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北京化工大学硕士研究生学位论文 橡胶排气挤出机分流环结构与产量平衡问题的研究 摘要 排气挤出机是在挤出成型制品过程中，能够用来排除物料中所含 的水分、溶剂、剩余单体及在成型温度下易挥发的低聚物的一种挤出 设备。但是挤出波动和冒料是限制其适用范围的两个重要因素，而这 两种现象都是由于流量不平衡所导致的，故对排气挤出机的流量平衡 问题进行研究是一项十分有意义的工作。 本文在橡胶排气螺杆第一计量段的末端加入了可更换的分流环， 并且建立了两阶计量段流场的有限元模型，利用c f d 软件p o l y f l o w 分别对聚合物熔体在两阶计量段的流动情况进行了数值模拟。把第二 计量段的流量值作为初始边界条件代入到第一计量段中计算其压力分 布，然后通过与机头压力进行比较来分析两阶螺杆是否流量平衡。 本文通过把排气螺杆的两阶计量段有机的结合起来以研究流量平 衡问题，重点研究了物性参数、操作工艺参数、分流环几何参数等对 流量平衡的影响，揭示了它们的变化对流量平衡影响的规律。那么在 每一种情况下，可以通过更改分流环的流通截面积来保证两阶螺杆流 量平衡。本文中采用正交试验设计方法找出了一定范围内分流环的最 佳流通截面积，并且得出了分流环的各个结构参数对结果的影响程度， 为实际生产应用提供了有益的参考依据。 关键词：排气挤出机，p ( ) l y f l o w ，分流环，流量平衡，正交设计 北京化至查鲎堡主堡窒皇兰堡笙壅 一 一一 r e s e a r c ho fs h u n t 小g r i n gs t r u c t u r e a n d o u t p u tb a l a n c e o fr u b b e r 狲t i n g e x t r u d e r a b s t r a c t v e n 曲ge x 仃u d e ri sa s o no f e 妣m d e de q u i p m e n tb yu s eo f w h i c hi tl s n e c e s s a gt or e m o 、，e 也em o i s t u r e ，s o l v e n t s ，r e s i d u a lm o n o m e ra n d 础e r v 0 1 a t n el o wr r l o l e c u l a rw e i g h tc o m p o n e n t sq d mt h ep o l y m e r i nt h e m 删f a c t i l m gp r o c e s so fp o l y m e r s h o w e v e r ，m e 触g n u 咖a t i o n 锄d e m i t t i i 培m a t e r i a ia r em em 萄o rf a c t o r sf o r1 i m i t i n gm e 叩l p l i c a t i o no f 也e v e m i n ge x 打u d e r t h e s et 、v op h c n o m e n o n sa r e b o t l l 洫d u c e db yt h e 妇o w 蚰b a l a n c e h e n c e ，i ti su 曜e m 协s t u d yt h en o wb a l a n c eo ft h ev e n t i n g e x 缸1 1 d 旺 i nt h i ss m d y ，b yi n s e m n gt 1 1 er 印l a c e a b l es h u n t i n gr i n ga t t l l ee n do f t h ef i r s ts t a g em e a s u r i i 塔s t a g eo f 也er l 】_ b b e rv e m i n gs c r e w ， t h e 伽r e e d 蛐e n s i o n a lf m i t ee l e m e n tm o d e l s0 ft h en o w 矗e l d 协t h et w os 协g e m e a s l 埘d gs t a g ew e r eb u i l ：t ，a n dm ef l o wf i e l dw e r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y b vu s eo fp o l y f l o ws o r w a r e i na ( 1 d i t ：i o l l ，t h es 批es c r e wf o rn o w b a l a n c eo f 也et w os 怕g e 嘲e w 锄m 也er e l 如l s h i po f t l l es 蛐g 血g t l 北京化工大学硕士研究生学位论文 m t a t i o ns p e e do fs c r e w ，p 0 1 y m e rv i s c o s i 吼d i ep r e s s u r e ，s h u m i n gr i n g m i c k n e s sa l l ds oo n t h e ns o m eo r i g i n a lc o n c l u s i o n sw e r eo b 协i n e d b a s e d o nm ea b o v ea n a l y s i sa n dc o m 】) u 嘶o n s ，t h em 9 0 n a ld e s i g nt e s tw a s a d o p t e dt of i n dm eb e s ts 劬l c 缸r eo f 也es h 删j 1 1 9r i r 培i nt l l i ss t i l d y b y a n a l y s i so f v a r i a n c ea 1 1 d 眦g e ，m em n u e n c eo f t h e 吐l r e ef a c t o r so f s h u t 让i n g r i n go nt h er e s u l tw e r eo b t a i n e d ，a l l di ti sb e l i e v e dt h a t 仕l e s ec o n c l u s i o n s c a np r o v i d ec e r t a i nr e f e r e n c ef o rt l l ep r a c t i c a l 印p l i c a t i o n k 斟矿o r d s ：v e r l t i n ge x t m d e r ，s h u r l t i r 堰f i n g ，n o wb a l a n c e ，p 0 匝j y f l 帆 o r n l o g o n a ld e s i g n i i i 北京化工大学硕士研究生学位论文 符号说明 螺杆转速，r - i n i n “ 螺杆直径，m m 附加粘弹应力张量 纯粘性牛顿应力项 剪切应力，分别表示x ，y ，z ，m p a 法向应力，m p a 物料密度，蝇- m _ 3 松弛时间，s 物料粘度，忍s 应变速率张量 逆变时间导数 第一计量段 第二计量段 第一计量段流量，口一 第二计量段流量，耐，1 入口压力，m p a 出口压力，m p a 第一计量段最大压力，m p a 分流环槽宽，m m 分流环槽深，m m 分流环厚度，m m 分流环槽的个数 v l m d 百 五 乃巧 p 五 仉 d ，百 厶 厶 q q 匕 巳 三 b 北京化工大学位论文原创性声明 y 8 8 2 2 3 6 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：丝迸日期：兰墅生! 璺墨璺 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。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：毯选蕴日期：2 碰垒旦星旦 导师签名：盔垒煎 日期： 迎美臼堕塑 北京化工大学硕士研究生学位论文 1 1引言 第一章概述 挤出成型所使用的聚合物中( 包括粉料或颗粒料) 常常夹带了些需要排除的 气体和水分，包括如下三种： ( 1 ) 空气。包括聚合物颗粒间，或纤维间，尤其是回收料带入的空气； ( 2 ) 粒粉料上吸附的水分。很多塑料在室温和正常湿度下有一定的含湿量， 而且这个含湿量往往都大于挤出许可值，例如：a b s 为1 5 ，p a 为3 ，p c 为0 2 ， p l f i j a 为0 8 等。除吸附水分外，还有可能是拉条湿切或水下造粒残附于颗粒表面 的水分； ( 3 ) 配合剂内部吸附的气体或液体，低分子挥发组分，未反应完全的单体、 溶剂，以及助剂中的挥发组分等。 以上这些气体如果不能排出，除了制品的物理机械性能、化学性能以及电性 能会有所下降之外，在制品表面或内部也会出现孔隙、气泡、疤痘和表面昏暗等 缺陷，严重地影响了制品的外观和性能。例如，空隙会影响电缆的介电强度，气 泡会使单丝无法拉伸，含有湿气的硬管料会使挤出来的硬管所承受的压力下降， 板材中的气泡和疤痘会在真空成型中造成废品等等【l 】。一般认为，在挤出前，原料 中这些需要排出气体的含量不得大于0 2 。而在某些情况下，例如涤纶拉膜时， 这些气体的含量至少应小于0 0 2 。表卜l 【2 】示出了几种物料在正常室温平衡状态 下以及在加工时允许的含湿量。 表卜1几种物料在正常状态下以及在加工时允许的含湿量 室温平衡状态下的含湿量 加工时允许的含湿量 物料名称 c a2 2 o 0 5 c a b1 3 o 0 5 a b s 1 5 0 1 0 p a 63 0 q l ，而且随着螺杆转速的不断提高，两阶螺杆的流量差 值越来越大，挤出波动的现象会越来越严重。这时就要通过增大分流环的流通截 面来减少第一计量段的压力，增大第一计量段的流量q l ，从而保证两阶螺杆的流 量平衡。 3 1 2 泵比凰2 皿l = 1 2 设定第一计量段槽深为1 0 m m ，选取泵比为1 2 ，即第二计量段槽深为1 2 衄。 研究分析不同的螺杆转速对第一计量段压力分布的影响以及流量平衡的影响。 3 1 2 1 两阶螺杆模型的建立 第一计量段和第二计量段的几何模型如图2 2 、2 4 所示。两阶螺杆的有限元 模型如图2 8 ，2 9 所示。设定排气螺杆的转速为变量，其余各种几何参数，物性 参数和工艺参数与第二章中的模型l 相同。 北京化工大学硕士研究生学位论文 3 1 2 2 流量平衡计算的结果与分析 表3 2不同转速下第二计量段的流量泵比为1 2 转速( n ) 4 0 4 55 0 5 5 6 0 流量 ( 1 0 。4 嘭) 0 2 3 5 1 7 10 3 2 6 1 0 6o 4 1 7 0 5 40 5 0 9 7 6 2o 6 0 6 7 3 4 螺杆转速为4 0 r m i n 时的压力分布螺杆转速为4 5 r m i i l 时的压力分布 螺杆转速为50 i 】，m i n 时的压力分布 螺杆转速为5 5 r i n i n 时的压力分布 螺杆转速为6 0 r ，m i n 时的压力分布 图3 5 不同转速下第二计量段的压力分布 北京化工大学硕士研究生学位论文 螺杆转速为4 0 r m j n 时的压力分布云图 螺杆转速为4 5 r m i 时的压力分布云图 螺杆转速为5 帆，m i n 时的压力分布云图 螺杆转速为5 5 r m i i l 时的压力分布云图 螺杆转速为6 0 r l i i l 时的压力分布云图 图3 6 不同转速下第一计量段的压力分布 为了与机头压力进行比较，本文取沿螺杆轴线方向各个截面上的平均压力来 进行表征。图3 7 为在第一计量段沿着轴线方向上各个截面的平均压力曲线图。 北京化工大学硕士研究生学位论文 轴线方向( m ) 图3 7 不同转速下厶段沿轴线方向各截面的平均压力值 从上图中我们可以看到，在0 0 9 m 处( 也就是螺纹的尾部) 的横截面上平均 压力最大，不同转速下的最大压力分别为：9 9 7 m p a 、1 3 6 0 m p a 、1 7 1 0 m p a 、2 0 7 3 m p a 、2 4 3 0 m p a 。从中可以看出，当螺杆转速为4 0 r i n 时，最大压力为9 9 7 m p a ， 与机头压力几乎相等，说明在此时状态下，两阶螺杆流量几乎相等，则表明本文 初选定的2 p 8 2 5 分流环比较合适。但随着螺杆转速的提高，两阶螺杆的流量开 始不平衡：q 2 q 1 ，而且随着螺杆转速的不断提高，两阶螺杆的流量差值越来越 大，挤出波动的现象会越来越严重。 3 1 3 泵比只2 只，= 1 4 设定第一计量段槽深为1 0 i i 吼，选取泵比为1 4 ，即第二计量段槽深为1 钳n 。 研究分析不同的螺杆转速对第一计量段压力分布的影响以及流量平衡的影响。 3 1 3 1 两阶螺杆模型的建立 第一计量段的几何模型如图2 - 2 所示，第二计量段的几何模型如图3 8 所示。 两阶螺杆的有限元模型如图2 8 ，2 9 所示。设定排气螺杆的转速为变量，其余各 种几何参数，物性参数和工艺参数与第二章中的模型l 相同。 北京化工大学硕士研究生学位论文 图3 一s 三2 段槽深为1 4 m m 的几何模型 3 1 3 2 流量平衡计算的结果与分析 表3 3不同转速卜第二计量段的流量泵比为1 4 转速( n ) 4 04 55 05 56 0 流量 ( 1 0 4 嘭) 0 0 8 5 5 6 0o 1 8 6 4 2 8o 2 8 9 6 6 5o 3 9 4 9 0 2o 4 9 8 1 6 8 螺杆转速为4 0 r m i n 时的压力分布 螺杆转速为4 5 f 恤i n 时的压力分布 螺杆转速为5 0 r m i n 时的压力分布 螺杆转速为5 5 r m 抽时的压力分布 北京化工大学硕士研究生学位论文 螺杆转速为6 0 r m i n 时的压力分布 图3 9 不同转速下第二计量段的压力分布 螺杆转速为4 0 r ，m i n 时的压力分布云图螺杆转速为4 5 m n i i l 时的压力分布云图 螺杆转速为5 0 r m i i l 时的压力分布云图 螺杆转速为5 5 r n 血时的压力分布云图 螺杆转速为6 0 r ，m i n 时的压力分布云图 图3 一1 0 不同转速卜第一计量段的压力分布 北京化工大学硕士研究生学位论文 图3 1 1不同转速下l 段沿轴线方向各截面的平均压力值 从上图中可以看到，在o 0 9 m 处( 也就是螺纹的尾部) 的横截面上平均压力 最大，不同转速下的最大压力分别为：4 2 8 m p a 、8 2 3 m p a 、1 2 2 7 m p a 、1 6 3 8 m p a 、 2 0 4 1 m p a 。当螺杆转速为4 帆，m _ i n 、4 5r i n i i l 时，最大压力低于机头压力1 0 m p ，这 说明两阶螺杆流量不平衡：q 1 q 2 ，此时就会出现冒料现象，那么就需要减小分 流环的流通面积来降低第一阶螺杆的流量q ，从而保证两阶螺杆的流量平衡。当 螺杆转速为5 0 m n i l l ，5 5 r i n i n 和6 蛐i n 时，最大压力大于机头压力l o m p a ，这说 明两阶螺杆的流量也不平衡：q 2 q 1 ，此时就会出现挤出波动现象。 由以上分析可以得知，第一计量段的最高压力值随着螺杆转速的提高而不断 增大，说明随着螺杆转速的提高，对两阶螺杆流量的影响显然不同，螺杆转速越 高，第一计量段的流量越大。由于本文在模拟计算时首先已经设定了两阶流量相 等，所以只能通过第一计量段不断增大的压力值来表征对流量影响的程度。 如果把螺杆转速作为参数x ，最大压力值为参数y ，可以得到最大压力值随 螺杆转速变化的曲线。图3 1 2 为在三种不同泵比情况下第一计量段的最大压力值 与螺杆转速的关系曲线。这样就可以说明在不同泵比的情况下，螺杆转速对第一 计量段的压力值的影响有什么不同。 北京化工大学硕士研究生学位论文 图3 一1 2 不同泵比下螺杆转速与厶段最高平均压力值的关系曲线 由上图可以清楚地看到，第一计量段的最大压力值与螺杆转速的量化关系。 第一计量段的最高平均压力值随着螺杆转速的提高而增大，并且它们之阃的关系 十分接近线性关系，第一计量段的最高平均压力值与螺杆转速基本成正比变化。 从图中还可以得出，曲线的斜率随着泵比的提高而逐渐增大。这就说明随着泵比 值的增大，在不同螺杆转速情况下，第一计量段的最高压力值的差值逐渐增大。 表3 5不同转速及不同泵比时第一计量段的撮大平均压力值( 单位；m p a ) 、转速 ? 、- 讧| 确鸡 4 0 4 5 5 05 5 6 0 泵比、最大、 、平均压力 1 01 2 9 01 5 9 31 8 9 52 2 0 32 5 0 5 1 29 9 71 3 6 01 7 1 02 0 7 32 4 0 3 1 44 2 88 2 31 2 2 71 6 3 82 0 4 1 从此表中，可以很方便的查到第一计量段在一定转速及泵比时的最大平均压 力值，为我们对螺杆转速的研究提供参考数据，并且为分流环结构的最佳化设计 提供设计依据。 3 2 不同泵比下物料粘度对流量平衡的影响 本文中在第一计量段末端加入可更换的分流环的目的是为了扩大同一根螺杆 北京化工大学硕士研究生学位论文 的适用范围，在实际生产中，同一台橡胶排气挤出机往往要用来加工不同的物料， 这样以来一方面该挤出机的产量将会有所变化，另一方面由于不同物料的粘度不 同，将对两阶螺秆的流量产生不同的影响，那么随着物料粘度的变化，两阶螺杆 流量不平衡的可能性将会增大，从而导致冒料或挤出波动。在本节中用 p o l y l f l 0 w 软件通过数值计算的方法来更直观的描述物料粘度对压力平衡及流 量平衡的影响，更有利于本文中分流环结构的优化设计。 橡胶流动时有它的特性，而描述流动过程特性的主要参数是粘度，因为粘度 是力学特性研究中反映材料变形和流动的一个力学特征，是流体的一个重要物理 量，但是目前许多文献中所提到的橡胶粘度都是门尼粘度，门尼粘度是对硫化胶 性能的表征，其实它并非粘度，而是一个转矩值，1 个门尼粘度相当于o 0 8 3 m 但本文所研究的是胶料处于挤出加工成型中的粘流态，当然不能用门尼粘度来表 征，而是应该用剪切粘度h 5 j ，在毛细管流变仪中不同的配方和不同的剪切速率下， 得出的剪切粘度都不相同，现在关于橡胶的流变参数研究的还比较少。在一些文 d ， 献中查到了门尼粘度与剪切粘度的换算关系：l o g 叩= 等一f 。其中p l 是门尼粘度， l u t 是挤出时闻，相信能起到一定的参考作用。 在本节中，同样研究讨论在泵比分别为1 o 、l i2 和1 4 的情况下，不同的物 料粘度对两阶螺杆压力平衡以及流量平衡的影响。 3 2 1 两阶螺杆模型的建立 泵比为1 0 、1 2 和1 4 情况下第一计量段和第二计量段的几何模型与3 1 节 中所定义的几何模型相同：设定加工物料的粘度为变量，其余各种几何参数，物 性参数和工艺参数与第二章中的模型l 相同。 3 2 2 流量平衡计算的结果与分析 在各种参数与模型1 相同的情况下，通过改变物料粘度来模拟计算第一计量 段的压力分布，分别以粘度值2 3 3 0 p 口s 、3 0 0 0 砌s 、4 0 0 0 砌s 和5 0 0 0 砌s 来 分析不同的物料粘度对第一计量段压力分布的影响。首先在不同粘度下计算出第 二计量段三：的流量q ，然后把其作为初始入口边界条件代入到第一计量段厶中并 计算其压力分布，观察会有什么影响变化。表3 4 描述的是在不同泵比时不同物 料粘度所对应的第二计量段的流量。 北京化工大学硕士研究生学位论文 表3 4不同泵比、不同粘度下第二计量段的流量 单位：1 0 _ 4 哆 ：、 粘度 p n s 、 泵比 、 2 3 3 03 0 0 04 0 0 05 0 0 0 、流量 1 00 1 3 8 9 3 0 00 4 7 7 6 6 70 5 5 1 4 9 40 5 9 6 0 2 9 1 20 3 2 6 1 0 6o 4 3 7 5 3 40 5 3 4 3 7 7 0 5 9 2 4 6 9 1 4o 1 8 6 4 2 8o 3 5 4 3 4 5 0 5 0 2 2 3 80 5 8 7 7 0 3 以下图3 1 3 、1 4 、1 5 、1 6 、1 7 和1 8 分别是泵比在1 o 、1 2 、1 4 的情况下 不同物料粘度时第一计量段和第二计量段的压力分布云图。图3 1 9 为泵比在1 o 、 1 2 、1 4 情况下不同粘度时第计量段厶沿轴线方向各截面的平均压力值曲线。 2 3 3 0 只口s 时的压力分布 3 0 0 0 只口s 时的压力分布 4 0 0 0 j k s 时的压力分布 5 0 0 0 p 口j 时的压力分布 图3 1 3 泵比1 0 时不同物料粘度卜第二计量段的压力分布 北京化工大学硕士研究生学位论文 2 3 3 0 p 口j 时的压力分布3 0 0 0 只口j 时的压力分布 4 0 0 0 p 口s 时的压力分布5 0 0 0 p 口s 时的压力分布 图3 1 4 泵比1 0 时不同物料粘度下第一计量段的压力分布 2 3 3 0 只口- s 时的压力分布 3 0 0 0 p 口s 时的压力分布 北京化工大学硕士研究生学位论文 4 0 0 0 p 口s 时的压力分布 5 0 0 0 只口s 时的压力分布 图3 一1 5 泵比1 2 时不同物料粘度下第二计量段的压力分布 2 3 3 0 _ 尸口s 时的压力分布 3 0 0 0 只口s 时的压力分布 4 0 0 0 ，口。j 时的压力分布 5 0 0 0 ，打s 时的压力分布 图3 一1 6 泵比1 2 时不同物料粘度下第一计量段的压力分布 北京化工大学硕士研究生学位论文 2 3 3 0 只口j 时的压力分布3 0 0 0 只口s 时的压力分布 4 0 0 0 p 口s 时的压力分布 5 0 0 0 只口- j 时的压力分布 图3 一1 7 泵比1 4 时不同物料粘度下第二计量段的压力分布 2 3 3 0 p 口j 时的压力分布 3 0 0 0 加s 时的压力分布 4 i 北京化工大学硕士研究生学位论文 圈3 1 8 泵比1 4 时不同物料粘度卜第一计量段的压力分布 轴线方向( m ) 泵比为1 o 时厶段沿轴线方向各截面的平均压力值 轴线方向( m ) 泵比为1 2 时厶段沿轴线方向各截面的平均压力值 北京化工大学硕士研究生学位论文 泵比为1 4 时厶段沿轴线方向各截面的平均压力值 图3 一1 9 不同泵比，不同粘度f 厶段沿轴线方向各截面的平均压力值 从上图中可以看到，在o 0 9 恤处( 也就是螺纹的尾部) 的横截面上平均压力 最大。并且可以看出，随着物料粘度的增大，第二计量段的流量逐渐增大，那么 在本文中假定两阶螺杆流量平衡的前提下，第一计量段的平均压力值就显然在不 断提高，且平均压力值基本上都大于机头压力1 卟伊a 。这说明了此时两阶螺杆的 流量开始不平衡：q q l ，而且随着物料粘度的不断提高，两阶螺杆的流量差值 越来越大，挤出波动的现象会越来越严重。这时就要通过增大分流环的流通截面 来减少第一计量段的压力，增大第一计量段的流量q l ，从而保证两阶螺杆的流量 平衡。 如果把物料粘度作为参数x ，最大压力值为参数y ，可以得到最大压力值随 物料粘度变化的曲线，图3 2 0 为在三种不同泵比情况下第一计量段的最大压力值 与物料粘度的关系曲线。这样就可以说明，在不同泵比的情况下，物料粘度对第 一计量段的压力值的影响有何不同。 图3 1 9 得到了第一计量段在不同状态下的压力分布状况，取出平均压力的最 大值，得到表3 5 。从此表中，可以很方便的查到第一计量段在一定粘度及泵比时 的最大平均压力值，为我们对物料粘度的研究提供参考数据，并且为分流环结构 的最佳化设计提供设计依据。 北京化工大学硕士研究生学位论文 表3 5不同粘度及不同泵比时第一计量段的最大平均压力值( 单位：m p a ) 。 粘度 ( p d 占) 泵比、最大1、 2 3 3 03 0 0 04 0 0 0 5 0 0 0 平均压力 1 0t 5 9 32 4 8 l3 7 8 75 0 9 4 1 21 3 2 2 8 63 6 7 65 0 6 5 1 48 2 3 1 8 8 03 4 5 45 0 2 6 图3 - 2 0 不同泵比下物料粘度与厶段最高压力值的关系曲线 从上图中可以看出，当泵比一定时，第一计量段的最高平均压力值随着物料 粘度的增大而提高，并且它们之间的关系十分接近线性关系，第一计量段的最高 平均压力值与物料粘度基本成正比变化。 3 3 机头压力对流量平衡的影响 在橡胶挤出生产过程中，机头压力对产品的产量及质量起着非常重要的作用。 而对于排气挤出机来说，机头压力还对两阶螺秆的流量平衡有很大影晌，因为在 实际生产中，要经常更换口模，那么机头压力的变化就有可能引起冒料或者挤出 波动现象。在本节中将研究不同的机头压力对加入了分流环的排气挤出机的流量 平衡的影响。 北京化工大学硕士研究生学位论文 3 3 1 两阶螺杆模型的建立 设定机头压力值为变量，螺杆转速为5 叫m i n ，其余各种几何参数，物性参数 和工艺参数与第二章中的模型l 相同。第一计量段和第二计量段的几何模型如图 2 2 、2 _ 4 所示。两阶螺杆的有限元模型如图2 - 8 ，2 9 所示。 3 3 2 流量平衡计算的结果与分析 在各种参数与模型l 相同的情况下，通过改变机头压力来模拟计算第一计量 段的压力分布，分别以机头压力1 0 m p a 、1 2 m p a 、1 4 m p a 以及1 6 m p a 来分析不同 的机头压力对两阶螺杆流量平衡的影响。首先分别计算各个机头压力情况下第二 计量段的流量，如表3 6 所示：然后把其作为初始入口边界条件代入到第一计量 段中计算其压力分布。 表3 _ 6不同机头压力f 第二计量段的流量 机头压力( j 】l 抒 口) 1 01 21 41 6 流量 ( l o 。4 ，形) 0 4 1 7 0 5 40 3 1 7 2 0 6o 2 1 7 3 2 70 1 1 7 4 1 7 以下图3 2 1 ，图3 2 2 分别是不同机头压力下第二计量段和第一计量段的压力 分布云图。 l o m p a 时三2 段的压力分布 1 2 m p a 时厶段的压力分布 4 5 北京化工大学硕士研究生学位论文 1 4 m p a 时上2 段的压力分布 1 6 m p a 时三2 段的压力分布 图3 - 2 l 不同机头压力下第二计量段的压力分布 l o m p a 时厶段的压力分布1 2 m p a 时厶段的压力分布 1 4 m p a 时厶段的压力分布 1 6 ，a 时三l 段的压力分布 图3 2 2 不同机头压力下第一计量段的压力分布 北京化工大学硕士研究生学位论文 图3 2 3 不同机头压力下厶段沿轴线方向各截面的平均压力值 从上图中可以得出，不同机头压力下第一计量段的最高压力值分别为： 1 7 1 0 m p a 、1 3 1 5 m p a 、9 0 9 m p a 、5 2 3 m p a 。当机头压力为1 0 m p a ，1 2 m p a 时，第 一计量段的最大压力值分别都大于机头压力1 0 m p a 、1 2 m p a ，这说明两阶螺杆的 流量不平衡：q 2 q ，此时就会出现挤出波动现象。但随着机头压力的增大，第 二计量段的流量q 2 减少，第一计量段的压力值相应也减小。由上图可得，当机头 压力为1 4 m p a 、1 6 m p a 时，第一计量段最大压力都小于机头压力1 抓但a ，1 6 m 阻 这说明两阶螺杆的流量不平衡：q 1 q 2 ，由于机头压力过大，第二计量段就会有 一部分物料回流，此时排气口就出现冒料现象。 3 4 分流环厚度对流量平衡的影响 分流环除了可以通过更改流通截面积来改变第一计量段的压力，从而调整流 量平衡之外，还可以通过更改分流环的厚度来改变压力值，本节中通过改变分流 环的厚度值来研究其对两阶螺杆流量平衡的影响程度。 北京化工大学硕士研究生学位论文 3 4 1 两阶螺杆模型的建立 设定分流环的厚度b 为变量，如下图所示，其余各种几何参数，物性参数和 工艺参数与第二章中的模型l 相同。第一、二计量段的几何模型如图2 2 、2 4 所 示。两阶螺杆的有限元模型如图2 8 ，2 9 所示。 图3 2 4 厚度为变量的分流环结构 3 4 2 流量平衡计算的结果与分析 在各种参数与模型1 相同的情况下，分别以分流环厚度1 0 m m 、1 2 m m 、1 5 l l 、 2 0 m m 和2 5 i n i n 来分析不同的分流环厚度对第一计量段压力分布的影响。首先由表 3 2 得出此时第二计量段的流量为o 3 2 6 1 0 6 l o 。4 哆，然后把其作为初始入口 边界条件代入到不同分流环厚度的第一计量段中计算压力分布。 b = 1 0 n 1 1 n 时第一计量段的压力分布 b = 1 2 m m 时第一计量段的压力分布b = 1 5 m 时第一计量段的压力分布 b 宅0 l i m 时第一计量段的压力分布b = 2 5 m m 时第一计量段的压力分布 图3 2 5 分流环不同厚度时第一计量段的压力分布 图3 _ 2 6 不同厚度下工l 段沿轴线方向各截面的平均压力值曲线 4 9 北京化工大学硕士研究生学位论文 图3 2 5 是分流环在不同厚度的情况下第一计量段和第二计量段的压力分布云 图。图3 2 6 是不同分流环厚度的情况下第一计量段厶沿轴线方向各截面的平均压 力值曲线。 从图中可以看到，在o 0 9 m 处( 也就是螺纹的尾部) 的横截面上平均压力最 大，最大压力值分别为：1 3 6 m p a 、1 5 8 6 m p a 、2 0 5 l m p a 、2 8 4 6 m p a 、3 7 8 5 m p a 。 从中可以看出，随着分流环厚度的增大，第一计量段的最高压力值也逐渐增高， 并且都远远大于机头压力1 0 m p a ，此时就说明了两阶螺杆的流量开始不平衡： q 2 q 。而且随着分流环厚的不断提高，第一计量段的压力逐渐增大，则两阶螺 杆的流量差值就越来越大，挤出波动的现象会越来越严重。这时就要通过增大分 流环的流通截面来减少第一计量段的压力，增大第一计量段的流量q l ，从而保证 两阶螺杆的流量平衡。本研究得出分流环的厚度对两阶螺杆的流量平衡影响还是 比较大的，实际生产中选用l0 n l m 左右比较合适。当厚度较大时对流量的平衡影 响还是比较大的，所以应该慎重选择。 北京化工大学硕士研究生学位论文 第四章分流环结构的最佳化设计 通过在第三章中的数值模拟计算，本文分析了不同的物性参数和工艺参数对 两阶螺杆的压力平衡以及流量平衡的影响程度。在设定第一计量段末端的分流环 尺寸结构不变的前提下，得出了第一计量段的最高压力值与机头压力值的大小对 比关系。当第一计量段的最高压力值大于机头压力时，说明流量不平衡：q 侣， 此时就会出现挤出波动现象，那么就需要通过增大分流环的流通截面积来降低第 一计量段的最高压力值，使两阶螺杆流量平衡。反之，a q 2 ，此时就会出现冒 料现象，那么则需要通过减小分流环的流通截面积来保证两阶螺杆流量平衡。 那么具体用什么方法来找出分流环的最佳流通截面积呢? 在本章中主要采用 试验设计的方法。在本文中所研究的分流环主要有3 个结构参数：槽深h 、槽宽 l 以及槽的个数n ，如图2 1 0 所示。如果每个参数都分别设定有几个指标，按照 一般的思路，需要对所有的情况进行模拟计算，那么计算量将是非常庞大的，为 了节省计算次数和计算时间，在本章中将采用正交试验设计方法来进行模拟试 验，从中不但可以计算出分流环的最佳尺寸结构，并且还可以分析出分流环的各 个结构参数对试验结果的影响程度，从而为实际生产应用提供有益的参考依据。 4 1 正交设计方法简介 试验设计是试验者进行试验获取可靠试验资料的第一步，试验安排合理，试 验次数少，亦能得到满意的结果，因此，如何安排试验是一个很重要的问题