（机械设计及理论专业论文）同向旋转双螺杆挤出机螺旋状捏合盘元件混炼机理研究.pdf

摘要 同向旋转双螺杆挤出机螺旋状捏合盘元件混炼机理研究 摘要 螺旋状捏合盘元件是为适应同向旋转双螺杆挤出机高速高效的发展 要求而出现的一种新型混炼元件，它结合了常规捏合盘元件和转子元件的 特性，具有良好的混炼能力。 本文根据双螺杆几何学原理和等间隙修正方法构建了螺旋状捏合盘 元件的三维物理模型，应用有限元分析软件p o l 、：下l o w 对螺旋状捏合盘 元件和常规捏合盘元件内物料流动及混合进行了三维动态模拟，通过粒子 跟踪法对流场的动态模拟计算及其统计学后处理，采用累积混合指标( 分 布混合指数和分隔比例) 作为衡量分布混合和分散混合的量化指标，探讨 了几何参数( 螺旋角、盘体厚度和错列角) 对螺旋状捏合盘元件混合性能 的影响趋势，得到系列优化的结构参数，对螺旋状捏合盘元件的设计起 到一定的指导作用。数值模拟分析结果表明：随着螺旋角、盘体厚度和错 列角的增大，螺旋状捏合盘元件的分散和分布混合性能增强；螺旋状捏合 盘元件的分散和分布混合性能均优于常规捏合盘元件。 为了更好地发挥螺旋状捏合盘元件优异的分散和分布混合性能，本文 引入n i c 机筒元件，通过对螺旋状捏合盘元件与n i c 机筒元件、常规机 筒元件组合流道进行三维等温流场模拟与分析，结果表明：螺旋状捏合盘 元件与n i c 机筒元件组合时，选取较大的螺旋角、盘体厚度和错列角， 有利于增强分散和分布混合；螺旋状捏合盘元件和n i c 机筒元件相组合， 流场中的剪切速率分布更为均匀，能够避免产生局部高剪切区，降低局部 剪切热，从而实现低温混炼。 最后本文还应用p o l y f l o w 软件对标准型、偏心锥形和混合型三种 螺杆头元件流道内物料的流动过程进行了三维非等温数值模拟，引入流道 出口截面平均温度和温度方差量化分析对比三种螺杆头元件的均温性能， 得出混合型螺杆头的均温效果最佳，其次为偏心锥形螺杆头，标准型螺杆 头最差；通过f e m 与正交试验设计相结合的方法，分析了不同几何参数 对混合型螺杆头均温效果的影响，得出最优的混合型螺杆头几何参数因素 水平组合。 关键宇：同向旋转双螺杆挤出机，螺旋状捏合盘元件，混炼机理，n i c 机筒元件，混合型螺杆头，正交试验设计 i i a b s t r a c t s t u d yo nk n e a d i n gm e c h a n i s mo ft s t k n e a d i n gd i s ci ni n t e r m e s h i n gc o r o t a t i n g t w i ns c r e we x t r u d e r a b s t r a c t t w i s tk n e a d i n gd i s ce l e m e n t ( t k d ) w h i c hi sa d a p t i v et oh i g hs p e e da n d e f f i c i e n c yr e q u i r e m e n t s o fi n t e r m e s h i n g c o - r o t a t i n g t w i n - - s c r e we x t r u d e r , c o m b i n e sc h a r a c t e r i s t i c so fb o t hk n e a d i n gd i s ce l e m e n t sa n dt h er o t o r e l e m e n t s ，w i t hg o o dm i x i n gp r o p e r t y t h r e e d i m e n s i o n a lp h y s i c a lm o d e lo ft k de l e m e n tw a sb u i l ta c c o r d i n g t ot h eg e o m e t r yp r i n c i p l eo ft w i ns c r e wa n dc o r r e c t i o nm e t h o dt og a pi nt h i s t h e s i s t h ep r o c e s so fm a t e r i a lf l o wa n dm i x i n gi nt k da n dc o n v e n t i o n a l k n e a d i n gd i s ce l e m e n ts i m u l a t e du s i n gp o l y f l o w , t h r o u g ht h ep a r t i c l e t r a c i n gm e t h o d a n dt h ep o s t p r o c e s s i n ga n du s i n gs t a t i s t i c a li n d e x ( d i s t r i b u t i v e m i x i n gi n d e x ，s e g r e g a t i o ns c a l e ) a sm i x i n gi n d e xt oe v a l u a t em i x i n gp r o p e r t y , d i s c u s s e st h a th o wg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ( s p i r a la n g l e ，p l a t et h i c k n e s sa n d s t a g g e r ) i n f l u e n c et om i x i n gp r o p e r t yo ft w i s tk n e a d i n gd i s ce l e m e n t s a n d o b t a i nas e r i e so fo p t i m i z a t i o ns t r u c t u r a l p a r a m e t e r so ft k de l e m e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，w i t ht h es p i r a la n g l e ，p l a t et h i c k n e s s a n ds t a g g e ra n g l ei n c r e a s e ，d i s p e r s i o na n dd i s t r i b u t i o nm i x i n go ft k d e l e m e n te n h a n c e d ；t h et k de l e m e n ti sb e t t e rt h a nc o n v e n t i o n a lk n e a d i n gd i s c o n d i s p e r s i o na n dd i s t r i b u t i o nm i x i n g i no r d e rt oe n l a r g ep e r f o r m a n c eo fd i s p e r s i o na n dd i s t r i b u t i o nm i x i n go f t k de l e m e n t ，s c a t t e r e da n dm i x e dd i s t r i b u t i o nn i cb a r r e le l e m e n tw a s i n t r o d u c e di nt h i st h e s i s s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt k de l e m e n te l e m e n t a c o m b i n e dn i cb a r r e le l e m e n t ，t h el a r g e rs p i r a la n g l e ，p l a t et h i c k n e s sa n d s t a g g e r , t h eb e t t e rp e r f o r m a n c eo fd i s p e r s i o na n dd i s t r i b u t i o nm i x i n g t k d i i i 北京化t 大学硕士学位论文 e l e m e n tc o m b i n e dn i cb a r r e lh a sam o r eu n i f o r ms h e a rr a t ed i s t r i b u t i o n ，a n d c a na v o i dp r o d u c e sh i g hs h e a rz o n e ，r e d u c i n gp a r t i a ls h e a rh e a t ，s oa st o r e a l i z et h el o wt e m p e r a t u r em i x i n g f i n a l l y , t h i s t h e s i sa l s os t u d i e do nt h ep e r f o r m a n c eo fa v e r a g e t e m p e r a t u r eo fs t a n d a r d ，e c c e n t r i ca n dm i x i n gs c e wh e a d o fc 0 一r o t a t i n g t w i n s c r e we x t r u d e r a v e r a g et e m p e r a t u r ea n dt e m p e r a t u r ev a r i a n c eo ft h e o u tf l o ws e c t i o nw a si n t r o d u c e dt oe v a l a t e p e r f o r m a n c e o fa v e r a g e t e m p e r a t u r e ，c o m p a r i s o nt h r e es c r e wh e a d so fc o m p o n e n t s ，a n do b t a i n e dt h e r e s u l t ：m i x i n gs c r e wh e a dh a sb e s tt e m p e r a t u r e ，f o l l o w e db ye c c e n t r i cc o n i c a l t w i n s c r e wh e a d ，s t a n d a r ds c r e wh e a d t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no ff e m w i t ho r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o d ，d i s c u s s e dd i f f e r e n tg e o m e t r i cp a r a m e t e r so f m i x e ds c r e wh e a d se f f e c tp e r f o r m a n c eo fa v e r a g et e m p e r a t u r e ，o b t a i nt h eb e s t g e o m e t r yp a r a m e t e r so fm i x i n gs c r e wh e a d k e y w 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 n s c r e we x t r u d e r s ， t w i s tk n e a d i n gd i s c ， k n e a d i n gm e c h a n i s m ，n i cb a r r e l ， m i x i n gs c r e wh e a d ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n td e s i g n 符号说明 符号说明 温度，k 质量，k g 密度，k g 。m 3 体积，m 3 面积，m 2 螺纹头数 时间，s 角速度， 中心距，m 螺杆根圆半径，i t i 螺杆外圆半径，m 螺杆与机筒之间的间隙，m 平均螺旋角 导程，m 螺杆外径，m 齿槽宽，m 示踪物质浓度变化函数 停留时间分布函数 累计停留时间分布函数 方差 平均停留时间，s a 组分浓度 b 组分浓度 平均浓度 相关系数 分隔比例 密度概率函数 粒子间距最优分布 分布混合指数 表观粘度，只s ； 零剪切粘度，j 时间常数，s ； c r o s s 模型指数 v ，m p y彳疗，国q如凡万缈r喇刚刖矿f q q瓦荆墨胎朋研刁允m 北京化工大学顾j ：学位论文 、) x ，v y v z 厂 k c p b x ，y , z 方向上的速度分量，m l s 剪切速率，s 一 剪切速率， 比热容，j ( k g k ) 温度敏感系数，k 。 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：7 蟊口丛l 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2 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： 导师签名： 丢衄l 查翅 日期：竺：三z 日期： 加7 0 芗a 7 第一章概述 第一章概述 近年来，我国合成树脂使用量逐年增加，目前已仅次于美国和日本位居世界第三 位。根据发改委所编制的乙烯工业发展专项计划，初步确定我国2 0 1 0 年乙烯工业发 展目标为：生产能力将达到1 7 0 0 万吨，产量约为1 4 0 0 万吨。 我国大型双螺杆挤压造粒机组长期依赖进口，引进一套生产能力为3 5 万i l f f 年的 双螺杆挤压造粒机组( 包括双螺杆挤压造粒机、添加剂计量包和粉料输送系统) 约需 1 2 0 0 万美元。按此推算，需要引进3 5 万吨年的大型双螺杆挤压造粒机组约2 8 套， 耗资约需4 5 亿美元。 为了满足高端用户的质量要求，提高制品强度，就要求混炼机具有较强的分散和 分布混合能力。与传统的非啮合型转子连续挤压造粒机组相比，啮合型同向旋转双螺 杆挤压造粒机更具优势。目前，国外几家大型挤压造粒机组生产商也主要致力于啮合 型同向旋转双螺杆挤压造粒机的开发与推广，其发展趋势为大型、高速、高扭矩、高 产量和低能耗。 大型挤压造粒机组的研制水平，反映了一个国家石油化工装备领域的最新成就和 综合能力。作为乙烯生产流程中下游工序的核心装备大型双螺杆挤压造粒机组是 我国实现“大型乙烯关键装备”国产化的重要组成部分。为此，结合国家“十一五” 重点攻关项目“2 0 万吨年大型挤压造粒机组的开发研制”，提出了“同向旋转双 螺杆挤出机螺旋状捏合盘元件混炼机理研究”课题，采用数值计算的方法，对同向旋 转双螺杆挤出机新型混炼元件螺旋状捏合盘元件的混炼性能进行量化分析，从而 为混炼过程中最佳工艺条件的科学制定，以及同向旋转双螺杆挤出机的优化设计和大 型机的国产化开发研制提供一定的理论依据。 1 1 同向旋转双螺杆挤出机及其螺杆元件的研究进展 1 1 1 同向旋转双螺杆挤出机发展沿革 同向旋转双螺杆挤出技术起源于十九世纪六十年代，起初用于人造石浆的泵送， 而后应用范围逐渐广泛。第一台用于塑料成型的啮合型同向旋转双螺杆挤出机，在 1 9 3 6 年由意大利l a v o r a z i o n em a t e r i ep l a s t i c h e ( l m p ) 公司的r o b e r t oc o l o m b o 研制， 并于1 9 3 9 年出售给德国i gf a r b e n i n d u s t r i e 公司。此后，同向旋转双螺杆挤出机在结 构和功能上逐渐完善，最终成为聚合物加工领域一类重要的加工成型设备【l 】。 同向旋转双螺杆挤出机的基本原理是：利用两根互相啮合的螺杆在机筒的“o o 字型孔内高速同向旋转，完成对高分子聚合物的输送、压缩、塑化、熔融、混合、混 北京化t 大学硕j ：学位论文 炼、填充、排气、计量和成型等工艺过程。由于它的螺纹元件和机筒是积木式组合的， 可以根据功能不同作任意组合，因此该机型的适应性强，应用面广，可以完成一般单 螺杆挤出机和其它类型混炼装备所不能完成的复杂工艺过程。由于它的结构复杂，加 工机理特殊，加工物料种类繁多，对机械制造工艺、材质强度及其热处理的要求非常 苛刻；机组的自控水平，精度和可靠性要求较高；理论上涉及到高聚物流变学、形变 学、计算力学、传热学、结构力学等多门学科，因此技术难度较大，在国际上长期以 来被少数厂家所垄断。 国际上著名的生产同向旋转双螺杆挤出机的厂家c w & p 公司自1 9 5 3 年应用 r e r d m e n g e r 等人的研究成果生产出z s k 系列商用同向旋转双螺杆挤出机以来，根据 各个时期产品的特点可将同向平行双螺杆挤出机的发展可大致分为六个阶段( 又称六 个代) ，现将各代的特征作以下简要归纳【2 】： 第一代：又称为标准型代。螺杆形状多采用三头螺纹形式，其特点为：螺槽浅， 螺杆外径与根径之比( 简称啮合比) 为1 2 2 ，螺槽自由容积小，输送能力低，比扭矩 ( 每根螺杆所能承受的扭矩与两根螺杆中心距三次方的比值) 为3 7 3 9 。低的比扭矩 限制了螺杆长径比的增加和挤出机功能的扩展，机筒冷却大多采用风冷。 第二代：根据工艺需要，两螺杆的旋转方向可以同向、异向互换，比扭矩增加到 4 7 5 5 ，这两点的改进使其用途有所扩大。这一阶段由于受到材料强度的限制，有些 厂家将螺杆做成整体式。 第三代：螺杆结构采用组合式，螺杆形状以两头螺纹为主，这为深槽螺棱的几何 造型设计提供了可能。该阶段螺杆螺槽深度比以往增加了1 3 8 倍，啮合比为1 4 4 ，螺 槽自由容积是第一代标准型自由容积的1 7 7 倍。在冷却方式上开始考虑用其他冷却介 质代替风冷，前者与后者相比具有更高的传热效果和热稳定性。螺杆旋转方向回归到 同向专用型，螺杆最高转速可达3 0 0 r p m 。追求高的挤出量是第三代双螺杆挤出的主 要目标。 第四代：主要特征：螺纹元件采用两头螺纹和三头螺纹混合组合形式，它主要针 对第三代机型由于螺纹头数减少、物料分流通道减少，加之螺槽深度增加，导致混炼 不足而采取的补偿措施，该代机器结构较为紧凑，故又称紧凑型代。 第五代：是上世纪九十年代中期研制成功的新机型，螺杆形状为两头螺纹，啮合 比为1 5 5 ，螺槽的自由容积比为第一代标准型螺槽自由容积的2 0 4 倍，比扭矩达到 8 7 ，螺杆最高转速可达到6 0 0 r p m 。超深槽、高扭矩、高转速，是该代机型的主要特 征。 第六代：为上世纪九十年代末研制出来的最新机型，主要特征为超高扭矩、超高 转速、多功能、低能耗和高耐磨。比扭矩系数达到l l ，比第五代提高了3 0 ，螺杆最 高转速为6 0 0 r p m ，个别小型机可达到1 2 0 0 r p m ，螺杆的最大长径比从1 ：4 8 提高到l ： 6 2 。 2 第一章概述 第六代同向旋转双螺杆挤出机的研究成功，从某一侧面反映了发达国家的高聚物 混炼加工及其装备研究领域的最新成就。 上述c w & p 公司历代z s k 机型的技术特征如表l - 1 所示，其中：m 。a 3 为表征 同向旋转双螺杆挤出机承载能力的指标；见口为表征其生产能力的指标。 表1 - 1c w & p 公司历代z s k 机型的技术特征 数m d 口3 李搿 d om t ( n m c m 3 ) 1 9 5 5 ：1g e n e r a t i o n1 2 23 7 19 7 0 ：2 - l o p e 1 4 45 0 1 9 8 5 ：s c1 5 58 7 1 9 9 5 ：m e1 5 51 1 3 2 0 0 l ：m v 1 8 08 7 2 0 0 4 ：m cp l u s1 5 51 3 6 同向旋转双螺杆挤出机由于其灵活多变的积木式结构特点、优良的自沽功能和优 异的分散混合及分布混合性能，一直被视为大型石化企业下游工序和制取高分子合金 材料的重要装备。同向旋转双螺杆挤出机主要可以用于以下四个方面：对含一定水 分、溶剂和其他单体的物料直接进行清洗、凝固、挤压、脱水干燥和造粒；对含有 各种添加剂的聚合物进行填充、共混、增强、排气、脱挥、着色、均化和造粒；对 粉末涂料、色母粒、催化剂、油漆、食品、纸浆等进行分散混合；特种物料的混合 与成型。 大型双螺杆挤压造粒机组是大型乙烯装置下游工序的核心装备。主要由传动系 统、计量加料系统、双螺杆混炼挤压系统、快速更换滤网装置、水下切粒装置、脱水 干燥以及辅助装置( 包括振动筛、称量系统、打包机等) 组成。目前国际上只有德国 c w & p 公司、日本制钢所( j s w ) 以及神户制钢所( k s l ) 三家公司拥有设计、制造 成套大型混炼挤压造粒机组的能力。大型挤压造粒机组的发展主流是同向旋转平行双 螺杆挤压造粒机组，其发展趋势是大型化、高速化、高扭矩、高产量和低能耗。 最近，c w & p 公司又推出了z s km e g a 紧凑型双螺杆挤出机。该公司称，这是 高产量z s km e g a 混炼挤出机的进一步发展。z s km e g a 混炼挤出机兼具高扭矩、 高转速和较大自由容积的特点。z s km e g a 混炼挤出机系列用于聚烯烃、工程塑料 和其它需要高能量输入的连续配混过程是很理想的。最典型应用是：添加剂的混合和 分散；玻纤和碳纤增强；滑石粉、碳酸钙、锯屑填充、颜料等的混合和分散；高聚物 北京化 丁大学硕上学位论文 合金；反应混合；化学反应，诸如聚合、缩聚、加成；去挥发；直接挤出等。配混的 步骤通常是：计量_ 喂料和输送一熔融专分散均化专排气0 增压斗过滤专造粒或生产 出半成品。这种挤出机采用模块机构化，具有最大转速和最高比扭矩，并采用灵活的 控制系统，因此对多种加工过程和应用有极佳的适应性。 1 1 2 同向旋转双螺杆挤出机新型螺杆元件的研究动向 为了提高双螺杆挤出机的混炼能力和加工适应性，则必须要从螺杆元件入手进行 设计和开发：或者是优化其剪切效果，或者是提高其拉伸效果，或者是改变物料的停 留时间分布。据此原则，目前很多的研究者积极致力于新型螺杆元件的设计和开发， 并通过数学模拟的方法验证新研制的螺杆元件较常规的螺杆元件具有更加优异的熔 融和混炼能力，从而进一步推动了同向旋转双螺杆挤出机向高速和高效的方向发展。 近年来，国内外的专家学者在常规螺纹元件和捏合盘元件( 如图1 1 所示) 的基 础上，致力于开发研制非常规螺杆元件，并取得了一定进展，如德国c w & p 公司研 制的具有特殊几何形状的r g s 元件、l g s 元件和s c h a u f e l 元件、美国f a r r e l 公司开 发出f a m m e 元件和f c m 元件【3 】、日本神户钢铁所开发研制的v c m t 元件1 4 j ，日本 制钢所开发研制的t k d 元件【5 羽，( 即螺旋状捏合盘元件) 以及国内研制的六棱柱元 件 7 1 ( 如图1 2 所示) 、s 型元件【8 l ( 如图1 3 所示) 、v c r 元件【9 】( 如图1 - 4 所示) 、 齿形盘元件、剪切环元件【1 0 】和波状螺纹元件【l l 】( 如图1 5 所示) 等。其中，t k d ( t w i s t k n e a d i n g d i s c ) 元件( 如图i - 6 和1 7 所示) 是日本制钢所最新研发的新型混炼元件。 它结合了常规捏合盘元件和转子元件的混炼特性，包括多个盘体，每个盘体的一个表 面侧的顶点与另一个表面侧的顶点之间具有一定的螺旋角，同时各个盘体也以一定的 错列角排布。与常规捏合盘元件相比，螺旋状捏合盘元件在盘体尖部处不会产生较大 的压力，因此，可以在较低温度下实现良好的分散混合和分布混合。此外，螺旋状捏 合盘元件和具有特殊结构的n i c 捏合机筒( 如图1 8 所示) 相组合，还能进一步降低 能耗，显著改善分散、分布混合性能。 以上各种新型螺杆元件的不断涌现，有效地提高了双螺杆挤出机的混炼质量，极 大地改善了挤出性能，进一步扩展了双螺杆挤出机的应用领域。 4 第一章撬连 f i g l - 1k n e a d i n g d i s ce l e m e n t 图1 - 2 六棱柱元件 f i g l - 2 m ( p o l y g o n 图1 一转子元什 f l g l - 4r o t o r 图1 - 3s 型元件 f i g l - 3 se l 锄c a t n r m n 出z k d t k o r o t o r 图i - 6 常规捍台盘( k d ) 元仆、螺旋状捏台髓( t k d ) 元什$ 转r ( r o t o r ) 元件 f i g l 一6 k n e a d i n g d i s ce l 帅e n t 、t w i s t k n e a d i n g d i s ce l e m e n ta n d r o t o re l e m e n l 图1 4 螺旋状捏台盘( t k d ) 元件运动示意 f i g l - 7 m o t i o n o f t w i s t k n e a d i n g d l 扯e l e 【】1 e n t f i g l - 8 n i cb a r r e l 、，憋一。憋 基嗣鼍_ = 枣 第一章概述 1 2 同向旋转双螺杆挤出过程数值模拟与分析研究进展 随着p c 机计算性能的飞速提高，c f d 模拟技术在流体流动的传质传热分析中应 用越来越广泛，在聚合物加工领域同样如此。近二十年来聚合物加工领域的数值模拟 技术在分析软件、模拟内容和模拟结果可视化方面都发生了很大的变化。数值模拟软 件从上世纪9 0 年代末的a n s y s 软件发展到现在普遍使用的f l u e n t 软件、 p o l y f l o w 软件和f i d a p 软件等；模拟内容从过去简单的速度、压力、粘度等场量 发展到现在的停留时间分布、分布混合指数、分隔比例等量化指标；可视化的模拟结 果从过去的静态云图、等值线图、速度矢量图发展到现在的三维动态粒子运动仿真动 画。利用现有多种专业分析软件，在合理简化实际生产情况、精确构建几何结构模型 和合理设定边界条件的基础上，引入统计学参量，可以对流场进行从宏观到微观的量 化分析。 由于双螺杆挤出机流道形状和物料运动的复杂性，给双螺杆挤出机加工过程中理 论研究带来了很大的困难。随着计算机在高分子材料加工领域的不断应用，建立反映 熔体输送段几何结构、物料流动状态及物料性质的较真实的模型，并借助计算机，采 用数值分析方法对流场进行分析求解已成为现实。近几年来，随着各种大型专业计算 软件的不断完善，双螺杆挤出过程的数值模拟计算得到了突飞猛进的发展。 近年来，随着计算机技术的发展及大型有限元分析软件的出现，国外专家学者在 建立混炼元件真实的三维模型基础上，对其混炼性能和机理做了大量的研究。所建立 的三维物理模型与实际工作状态更为接近，计算结果也更加精确。r a n 9 1 1 2 1 等人利用流 体力学软件f i d a p 模拟了捏合盘元件中的三维流动，给出了速度、压力和剪切应力 的分布，并讨论了挤出机设计变量和工艺条件对流动特性的影响。w h i t e 和c h 甜1 3 】 对螺纹元件和捏合盘元件中的非等温流动进行了模拟。g o 筋r d 和w a l t l 4 忽略啮合区 螺棱对流动方向的影响，对螺纹元件及捏合盘元件的啮合区和非啮合区中的三维流动 进行了分析，求解了牛顿流体的压力场、速度场和温度场。b r a v o u j 等在准静态假设 下对啮合同向双螺杆挤出机进行了三维等温数值模拟，分析了捏合盘中元件的构造以 及进出口边界条件对压力和速度分布的影响。t a k e s h ii s h i k a w a 等人 1 6 - 1 7 1 运用f e m 技 术建立了啮合同向双螺杆挤出机中捏合盘元件、常规螺纹元件下的非牛顿、非等温三 维模型，得到了流场的压力、速度及温度分布，并对模拟结果进行了实验验证。 y o s h i n a g a 等【1 8 】用f e m 法模拟了三头捏合盘元件区域的流动，分析了此元件的分布混 合及分散混合特性。 近年来，国内对双螺杆挤出过程中三维流场的数值模拟计算也进行了大量研究。 李鹏等【1 9 1 利用a n s y s 有限元分析软件对啮合同向双螺杆挤出机内由捏合盘和螺 纹元件组合流道进行了三维等温非牛顿模拟，得到了组合流道的速度场和压力场，并 对螺纹元件流道、捏合盘流道及组合流道的流量、回流量、拉伸速率、剪切速率及剪 7 北京化工大学硕1 二学位论文 切应力进行了对比。尹艳玲等【2 0 j 应用a n s y s 有限元分析软件对啮合同向双螺杆挤出 机中的新型螺杆元件六棱柱元件( f t xp o l y g o n ) 进行了三维等温流场模拟，与捏 合盘元件的流场模拟结果进行了对比分析，并对流场模拟结果进行了实验验证。金月 富等【7 , 2 1 - 2 2 j 根据f c m 元件和f a m m e 元件的思路设计了一种用于同向双螺杆挤出机 的s 型元件，并对其进行三维等温流场的数值模拟。此外，梁畅等 2 3 - 2 5 1 采用a n s y s 软件对上述新型s 型元件与相似构型下的捏合盘元件进行了三维等温流场的数值模 拟，考察了两种元件流场的挤出特性以及分散和分布混合能力。彭炯等【2 6 - 2 7 采用 p o l y f l o w 软件对同向双螺杆挤出机捏合段进行了三维非等温模拟，得出了流道内 压力、速度的分布以及进出口压力差对捏合段流量温度及压力的影响规律。罗兵等【2 弘3 0 】 对其设计的新型双螺杆元件- v c r 元件进行了三维等温流场的数值模拟，并对流场 计算结果进行了实验验证。胡冬掣引啦j 等使用p o l y f l o w 软件模拟了啮合同向及异 向双螺杆中物料的运动轨迹。董中华等 3 3 - 3 4 1 应用p o l y f l o w 软件对不同导程螺纹元 件、齿形元件和断裂螺纹元件的流动过程和混合过程进行三维、非等温数值模拟。并 用示踪粒子法研究了不同颜色粒子的流迹和停留时间、剪切速率、剪切应力和拉伸速 率的分布。并对比分析了它们的流动行为和混合性能。刘青峰等【3 5 1 应用p o l y f l o w 有限元分析软件对同向双螺杆挤出过程不同螺杆组合的流道进行了三维非牛顿等温 模拟。分析了全正向螺纹流道、全正向捏合盘流道、全反向捏合盘流道等六种不同螺 杆构型的分布混合性能和分散混合性能。孙士强【3 6 3 。7 】对常规螺纹元件、窄捏合盘元件、 宽捏合盘元件以及新型混炼元件v c r 元件流道的三维等温流场进行了数值模拟与统 计学分析，并对分析结果进行了实验验证。操彬等【3 3 - 3 5 利用p o l y f l o w 软件对由常 规螺纹元件、错列角分别为3 0 0 。和1 5 0 。的捏合盘元件、s 型元件、齿形盘元件和 n i m p e 六种螺杆元件组成的不同螺杆构型下的置换段进行了流场模拟对比，并对 模拟结果进行了实验验证。 借助计算机对流场进行数值模拟，能够帮助分析不同螺杆构型以及工艺条件下的 生产过程，得到优化的工艺参数。特别在新型螺杆元件的开发研制过程中，可以直接 利用计算机模拟和分析，从而大大降低研发成本，减小研发周期。 1 3 本课题研究目的和意义 同向旋转双螺杆挤出机作为大型石化企业下游工序和制取高分子合金材料的重 要装备，具有优异的分布混合和分散混合性能，其积木式的螺杆和机筒组合具有极大 的灵活性，通过应用已有的各种混炼元件，并结合近年来不断出现的新型高效混炼元 件，进行合理的螺杆组合，可以大大提高挤出机的混炼能力，以满足不同的混炼要求。 本课题的目的在于通过数值计算方法，对螺旋状捏合盘元件的流场性质进行研究 第一章概述 和探讨，分析和对比其与常规混炼元件捏合盘元件的输送特性和混炼能力，对其 混炼性能进行量化分析，并考察多种螺杆结构对总体混合效果的影响，从而为同向旋 转双螺杆挤出机新型混炼元件的优化设计，以及大型机的国产化开发研制提供一定的 理论依据。 1 4 本课题的主要研究内容 ( 1 ) 在对同向旋转双螺杆几何学深入研究的基础上，构建螺旋状捏合盘元件的三维 模型，应用c o s m o sm o t i o n 软件对其进行仿真模拟； ( 2 ) 采用数值计算方法对螺旋状捏合盘元件内的物料流动进行三维数值模拟，并应 用粒子轨迹跟踪技术和统计方法研究该螺纹元件的分散混合性能、分布混合性能及停 留时间分布等特性，分析其结构参数对混炼性能的影响；并将螺旋状捏合盘元件与常 规捏合块元件进行对比，分析比较其分散和分布混合能力； ( 3 ) 引入n i c 机筒元件，对螺旋状捏合盘元件与n i c 机筒元件和常规机筒元件组合 流道进行流场模拟，以分布混合指数和分隔比例为混合指标，分析螺旋状捏合盘元件 结构参数对其与n i c 机简元件组合的混合性能的影响，并对比螺旋状捏合盘元件与 n i c 机筒元件和常规机筒元件组合的混合性能； ( 4 ) 对标准型、偏心锥形和混合型三种螺杆头元件流道中物料流动进行三维非等温 数值模拟，引入出口截面平均温度和温度方差分析对比三种螺杆头元件的均温效果； 并用f e m 和正交试验设计相结合的方法分析混合型螺杆头不同几何参数对其均温效 果的影响。 9 第二章基础理论 第二章基础理论 2 1 啮合同向双螺杆几何学 螺杆元件的几何形状是啮合同向双螺杆挤出过程理论分析的基础。啮合同向双螺 杆几何掣3 9 j 是建立啮合同向双螺杆元件( 包括螺纹元件、捏合盘元件、齿形盘元件和 螺旋状捏合盘元件等新型螺杆元件等) 物理模型的依据，是进行流场模拟分析的基础。 本文中所研究的螺旋状捏合盘元件和常规捏合盘元件的几何模型就是在啮合同向双 螺杆几何学基础上建立的。 关于双螺杆几何学的研究，国内外都有人进行过这方面的研究。对自扫型啮合同 向双螺杆的几何学而言，研究得最早、起奠基作用的是m l b o o y t3 ，其它如c h r i s r a u w e i l d a a l 【4 0 1 、c c 枷t 【4 、h p o t e i l t 【4 2 】等人对啮合同向双螺杆几何学也做了很多有 益的工作。国内也陆续发表了一些有关这方面的文献。 2 1 1 全啮合同向双螺杆的啮合原理及其曲线的形成 2 1 1 1 啮合原理 m l b o o y t 2 j 在1 9 7 8 年根据相对运动原理推导出了全啮合同向双螺杆几何学，图 2 1 表示了一对全啮合同向双螺杆端面曲线的形成过程。设两根直径相同的螺杆以相 同角速度缈同方向( 如顺时针) 旋转，两螺杆中心距0 ，0 2 = q ，螺杆外圆半径为凡， 螺杆根圆半径r 6 = q _ 凡，如图2 1 所示。 图2 - 1 全啮合l 司向双螺杆端面曲线形成过程 f i g2 - 1c r o s s - s e c t i o nc u l 3 eo fi n t e r m e s h i n gc o - r o t a t i n gt w i n $ o r c wf o r m i n gp r o c e s s p 是圆盘仍上任意一点( 相当于螺棱上的点) ，现考查尸点相对于圆盘d ，的运动 轨迹。根据相对运动原理，建立一个动坐标系随圆盘d ，以角速度刎顶时针旋转，在动 坐标系中圆盘0 ，相对静止，圆盘0 2 的圆心以角速度碰时针绕d j 点旋转，而圆盘 仍自身旋转的角速度为缈- - ( o - - - - 0 。圆盘d 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。由圆平动的特点可知：圆盘仍上任 意一点尸的相对运动轨迹的圆心m p 就是过尸作圆心0 j 0 2 连线的平行线m p 户与d j 北京化工大学硕卜学位论文 的交点，半径为c l = 0 1 0 2 ，p 点的运动轨道与圆d ，交于j p t 、j p 2 ，与圆盘d ，的根 圆切于c p 。 同理，如图2 1 所示，q 为圆盘仍上异于p 的点，且鳓q = 口。根据啮合原 理，介于尸、q 间每一点的轨迹都是一条中心在d ，上，半径为q 的圆弧，q 的轨迹 与圆盘d ，交于厶，和如两点，与圆盘d ，的根圆切于g 。 根据全啮合不干涉原理，螺杆i 的端面曲线应是螺杆口上所有点相对运动轨迹的 包络线。如图2 1 ，如果尸、q 分别是螺杆端面的螺棱的端点，那么整个螺棱p q 扫过的圆盘0 ，上的区域就是一个月牙形，其包络线有三段圆弧易，q 、o g ，g 山2 组成，这就构成了同向啮合双螺杆的端面曲线的一部分。 ，yi 麓酝 、 ) s 一，7y ，y t 、 m 吠 、- j 一。、7 、由 一 d 卜 j p t 图2 - 2 同向双头全啮合双螺杆端面曲线 f i 9 2 2c r o s s - s e c t i o nc u l w eo fi n t e r m e s h i n gc o - r o t a t i n gd o u b l eh e a d st w i ns 翎聊 2 1 1 2 端面啮合曲线的数学模型 如图2 2 所示，螺杆的端面曲线由易，0 ，q c q ，2 圆弧以及在大圆上的 厶嗨坞易，构成。由啮合原理可知：l t a 0 2 0 = 一 c p o l c q ，即圆盘仍螺棱上的尸9 一段 圆弧所对应的圆周角碲它们对应的轨迹在包络线上即第一圆盘上的夹角脚等。 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 所示， 建立两个直角坐标系0 1 x y 、0 2 x l 玢，0 2 在0 j x y 坐标系下的坐标为( q ，d ) 。 q q 段方程为： x 2 + y 2 = 碍 ( 2 1 ) c 如段方程为： ( x + ) 2 + ( 夕+ y 卢) 2 = c ：( 2 - 2 ) 其中： 2 r , e o s ( a 2 ) ( 2 3 ) y p = 足s i n ( a 2 ) 为了方便，端面曲线的方程利用极坐标表示。极点在d ，极轴与d 轴重合， 1 2 第二章基础理论 半径为p ，极角为0 。端面曲线的数学模型是： 4 0 ) = 一足c b s c 臼一詈，+ 乏：= _ 二：面 一枷c ，r - 0 - 2 ) + 乒i 巧 一足c - o s c 臼一万一詈，+ ：_ 二二：五码 举s c 2 n - 0 - 2 ) + 乒i 面 一竺0 竺 2z 万一竺0 万+ 竺 22 竺0 三一旦 222 三+ 鱼秒万一旦 2z2 万+ 竺0 一3 z r 一丝 222 丝；曼0 2 万一旦 222 三一曼0 至+ 星 2z22 等一旦2 03 2 n + 譬2 - 4 。)222 【 2 1 1 3 螺杆的数学模型 在原平面坐标系中加入d z l ，d 2 汤构成两个右手正交坐标系o i x y z 、 o e x t 乃z 1 ，如图2 3 所示。 图2 3 中端面曲线绕乃轴做平面转动的同时沿乃轴匀速上升形成螺旋面。若对 上述端面曲线数学模型加以修改，考虑当历轴从d 到丁变化时，端面曲线整体绕中 心旋转一周，对应不同的初值，端面曲线处于不同位置，这样即可得到任意初始位 置时端面曲线的数学模型： 图2 - 3 螺杆三维模型的生成 f i 9 2 - 3t h ef o r m i n go f3 - dm o d e lo fs c r e w 北京化工大学硕十学位论文 4 伊) = 咒 一薹口+ 薹 石一詈口+ 万+ 。兰。 吨删+ 一争i q 2 _ r s 2 s i n 2 ( 0 + _ 2 )詈蚺鲲互2 譬 - v 。c o s ( 万一口一饰一善) + f q 2 _ r s 2 s i n 2 ( # _ 0 _ 0 0 - 2 ) 三+ 譬口+ 鲲万一善 - r ，c o s ( 臼+ 一万一争+ 口一2 c 口+ 份一万一善，万+ 善p + 绲萼一笔 - r , c o s ( 幼岳一争i q 2 _ r s 2 s i n 2 ( 2 ，r _ 0 _ o o _ 2 ) 3 2 z t + 挚+ 纫一罢 用变量妒替代吼， 至2 一壁2 p + 至2 + 丝2 ，u 誓一笔姗萼 协5 ， 则得到在直角坐标系中螺杆三维立体图形的数学模型： p ( o ，乍, ) c o s o p ( o ，妇p ) s i n o r 瓦妒 ( 2 6 ) 2 1 1 4 中心距与螺顶角的关系 从啮合原理可知，同向旋转的螺杆端面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 所 示。这三部分对应的圆心角分别为a ，卢、却。对于单头螺纹： 口+ + 4 a p =