（机械设计及理论专业论文）往复式单螺杆销钉挤出机设计原理及混炼机理研究.pdf

摘要 往复式单螺杆销钉挤出机设计原理及混炼机理研究 摘要 近年来，往复式单螺杆销钉挤出机以其独特的混炼性能越来越多地应 用于聚合物混炼加工领域。本文以w x j 1 4 0 往复式单螺杆销钉挤出机的 研制开发为主线，对往复式单螺杆销钉挤出机的设计原理、挤压系统和 传动系统运动仿真、混炼机理、螺纹元件内物料三维动态流动过程以及 停留时间分布测量和建模等方面进行探索和研究。 运用系统工程设计原理，全面剖析了往复式单螺杆销钉挤出机的结构 特点，构建了挤压系统销钉一螺棱复合运动数学物理模型，通过运动仿真 模拟，对其加工过程进行了全程、实时、动态和全方位观察和研究，完善 了往复式单螺杆销钉挤出机挤压系统和传动系统的设计原理，并对w x j 系列往复式单螺杆销钉挤出机系列化开发理论进行研究和实践。 采用有限元数值方法对往复式单螺杆销钉挤出机三种典型螺纹元件 内物料流动及混合进行三维动态模拟，分析了工艺条件、物料特性以及销 钉布置对挤出机分布、分散混合性能的影响。在数值模拟理论指导下，开 发了国际上最先进的具有超高混合性能的四排销钉四条螺棱的新型混炼 元件。 在验证数字图像处理方法测量塑化挤出机停留时间分布可行性的基 础上，对往复式单螺杆销钉挤出机的停留时间分布进行了实验研究。为了 预测和控制挤出机的时间分布情况，分别应用化学反应工程和流体力学方 t 北京化工大学博士学位论文 法，根据机器的结构组成和螺杆的组合形式，建立了预测往复式单螺杆销 钉挤压造粒机组停留时间分布的数学模型。 目前，往复式单螺杆销钉挤出机的技术和市场基本上被瑞士b u s s 公 司独家垄断，本研究取得的阶段性成果不仅可为该机型的系列化开发和推 广应用提供理论依据，还可为我国高分子材料科学和技术的进步提供新的 设备平台。 关键词：往复式单螺杆销钉挤出机，设计原理，运动仿真，混炼机理，停 留时间分布，数学模型 i i a b s t r a c t s t u d yo ft h ed e s i g np r i c i p l ea n dm i n g m e c h a n i s m0 ft h er e c i p r o c a t i n gs i n g l es c r e w p i n b a r r e le x t r u d e r a b s t r a c t l nt h er e s e n ty e a r s ，b e c a u s eo ft h eu n i q u ek n e a d i n gc h a r a c t e r s ，m o r ea n d m o r er e c i p r o c a t i n gs i n 9 1 es c r c wp i n - b a r r e le x t m d e rw e r eu s e di nt h ep 0 1 y i n e r m i x i n gp r o c e s s b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fm ew 一1 4 0r e c i p r o c a t i n g s i n g l es c r e wp i n _ b a r r e le x t r u d e r ，m ed e s i g i lp r i n c i p l e ，d y i l 锄i cs i m u l a t i o no f t h ep l a s t i c a t i n gs y s t e ma n dd r i v i n gs y s t e m ，m i x i n gm e c h a n i s m ，n u i df l o wa n d m i xi n s i d et h es c r e we l e m e n t s ，a n dt h e e x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n ta n d m o d e l i n go ft h er e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o ni nt h ee x t m d e rw e r es t u d i e d h e r e m t h es t m c t u r e sa i l d 凡n c t i o n so fm er e c i p r o c a t i n gs i n g l es c r c wp i n _ b a r r e l e x t n j d e rw e r ea n a l y z e du s i n gt h es y s t e i t l a t i ce n g i n e 耐n gd e s j g np r i n c i p l e i n o r d e rt oi m p r o v et h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h i sk i n do ft h ee x t n j d e r t h ed y n a m i c s i m u l a t i o no ft h ep l a s t i c a t i n ga n dd r i v i n gs y s t e m sw a sc a r r i e do u t ，w h i c hw a s h e l p m l t og i v ead i r e c t ，c o m p r e h e n s i v e ，r e a l - t i m ea n dd y n a m i co b s e r v a t i o no f t l l ee x t m s i o np r o c e s s m e a l l w h i l e ，t h em a t h e m a t i cm o d e lo nt h em u l t i p l e i i l 北京化工大学博士学位论文 m o t i o n so ft l l e p i n sm o u n t e do nt h eb a r r e l s a n dm en i g h t so ft h es c r e w e l e m e n t sw a sa l s of o u n d e d f u n h e r m o r e ，t h ea p p l i c a t i o no ft h es c a l e - u p t h c o r i e si nt h es e r i 龇i z a t i o nd e v e l o p m e n to ft h ew x je x t m d e r sw a sa l s o s t u d i e d t h ef l o wa n dm i x i n gc h a r a c t e r so ft h ec o m m o ns c r e we l e m e n t si nt h e r e c i p r o c a t i n gs i n g l es c r e wp i n - b a r r e le x t m d e rw e r es t u d i e du s i n gap o l y n o w f i n i t ee l e m e n ts o f c w a r ep a c k a g e b a s eo nt h es t a t i s t i c a lt r e a t m e n to ft h en o w t 啊e c t o r i e s ，t h ed y n a m i cm i x i n gp m c e s sa n dt h e e f i _ e c t so ft h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，n l a t e r i a lv i s c o s i t ya n dt h ep i n so nt h em i x i n gp e r | o m a n c e so ft h e e x 仇l d e rw a ss t u d i e d a tt 1 1 es 锄et i m e ，an o v e lm i x i n gs c r e we l e l n e n tn 锄e d n k ew i t hf o u rn i g h t sw a sd e v e l o p e da n dc o m p a r e dw i mt h et m d i t i o n a l m i x i n ge l e m e n t ( k ee l e m e n t ) a r e rv a l i d a i i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gm e t h o di n m e a s u r i n gt h er e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o n ( i t d ) o ft h ep l a s t i c a t i n ge x t m d e r ，a e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h er t di nt h er e c i p r o c a t i n gs i n g l es c r e wp i n - b a r r e l e x t m d e rw a sd o n e f o rt h es a k eo ft h ec o n t r o la n df b r e c a s to ft h er t d b a s e d o nt h ea s s e m b l yo ft h ee q u i p m e n ta n dt h ec o m p o n e n to ft h es c r e w ，t w o m a t h e m a t i c a lm o d e l so nt h er t di nt h ee x t m d e rw e r eb u i l tb yt h ec h e m i c a l r e a c t i o n e n g i n e e r i n g m e t h o da n d c o m p u t i n g n u i d d y n a m i c sm e t h o d ， r e s p e c t i v e ly a tp r e s e n t ，t h et e c h n o l o g i e sa n dm a r k e t so ft h i sk i n do fe q u i p m e n ta r ea 1 1 c o n t r 0 1 l e db yaf e wo ff o r e i g nm a n u f a c t u r e r sb a s i c a l l y s o m ed o m e s t i c i v a b s t r a c t e n t e r p r i s e sa i l di n s t i t u t e si n c l u d i n gb e i j i n gu n i v e r s i t yo fc h e m i c a it e c h n o i o g y h a v ed e v e l o p e ds m a l l a n dm e d i u m - s i z e d r e c i p r o c a t j n gs i n g l es c r e wp i n - b a r r e l e 加d e r b u tt h e r ei sn oe n o u 曲d 印e n d a b l ea i l ds y s t e m i ct h e o r yf o rt h e d e v e l o p m e n to ft h el a g e 卜s i z e de q u i p m e n t g e n e r a l l ys p e a k i n g ， a ut h e p r e l i m i n a r yi i e s t i g a t i o n sc a np m v i d en o to n l ym et h e o r e t i c a lb a s i sf o r a p p l i c a t i o na 1 1 ds e r i a ld e v e l o p m e mo ft h i sk i n do fe q u i p m e n t ，b u ta l s oan e w s c i e n t i f i cr e s e a r c hs t a g ef o rt h ei m p r o v e m e n to f t h e p o l y m e rm a t e r i a l ss c i e n c e a n d e c h 力o 】o g yo fc h j n a k e yw 0 r d s ：r e c i p r o c a t i n gs i n g l es c r e wp i n _ b a r f e le x t m d e r ，d e s 硒州n c i p l e ， d y n a m i cs i m u l a t i o n ，m i x i n gm e c h a n i s m ， r e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o n ， m a t h e m a t i c a lm o d e l v 北京化工大学博士学位论文 符号说明 口 超声波相对衰减量 超声波经过示踪剂浓度为c 的物料反射后测得的振 肼 一( c ) 幅 口+三口+ 6 + 色彩空间色彩分量 爿。 超声波经过示纯物料反射后测得的振幅，竹 4 接受传感器到的超声波振幅 ，竹 d g g a o 模型参数 4a d m 模型横截面积 ，z 2 口： z u s a t z 模型参数 6 回流系数 四 月g 口色彩空间色彩分量 6 + d + 6 色彩空问色彩分量 b r 布吕克曼准数 也 z u s a t z 模型参数 c 示踪剂浓度 g c 秆 c 无量纲浓度 c 单元节点浓度向量 g | c m j c 00 时刻示踪剂浓度g 洲3 c f 单元节点浓度g 册3 c i 色彩强度 一 c 第i 个单元节点浓度向量 g | c 卉 c 7 z u s a t z 模型参数 d 滞留区体积分数 d | 直径相似放大系数 ) ( v i 符号说明 d l 基准样机螺杆直径 州，竹 d 2 放大后挤出机螺杆直径，”m d c m输送速率与熔融速率放大指数的差值 见 扩散系数 d ， 分布混合指数 e ( f ) 停留时间分布函数 l j e p ) 无量纲停留时间分布函数 o )螺纹元件1 的停留时问分布函数 l s 臣o ) 螺纹元件2 的停留时间分布函数 l s t e ) z i l s a t e 方程1 s f ( f ) 累积停留时间分布函数 ，p ) 无量纲累积停留时间分布函数 正o ) 色彩转换分段函数 l l 填充系数 厶g ) 线性传递函数 lp 部分填充段平均填充系数 工0 ) 微元距离分布密度概率函数 工。g ) s i g i n o i d 传递函数 丘叫g ) 微元距离最优分布密度概率函数 c ( f )2 m a t e 方程积分形式 gy e h j a w 模型参数 g 尺g 8 色彩空问色彩分量 g a 组分浓度g | c 耐 q b 组分浓度 g c m 3 吒 微元浓度 g | c 衍 瓯” 微元浓度 g | c 村 x v i i 北京化工大学博士学位论文 g 。 混合体系平均浓度 g | c m 3 瓯g ) 坐标为王处微元浓度 g ic m 3 螺槽槽深放大指数 h螺槽槽深，”，” 日l 基准样机螺槽深度研，” 吼 放大后挤出机螺槽深度 研， 。传动系统中心高 m ，” 岸 系数矩阵 足( f ) 分段函数 量 分段函数 k i 电导率 ， 螺杆长度放大指数 螺杆长度 l 事 + 口4 6 色彩空间色彩分量 厶 基准样机螺杆长度 ，”，h 岛 放大后挤出机螺杆长度研，” a d m 模型长度 埘 ， a d m 模型轴向坐标m 厶 p i m o 和1 甜m o r r t d 模型长度 ，砚 ， 管流反应器长度 ，竹 0 摇摆盘长度一半m m ，竹 幂率指数 m系数矩阵 憎 熔融速率 k g h m l y e h _ j a w 模型计算过程参数 m 2y e h j a w 模型计算过程参数 符号说明 m f i 熔融指数 g l o m i n 脚停留时间小于f 的示踪剂量 g 螺杆转速 ，m l n l 基准样机螺杆转速 ，m i n 2 放大后挤出机螺杆转速，m l n n a 组分微元个数 b b 组分微元个数 n t模型中c s t r 个数 n t f e m 计算单元总数 n 。 f e m 计算节点总数 栉p 单元节点个数 p 塞流反应器体积分数 n 皮克莱特准数 儿 超声波相对信号强度 g 无量纲螺槽槽深 q 卅 质量流率 k g h 级 固体输送速率 k g | h q 体积流率 埘3 j ， 管流反应器半径坐标m r r g 口色彩空间色彩分量 r 。 管流反应器半径 ，咒 月( s ) 相关函数 只6 ) 相关函数 反应速率 心 电阻q 置 样条电阻q x 北京化工大学博l 学位论文 5微元间距( 标量) 卅 j微元间距( 向量) m ，肌，川 翩 比表面积 小2 ，堙 s 。 分隔比例 s e c 比能耗 j h | k g s y 螺杆往复行程 研，雄 s 1 0 螺杆摆幅 卅肌 f 时问 s 最短停留时间 s 流速 ，”s u ( ，)管流反应器内流体流速 m j u 。 管流反应器中心处流体流速 m | s 管流反应器内流体平均流速m fs 矿 反应器容积 m 3 v 螺杆转速放大指数 k b c 模型单元容积研3 b c 模型单元容积 m 3 巧 b c 模型单元容积 历3 圪b c 模型单元容积 一 m “ 螺杆轴向往复速度 m s 实际填充容积 小3 圪 机筒牵引速度 m s y x e k e 元件容积肌， s t 元件容积 删3 e z 元件容积卅3 c f 元件容积 埘3 符号说明 完全填充段总容积 m 3 熔体齿轮泵容积 m 3 0 部分填充段总容积 小3 t 熔体输送段容积 埘3 l 系统总容积 肌3 电压 y 直流电源电压 矿 矿 螺槽宽度 卅厅2 暇 基准样机螺槽宽度 m 研 放大后挤出机螺槽宽度 埘，竹 工a d m 模型轴向无量纲坐标 工 微元坐标m ，埘，所 z朋，z 色彩空间色彩分量 y朋，z 色彩空间色彩分量 z舶，z 色彩空间色彩分量 x u c i e 朋亿色彩空间参考白色色彩分量 c i e 如，z 色彩空间参考白色色彩分量 z o c i e 姗，z 色彩空间参考白色色彩分量 口摇摆角度 朋d 盯 摇摆角最大值 ，缸d 8螺纹升角 届 基准样机螺纹升角 展 放大后挤出机螺纹升角 剪切速率 l s y 占 d i r a c 脉冲 北京化工大学博上学位论文 s相关系数曲线零点 ， f g ) 相关系数 口 无量纲时间 口无量纲平均停留时间 0机筒牵引速度方向与挤出方向夹角 声 物料黏度p 8 s 手 局部坐标 p 密度 姆3 盯2 分布方差 s 2 盯； 微元浓度分布方差 盯； 无量纲分布方差 f 平均停留时间 占 f g 熔体齿轮泵平均停留时间 s t固体输送段平均停留时间 s 以 差值函数 口 压力流与拖曳流流率比值 出 螺杆旋转角速度 r a a | s m 差值函数向量 饼f e m 单元区域 j 北京化工大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。 作者签名：皿日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在且年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 榔蠹数黧嚣 第一章概述 第一章概述 随着国民经济和国家建设的发展，高分子材料的应用范围越来越广，人们对高分 子材料的性能要求也越来越高。这就射聚合物的改性不断地提出新的课题。 混合是高分子材料的物理改性或某些化学改性中一个重要的环节。目前，聚合物 加工过程巾混合问题的研究有两个角度，一是从配方设计和形态结构来研究，另一是 从混合j i i 艺平i l 混合没箭来进行研究。几i 年米，f l = f = 界j ：十继 j 现了种类繁多、适应刁： 同 l ；i ；合工艺要求的混合设备，j f 是这些混合设备的出现，d 促进了聚合物改性的飞速 发展【。 由于连续式混炼设备可实现连续操作，易于实现自动控制，能量消耗低且混合质 量稳定，所以近十年来，连续式混炼设备得到了迅速发展，先后出现了单螺杆挤出机、 双螺杆配混挤出机、f c m 连续混炼机、往复式单螺杆销钉挤出机、行星螺杆挤出机、 磨盘挤出机以及由密炼机发展而成的各种连续混炼机。 本研究论文将结合w 1 4 0 往复式单螺杆销钉挤出机的研制，对该类混炼设备 的设计原理和混炼机理进行研究和探索。 1 1 往复式单螺杆销钉挤出机 图l l 往复式单螺杆销钉挤 i j 机 f i g l - lr i p m t i n gs i n g l es c 陀wp i n - b a r r c ie x t t l l d e r 往复式单螺杆销钥。挤 j 机，简称为b u s s 机，魁“种具有特殊结构和机理的- 杠螺 杆挤出机。与传统单螺杆挤出机相比其最大的不同点就是螺杆在旋转运动的同时伴随 着往复运动，螺杆和机筒均采用组合方式，机筒为剖分式，其上安装有销钉，为了保 北京化工大学博上学位论文 证螺卡t 在完成旋转和往复运动的同时不会与销钉产生干涉，设计中将螺纹元件的螺棱 按一定规律切断。由于螺棱被切断，加之螺杆每旋转一圈同时作一次轴向往返运动， 所以螺杆的建压能力低，易造成挤出产量波动，为此常在挤出机出口处串联二阶单螺 杆挤出机或熔体齿轮泵，以实现建立压力和稳定产量的目的。 往复式单螺杆销钉挤出机的性能与传统的单、双螺杆混炼机相比具有以下特点： 混炼效果好螺杆的旋转和往复运动使得螺槽中的物料不断地被安装于机筒上 的销钉剪切、分流、拉伸、挤压；物料通过销钉与螺棱的间隙处，产生轴向回流，并 受到销钉的搅拌能使高聚物混合物的温度和组分在轴向和径向得到很好的分布混合； 销钉与螺棱的各侧面间隙形成了往复式单螺杆销钉挤出机的主要剪切区，在这个剪切 区中物料受到反复的柔性剪切，这种剪切方式可以有效避免物料局部温升过高现象， 实现理想的分散混合【2 】。 自洁性好螺杆往复运动中，当销钉靠近螺棱时，会起到擦刮积聚在螺棱侧壁 处物料的作用，保证了往复式单螺杼销钉挤出机具有良好的自洁性能。 螺杆的长径比小销钉与物料的每次剪切和分流，促使物料迅速熔融。为数众多 的捏合销钉的存在及往复式单螺杆销钉挤出机独特的运动方式可以保证在很小的长径 比范围内实现高体积流率熔体的良好混合。对于大多数物料的分布混合工艺，往复式单 螺杆销钉挤出机在“d 4 情况下也可实现良好混合。 挤出温度低物料由于受到柔性剪切，不会产生局部温升过大现象；销钉的搅拌 作用对物料温度的均匀分布有利；螺卡下的长径比小，自清理性好，物料在螺杆中具有较 短的受热履程，保证了往复式单螺杆销钉挤出机可以实现低温挤出。 温度控制精确销钉的搅拌作用均化了料温的分布；螺杆的往复运动清理了机 筒的内表面，增大了传热系数，有利于温控；销钉内装有热电偶，能直接测量物料内 部的温度，保证了温度测量的真实性和温度的精确控制。 应用范围广由于螺杆内物料所承受的压力低，物料在挤出过程中生热少，可 实现低温挤出，因此b u s s 机特别适用于热敏性物料、热固性物料以及粉体涂料等的 混合工艺。 综合以上分析可知：往复式单螺杆销钉挤出机特有的新颖结构和工作原理使其具 有优良的混合和自清洁性能、以及加工温度低、温度控制精确、长径比短、造价低廉、 适用范围广等优点，因此它在塑料的混炼和粉体涂料的混合加工中得到f i 益广泛的应 用。 2 一，一一一 篁二量堡堕 1 2 往复式单螺杆销钉挤出机的发展沿革 2 0 世纪4 0 年代，中欧地区合成橡胶及热塑性塑料的大规模生产促进了聚合物加 工成型设备的迅速发展o 】，b u 豁机就是在这个时期诞生的。1 9 4 5 年，德国人h e i t l zl i s t 将单螺杆销钉挤出机【椰】、往复式螺杆注射机【1 4 ，1 5 l 和具有自清洁性能的双螺杆挤出机 【1 q 翻的设计理念集于一体，在此基础上，研制成功了b u s s 机，提出了四种连续混炼 装置，获得了专利授权【2 3 之5 1 。 第一种连续混炼装置是由锥形机筒和锥形螺杆构成，见图1 2 。螺杆只作旋转运 动，螺棱是连续的，机简上没有销钉但设有多个旁路，这种旁路可以把不i 叫的螺槽连 通起来以增加物料的轴向混合。 图l _ 2 l 随提出的连续混炼装置之一 f i g l - 2f | 衅tt y p eo f l ec o 州加o u sm i x e rb yl i s t 图1 3l i s t 提出的连续混炼装萱之二 f i g l - 3s e c o n dt y 】p eo f 血ec o n 6 n u o u sm i x e rb y “s t 第二种连续混炼装置是由锥形机筒和锥形螺杆构成，在螺杆旋转的同时作往复运 动，螺棱是连续的，机简上没有旁路和销钉，其结构如图1 3 所示。 第三种连续混炼装置采用的是圆柱型螺杆和机筒，如图1 4 所示。机筒上安装有 北京化工丈学博士学位论文 销钉，螺棱上有切槽。混炼加工过程中，螺杆旋转，机筒作往复运动，机筒上安装的 销钉在螺棱切槽中作相对运动，起到搅拌螺槽内物料的作用。图1 5 给出了这种混合 器内销钉轨迹和螺棱展丌图。 图l - 4l i s t 提山的连续泓炼装置之二 f l g l 4t h i r dt y p eo f t h ec o n t i n u o u sm i x e r b y “s t 图1 - 5 第三种连续混合装备内销钉轨迹和螺杆展开闰 f l g l - sd i a g r a m m a t i cs k e t c ho f t h ep a t h w a y so f t h ep i n sa n dt h es h a p 鹤o f m es c r e wn i g h t si nt h h d t m ) eo f t l l ec o n t i n u o u sm i x 盯 第四种连续混炼装置的基本结构与第三种混合器相同。但其机筒是静止的，螺杆 同时作旋转和往复两种运动。可以说这种连续混炼装置就是今天往复式单螺杆销钉挤 出机的雏形。 图l - 6l i s t 改进屙的销钊轨迹及螺杆展开图 f i g l - 6 m o d m e d p a m w a y s o f m e p i n s 孤d l es h a p 髂o f 山es c r c wn i 曲t sb y l i s t 在这些专利的基础上，l i s t 又对b u s s 机进行了改进和完善。1 9 4 9 1 9 5 0 年，l i s t 申请的专利2 6 2 7 1 中，他针对第三种连续混炼装置进一步介绍了螺纹元件螺棱构型和销 4 第一章概述 钉的相对运动轨迹。图1 6 给出了其中的两种情况。 1 9 6 1 年e m s tg u b l e r 对往复式单螺杆销钉挤出机进行了改进，采取螺杆往复运动、 机筒静止的结构方案【2 8 l 。这一机型具有独立的混合段和塑化段。这是b u s s 机全功能 螺杆设计思路的起点，图1 - 7 给出了他改进的混炼机螺杆的三种结构形式。 图l - 7 0 u b l 日改进后b w s 机的结构 f i g l - 7m o d i 6 e ds m l c h o f t h eb u s sl n e a d 盯b yg u b l e r b u s s 机螺杆采用组合形式的思想来自于f r i t zs 眦e r 的专利1 2 9 】。s u t t e r 在专利中指 出机筒上的销钉以及螺杆螺棱的轴向位置是可以调整的。这种改进使得对b u s s 机螺 杆的优化组合成为可能( 见图1 8 ) 。 图1 1 8s u t 时改进后b u s 8 机的结构 f i g l 8m o d 垭e ds 乜u c t u r eo f t h eb 璐8l c i l e a d 盱b ys u 撕 5 北京化工大学博士学位论文 图l - 9 1 i s i 改进后b u s s 机的结构 f i g l 9m o d i 6 e ds t n l c t l l r eo f n l cb u s sk n e a d e rb yl i s t 图1 - 1 0l i s t 和r o n n c r 改进后b u 机的结构 f l g l 一1 0 m 0 d i f i e ds 饥l c n l r eo f 吐圯b u s s h d e r b yl i s t 船dr o 曲盯 在挤出过程中，螺杆往复运动会导致b u s s 机出口处挤出量波动，这制约了b u s s 机的在更广范围内的使用。1 9 6 2 年1 0 月的瑞士专利和1 9 6 3 年的美国专利中，l i s t 采用如图1 9 所示的结构方案来解决这一问题。在螺杆头部安装了一个小直径的螺杆 元件，这个元件上加工有一条右旋螺纹和一条左旋螺纹。随后，1 9 6 4 年1 月的瑞士专 利及1 9 6 5 年的美国专利中，l i s t 和r o n n 一3 1 】又提出了如图1 1 0 所示的另外一种改进 方案。其中机筒分为两部分，加料段和混炼段部分机简往复运动，而熔体输送段和机 头部分机筒静止。 为了解决产量波动的问题，g e i c r 和h 、，i n 一3 2 1 也对螺杆前端的组合形式进行了改 进。他们的改进形式与l i s t 的方案主要区别在于螺杆头部设计，其中包括一个屏障段 元件、一个正向螺纹元件和一个反向螺纹元件，对应机筒上开设有排气口。图1 1 l 给出了改进后的结构。 为了解决产量波动问题，s c h u u 一3 3 1 还从机器结构形式方面对b u s s 机进行了改进， 见图1 ，1 2 。从图中可以看到，一根旋转轴上安装有两个旋向相反螺纹元件，出料口开 设在机筒的中心位置。他指出采用这种结构形式可以很好地抑制了由于螺杆往复运动 6 第一章概述 造成的产量波动。 图l - l lg e i e r 希ii r v i n g 改进后b u s s 机的结构 f i g l 一1 1m o d 诟e ds 廿u c c l l 佗o f t h eb u s sk n e a d e rb yg e i e r 锄di i n g 图1 1 2s c h u u r 改进后b u 机的结构 f i g l - 1 2m o d i f i c ds 咖槐o f 血eb u s sh d e rb ys c h u w 在止逆环元件出现之前，b l l s s 机并不具有排气的功能。直到在1 9 6 5 年w j l k c r g r e s 曲在瑞士专利和美国专利中【划提出了止逆环元件和排气口装置后，b l l s s 机才具 有了排除挥发组分的功能，使得b u s s 机更具有实用价值。止逆环的几何构形及排气 口的轴向位置如图1 1 3 所示。 图l - 1 3g r e s c h 改进后b u s s 机的结构 f l g l - 1 3m 砌f i e ds 仃i l c m 婶o f m eb u s sk n e a d e rb yg r e s c h 7 北京化工人学博j ：学位论文 l i s t 等人提出的改进措施并不能完全解决b u s s 机产量波动这一问题。实际上，完 全解决这一问题的根本办法就是在b u s s 机下游加设熔体齿轮泵或饥饿喂料的尊螺杆 挤出机( 即二阶单螺杆挤出机) 。在g r c s c h 专利【3 4 】的基础上，e n v i nr u e t t n e r 和f r i t z s u t t e r 在他们的瑞士专利和美国专利1 35 】中提出了在b u s s 机下游安装二阶单螺杆挤出机 的方案，并在两部分的结合区域加设第二排气口，见图1 1 4 。这样一来，b u s s 机不仅 具有很好的混合塑化功能，并且还能够保证挤出的稳定。 图1 - 1 4r u e t m 目和s u t t e r 改进后b s 机的结构 f i g l 一1 4m 砌行e ds m l c t u r eo f l h eb u 昭l m d e rb yr u e t n i c ra n ds u 附 为了解决机筒内表面的磨损问题，w h e e l 一3 q 对b 1 l s s 机的机筒结构进行了改进。 他提出在机筒内安装一层衬套，如图1 1 5 所示，当衬套磨损后可进行更换。 图l - 1 5w h e e l e f 改进后b u s s 机的结构 f i g l - 1 5m o d i 疗c ds h u 曲j ro f 血eb u s sk n e a d e rb yw h c e l 盯 以上所提及的众多设计方案中，b u s s 机螺杆的往复周期与旋转周期都是一样。 r d 衄e r 和s u t t d 明改进了这一思想。如图l 一1 6 所示，螺杆旋转的驱动器与往复运动的 第一章概述 驱动器是相互独立的，从而使得实现螺杆旋转和往复周期不同成为可能。 图l 1 6 r m 和s u n e r 改进后b l l s s 机的结构 f i g l 一1 6m 0 d i 丘e ds 虹u c t u o f t l i eb u 黯h e a d c rb yr o n n e r 托ds u t 盯 2 0 0 1 年，t s c h o o p 【3 司对b u s s 机螺杆尾端密封结构进行了改进，以防止细微颗粒粉 体物料进入驱动系统，如图1 1 7 所示。这一装置主要包括两个密封部件和一个支撑部 件。b u s s 机工作时，支撑部件会随螺杆轴往复运动，而不随之圆周转动。两个密封装 置分别为圆周转动密封和轴向往复运动密封。 2 0 0 3 年，a n d e r s e i i 等人【3 9 l 对b u s s 机的混炼元件和加料段结构进行了改进。提出 了四条螺纹的混炼元件和大容积的加料段结构，分别如图1 一1 8 和1 - 1 9 所示。这些改 进方法不仅提高了机器的混合效果而且提高了机器的输送能力。 图l 1 7t s c h o 叩改进后螺杆尾端密封结构 f i g l 一1 7 m o d i 6 c ds t m c t u r eo f 山es c r e ws e a l i n b u s s l ( f i e a d e r b yt s c h o o p 9 北京化工大学博士学位论文 图1 1 84 头螺棱螺纹元件结构 f i g l 1 8 【丑b y 血t i i 而智觚o no f 枷i g h ts c 删 图1 1 9 加料段结构 n g l - 1 9c f i 舯m 矗o f t h e f e e d i 略s 6 最近，s i 鸭胁吐l a l e 删对b 璐s 机螺杆螺棱和销钉几何形状进行了改进，以满足不 同的加工要求，他提出的螺棱形状如图1 2 0 所示。 图l - 2 0s i e g 即t l i a l 盯改进后螺杆螺棱形状 f i g l - 2 0m 0 d i f i e ds h 印嚣o f t l l es c d e wv a n sb ys i e g e n t h a l 盯 现代的往复式啦螺杆销钉挤i 机在结构j ：几益完善，适用聚合物加工的种类更加 ，“泛。它不仅是生产塑料粉料和涂料的理想设备，而且还适用于工程塑料、电线电缆 料、软硬p v c 、热固性塑料以及各种色母料的配混、造粒和成型。尤其在加工那些要 咽 第一章概述 求混炼质量高而且又对剪切和加热比较敏感的物料时，该机更能显示出其“三低一高” ( 低压力、低剪切、低温升和高混炼质量) 的特有优势。自1 9 7 3 年至今，b l l s s 机的 产量提高了6 倍，挤出速度提高了4 倍，每转挤出量提高了1 5 倍。形成了k g 、p r l 、 p l k 三大系列。螺杆均采用模块化结构，直径为中3 0 m m 一巾7 0 0 衄，u d 为7 2 3 ，机 筒上开设有多路喂料口，可用于加入辅料和液体添加剂以及排出水分、低分子挥发物 等气体，螺杆最高转速可达5 0 0 r 加i n 。为保证挤出产量的稳定性，在b u s s 机出口处 加设了二阶单螺杆挤出机或熔体齿轮泵。近几年来，科学工作者对b u s s 机工作机理 作了深入研究，构建了数学物理模型，采用数值计算的方法对物料在b u s s 机内的流 动和混合状况进行模拟，力求实现设计的最优化，从而使得此种机型能更好地满足高 聚物混合加工的需要。 1 3 我国往复式单螺杆销钉挤出机的研制现状 往复式单螺杆销钉挤出机由于具有新颖独特的工作原理，优异的混炼能力，从而 使其成为聚合物加工领域的重要设备。为了打破国际垄断，近年来我国t 些科研机构 和企业单位也开展了对此种混炼设备的研制工作，并取得了阶段性成果。2 0 0 0 年我国 江苏新达塑机有限公司率先研制成功s j w 7 0 型往复式销钉螺杆挤出机【4 。2 0 0 1 年， 北京化工大学高聚物特种挤出中心在国际上首次运用c a e c a d 技术，对往复式单螺 杆销钉挤出机的运动轨迹进行了动态模拟，并对其流场做了数值计算，在此基础上开 发研制了有自主知识产权的w 4 5 型往复式单螺杆销钉挤出机，并配置了自行研制 成功的高温融体齿轮泵【4 2 4 4 】。2 0 0 5 年又相继开发了w 1 4 0 型往复式单螺杆销钉挤 出机，并针对这种机型在国内首次开发了四排销钉四条螺棱的新型混炼元件蚓。在 此基础上，利用计算机运动模拟技术对传动系统和挤压系统的运动过程进行了三维动 态模拟【4 5 4 7 1 。 1 4 往复式单螺杆销钉挤出机理论研究的现状 1 4 1 往复式单螺杆销钉挤出机加工机理研究现状 自从往复式单螺杆销钉挤出机问世以来，理论研究远远落后于设计开发。 早在上世纪七八十年代，在对b u s s 机流动机理研究之前，一些学者已经开始着 手研究普通销钉机筒挤出机内物料的流动机理了【4 8 - 5 5 】。但是普通销钉机筒挤出机内物 料的流动、销钉对混合的影响与b u s s 机存在很大差别。 北京化工大学博士学位论文 1 9 8 7 年，b o o y 和k a f k a 【5 6 l 使用有限元和润滑近似方法对b u s s 机内物料的流动进 行了模拟分析，他们指出b u s s 机内物料的无规运动有利于改善分布混合效果，而销 钉与螺棱的相对运动提高了机器的分散混合能力。1 9 8 9 年，b r z o s k o w s “”】在等温牛 顿流体的基础上，对b u s s 机的整体特征进行了研究。他们研究的关注点还主要还是 在分析销钉对周围流体流动的影响。 1 9 9 0 年，e l e n l a n s 和m e u e r 开始对b l l s s 机加工机理进行全面系统的研究侧。他 们利用可视化技术，以硅油为流动介质，对b u s s 机内牛顿流体的流动情况进行了分 析。他们借助于双螺杆挤出机的建模方法建立了b u s s 机的数学模型1 5 ”，对b u s s 机的 压力分布、产量、填充度及停留时间分布进行分析研究。但是他们的数学模型中忽略 了螺杆往复运动对物料流动的影响。 在e l 哪a n s 和m e i j e r 之后，l 汕和w h i t e 对b u s s 机的流动机理进行了一系列的研 究，其中包括对等温牛顿流体【h i 6 ”、等温非牛顿流体【叫、非等温非牛顿流体 6 3 。6 5 1 、线 性粘弹性流体圃和非线性粘弹性流体等的研究7 l 。在等温流动研究眸1 中，他们沿着 物料流动的相反方向进行逐段分析计算，即从机头开始到二阶单螺杆挤出机，再到 b u 韶机的各个螺纹元件。经计算，他们得到了b 1 l s s 机内物料的压力及填充系数分布。 在非等温流动研究【6 蛐5 1 中，他们先从机头开始沿着物料流动的相反方向计算挤出机内 物料的压力分布，并确定机器内填充度分布；之后，再根据能量平衡关系，从加料段 开始沿物料流动方向计算机器内的温度分布，沿着两个方向进行反复计算，直到温度 和压力分布结果收敛。在此基础上，再将理论研究结果和实验数据进行了对比分析。 lj 4 2 往复式单螺杆销钉挤出机停留时间分布研