、螺杆的长径比l d 同向双螺杆挤出机主要用于对聚合物进行共混、填充、增强、反应挤出等改性， 聚合物在挤出过程中经过输送、熔融混炼和熔体输送，所以聚合物在挤出机中需要有 一定的停留时间，由于大多物料和工艺要求需有多个加料口、多个排气口，有较长的 停留时间，以达到充分地混炼和分散，所以同向双螺杆挤出机常用的长径比l d 一般 为2 0 4 0 。但随着高填充高分散物料需求的增加，国外生产的先进机组其l d 可达到 6 0 左右，而我国生产的机组其长径比l d 多为2 1 3 3 ，个别规格可达4 0 、4 8 。 3 、螺杆转速 j 匕京化工大掌工程硕士论文 同向双螺杆混炼挤出设备的生产率直接正比于螺杆转速，因此随市场竞争的激烈 的要求，对于高的生产率和低的投入产出比的不断提高的要求，导致螺杆转速越来越 高。国内在小规格机组中( m 7 2 以下) ，多用的转速范围为3 0 0 5 0 0 r m i n ，中型规格： 巾9 0 至0 1 0 0 ，多用的转速为3 0 0 4 0 0 r m i n ；而国外先进机组在中小规格产品中螺杆转 速最高多在6 0 0 1 2 0 0 “m i n 或更高，而在中大型机组上，螺杆转速5 0 0 1 0 0 0r m i n 左 右，对于大型机组多采用两档速度，速度在2 0 0 一4 0 0r m i n 之日j 。 4 、啮合比( d d o ) 啮合比是指螺杆的外径d 与根径d o 之比，其比值越大，螺槽越深，可输送物料 的自由体积越大，而螺杆的平均剪切速率( 在相同转速下) 越低；但在螺杆直径相同时， 随d d o 的增大，螺杆芯轴的尺j r 减少，传递扭矩的能力减小，所以二者相互制约。 以德国w p 公司生产的同向双螺杆挤出机为例，其啮合比d d o 从1 2 2 发展至1 4 4 又发展至1 5 5 ( 现生产的同向双螺杆挤出机其啮合比d ，d o = 1 8 0 ，主要适用于需低扭 矩的蓬松物料的挤出) 这三个阶段，而国内生产的同向双螺杆挤出机其啮合比多在 1 3 5 至1 5 之间。 5 、比扭矩( m a 3 ) 比扭矩( m a 3 ) 是指同向双螺卡t 挤出机传递的扭矩m 与其中心距a 的三次方之 比值，它是把机器传递的扭矩m 与机器的中心距大小联系在一起，用束衡量机器的 性能。比扭矩大，可以反映出挤出机输出的扭矩大或中心距小。在相同中心距的情况 下，挤出机的输出扭矩大，可以提高螺杆中输送物料的填充度，如扭矩不足，螺杆只 能在部分充满的情况下高速运行，由此导致产品的温度升高，这和混炼塑化所追求目 标低剪切、高分散、低温均化挤出相矛盾。 根据德国w & p 公司介绍，其同向双螺杆发展至今已经开发出六代产品，其比扭 矩值( m a 3 ) 第一代至第六代分别为3 7 3 9 、4 7 5 5 、4 7 5 5 、7 2 8 o 、8 7 、 1 1 3 ，而现在国内生产的中小机型同向双螺杆挤出机，其比扭矩值大多处于德国w & p 公司生产的同向双螺杆的第三代与第四代之间。 6 、生产能力： 对同向双螺杆挤出机来说，高的生产能力是用户追求的目标，以上所有性能参数 的最终目的是保证设备有高的生产能力。根据文献所述，聚合物的比能耗( 即混炼1 k 物料所需的能量) 为o 1 2 一o ，3 0 k w 蚝，所以同向双螺杆挤出机的生产能力取决于所 需的动力，即取决于安装在设备上主电机功率的大小。通常来讲，同向双螺丰下挤出机 的生产能力与螺秆直径的平方成正比，与螺杆转速成正比，同时与物料在螺杆间的填 充度有直接关系，而螺杆充满度的大小取决于设备是否能够输出高的扭矩，当转速确 定时，扭矩输出与装机的电机功率成j 下比。 综上所述，提高单台设备的生产能力，不仅要具备深的螺槽、高的转速、高的扭 矩、大的装机容量，同时由于螺杆的转速升高，物料在螺杆中停留时间短，必须有高 北京化工大学工程硕士论文 效塑化元件和能量利用率高的混合元件，这是同向混炼挤出技术发展的趋势。 1 3 同向双螺杆挤出机的特点及应用 同向双螺杆挤出机主要由传动系统( 主要包括主电机、联轴器、减速箱及润滑装 置等组成) 、混炼挤压系统( 主要包括机筒、螺旋元件、芯轴等组成) 、加热冷却系统、 电器控制系统、抽真空系统、机架及支撑等组成。 同向双螺卡下挤出机主要优点是| 6 】：1 较好的进料特性和正向输送特性，使机器能 加工难喂入的物料( 粉料、滑性物料等) 。2 停留时糟j 短和停留分布范围窄。3 较好的混 合和较大的传热面积使料温控制良好。4 加上捏台盘等元件能提高双螺秆的剪切混合 能力。5 螺杆和机筒为积木式，这样的结构可根据物料随意组合螺杆和机筒，适应性 强。由于相啮合的两螺杆同向旋转，啮合区无压延效应，在物料充满螺槽的情况下， 螺杆被周围被物料托起，浮在物料中，不会与机筒产生磨损，所以可在高速下运转， 同时在聚合物改性时，需要提供高的剪切速率和剪应力，因此需要较高的螺杆转速， 所以具有螺杆转速高的特点，通常螺杆的最高转速在3 0 0 1 0 0 0 r m i n ，有的螺杆转速 高达1 5 0 0 r ，m i n ，这比单螺杆挤出机与异向双螺杆挤 圳几都高。 同向双螺杆挤出机主要用于对聚合物进行共混、填充、增强、反应挤出等改性， 以及对物料进行脱挥、脱水、排气挤出，有时也可用作制品挤出，如板、片、膜、拉 丝的挤出。 1 4 本课题研究的目的和意义、研究( 发) 内容 1 4 1 论文选题的目的和意义 随着我国国民经济的高速发展合成树脂也在同步发展，据统计，2 0 0 0 年，我国 五大合成树脂( p e 、p p 、p s 、p v c 、a b s ) 总需求量为1 3 0 0 万吨，国内产量为8 0 8 万吨，满足率为6 2 ，预计至2 0 0 5 年总需求量为1 8 0 0 万吨国内产量为9 0 0 力吨， 满足率为5 0 ；至2 0 1 0 年，总需求量为2 5 0 0 万吨，国内产量为1 4 0 0 万吨，满足率 为5 6 近年来；至2 0 2 0 年，总需求量为3 6 0 0 4 0 0 0 万吨，国内产量为2 2 0 0 2 4 0 0 万吨，满足率为6 0 。近年来，虽然中国合成树脂的产量增长很快，但仍有很大的缺 口，还需进口大量的原料。 虽然我国塑料加工量已经位居世界前茅，但人均塑料消耗量与世界平均水平差距 甚远，我国只能称为塑料生产大国，还不能成为强国，与强国比，差距是多方面的， 尤其是在树脂的改性方面差距更大，无论是五大通用树脂、还是工程塑料，在附加值 北京化工大掌工程硕士论文 高的汽车工业、电子电器工业、家电工业、机电工业等行业的应用，均须进行填充改 性、增强改性、共混改性等，改性既可以提高材料的使用性能、拓展材料的适用范围， 同时可实现在保证使用要求的前提下降低成本、节省资源。目前我国高性能、商品质 的改性树脂2 3 依赖进口，高品质的国产改性料大多依靠高价的进口设备进行加工， 开发高性能具有自主知识产权的国产改性树脂加工设备同向双螺杆混炼挤压造 粒机组是改变这种局面的首要任务之一，只有实现这一目标，：4 能够为高品质的国产 改性料取代进口提供有力的支持，为国产料在成本竞争中创造有利的条件，同时，还 可取代高价进口设备，为实现乙烯工程上所需的大型混炼压造粒机组的国产化建立试 验平台和积累经验。 根据国外资料，国外合成树脂装置，每吨生产能力投资为4 0 0 一4 5 0 美元，而我国 则投资为7 0 0 0 7 5 0 0 元人民币，造成如此局面的原因故然有投资规模问题，但关键设 备的高价进口是不可回避的，这就包括同向双螺杆混炼造粒机组造粒机组，大中型混 炼挤压设备完全依靠进口，性能相同的混炼机组，进口价格是国产的8 1 0 倍：而性 能高档的改性制品行业所用的混炼机组，绝大部分依靠进口，因国内的厂家生产的机 组性能不能满足高档产品的需要；所以吸收国外先进技术，开发高档的混炼机组，是 国民经济发展的必经之路，也是发展的必然之路。 “研制年产万吨以上同向双螺杆混炼挤压造粒机组，为开发大型混炼挤压造粒机 组提供试验平台，为开发大型混炼挤压造粒机组积累经验”是我公司既定的产品开发 方针，上世纪9 0 年代初，我公司承担了蝴家重大装备乙烯办公室、中石化重大装各 国产化办公室下达的“研制年产一万吨a b s 同向双螺杆混炼挤压造粒机组”的因家 “八五”攻关项目，在消化吸收引进的德国w & p 公司引进的z s k 9 2 机组基础上， 研制成功了s j s h 一9 2 x 3 2 同向双螺杆混炼挤压造粒机组，虽然此机组主要性能指标接 近世界先进水平，但此机组在长时间使用过程中存在的可靠性有待进一步提高。 随着技术的不断发展，用户要求的不断提高，更大生产能力、技术先进、塑化分 散性能高的中等规格的产品需求量大，经市场调研、信息搜集，公司制定了自主开发 m 1 0 4 同向双螺杆混炼挤压造粒机组的传动系统( 包括齿轮箱) 、混炼挤压系统、机筒 温控系统、真空排气系统、水环切粒辅机( 包括双滑柱换网及机头装罱、水环切粒装 置、离心脱水干燥装置等) 及以上各系统的高自动化控制系统，将使此机组性能要达 到世界先进水平、其可靠性优于s j s h 9 2 x 3 2 同向双螺杆混炼挤压造粒机组，其生产 能力高于s j s h 9 2 x 3 2 同向双螺杆混炼挤压造粒机组。 若此机组研制成功，即可以缩短中型规格机组与国际先进水平的差距。不仅可以 为中国的高档物料的改性行业提供价格低、技术水平先进的机组，还可以为实现乙烯 工程上所需的大型混炼压造粒机组的国产化积累经验、建立软件平台和试验平台。 北京化工大掌工程硕士论文 1 4 2 主要研究内容 本选题研究的主要内容是，开发研制o1 0 4 同向双螺杆混炼挤压造粒机组。这是 一个系统工程，包括传动系统、混炼挤压系统、机筒温控系统、真空排气系统、双滑 柱换网及机头装置、水换切粒装置、离心干燥装置等以及自动化控制系统。对研制的 双螺杆挤出造粒机组进行生产实验，以验证其生产能力及混合效果。 本选题研究的重点：研制具有高可靠性、高比扭矩的齿轮箱，研制适应物料混炼 要求的混炼系统。 7 j 匕京1 匕工大掌工程硕士论文 第二章啮合同向双螺杆几何学 2 1 同向双螺杆的啮合原理及其曲线的形成7 8 】 作为聚合物主要加工设备之一的双螺杆挤出机，以其优异的性能与单螺杆挤出机 竞相发展，其应用有越来越广泛的趋势。双螺杆挤出机的性能好坏与双螺杆的几何形 状及构型有着决定性的关系。但双螺杆由于螺杆间的相互啮合其几何形状远比单螺杆 复杂，丽螺杆元件的几何形状是双螺杆挤出过程理论分析的基础，双螺杆的设计又是 以螺杆间的几何关系为基础的，同时双螺杆几何学是建立螺杆元件( 包括螺纹元件、捏 合块元件、齿形盘元件、新型螺杆元件) 物理模型的依据，是进行流场分析的基础。 全啮合同向双螺杆挤出机又称为自扫型双螺杆挤出机，顾名思义，它具有自清洁 功能，即两根螺杆能相互自动地清洁另一根螺杆的表面，使物料无法滞留在螺杆的表 面上。这种挤出机的自扫特性是通过螺杆具有一特定的几何形状来保证的。b o o y 【8 】根 据相对运动原理推导了啮合同向双螺杆挤出机的螺杆几何学，并发现只要挤出机两螺 杆间的中心距、螺杆直径与螺纹头数确定后，螺杆端面的理论几何轮廓也就唯一确定。 下文中以比较通用的双头螺杆元件为例，讨论全啮合同向双螺杆挤出机的螺杆几何学 的基本内容。 2 1 1 啮合原理 图2 1 表示了一对全啮合同向双螺杆端面曲线形成的过程。设两相同直径的螺杆 以相同角速度( o 同方向( 如顺时针) 旋转，两螺杆中心距0 1 0 2 = c l ，螺杆外圆半径为r s ， 则螺杆根圆半径r b = c l r s ，如图2 1 所示。p 是0 2 上任一点( 相当于螺棱上的点) ， 现考查p 点相对于圆盘0 1 的运动轨迹。根据相对运动原理，建立动坐标系随圆盘 0 1 以角速度顺时针旋转，在动坐标系中圆盘0 l 相对静止，圆盘0 2 的圆心以角速 度0 ) 逆时针绕0 1 点旋转，而圆盘0 2 自身旋转的角速度为( o 一0 ) = 0 。圆盘0 2 这种运动 方式为圆平动，这种运动的特点是：圆盘上任意一点的相对运动轨迹为一个圆。由圆 平动的特点易知圆盘0 2 上任意一点p 的相对运动轨迹的圆心m p 就是过p 做圆心 0 1 0 2 连线的平行线与0 1 的交点，其半径是c l = 0 1 0 2 ( 如图2 一l 所示) 。p 点的运动轨 迹与圆0 1 交于j p l 、j p 2 ，与圆盘0 1 的根圆切于c p 。 图2 1 表示在相对运动中端面曲线形成的过程。设p 、q 是圆盘0 2 上夹角为a 的 弧段，介于p 、o 间每一点的轨迹都是一条中心在0 1 圆上，半径为c l 的圆弧，q 的 北京化工大学工程硕士论文 轨迹与圆0 1 交于两点j q l 、j q 2 ，与圆盘0 1 的根圆切于c q 。 ( x 图2 1图2 2 根据全啮合不干涉原理，螺杆i 的端面曲线应是螺杆i i 上所有点相对运动轨迹的 包络线。如图2 1 ，如果p 、q 分别是螺杆i i 端面的螺棱的端点，那么整个螺棱p q 扫 过圆盘0 1 上的区域是一个月牙形，其包络线有三段圆弧j p l c p 、c p c q 、c q j q 2 组成， 这就构成了同向啮合双螺杆的端面曲线。 2 1 2 端面啮合曲线的数学模型 如图2 1 ，螺杆的端面曲线由j p l c p 、c p c q 、c q j q 圆弧以及在大圆上的j q 2 m p m q j p 】 构成。由啮合原理知：么p 0 2 q = 么c p 0 1 c q ，即圆盘0 2 螺棱上p q 一段圆弧的夹角a 和它们对应的轨迹在包络线即第一个圆盘上的夹角p 相等。 下面以全啮合同向双头双螺杆为例建立端面曲线的数学模型。如图2 2 ，建立两 个直角坐标系0 1 x y 、0 2 x l y l ，0 2 在0 1 x y 坐标系下的坐标为( c l ，o ) 。 c p c q 段方程：2 + y 2 = r ； ( 2 1 ) c q j q 2 段方程：b + ) 2 + c y + _ y ，) 2 = c ； ( 2 _ 2 ) 其中： 驴耻0 8 哆7 ( 2 3 ) 儿= r ，s i n 陋2 ) 。 为了方便，端面曲线的方程利用极坐标表示。极点在o l ，极轴与o l x 轴重合 d 为半径，0 为极角。端面曲线的数学模型是： 9 北京化工大学工程硕士论文 p p ) = 一r c 。s ( 口一；) + jc ，2 一r 2 掰一2 ( 口一；) 一r ( 一扎争j q 2 叫跏2 ( 一乳；) 一r ( 弘一詈) + j t 2 坷耐( 弘一；) 一足孙( 2 z 一目一詈) + j q 2 卅砌2 ( 2 z p 一詈) 一旦口兰 22 厅一竺墨臼万+ 竺 22 曼口三一旦 222 至+ 笪蔓臼蔓丌一兰 2z2 z + 竺口望一生 2z2 塾+ 旦口s2 口一! 曼旦口曼至+ 旦 2222 塾一叟目里+ 兰 2222 图2 ，3 2 1 3 螺杆立体图形的数学模型 图2 4 ( 2 4 ) 在原平面坐标系中加入0 1 一z 、0 2 z l 构成两个右手正交坐标系0 1 x y z 、 0 2 x 1 y 1 2 1 ，如图2 3 所示。 图2 3 中端面曲线绕z 轴做平面转动时，同时沿z 轴匀速上升形成螺旋面。对端 面曲线数学模型加以修改，考虑当z 轴从o 到t 变化时，端面曲线整体绕中心旋转 一周，所以对应不同的初值( p o ，端面蓝线是不同的位置，这样就可以得到任意初始位 置时端面曲线的数学模型。 j 匕京化工大学工程硕士论文 p p ) = r c ( 口+ 一詈) + j c ，2 一r 2s f 月2 ( 口+ 一；) 足c ( 石一目一；) + j c t 2 一r ，2s h 2 ( 口一目一识，一；) r c ( 目+ 一万一；) + j q2 一r 2 研( 口+ 吼一石一詈) 一r c ( 2 玎 口一一争扛2 可姘( z ”岳一争 用变量币取代( p o ，则得到三维立体图形的数学模型 x = p ( 臼，妒) c o s 口 y = p ( 曰，妒) s i n 目 z = 口 2 石 2 1 4 中心距与螺顶角的关系 一詈茎臼+ 兰詈 玎一；一+ 丌+ j ；毋+ 妄；一詈 要+ 譬p 偏s 。一 22 一+ 等p + 荨一 ” ， 娑+ 昙p + 吼2 f 22 ；一譬口+ ；+ 譬22 22 等一譬虮s 等+ ：22 22 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 从啮合原理可知，横截面上同向旋转的螺杆的轮廓曲线由三部分组成。第一部分 是螺顶部分的圆弧，第二部分是螺槽底部的圆弧，第三部分为螺纹侧面的圆弧，如图 2 4 。这三部分对应的圆心角分别为p 、0 l 、2 ( p ，对单头螺纹的情形： 口+ + 妒= 2 刀( 2 7 ) 如果螺纹头数为n ，显然有： 行扭+ 卢+ 4 妒) = 2 石 ( 2 - 8 ) 根据螺杆啮合原理，螺杆的螺顶角应等于与它啮合的另一根螺杆的螺槽底角。而 一般情况下两根螺杆具有相同的截面情况，即两根螺杆的螺项角、螺槽底角均相同， 即a = p ，故有n ( 2 q + 4 中) = 2 兀。圆弧q 1 q 2 对应的圆周角为圆心角的一半，即为( p ，用 由表示半啮合区角，根据啮合原理可知，十= 平，从齿根到齿顶，即2 十= 2 午，故有： 胛( 2 口+ 4 妒) = 2 石( 2 9 ) 北京化工大学工程硕士论文 口= 石2 h a 2 即：口= 疗开一2 西 根据m l q 2 n 组成的直角三角形， c o s 妒= c ，2 月n 妒= a r c c o s ( c ，2 熙) 其中c - 2 心+ 凡，即螺杆中心距。 定义无量纲数值p c ： pc = c f | r s 则有： 妒= 盯c c o s 0 。2 ) 成= 2 c o s 仁2 船一口2 ) 上式给出了全啮合同向旋转双螺杆的螺纹头数、中心距与半径之比、 的关系。由上式可看出，随增加，p c 增加，这也是中心距的设计依据。 2 1 5 螺杆轴截面上的曲线形状 ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 一1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 螺顶角之间 根据前面所讨论的双螺杆的啮合原理，可以绘制出全啮合同向旋转共轭型双螺杆 的断面曲线，也就是所谓的轴截面形状。 对于单头螺纹，其轴截面如图2 ，5 。垂直于螺杆轴线的横截面轮廓由a b 、b c 、c d 、 d a 四段曲线圆滑连接而成，a b 和c d 是 半径等于中心距c l 的圆弧，圆心分别在d 和a 两点；b c 是半径为r b 的圆弧，圆心 在0 ，a d 是半径为r s 的圆弧，圆心在0 点。 其中： 图2 5 己t o i d = z b ol c = a = 丌一2 a r c c 。s ( 以2 ) = 万一2 妒 ( 2 1 7 ) 刎伽= z 倒d 3 妒2a r c c o s 。2 ) f 2 - 1 8 1 对于双头螺纹，螺杆横截面轮廓由a b 、b c 、c d 、d e 、e f 、f g 、g h 、h a 八条 北京化工大学工程硕士论文 圆滑连接的圆弧曲线构成。如图2 6 所示。a b 、c d 、e f 、g h 是圆心分别在l 、k 、 i 、j 点，半径等于中心距的圆弧；b c 和g f 是半径为r b ，中心在o 的圆弧；圆弧 a h 和d e 是半径为r s 、中心在o 点的圆弧。 “d l h = 么bd i c = z dd l e = 么gd 1 f = 口= 厅2 2 妒 r 2 1 9 、 o ( 2 3 3 ) 则疗”一2 妒 o ， 即： 妒 厅2 疗 这样就有下面的螺纹头数和( p 的关系： n = 1 时，舻 石2 n = 2 时，够 丌4 聆= 3 时，够 玎6 2 2 啮合同向双螺杆挤出机常用螺杆元件 ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) 为了提高双螺杆挤出机的熔融塑化效率、混合质量、制品产量及降低能耗，对双 螺杆挤出机的螺杆构型近年来各生产厂商和研究单位进行了大量的研究9 。1 2 1 。目前在 啮合同向双螺杆挤出机中最常用的螺杆元件有螺纹元件与捏合块元件。 2 2 1 螺纹元件 在啮合同向双螺杆挤出机中，在螺杆直径与中心距确定的前提下，表征螺纹元件 的参数主要是螺纹的导程、螺纹的头数与螺纹旋转方向。螺纹元件的导程越大，即螺 纹元件螺槽体积( 即单位导程的两根螺杆与。形机筒内表面共同包容体积) 越大，在输 送物料量相同的条件下，螺槽中的剪切作用较小( 或螺槽的物料充满度较低) ；一般大 导程螺纹元件用于加料口或排气口。而小导程螺纹元件由于螺槽体积小，螺槽中的剪 切作用相对较强，建压能力较好( 即单位轴向长度内的压力降较大) ，一般用于挤出机 口模前的熔体输送区。 j 匕京化工大掌工程硕士论文 目前商业化的螺杆元件头数通常是一头、两头及三头，其中以两头最为常用。螺 纹的头数越多，螺槽的自出输送体积越小，螺槽中的剪切越强，混合效果越好。近年 来也出现了可在不同头数的螺纹元件之间光滑过渡的新型螺纹元件，从而实现了在同 一根螺杆中根据需要组合不同头数的元件。 根据螺旋方向的不同，可以将螺纹元件分为右旋螺纹元件与左旋螺纹元件；前者 对物料具有正向输送能力，其主要功能是完成物料的输送，因而也被称为输送元件 ( c o n v e y i n ge 1 e m e n t ) 。而后者则将物料反向输送，因此只有当在该元件的上游建立足 够高的压力，即当压力流能克服反向螺纹元件的拖曳流与正位移输送时，物料才能往 下游输送，因而反向螺纹元件是双螺杆挤出机中重要的阻力元件，也是主要的强剪切、 高功耗元件。 2 2 2 捏合块 捏合块元件是双螺杆挤出机中最重要的混炼元件。山于其特殊的几何形状，在运 转过程中，能对物料产生强烈的剪切、挤压与拉伸作用，从而促进了分散混合与分布 混合的发生，提高物料的混合效果与熔融效率。 捏合块特征参数主要包括捏合盘的厚度、捏合块的错列角、螺旋方向以及轴向长 度( 或捏合盘的数目) 。这些参数共同决定了捏合块对物料的输送能力、混合能力与停 留时间的大小。 根据捏合块的螺旋方向，也可将其分为左旋( 反向) 、右旋( 正向) 与中性捏合块( 对 于两头而言，即为9 0 0 错列角的捏合块) 三类。一般来说，正向捏合块对物料具有一定 的正向输送能力，但由于其输送通道几何形状的不光滑，因此其输送能力要比等同条 件下的螺纹元件差。同理，反向捏合块对物料产生反向输送，但其输送阻力要比相同 条件下的反向螺纹元件小；而中性捏合块对物料有一定的输送阻力。 6 j 匕京化工大学工程硕士论文 第三章10 4 同向双螺杆混炼挤压造粒机组的研制 3 1 技术方案 “研制年产万吨以上同向双螺杆混炼挤压造粒机组，为开发大型混炼挤压造粒机 组提供试验平台，为开发大型混炼挤压造粒机组积累经验”是我公司既定的产品开发 方针，上世纪9 0 年代仞，我公司承担了国家重大装备乙烯办公室、中石化重大装备 国产化办公室下达的“研制年产万吨a b s 同向双螺杆混炼挤压造粒机组”的国家 “八- 五”攻关项目。在消化吸收引进的德国w & p 公司引进的z s k 一9 2 机组基础上，研 制成功了s j s h 一9 2 x 3 2 同向双螺杆混炼挤压造粒机组，该机组各项性能指标均达到或 超过攻关协议书中的相应要求。制品塑化混炼情况良好，粒子颗粒形念规整、光滑， 产品完全符合用户要求。 表3 1 与国外同规格性能对照 生产厂家 序号 项目 人连橡塑w p 公司b e r s t o r f r l规格型号s j s h 9 2 x 3 2z s k 9 2z e 9 0 2螺杆直径( m m )巾9 2m 9 2m 9 0 3螺槽深度( m m ) 1 6 3 51 6 3 5 4螺杆长径比( l d )3 2 ：l3 2 ：14 8 ：1 5螺杆转速( r ，m i n )5 0 05 0 03 5 0 6主机功率( k w )4 5 04 5 03 5 0 7 螺杆扭矩( n m ) 4 2 9 54 2 9 54 7 7 2 8啮合比( d ，d o ) 1 5 51 5 5 9比扭矩( m 一)97 89 7 8 1 0 生产能力( k g 1 1 ) 1 5 0 0i5 0 01 0 0 0 通过以上的性能对比，此机组主要性能指标接近世界先进水平，但此机组在长时 间使用过程中存在可靠性有待进一步提高，尤其是减速箱的可靠性需要加强的问题， 其原因主要有以下几点： ( 1 ) 因设计结构对组装精度要求高，短输出齿轮轴相位确定后，与短输出齿 轮轴同时啮合的一对齿轮需配做，精度不能可靠保证。 ( 2 ) 齿轮接触应力、弯曲应力很高，承受载荷时产生变形，影响了接触率。 ( 3 ) 齿轮的加工精度不理想。 ：i i ：京化工大学工程硕士论文 随着技术的不断发展，用户要求的不断提高，更大生产能力、技术先进、塑化分 散性能高的中等规格的产品需求量大，经市场调研、信息搜集，公司制定了自主开发 0 1 0 4 同向双螺杆混炼挤压造粒机组的传动系统( 包括齿轮箱) 、混炼挤压系统、机筒 温控系统、真空排气系统、水环切粒辅机( 包括双滑柱换网及机头装置、水环切粒装 置、离心脱水干燥装置等) 及以上各系统的高自动化控制系统，将使此机组性能要达 到世界先进水平、其可靠性优丁s j s h 9 2 x 3 2 同向双螺杆混炼挤压造粒机组。预期机 组主要参数达到表3 2 的要求 表3 20 1 0 4 同向般螺杆混炼挤压造粒机组主要参数表 序号项目单位参数 l规格型号s j s h 1 0 4 x 3 6 2 螺杆直径 m 1 0 4 3螺槽深度 m m 1 9 7 4螺杆长径比( l d )3 6 ：l 5螺杆转速 r m j n 5 0 0 6士机功率k w5 6 0 7螺杆 斗【矩 n m5 3 4 5 8啮合比( d d o ) 1 6 2 9 比州矩( m a3 )n m c m 。9 o 1 0生产能力k 帅15 0 0 ，2 0 0 0 3 2 传动系统的技术方案及设计 传动系统是同向双螺杆挤出机重要的组成部分主要由主电机、联轴器、齿轮箱 及齿轮箱润滑等部分组成，其主要作用是将电机的转动、机械能向两根相互啮合同向、 同步旋转的螺杆传递加工物料所需的合适的转速、扭矩，并承受螺孝t 传递来的轴向力。 3 2 1 主电机： 由于树脂加工特性，要求螺杆具有速度可调、恒扭矩旋转的特性，所以主电机应 具有以上两种特性，具有以上两种特性的电机主要有直流调速电机、交流变频电机、 滑差电机、整流子电机等。 由于设备的生产能力取决于所需的动力，即取决于安装于设备上主电机功率的大 北京化工大学工程硕士论文 小，根据文献所述，同向双螺杆挤出机聚合物的比能耗( 即混炼1 地物料所需的能量) 为0 1 2 一