（机械设计及理论专业论文）啮合型同向旋转双螺杆挤出机研究.pdf

嫱合型露彝旋转双艨枵拱嚣瓠麟究 摘要 本论文研究了应用啮合型同向旋转双螺杆挤出机反应挤出纺丝级 尼龙6 聚合物。遥过双螺枉续构参数、接窭条馋孝嚣三维滚场等方嚣懿 研究，解决反应挤出纺艇级尼龙6 聚合物所要求的分子量大小适当、 分子量分布窄等润题，制定适合的王艺条 譬、设计优纯蝶秆元季孛翻蠓 杆构型组合。最终制得符合纺丝要求的尼龙6 聚合物，并进行纺丝实 验获得了 生瑟冼传统方法销缮纤维更疆憨静尼龙6 纤维，这是本谋题 的创新之处。 ， 本文首先进行啮合型蔺囱旋转双螺杆挤出枫的结构参数研究，分 析了螺杆啮合端面曲线形成原理、形状及其数学方程，同时推导出螺 秆与机筒间空腔端面面积、螺槽深度等参数的计算公式。在此基础上 设计适合反应挤出纺丝级尼龙6 聚合物的螺杆元件( 包括正向、反向 螺纹元件和捏合盎元彳牛) 和整根螺秆构型组合。 本文应用a n s y s 有限元软件分柝啮合型同向旋转双螺杆挤出机 熔体输送捏合段三维流场，进行等溢非牛顿流体求解。建立采用实际 螺拇捏合块元件真实尺寸的三维有限元模型，熔体采用幂律流体，边 界条件采用机筒静止、螺杆旋转的实际运转条件。分析了捏合段流道 的速度场、压力场和挤斑特性参数流量、剪切速率的计算。尤其 是物料停船时间及分布，进行了量纲分析、理论计算公式推导。 最后本文剩愿噻合型霹逡旋转双螺秆揆蹬钒爱瘟挤囊纺丝级尼龙 6 聚合物进行实验验证，讨论了结构参数、螺杆构型、挤出条件尤其 是螺好转速对纺丝级尼龙6 聚合物黪楱对分子质量及其分布、残驽蕈 体擞、熔点和转化率的影响，分析了原因。同时讨论了挤出特 生参数 流堑、剪甥速率与螺释转速、握合块错残兔、辘蠢蘧力差等之阚酶关 系，停留时间及分布与螺杆转速、螺杆构型组合、产量、喂料速度等 匿囊之闻娓关系，与理论磅究瓣艮，基本吻合。最终选样反应器温度 为2 0 0 2 2 0 。c ，螺杆转速为11 5 1 3 5 r m i n 等工艺条件，可保证反应物的 充分混合、有效混练，从丽髓得相对分子璜麓适当，裙对分子质量分 啮合型同向旋转双螺杆挤出机研究 布较低( 2 c o s ( 北2 n )( 2 - 1 0 ) 另外螺槽深度h 为：h = 2 r - a 0 可得： pc 2( 2 - 1 1 ) 由此可知中径比取值范围： 2 c o s ( 兀2 n ) 1 9r 2( 2 1 2 ) 则中心距取值范围： 2 r c o s ( 2 n ) a 2 r( 2 1 3 ) 2 3 螺杆端面啮合曲线形状和模型 对于啮合型同向旋转双螺杆，螺杆螺纹头数n = 2 ，两螺杆具有相 同角速度，相同外径r ，根径r ，中心距a = r + r ，顶角b ，根角q ， 啮合型同向旋转双螺杆挤出机研究第二章纺丝级尼龙6 用啮合型同向旋转双螺杆挤出机结构参数研究 且q = b ，则端面啮合曲线形状如图2 5 所示。 i ，一 y 。 | | 蕊多、tt 、 缈 02x - 一一，7 7 。? 、 七 图2 - 5 螺杆端面啮合曲线形状 以螺杆1 的中心0 1 作为坐标系的原点，该形状关于x 轴和y 轴 对称，其1 4 轮廓由三段圆弧所组成。其数学方程如下表2 1 所示： 表2 - 1 螺杆端面啮合曲线数学方程 让图2 5 所示的螺纹端面作匀速旋转，同时沿垂直于该平面的z 方向作匀速平动，就形成螺纹的空间曲面口4 1 。 2 4 螺槽深度 如图2 6 所示，考虑螺杆1 ，可以得出螺槽深度h ( e ) 与圆心角之 间的函数关系。螺槽深度可表示为： h m a x = 2 r - l ( 当o 0 q 2 ，n q 2 0 + q 2 ，2 兀q 2 0 2 ) h m i n = 0( 当2 一q 2 0 丌2 + q 2 ，3 2 q 2 0 3 丌2 + a 2 ) h ( o ) = r i + c o s ( 0 - q 2 ) 】 l 2 - r s i n 2 ( 0 一2 ) 1 m ( 当q 2 0 丌2 - q 2 ，丌2 + a 2 0 q 2 ，+ q 2 0 3 2 堕鱼型旦旦塑董翌堡堑堑些塑塞箜三兰堕丝墨星垄! 墨些鱼型堡塑堕壁翌堡堑塑些盟堕塑垄墼! ! ! i q 2 3 2 + d 2 0 2 一d 2 ) 2 5 端面面积计算 j r 簿 、 ， 黔彪、0 f 7i f 。， 5 鬃 o 。 x 上7h ( 8 ) 图2 - 6 螺槽深度计算示意图 ( 2 1 4 ) 2 5 1 啮合区包容角 定义两螺杆相重合的区域所对应的角度为啮合区包容角z a o l b ， 则z a 0 10 2 = z a o l b 2 ，两螺杆在运动过程中为保证正确的啮合关系， 其中心距保持不变，且啮合区交点连线a b 与中心连线o i0 2 垂直，因 此有： c o s ( 么a o l0 2 ) = a 2 r ，可知z a o l0 2 - - 巾， 所以啮合区包容角么a o l b = 2 巾= 2 a r c c o s ( pc 2 ) ( 2 1 5 ) y x ，厂 薪忒7 l j 溪夕3 图2 7 啮合区包容角 2 5 2 螺杆与机筒问空腔端面面积和空腔体积 啮合型同向旋转双螺杆挤出机研究第二章纺丝级尼龙6 用啮合型同向旋转双螺杆挤出机堕塑叁塑婴塑 如图2 - 8 所示，螺杆与机筒间空腔端面面积为图中阴影面积口”， 以a l 表示。 j i 尸 y t k 夕f 除澎 过 棼 o z ? x ，x 形夕 。 倒2 - 8 螺杆与机筒l 司空腔端面面积 a l = 机筒横截面积( a t ) - 两螺杆端面啮合曲线所围面积( a 。) 机筒横截面积： a t = 2 ( n 巾) r2 + a r s i n 巾( 2 1 6 ) 两螺杆端面啮合曲线所围面积： a d 宅 q r 2 + q ，+ 4 ( 由a z 2 a r s i n 由2 ) 】 ( 2 - 1 7 ) 所以： a l = 2 ( 一巾) r2 + a r s i n 巾2 q r 2 + q r 2 + 4 ( 巾a 2 2 a r s i n m 2 ) ( 2 1 8 ) 整理得：a l = 2 ( 九m ) r2 + 5 a r s i n 巾2 ( q r 2 + q r 2 ) 一4 由a 2 将a 、r 用pc 表示可得： a l = 2 ( 了t 巾) + 5 p c s i n 巾2 a ( 2 + pc 2 2 pc ) 4 中pc 2 r 2 ( 2 1 9 ) 由上式可见，a l l 与pc 密切相关。另外，由上面螺杆端面曲线方 程可知，当a 减小时，端面面积呈增大趋势，但为保证两螺杆运动不 发生干涉，对于双头螺杆，a 应限制在0 ，4 。 由此也可推得机筒与螺杆间空腔体积v i ： v l _ a l l( 2 - 2 0 ) 其中l 为轴向长度。 2 6 螺杆构型的组合设计 对于双螺杆挤出机，螺杆、机筒采用积木式机构，可以根据加工 啮合型同向旋转双螺杆挤出机研究第二章纺丝级尼龙6 用啮台型同向旋转取螺杆挤出机结构参数研究 物料和加工工艺的不同特性，把不同性能的螺杆元件在芯轴上任意组 合排列而成，改变物料在挤出机中的停瞬时间和所受的剪切程度，还 允许密先确定翔辩、藿体输送、熔蠢、混合、均优、搂气黧建疆等各 功能段的相应位簧，可以方便改变加料口和排气口位置和次数，采用 多路加料和多路排气技术，使各组分物料在最适宜的地方d i ：i k 2 2 】【2 6 1 。 闲越螺抒构型的组合设计与趣工物瓣的性质、配晓，加工工艺条 件，螺杆元件的构造、性熊等因素有关。不同功熊段的功能必须由相 应的螺杆构型来实现。 2 。6 1 所用螺杆元件的性能【1 6 l ( 1 ) 正向螺纹元件 主要用予物料输送，采耀双头双线螺纹( 导程一螺距x 2 ) ，螺搪等 鼯等深，螺棱宽艘院螺槽宽度4 , , 1 e 多，做成所谓毒参共轭的( 翔阗2 - 9 ) ， 啮合隧两螺杆纵向和横r e 皆歼放，因而一根螺杆的螺棱和另根螺杆 的螺槽之阉四周露有很多通道，物料流动不仅呈螺旋o 。形，两且要通 过这黧透遂，物辩可戬进行交换，轴两混合效采更好。 图2 - 9 螺棱与螺槽非共辘殿分流作用 采爱不同螺躐的正向螺纹元律，不毽可以调节输送速度( 大螺距 l i ：4 、螺距输送速度快) ，两且霹控制螺槽的填充度，以适应输送、脱除 挥发物的需要。本课题设计采用的正向螺纹元件有导程分别为2 2 r a m 、 3 6 m m 、4 8 r a m 的双头螺纹套，如图2 一l o 庚示。 啮合型同向旋转双螺杆挤出机研究第二章纺丝级尼龙6 用啮合型同向旋转双螺杆挤出机结构参数研究 厂 t p 一1 1 p 、， j 。 t 绷_ 。，、 乡7 弋l 3 6 圈2 - 1 0 = 种正向螺纹元件 ( 2 ) 反向螺纹元件 其输送方向与挤出方向相反，为克服反螺纹中的反向流动所产生 的阻力，就必须在反螺纹段入口前建立起高压，物料才能通过而向前 输送。所以主要利用反向螺纹元件来形成压力区，比如在排气口前形 成高压，然后在排气区突然降压以利- y - a 气。本课题设计采用的是导 程为l g m m 的双头反向螺纹元件( 如图2 1 1 ) 。 9 h _ “ 图2 - 1 i 反向螺纹元件 ( 3 ) 捏合盘元件 捏合盘元件和螺纹输送元件具有相同的端面形状，按一定的错列 角组合而成捏合块，具有优良的混合性能包括分散混合和分布混合【4 】， 在同向双螺杆挤出机中广泛应用。捏合盘元件的分散混合作用是指捏 合盘能提供高剪切的剪切区，包括i 、捏合盘曲边和机简内壁组成区 v = 、心吣 一燮 嘴合型同向旋转双螺杆挤出机研究第二章纺丝级尼龙6 用啮型同向旋转双螺杆挤出机结构参数研究 域中物糕受很强懿拣压接鼹，专助予物料的穰碎；l l 、一摄螺轩土的 捏合盘与另一根螺杆上相应上、下游的两片捏合盘产生切割混合作用。 分毒混合作震指一对捏合盘与辊麓之闼形成若予个隔搿戆凹形攘，物 料流经捏合块幽一个捏合盘流入下个捏合盘时被分流、换流。捏合块 中相邻攫合盘酌扭转程度称为错列建天，箧两鸯歪自、反蠢帮中性之 分，错列角决定捏合块的混合、输送能力。中性捏合块( = 9 0 。) 没 有输送麓力，澹合效祭优予莲蠢，次子反海。正向翟合块也其骞一宠 的输送能力，而反向捏合块则增大物料前移的阻力。 在本课题中设计采用两种正向攫合块元件，错弼角均爻4 5 。 魏 阁2 - 1 2 ) ，由孤片捏合盘组食面成，长度分别为3 0 m m 和5 0 m m 。 u 1 寸 擎 u 圈2 1 2 援合块元绺 2 5 2 器段爨杼糖型的设计 根据本课题纺丝级尼龙6 实验所需的聚合反应挤出过程，将整根 螺稃分必三段：烟辩输送段、反应段纛鬟 气挤出段，设计数下备莰蜾 杆构型。 l 、翔料输送段 对加料段的要求是能顺利、多适应性地加入备种物料。本课题中， 船瓣输送段懿主要终耀是热入聚合物活懂瓣并输送。螺秆开始部位对 应主加料口，缀然加入的物料为熔体，且采用计量加料，但为加料顺 啮合型同向旋转双螺杆挤出机研究第二章纺丝级尼龙6 用啮合型同向旋转双螺杆挤出机结构参数研究 畅，这里选用大导程( 为4 8 m m ) 的正向螺纹元件，螺槽容积也大， 形成非充满状态，以容纳加入的低粘度物料( 如图2 1 3 ) 。继而采用 小导程( 为3 6 m m 、2 2 m m ) 的正向螺纹元件，提高螺槽填充度，使物 料充满，增加物料与机筒之间的密切接触，有利于传热，使物料升温。 再接反向螺纹元件( 导程为1 8m m ) ，目的在于增加停留时间，进一步 对物料进行混合、建立压力并形成熔体密封以进入反应区。 加料口 k ；戮i；搿 铆澄墨v 墨i | 2 2 4 84 8 4 83 6 圈2 - 1 3 加料口螺杆构型 i i 、反应段 主要作用是在输送过程中完成聚合反应。因为物料温度要进一步 升高，并使螺槽保持一定的高填充度，交互采用正向螺纹元件( 导程 为4 8l n l t t 、3 6 m m 、2 2 m m ) 和正向捏合块( k b 5 0 4 5 。、k b 3 0 4 5 。) ， 可以增加物料停留时间，使反应充分( 如图2 - 1 4 ) 。在反应区后段安排 反向螺纹元件( 导程为1 8m m ) ，使物料填充度增加到1 0 0 ，在排气 1 3 前建立高压并形成熔体密封，以利于排气，并防止冒料。同时也利 用捏合盘对生成聚合物混合均化，有利挥发组分( 如未反应单体等) 的浓度在物料中分布更均匀，脱挥容易。并使助剂2 均匀混入聚合物， 保证聚合物分子量及其分布稳定。 弋= f f 弋骶1 彳j 了可= _ 弋一下耳 = 同弋 l ：二z = _ 惑过= j 二二：“ 过= 出= 划二k i 4 8 3 6 k b 5 0 4 52 2k b 3 0 4 53 6 强2 - 1 4 囊瘟段螺耢橼鍪 、排气挤出段 主要作用是摊除低聚物和单体，并进一步混合，最后定压、定量、 定溢将聚合物从瓣模接出选救。这段嚣始对应大导程( 麓4 8 r a m ) 的 正向螺纹元件，使螺槽体积增大，填充度降低，压力突然降低，以利 于表面更新，提供较大的有效螺杆表面，使脱挥顺利进行，并有效防 止物料随气体带嫩两零瓣( 翔圈2 - 1 5 ) 。紧接的是导程变小( 必3 6 m m 、 2 2 r a m ) 的正向鳔纹输送元件，使物料又逐渐充满襟槽，混合均匀，建 立机头压力，将物料输送至机头口模。 排气西 缀 l 、澄沙n 9 l4 83 63 6 2 2 图2 - 1 5 排气口螺杼构型 2 6 。3 整稷螺释缓会示意塑( 妇豳2 - 1 6 ) 啮台型同向旋转双螺杆挤出机研究第二章纺丝级尼龙6 用啮合型同向旋转双螺杆挤出机结构参数研究 件i 了j 。 ，f i，j1删删彬删俐删删删删删删涮 i 加料输送段 机 头 注：1 、4 、9 、1 2 、1 4 、1 6 、2 0 一一导程为2 2 m m 的正向螺纹元件；3 、7 、1 1 、1 9 导 程为3 6 m m 的正向螺纹元件；2 、6 、1 8 一导程为4 8 m m 的正向螺纹元件；5 、1 7 导程为 1 8 m m 的反向螺纹元件；8 、1 3 错列角为4 5 。，长度为5 0 的正向捏合块元件；1 0 、1 5 错列角为4 5 。，长度为3 0 的正向捏合块元件。 图2 1 6 整根螺杆组合示意图( 组合2 ) 9 啮合型同向旋转双螺杆挤出机研究第三章纺丝级尼垄鱼塑堕鱼型旦塑塑鲎翌塑堑堑堂垫三丝塑塑旦堑 第三章纺丝级尼龙6 用啮合型同向旋转双螺杆挤出机三维流场研究 3 1 概述 对于一般的同向双螺杆挤出机，物料依次经过固体加料输送段、 熔融段和熔体输送段。但对于本课题而言，由于用于纺丝级尼龙6 的 反应挤出，根据实验的设计，物料在加入双螺杆之前经过预处理，已 制成熔体状的聚合物活性料，所以所加的物料为熔体，经过加料输送、 反应、排气挤出的仍然是熔体。因此本课题主要研究同向双螺杆挤出 机的熔体输送机理。该熔体输送段的主要作用是将基本完成聚合反应 获得的高聚物进一步混合均化，排除低分子单体，获得分子量大小适 合、分予量分布窄的聚合物熔体，定量、定压挤出造粒。 对于同向双螺杆挤出机的熔体输送段机理，主要对其螺纹元件和 捏合块形成的流道流场进行流动分析。常用的方法有解析法和数值法， 但由于流道中流动非常复杂，解析法难于进行，现在多采用数值计算 或数值模拟的方法进行分析，其中用得最多的是有限元( f e m ) 法。 早期的分析方法中，都将该段的流场简化为沿机筒展开的一维或二维 流场【4 2 】，并忽略啮合区，将熔体看成等温的牛顿流体，过于简化，造 成计算结果与实际相差很大。后来，三维模型逐渐成为分析主体，但 有的不含啮合区，有的虽对几何形状不作简化，但边界条件一般采取 机筒旋转螺杆静止的假设条件。 本课题所建立的模型是采用实际螺杆元件真实尺寸的三维模型， 熔体采用幂律流体分析，边界条件采用机筒静止、螺杆旋转的实际运 转条件【3 3 1 ，用a n s y s 有限元分析软件来进行捏合段流道等温非牛顿 流体三维流场的分析和求解。 3 2 关于a n s y s 有限元分析软件 a n s y s 软件3 朝是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通 用有限元商用分析软件，可广泛用于核工业、石油化工、机械制造、 轻工等一般工业及科学研究。该软件提供了一个不断改进的功能清单， 堕窒墼璧塑鳖墼翌璧楚蔓璺墼篓塞篓虽量璧整璧墨鍪! 篓壁垒塑整墓墼壁燮筮塑盥鉴戛整鎏篓篓! ! l 包捂维稳蠢度嚣线褴分褥、惠磁分辑、诗舅流髂劫力势瓣、浚计德纯 警。并戆与大多数c a d 软磐实瑷数据共事帮交换，兔诲瓷淄横燮上 避行备式备祥獒糕台计纂，懿奄一磁一滚侮一热勰禽等。 a n s y s 敬佟主要毽攒三静模块： 蓠楚理横块( p r e p 7 ) 。实现参数建义、窭体建楱褥鬻攘糕分e 袋瓣骥块( s o l u t i o n ) ：瓣旗罄 进行搬藏( 惫援边嚣祭锌) 濑饔 限元计算，慕勰平衡徽分方程。 蕊处避模块( p o s t l 鄹p o s t 2 6 )