（机械设计及理论专业论文）同向旋转波状双螺杆元件的设计及性能研究.pdf

摘要 同向旋转波状双螺杆元件的设计及性能研究 摘要 本课题根据啮合同向双螺杆啮合原理及螺杆运动关系，将波状螺杆结 构应用到双螺杆挤出机中，设计了一种波状双螺杆元件。用数值模拟和实 验研究相结合的方法，对波状双螺杆元件的熔体输送、混合性能进行了研 究；将波状双螺杆元件用于挤出机的熔融段，用动态可视化和静态可视化 相结合的方法研究了聚合物颗粒在其中的熔融过程。 用p o l y f l o w 软件对波状双螺杆元件及常规螺纹元件的流场进行了模 拟和分析，结果表明波状双螺杆元件的熔体输送性能稍差，但分散混合性 能、分布混合性能均优于常规螺纹元件。 熔体输送及混合性能实验结果表明：带有波状双螺杆元件的螺杆构型 挤出试样的分散相粒径较小，停留时间分布较宽，显示出波状双螺杆元件 较强的分散和分布混合性能，实验结果与模拟结果吻合。 聚合物颗粒在不同螺杆元件中的熔融实验表明，波状双螺杆元件适于 布置在熔融段，聚合物颗粒在带有波状双螺杆元件的螺杆构型下熔融时， 熔融区长度最短。论文还建立了聚合物颗粒在波状双螺杆元件下熔融的物 理模型。 关键词：啮合同向双螺杆挤出机，波状双螺杆，混合，熔融 a b s t r a c t d e s i g na n ds t u d i e so np r o p e r t i e so f c o r o t a t i n g ，a v et w i ns c r e we l e m e n t a b s t r a c t aw a v et w i ns c r e we l e m e n tw a sd e s i g n e do nt h eb a s i so fm e s h i n gt h e o r y a n dm o t i o nr e l a t i o nf o rc o r o t a t i n gt w i ns c r e we x t r u d e rb yi n t r o d u c i n gw a v e s c r e ws t r u c t u r ei nt h i sp a p e r m e l tc o n v e y i n ga n dm i x i n gp r o p e r t i e so fw a v e t w i ns c r e we l e m e n tw a ss t u d i e d t h r o u g h n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h m e l t i n gp r o c e s so fp o l y m e ru n d e rt h i ss c r e we l e m e n t w a ss t u d i e dw i t hv i s u a l i z a t i o nt w i n s c r e we x t r u d e ra n dc l a ms h e l lt w i n s c r e w e x t r u d e r f l o wf i e l do fw a v et w i ns c r e we l e m e n t sa n dc o m m o ns c r e we l e m e n tw a s s i m u l a t e da n ds t u d i e du s i n gp o l y f l o w t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s t r i b u t i v e a n dd i s p e r s i v em i x i n gp e r f o r m a n c eo fw a v et w i ns c r e we l e m e n ti sb e t t e rt h a n c o m m o ns c r e we l e m e n t ，a l t h o u g hp r o p e r t yo fm e l tc o n v e y i n go fw a v et w i n s c r e we l e m e n ti sw e a k e r t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t so nm e l tc o n v e y i n ga n dm i x i n gp r o c e s ss h o w t h a t ，g r a i ns i z eo fs a m p l e sf r o ms c r e wc o n f i g u r a t i o na s s e m b l e dw i t hw a v e t w i ns c r e we l e m e n ti ss m a l l e ra n dt h er t do ft h i ss c r e wc o n f i g u r a t i o ni s w i d e r t h e s er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s t r i b u t i v ea n dd i s p e r s i v em i x i n g p e r f o r m a n c eo fw a v et w i ns c r e we l e m e n ti sb e t t e r e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa g r e e i i i 北京化工人学硕十学位论文 w i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s m e l t i n ge x p e r i m e n t so fp o l y m e ru n d e rd if f e r e n ts c r e we l e m e n ts h o w t h a t w a v et w i ns c r e we l e m e n ti ss u i t e df o rb e i n ga s s e m b l e da tt h em e l t i n gz o n e ， a n dt h a tt h el e n g t ho f m e l t i n gz o n ei ss h o r t e ru s i n gw a v et w i ns c r e we l e m e n t t h em o d e l so fm e l t i n gm e c h a n i s mu n d e rw a v et w i ns c r e we l e m e n tw e r eb u i l t k e yw o r d s ： i n t 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 r u d e r , w a v et w i n s c r e we l e m e n t ，m i x i n g ，m e l t i n g i v 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：j 啦日期：一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，在土年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：挝垒： 日期： 导师签名：望：蛰否日期： w d 5 艿 勘ldis 靖 第一章绪论 第一章绪论 1 1 啮合同向双螺杆挤出机的发展和现状 用于聚合物加工的双螺杆挤出机最初是2 0 世纪3 0 年代后期由意大利人开发出来 的。r o t e r t oc o l o m b o 开发了同向双螺杆挤出机【l 】。 啮合同向双螺杆挤出机具有以下优点【2 叫：( 1 ) 较好的喂料特性使其更适于加工难 以喂入的物料( 粉料、滑性物料等) ，其加料方式一般为计量加料，可以在不改变挤出 产量的前提下，通过分别改变挤出机的螺杆转速和螺杆构型调节物料经受的剪切程度 和停留时间：( 2 ) 物料在啮合同向双螺杆挤出机中受到的高剪切及两螺杆间物料的交换 使得其混合性能大大优于单螺杆挤出机；( 3 ) 良好的排气性能、优良的脱挥能力和自洁 能力；( 4 ) 双螺杆和机筒为积木式，可根据物料随意组合，可节约很多制造螺杆的成本， 可以根据螺杆不同轴向位置对螺杆结构的需要，设计出相应的元件进行组合；( 5 ) 低的 比能耗，双螺杆挤出机的比能耗比单螺杆挤出机低3 0 左右，这使得双螺杆挤出机在 节能方面具有明显的优势。由于其具有以上优点，啮合同向双螺杆挤出机被广泛应用 于基体树脂的物理化学改性，如填充、增强、增韧、反应挤出掣2 j 各种聚合物加工领 域。 1 2 啮合同向双螺杆挤出理论的研究现状 按照功能的不同，啮合同向双螺杆挤出机可分为固体输送、熔融、混合、熔体输 送等区段。对其挤出机理的研究也是按照不同区段，对复杂的挤出过程进行简化和假 设，建立物理模型，然后以数学模型加以描述，最后通过实验进行修正。与单螺杆挤 出机较为成熟的挤出过程模型相比，双螺杆挤出机理的研究相对迟缓，这在很大程度 上制约了对其工作性能的可靠预测，也难以根据生产的需要确定适当的螺杆几何条件 和挤出工艺。对于一些具体的生产过程，需要做大量的实验来了解在相关条件下的挤 出性能，难以发挥出双螺杆挤出机应有的优势和潜力。 啮合同向双螺杆挤出机的理论研究滞后于实际应用的原因主要有：由于挤出过 程中物料特性、螺杆结构参数和操作条件等因素的交互影响，难以确定把现有的关于 各个功能段的模型连接起来所需的边界条件，使理论计算与实验数据的差距较大； 发生在机筒与运动的螺杆形成的流场中的物理、化学过程不仅复杂多变、而且难以动 态、连续观察。双螺杆挤出机的应用领域已经从聚合物加工工业扩展至建材、食品、 纺织和造纸等行业，理论研究的基础科学流变学和传热学的应用将随加工原料的多样 化而更复杂，因此建立统一的挤出模型更为困难。 北京化工大学硕十学位论文 虽然存在以上的困难，但是研究者还是运用各种技术手段对整个双螺杆挤出过程 进行科学地分析，并且已经取得了较大的进展。 1 2 - 1 固体输送理论 物料在自加料口进入双螺杆挤出机后经历的每个区段的过程都会对最后挤出物 的物理、化学性能产生很大的影响。在相当长的时期内，人们对啮合同向双螺杆挤出 机的研究，主要集中在熔体输送和混合。这是由于：熔体输送段靠近机头，对挤出生 产过程有直接影响，而且可以参考现有的单螺杆挤出熔体输送理论；混合是双螺杆挤 出最重要的功能，是人们最关心的问题。对于固体输送和熔融的研究则相对较少，这 一方面主要是由于固体在具有复杂形状的流道中的运动具有很大的不确定性，另一方 面，实验技术手段的匮乏导致人们对物料在这两个区域中的真实变化缺乏可靠的认 识。 随着对啮合同向双螺杆挤出机应用的不断深入，使用者注意到了对固体输送段研 究的缺乏，就积极地改进实验设备，通过各种实验手段研究这一区段，旨在揭示整个 挤出过程的本质。随着研究的不断深入，可视化技术【_ 7 】应运而生。 可视化是指人们对所研究的对象的变化形态、特征和规律等实施的视觉观察。张 沛【8 】、郭强【9 】都借助了可视化的啮合同向双螺杆挤出机进行了大量的固体输送段实验 观察，前者对挤出过程中不同操作条件下聚合物粉料在螺纹元件中的输送特点、机理 及输送能力进行了实验研究，后者通过实验总结出了固体输送阶段存在两种输送机理 ( 正位移输送和摩擦拖曳输送) 及三个输送区( 上输送区、左下输送区和右下输送区) ， 建立了具有三个子输送区的固体输送理论模型；朱复华【l o 】使用了自行研制的全程透明 视窗双螺杆挤出机，动态观察并系统分析了聚合物在啮合同向双螺杆挤出机中的真实 变化行为，通过对现象的分析总结，发现固体输送区螺槽全充满是最佳的固体输送状 态。郭奕崇【l l 】使用了一种在三个方向可视化的双螺杆挤出机进行了一系列的固体输送 实验研究，根据观察到的现象把固体输送过程分为三个阶段，在此基础上提出了固体 输送的两区物理模型( 散粒体区和粘连区) 。 1 2 2 熔融理论 熔融塑化是双螺杆挤出机的必须功能，是实现双螺杆挤出过程高产量、高效率、 高质量的关键。但是由于：在熔融过程中聚合物以固态与粘流态共存，热传导、粘 性生热、混合同时发生，因此需要有效的、精确的实验装备来揭示熔融过程的真实现 象；双螺杆挤出过程聚合物的熔融与螺杆构型、操作条件及聚合物的性能密切相关， 因而熔融机理研究的实验量大，统一的熔融物理模型建立较困难；在熔融过程中聚 合物由固态转变为粘流态，因而双螺杆挤出机中聚合物熔融过程的模型化不可能像熔 体输送区那样，单纯借助流变学就能解决，而是需要考虑熔融过程中聚合物固体颗粒 2 第一章绪论 形态与结构的变化、熔融边界的迁移、能量的产生与传递等等；而且由于双螺杆挤出 机中物料输送机理与边界条件的复杂性；熔融过程数学模型的建立就更加困难【l2 | 。这 一切都影响了双螺杆挤出过程中聚合物熔融研究工作的开展。 近年来啮合同向双螺杆挤出机向超高转速方向的发展，大量成型加工新工艺相继 出现，双螺杆熔融机理的研究最终得到了聚合物加工界的重视，而且也取得了一些成 果。 d b t o d d 1 3 】以机筒上带有调压装置的剖分式机筒对捏合块中聚合物的熔融进行 了实验研究。在实验中揭示了聚合物在捏合块中熔融时会经历以下阶段：捏合块上 游螺纹元件中聚合物颗粒的自由输送；聚合物颗粒开始在捏合块中粘连，熔膜出现 在机筒内表面；聚合物颗粒与熔体的混合物形成“分散结构”，沿挤出方向聚合物 颗粒尺寸逐渐变小；少数未熔融的聚合物颗粒悬浮在连续的熔体中。 h t c h a n 1 4 】等人借用剖分机筒对低密度聚乙烯( l d p e ) 在不同捏合块中、不同操作 条件下的熔融进行了研究，从实验角度分析、总结了不同捏合块与操作条件对熔融区 域中螺槽充满度、物料的平均停留时间、比能耗、熔体温度分布、压力分布等的影响。 s a n t o s hb a w i s k a r 和j a m e sl w h i t e 1 5 j 在大量实验的基础上建立了自扫 型啮合同向双螺杆挤出机的无量纲理论模型，理论模型以螺纹元件及捏合块中熔融模 型为基础组建了熔融模型，该模型可以预测熔融起始位置及熔融区的长度，通过该模 型研究了质量流率、螺杆转速对熔融的影响，实验与模拟的结果相一致。 l i n j i ez h u t l 6 】通过研究提出了粒子分散熔融机理，聚合物粒料在熔融中经历了 加热阶段和熔融阶段，加热阶段以及熔融阶段的时间与固相浓度、熔融温度及物料温 度、剪切速率有关。通过模型进行计算，发现较高的固相浓度和物料温度、较低的熔 融温度和剪切速率下，聚合物熔融后熔体的温度更加均一。这一模型对于设计啮合同 向双螺杆挤出机的熔融段有很强的指导作用，特别是在高转速情况下。 朱林杰、耿孝i e 1 7 , 1 s 】等人做了大量可视化实验，系统研究了螺杆构型、操作条件 及聚合物性能对双螺杆挤出过程中聚合物颗粒熔融过程的影响，将熔融过程定义为十 个分阶段，不同阶段适用不同熔融机理，提出双螺杆挤出过程熔融子区的概念，建立 了各子区的物理模型，实现了对聚合物熔融过程的初步预测。 刘廷华【l9 】建立了非充满熔融两相粒团的理论模型、并提出固相高度变化函数和液 相增长速率的概念；郭奕崇【2 0 】用能量法计算了啮合区对熔融过程的影响，并将其引入 已经建立的非啮合区熔融理论模型中；任冬云【2 l 】根据实验观察结果，分析了物料在双 螺杆挤出过程中的熔融机理和运动状态，提出非充满固相熔融物理模型，进而建立了 双螺杆挤出非充满熔融的数学模型，并且进行了实验验证。 1 2 3 熔体输送理论 熔体输送机理的研究主要为了获取螺杆参数及操作条件对压力场、速度场、温度 北京化工大学硕：f ：学位论文 场影响的信息，这对预测挤出物的性能及获得稳定、高效的挤出过程十分必要。 梁畅，马秀清【2 2 】模拟了啮合同向双螺杆挤出机中s 型元件的正反向螺纹部分的流 场，并分析了不同螺杆组合方式下的混合能力。董中华【2 3 j 应用p o l y f l o w 软件，选用三 维非等温c r o s s 模型，对高聚物熔体在啮合同向双螺杆挤出机不同导程螺纹元件中的 流动和混合过程进行了数值模拟，并研究了粒子的流线、流迹和停留时间、剪切速率、 剪切应力、拉伸应力的分布，对不同元件的混合性能进行了量化分析对比。彭炯、胡 冬冬等人【2 4 】建立了同向双螺杆挤出机捏合块三维非等温流动的物理模型，利用 p o l y f l o w 软件对其进行了数值求解，得到了流道内压力、速度的分布以及进出v i 压力 差对捏合块流量、温度和压力的影响规律。曹春阳、柳和生【2 5 】应用罚函数有限元和边 界元法对啮合同向双螺杆挤出机排气段内非牛顿等温粘性流场进行了数值模拟，并由 此计算了螺槽内熔体充满度与其它有关工艺参数和螺杆几何参数之间的关系，为进一 步研究排气段的工作特性创造了条件。t a k e s h ii s h i k a w a 、s h i n i c h ik i h a r a 等人1 2 6 j 建立 了啮合同向双螺杆挤出机捏合盘元件、常规螺纹元件下的非牛顿、非等温三维模型， 计算了压力场、温度场等。c a r s t e nc o n z e n 和o l a f w u n s c h t 27 】对螺纹元件中的非等温流 动进行了数值模拟和实验验证。孙士强、罗兵【2 8 】对啮合同向双螺杆两种不同厚度捏合 块元件的动态流场进行了流场模拟，应用统计学分析方法计算了两种流场的停留时间 分布、最大剪切速率分布以及固定百分比粒子经受的剪切速率分布随时间的变化，并 对分析结果进行了实验验证。 1 2 4 混合理论 聚合物加工过程中混合效果直接影响制品的性能，而混合效果主要由螺杆对物料 提供的剪切应变、剪切应力的大小以及物料停留时间分布函数等决定【2 9 1 。最近的研究 表明，拉伸流场对聚合物熔体的分散混合也有很大的促进作用。 c h r i sj r a u w e n d a a l1 3 0 】对啮合同向双螺杆挤出机中停留时间分布及其混合特性进 行了数值研究，啮合区对整台挤出机工作特性的影响很大，因此对同向双螺杆混合机 理的研究必须考虑啮合区。李鹏和耿孝正【3 l 】采用a n s y s 有限元软件模拟了捏合盘三 维流场并计算了平均界面拉伸速率，指出啮合区对混合有重要作用。耿孝正，马秀清 【3 2 】用剖分式双螺杆挤出机对p p e p d m 共混体系的熔融过程进行了沿程取样研究，实 验表明，耗散混合熔融是p p e p d m 挤出过程中主要的熔融机理，混合与熔融同时发 生。杨海波【3 3 , 3 4 用f e m 方法对啮合同向双螺杆挤出机的螺纹元件流场进行了三维等 温非牛顿模拟分析，对流场分析所得到的速度场进行处理后得到了物料在啮合同向双 螺杆挤出机螺纹元件中的三维流动路径，然后计算了螺纹元件出口处分散相液滴的直 径，分析了螺杆转速、挤出机产量和液滴初始直径对末端分散相液滴直径的影响。刘 青峰【3 5 】用有限元分析软件p o l y f l o w 对啮合同向双螺杆挤出过程不同螺杆组合的流道 进行了三维等温非牛顿流场模拟，在对计算结果处理后，分析了全正向螺纹流道、全 4 第一章绪论 正向捏合盘流道、全反向捏合盘流道等六种不同螺杆构型的分布和分散混合性能。 1 3 新型螺杆元件的研究现状 1 3 1 同向双螺杆元件 随着对啮合同向双螺杆挤出机研究和实践应用的不断深入，人们发现常规双螺杆 元件中物料基本上是沿着螺槽方向流动，只有在啮合区螺槽间有少量的物料交换。另 外，两根螺杆的啮合区会产生剪切应力的峰值，螺杆的速度越高，峰值剪切应力和速 率就越大，并可能导致严重的后果。同时发现双螺杆的混合能力还可以有很大的提高， 如：发掘双螺杆中的拉伸流动( 拉伸流动对物料的分散混合作用极为显著) ，增强剪 切流动等等。但是根据已有的理论可知，更好的混合效果必然损失部分的输送能力。 为了更好地处理这对矛盾，使双螺杆挤出机能够更广泛地应用于聚合物加工领域，近 年来国内外研究人员在常规螺杆元件和捏合盘元件的基础上提出了许多新型螺杆元 件，如齿形盘元件3 6 1 ，s 型元件 3 7 , 3 8 】，六棱柱元件例，螺棱开槽螺纹元件【4 0 1 和 f a m m e 4 1 ( f a r r e la s y m m e t r i cm o d u l a rm i x i n ge l e r i l e n t s ) 等。 1 3 2 波状螺杆元件 波状螺杆是由美国h p m 公司a k r u d e r 等人最早提出，然后在美国及其它国家发 展起来的一种异型螺杆元件。由于螺槽深度沿轴向呈波浪形周期性变化，所以挤出时 物料受到强挤压和剪切作用，且物料在由波谷流动到波峰的过程中由于流道截面的变 化而产生了拉伸作用【4 2 1 。作为一种变流道螺杆元件，波状元件已经在单螺杆挤出机和 注塑机中有很广泛的应用。 单螺杆挤出机中波状螺杆的几何结构使物料在波峰处经受的剪切较高，利于分 散，在波谷处经受的剪切较低但停留时间较长，可保证物料在挤出过程中的混合效果 和塑化质量，并且可以实现低温挤出。孔岱东【4 3 】利用单螺杆挤出机波状元件的这种优 势将其用于p v c 制品的挤出，并且发现用双波结构螺杆元件的挤出过程中，塑化质 量、混合效果、分散性及挤出性能均优于单波结构的螺杆。张康生m 】设计了一种用于 注塑机的双波状分离型螺杆，将偏心双波结构用在螺杆的熔融段，进行注塑实验后发 现使用该新型双波螺杆后，能耗降低3 8 5 3 ，生产效率提高1 6 2 7 ，降低了生产成 本。王兴天设计了b s 型系列新型高效注塑用螺杆【4 5 1 ，这种波状螺杆对热敏性物料如 硬聚氯乙烯的注塑具有良好的适应性，为快速高效地实现硬聚氯乙烯的注塑成型提供 了新方法。王兴天、杨纠倒根据注塑过程的特点，建立了波状注塑螺杆的三维理论模 型，并进行了实验和模拟。综上所述，由于波状元件良好的塑化、混炼优势而得到了 广泛的应用。 方炜、耿孝正将波状螺杆概念引入非啮合双螺杆挤出机中，设计出一种新的非啮 北京化丁大学硕士学位论文 合异向旋转波状双螺杆挤出机，并建立了描述并列型非啮合异向旋转波状双螺杆挤出 机熔体输送和混合特性的理论模型，用流体有限元方法对流场进行求解，并对某些计 算结果进行了实验验证；为比较非啮合异向旋转波状双螺杆挤出机和非啮合异向旋转 非波状双螺杆挤出机的混合特性，进行了大量混合实验，结果表明前者比后者具有更 好的混合特性【47 1 。根据非啮合异向旋转波状双螺杆挤出机两根螺杆螺棱和螺槽是相对 还是相反分为并列型和错列型两种组合，经过理论计算和实验表明，在相同螺杆参数 和操作条件下，错列型较并列型非啮合波状双螺杆的挤出量和所建立的螺杆头部压力 都低，就混合效果而言，错列型的比并列型的好【4 引。 朱春雁、耿孝正【4 9 】把波状螺杆的概念应用到同向旋转双螺杆挤出机中，设计出一 种波状双螺杆元件，并建立了描述这种新型螺杆元件的二维理论模型，对流场进行了 数值分析，对某些计算结果进行了实验验证。 1 4 本课题的目的意义和研究内容 1 4 1 课题的目的意义 随着塑料加工行业的发展和对啮合同向双螺杆挤出机研究的不断深入，人们对低 能耗、高混合能力、合适的剪切强度、高产量等等这些条件提出了更高的要求，而将 现有的一些元件进行螺杆构型的组合所提高的效果不能满足人们的需求，因此需要设 计出一些新型的螺杆元件，并且将它们应用到聚合物生产过程中就显得十分重要。 前人对波状螺杆元件的理论分析和实验研究表明，引入波状螺杆段后熔体界面的 复杂变化以及时强时弱的剪切可以很大程度地提高混合能力。本课题的目的就是继续 前人的工作，设计出一种波状双螺杆元件，优选并确定其几何参数，应用先进的流场 模拟软件进行模拟分析，最后将它应用到双螺杆挤出机中，评定其熔融、混合性能， 并与常规螺纹元件的性能进行比较。 1 4 2 本课题的主要研究内容 本课题是在对双螺杆几何学深入认识的基础上设计一种波状双螺杆元件，并且利 用专业软件对其流场进行数值模拟，进而通过实验研究分析其性能。具体研究内容可 以分为以下几部分： ( 1 ) 依照双螺杆几何学，应用建模软件建立波状双螺杆元件的三维结构，设计出波 状双螺杆元件的几何形状； ( 2 ) 利用专业软件对波状双螺杆元件及常规螺纹元件的流场进行数值模拟，研究其 混合性能； ( 3 ) 研究波状双螺杆元件的熔融过程，分析比较聚合物颗粒在不同螺杆元件下的熔 融现象； 6 第一章绪论 ( 4 ) 研究波状双螺杆元件的熔体输送、混合性能，将实验与数值模拟结果进行比较。 7 第二章波状双螺杆元件设计 第二章波状双螺杆元件设计 根据同向双螺杆的啮合原理及同向双螺杆几何学，综合考虑波状螺杆的结构及双 螺杆中两根螺杆相对运动关系以及在运动中不干涉这一必要条件，设计了一种波状双 螺杆元件( w t s e ，w a v et w i ns c r e we l e m e n t ) ，结构如图2 一l 所示。 图2 - 1 波状双螺杆元件结构 f i g 2 - 1w t s e s t r u c t u r e 图中：d 一螺杆外径，n l i n ； d 广偏心部分外径，m m ； d 一螺杆根径，n l l t l ； s 一螺纹导程，i i l i l l ； p 一螺棱宽度，m n l ； b 等深螺旋槽的宽度，t o n i 。 表2 - 1 波状双螺杆元件尺寸 t a b 2 1d i m e n s i o n so f w t s e 2 6 如图2 1 所示，螺杆元件的结构受多个参数的制约，根据已有设备的结构及对元 件参数的优选，确定了各个参数如表2 。1 所示。该波状双螺杆元件的螺纹导程为2 6 m m ， 在本文中将其记为w t s e 2 6 。图2 2 为w t s e 2 6 的三维结构。 为了保证两螺杆在相对运动过程中不发生干涉，根据啮合同向双螺杆啮合原理， 作了如图2 3 所示的两螺杆截面( 截面位置见图2 2 ) 的相对运动关系图，图中假设 左螺杆( 中心点为0 1 ) 静止，则右螺杆( 中心点为0 2 ) 相对左螺杆以一定的角速度 绕左螺杆的中心点作圆平动。从图中可以看出，两螺杆在相对运动过程中没有发生任 何干涉。 9 北d 他t $ i 幢渔i i b l 1 1 3 图2 - 2 波状般螺杆元什_ 二维结构 f i g 2 - 23 d m o d e lo f w t s e 2 6 图2 - 3 螺杆截面的相对运动 f i 9 2 - 3r e l a t i v e m o t i o n o f t h es e c t i o n s 为了说明波状积螺杆厄件具青一定的拉伸效粜，现取垂直于轴线方向的某一横截 面来说明螺丰t 旋转过程中流道裁面的变化情况，如图2 - 4 所示。图中( a ) 为韧始位置， ( b ) 为将( a ) 中两螺杆分别绕并自中心点旋转3 0 。后的情况依次类推。t 以看出随着螺 杆的转动，螺杆外表面与机筒内壁之间的【l i 】隙不断变化，当螺杆与机筒的间隙减小时， 物料受到挤压作用被强制通过螺棱或者两螺杆问的间隙，返会产生较大的与物料运动 方向相同的速度梯度，可以产生较强的拉伸作用，当螺杆与机简的问隙变大时，物科 经受的剪切减小，物料可以空现热扩散和均化。从图- | 还可以看出，在两螺杆转动了 3 6 0 。的过程中均没有发，丰干涉。 聃攀 厂，h 、 。漆 第二章波状双螺杆元件设计 ( a ) 0 0 ( d ) 9 0 0 ( g ) 1 8 0 0 ( j ) 2 7 0 0 ( b ) 3 0 0 ( e ) 1 2 0 0 ( h ) 2 1 0 0 ( k ) 3 0 0 。 ( c ) 6 0 0 ( f ) 1 5 0 0 ( i ) 2 4 0 0 ( 1 ) 3 3 0 0 图2 - 4 螺杆与流道截面 f i g 2 - 4t h ec r o s ss e c t i o no fs c r e wa n df l o w c h a n n e l 第三章数值模拟 第三章数值模拟 为了研究波状双螺杆元件及常规螺纹元件的熔体输送和混合能力，采用p o l y f l o w 软件通过瞬态模拟得到流道的压力场、剪切速率场、粘度场和剪切应力场，在此基础 上进行后处理得到回流量和加权平均剪切应力；通过动态模拟得到示踪粒子在流道中 的停留时间分布、最大剪切应力分布和最大拉伸应力分布。 在本章中进行模拟及分析的元件有：波状双螺杆元件( w t s e 2 6 ) 、文献 4 9 】中的 波状元件( 单头，螺纹导程为3 2 m m ，记为w t s e 3 2 ) 及常规螺纹元件s e 4 5 ( 双头螺 纹、导程4 5 m m ，因此螺距为2 2 5 m m ) 。 3 1 数学模型 1 基本假设：为拟定流场，考虑到熔体输送的条件和聚合物的特性及双螺杆挤 出过程中熔体输送段的具体情况，作如下假设： ( 1 ) 熔体为不可压缩的流体； ( 2 ) 流场为稳定、等温流场； ( 3 ) 雷诺数较小，流动为层流流动； ( 4 ) 惯性力、重力等体积力要远小于粘滞力，可忽略不计； ( 5 ) 流道壁面无滑移； ( 6 ) 熔体在流道中全充满。 2 数学方程：基于以上假设，在直角坐标系下，连续性方程为： o v , + 盟+ 旦蔓：o ( 3 1 ) 缸西如 3 动量方程为： 8 p 0 = 一+ o x 8 p 0 = 一+ 砂 。8 p 0 = 一+ 0 z 基于流场的等温假定，不考虑能量方程，只需根据连续性方程、动量方程和本构 方程来求解速度场。 流体为非牛顿流体，选用b i r d c a r r e a u 模型，其本构方程为： 刁( 户) = r o ( 1 + 尹2 ) ”1 比( 3 - 3 ) 吒一如鸭一昆眈一瑟 堡砂笠砂可 篮锄笠舐坠苏 北京化i # ml 学位论史 式中：玑一零剪切粘度，p a5 ； 量叫削常数，5 ； y剪切速率，5 ： n 一非牛顿指数。 在流场模拟汁算中- 采用高密度聚乙烯的物料参数：吼- 2 1 0 0 p as ，4 = 0 0 7 s n = 0s 4 。 32 几何模型 根据l e i s t l i t z 3 0 3 4 取螺杆挤出机及各螺杆元件的尺寸，建立舣螺丰丁元件及流道的 几何模型。图3 - 1 为各螺杆元件的几何模型，图3 - 2 为各螺杆元件流道的几何模型。 ( a ) w t s e 2 6 1 6 0 i 佑、w t s e 3 2 1 6 0 l ( c ) s e 4 5 1 6 0 2 注：w t s e 2 6 1 6 0 1 表示单头的螺纹导程为2 6 m m 、长度为1 6 0 m r a 的渡状双螺轩元件，波状周期 为3 6 0 。：s e 4 5 1 6 0 2 表示职头的导程4 5 m m 、比宦为1 6 0 m r a 的常规螺纹元件其余类推 图3 - 1 螺杆元件的几何模型 b i 9 3 - 1 t h e g e o m e u 7 m o d e l s o f $ c r e w d e m e n b 第一数值模拟 a 1w t s e 2 6 1 6 0 1 3 3 有限元模型 ( b 】w t s e 3 2 1 6 0 1 ( c ) s e 4 5 1 6 0 2 图3 0 流道的儿m j 模型 f i g 3 - 2 t h e g e o m e t r y m o d e l s o f f l o wc h a n n e l s 本文用流体分析软件p o l y n o w 对三种螺杆元件流道中的流体采用有i 杖元方法进 行分析。首先要建立各流道的有限元模型。 1 坐标系选择 在p 0 1 y n o w 中建立各螺杆元件的有限元模型时，均选择笛卡儿坐标系。坐标原点 选取在左螺杆元件( 沿挤出方向看) 流道入【1 截面的中心点，x 、y 、z 遵循右手法则， 如图3 - 3 所示。 人。管9 1 4 o 图3 - 3 坐标系示意图 f i g3 3s k e t c ho f t h ec o o r d i n a t e 图 4 四面体单元 f i g3 1 t e t r a h e d r o ne l e a ”a e n t 北京化工大学硕上学位论文 2 单位制的选择 p o l y f l o w 软件允许使用者选择统一的单位制进行计算。在本研究中，为保证计算 结果的正确性，各参数均采用国际单位n - 长度单位为米( m ) ；时间单位为秒( s ) ；质 量单位为千克( k g ) 。 3 网格划分 本文针对瞬态流场和与时间相关的流场建立了两种不同类型的有限元模型，并进 行有限元网格划分。 对于瞬态流场，选用四面体单元进行划分，四面体单元如图3 4 所示。对于动态 流场，采用网格重叠技术，用六面体单元划分机筒，用四面体单元划分螺杆。表3 1 为瞬态流场模拟中各流道网格的尺寸。 表3 - 1 网格划分参数 t a b 3 1m e s hp a r a m e t e r 螺杆元件网格尺寸r a m w t s e 2 6 16 0 l w t s e 3 2 1 6 0 l s e 4 5 1 6 0 2 2 2 2 4 边界条件 边界条件的定义是数值法求解流场的重要部分，在瞬态模拟中，主要涉及到了五 个边界，分别是：入口端面、出口端面、左螺杆外表面、右螺杆外表面及机筒内表面。 在实际挤出过程中，由于要研究的对象是整个螺杆构型中的一部分，其边界条件 特别是出入口边界十分复杂，因此在数值模拟计算过程中需要对流道出入口的边界条 件进行处理。 在瞬态流场模拟中用入口流量与出口压力定义流道的出入口边界。入口端面给定 与实验加料量对应的体积流率q = 3 3 8 5 x 1 0 6 m 3 s ，出口压力p = 1 0 m p a 。流场的其他三 个边界只需要确定速度边界条件即可，根据壁面无滑移的假设，在螺杆外表面上为周 向转动速度边界，根据实验操作条件，左右两螺杆转速n s = 3 0 r m i n 而机筒是静止不 动的，因此机筒内表面速度v b = 0 。 在流场的动态模拟中，出口压力、螺杆转速条件与瞬态流场相同，入口流量条件 有两种：为得到最大剪切应力分布和最大拉伸应力分布进行的动态流场模拟中，入口 端面的体积流率q = 3 3 8 5 x 1 0 击r n 3 s ；为得到停留时间分布进行的动态流场模拟中，定 义入e l 端面的体积流率q = 2 1 8 4 x l o 3 s 。 3 4 模拟结果及分析 根据上述的几何模型、有限元模型及边界条件，得到了三种不同螺杆元件下的流 道的模拟结果，包括压力场、剪切速率场、粘度场、剪切应力场、停留时间分布、最 大剪切应力分布和最大拉伸应力分布。 1 6 第j 章插值横批 341 压力插 图3 - 5 所示为不同流道的压力场图3 - 6 为三种元件流道的出口和入口截而的压 差。可以看出，w t s e 2 6 1 6 0 1 的流场中，入口篮力比出口压力人，熔体需要靠在 w t s e 2 6 1 6 0 1 上游的流场建立的压力i q i 输送：而、n s e 3 2 1 6 0 i 流场中出入口压 力相差不_ _ j ；= ：s e 4 5 1 6 0 2 流场的 口压力大于入口压力，说明它的输送能力较强。分 析可知物料存渡状双螺杆元件w t s e 2 6 1 6 0 i 中输送时遇到的阻力较存常规螺纹元 件s e 4 5 1 6 0 2 中大，这对于混台是有利的。 f “、v t s e 2 6 1 6 0 l伯) w t s e 3 2 t 6 0 i ( c ) s e 4 5 1 6 0 2 固3 - s 各流道的压向场 f i 9 3 - $ p r e s s u r e p r o f i l e s o f e a c h f l o w c h a n n e l 北京化工大学硕士学位论文 5 0 4 0 ，、 盏3 0 乏2 0 制1 0 寄0 0 一 1 0 | | 2 1 1 3 0 4 0 图3 石各流道的出入口压差 r 远3 - 6d i f f e r e n t i a lp r e s s u r eb e t w e e ne x i ta n dg n l y a n c 暑o fs c r e wd 甜n g n t s f l o wc h a n n e l 为得到各螺杆元件流场中体积流率与出入口压差的关系，本文在不改变其它边界 条件的前提下，对三种螺杆元件流场进行了入口体积流率分别为1 5 0 1 0 击m 3 s 、2 0 0 1 0 击m 3 s 、3 0 0 x1 0 6 m 3 s 、3 3 8 5 x 1 0 击m 3 s 、4 0 0 1 0 击m 3 s 的模拟。分析模拟结果 后统计出了三种螺杆元件在五种不同体积流率下的出入口压差变化。 表3 - 2 三种螺杆元件流场中不同体积流率下的出入口压差 t a b 3 - 2d i f f e r e n t i a lp r e s s u r eb e t w e e ne x i ta n de n t r a n c ef o rd i f f e r e n tf l o wr a t ei nt h r e ek i n d so f s c r e we l e m e n t s f l o wc h a n n e l 莹 酱 是 田 一、) i 呵固j 2 纠1 6 创1 0 蕊弧_ 亍 、一 123 - q： 一 、 图3 7 三种螺杆元件流场在不同体积流率下的出入口压差 f i g 3 7d i f f e r e n t i a lp r e s s u r eb e t w e e ne x i ta n de n t r a n c ef o rd i f f e r e n tf l o wr a t ei nt h r e ek i n d so f s c r e we l e m e n t s f l o wc h a n n e l 表3 2 、图3 7 分别为三种螺杆元件流场中不同体积流率下出入口压差的数值与 1 8 0 o 0 0 0 0 ：2 m 5 o m 苇= i 敏艟横扭 曲线。从每种元件的数据可看出出入口压差随体积流率的增加而减小。 342 剪切速率插 图3 8 所示为三种不同流道的剪切速率场。从圈中可以看出，各流道螺棱顶部及 啮合区的剪切速率都较大，而螺槽区域的剪切速率相对较小。这是因为螺棱顶部的流 道径向间隙较小，在此处会形成一个较大的速度梯度。从两种波状双螺杆元件流道的 翦切速率场云图可以看出，在螺轩波峰部分与波谷部分，剪切速率存在著异，波峰部 分的剪切较强，而常规螺纹兀件的螺槽部分剪切速率变化不明显。 a ) 、v t s e 2 6 1 6 0 l【b 1 、v t s e 3 2 】6 0 l ( c js e 4 5 1 6 0 2 图3 - 8 备流道的剪切速率场 f i g 3 4s h e a rr a c p r o f i l e s o fe a c h f l o wc h a n n e l 343 粘度场 | 冬| 3 - 9 所示为各流道的粘度场，从图中可以看叭再流道螺棱与机筒间隙处粘艘 较小这是由于此处的剪切速率较大。在两种波状双螺杆元件粘度场中，波峰处的粘 度较波谷处小，这是由于波峰处剪切速率较波谷高。 ( 甜s e 4 5 1 6 0 2 围3 - 9 符流通的粘度场 f i g 3 - 9 v l s e o s i t y p r o f i l e s o f e a e h f l o wc h a n n e l 344 剪切应力场 图3 1 0 所示为并流道的剪切戍山场，可以看m 柙，螺棱顶部与机筒日j 隙处艘啮台m 的剪切心力较大，这足由于螺棱项部的流通径阳间隙较小，在此处全形成较大的谜度 梯度冈此剪切速率较人、剪切应力也较人，岍在啮合区，荫螺杆表而的运动方向柑 反，形成了较大的剪 ；j 速率，斟此鲫切心力也较人。幽中逆可看出两种波状j i 什的波 峰处较波符处的鲍切应j ， 。，r 衄常赳螺纹兀件螺槽处剪切舟山变化1 i 明显，这是出于 波状舣蝶杆儿忭波峰处的翦切速率较波柞处大而常规螺纹j l t 螺槽处的剪切述牢变 化小叫丝。 第2 章敏值樽扭 f a ) w t s e 2 6 1 6 0 l 芒4 3 0 0 0 圳3 1 3 0 0 0 釜2 。0 。0 f b l 、叮s e 3 纠1 6 0 l ( c js e 4 5 1 6 0 1 2 图3 - 1 0 各流道的剪切应力场 f i 蜩- 1 0 s h e a r $ t r 8 5 $ p r o f i l e s o f e a