嵌套螺杆式新型挤出机的研制与理论研究

论文摘要

传统挤出理论仅以螺杆为研究对象,而把螺杆和机筒作为整体研究的较少。本文将螺杆和机筒作为统一的研究对象,以嵌套螺杆式新型挤出机的研制和理论研究为主线,对该新型挤出机的设计原理、喂料系统、挤压系统、传动系统、固体输送段的固体输送模型和固相温度模型、熔体输送段的熔体输送模型和熔体温度模型等方面进行探索和研究。在系统设计和理论分析的的指导下,研制了国内首台具有自主知识产权的内外螺杆直径组合为32/50的嵌套螺杆式新型挤出机,并成功实现了单机双层复合共挤出,填补了国内单机复合共挤技术的空白。嵌套螺杆式新型挤出机的技术核心是采用嵌套式螺杆,外螺杆为中空结构,内螺杆嵌套在外螺杆芯部,内外螺杆由独立的传动装置驱动,内螺杆可静止或与外螺杆作反向旋转运动,旋转的外螺杆相当于内螺杆的机筒。运用系统工程设计原理,全面剖析了嵌套螺杆式新型挤出机的工作原理、结构特点和设计难点,重点对新型挤出机的喂料系统、挤压系统、传动系统和单机双层复合共挤棒材机头进行了结构设计。构建了嵌套螺杆式新型挤出机固体输送段的固体输送模型和二维非等温固相温度模型。固体输送模型首次考虑螺杆离心力和物料压缩性的综合作用,分析讨论了内外螺杆固体输送段的牵引角、压力分布和速度分布的变化规律,理论分析和实验现象比较吻合。利用有限差分数值方法分别对嵌套式螺杆新型挤出机的机筒内表面、外螺杆底面、外螺杆内表面三个不同界面处的固相温度分布进行了求解,分析讨论了机筒温度、螺杆转速、摩擦系数及压力等参数对内外螺杆固相温度分布的影响。理论分析和数值计算为正确制定嵌套螺杆式新型挤出机的结构几何参数和挤出工艺参数提供了科学依据。建立了嵌套螺杆式新型挤出机熔体输送段的熔体输送模型和熔体温度模型。熔体输送模型考虑了机筒正向拖曳、螺杆螺棱的正向推力置换和螺杆芯轴反向拖曳的综合作用,并与文献结果对比验证了该模型的正确性,分析讨论了内螺杆熔体输送段的体积流率、熔体速度、等速线分布以及横向流动等,计算结果和嵌套螺杆式新型挤出机的实验值比较一致;采用拉普拉斯变换详细推导了内外螺杆熔体温度分布的解析解,并针对幂率流体模拟了一定工艺条件下内外螺杆熔体沿轴向和沿槽深方向的温度分布。这些理论分析和数值计算为科学制定嵌套螺杆式新型挤出机的螺杆几何参数和挤出工艺参数提供了理论依据。本研究取得的阶段性成果不仅可为该机型的研制和应用提供理论依据,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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• Contents
• 符号说明
• 第一章 综述
• 1.1 挤出机的发展
• 1.2 复合共挤出技术的发展
• 1.3 单螺杆挤出理论的研究文献
• 1.3.1 固体输送理论
• 1.3.2 熔融理论
• 1.3.3 熔体输送理论
• 1.4 嵌套螺杆结构及单机复合共挤的相关研究
• 1.4.1 SDS分离型螺杆
• 1.4.2 XLK分离型螺杆
• 1.4.3 多螺杆挤出机
• 1.4.4 特殊实验挤出机
• 1.4.5 熔融段机筒旋转
• 1.4.6 Conex挤出机
• 1.4.7 双螺槽单机双层复合共挤出
• 1.5 本课题的研究意义、可行性分析及研究内容
• 1.5.1 论文选题的意义
• 1.5.2 可行性分析
• 1.5.3 本课题的主要研究内容
• 1.5.4 本课题的创新之处
• 第二章 新型挤出机的结构设计
• 2.1 设计要求及设计难点
• 2.2 加料系统设计
• 2.2.1 越过屏障加料方式
• 2.2.2 穿过屏障加料方式
• 2.3 螺杆结构设计
• 2.3.1 螺杆强度计算
• 2.3.1.1 危险截面应力分析
• 2.3.1.2 外螺杆开孔截面处的应力集中分析
• 2.3.1.3 螺杆材料选择
• 2.3.2 减小内螺杆长径比的措施
• 2.3.3 优先数和优先数系的确定
• 2.4 传动机构设计
• 2.4.1 传动机构的类别
• 2.4.2 传动机构的设计要点
• 2.5 单机双层复合共挤棒材机头设计
• 2.5.1 棒材机头设计
• 2.5.2 分流板设计
• 2.5.3 机头动密封
• 2.6 本章小结
• 第三章 新型挤出机的固体输送模型
• 3.1 物理模型
• 3.1.1 基本假设
• 3.1.2 速度分析
• 3.1.3 加速度分析
• 3.2 数学模型
• 3.2.1 连续性方程
• 3.2.2 运动方程
• 3.2.3 数学模型的求解
• 3.2.3.1 无量纲化
• 3.2.3.2 边界条件
• 3.2.3.3 连续性方程的无量纲化及线性处理
• 3.2.3.4 运动方程的无量纲化以及线性处理
• 3.2.3.5 模型求解
• 3.3 分析与讨论
• 3.3.1 离心力系数和摩擦力系数
• 3.3.2 螺杆离心力和物料压缩性对牵引角的影响
• 3.3.3 螺杆离心力和物料压缩性对压力分布的影响
• 3.3.4 螺杆离心力和物料压缩性对速度分布的影响
• 3.3.5 固体输送段的长度
• 3.3.6 极限压力与摩擦热
• 3.4 本章小结
• 第四章 新型挤出机的固相温度分布研究
• 4.1 二维非等温固相温度模型
• 4.1.1 机筒内表面的固相温度
• 4.1.2 外螺杆底面的固相温度
• 4.1.3 外螺杆内表面的固相温度
• 4.1.4 内螺杆底面的固相温度
• 4.2 固相温升的计算模式
• 4.3 物料摩擦系数的确定
• 4.4 分析和讨论
• 4.4.1 模型对比
• 4.4.2 实验验证
• 4.4.2.1 实验一
• 4.4.2.2 实验二
• 4.4.3 新型挤出机轴向固相界面温度分布
• 4.4.3.1 三个不同界面处的轴向固相界面温度分布
• 4.4.3.2 外螺杆轴向固相界面温度分布
• 4.4.3.3 螺杆转速对轴向固相界面温度的影响
• 4.4.4 新型挤出机槽深方向固相温度分布
• 4.5 本章小结
• 第五章 新型挤出机的熔体输送模型
• 5.1 物理模型
• 5.2 数学模型
• 5.2.1 基本假设
• 5.2.2 模型求解
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 与Campbell实验值的对比
• 5.3.2 内螺杆熔体输送体积流率
• 5.3.3 内螺杆熔体等速线分布
• 5.3.3.1 内螺杆轴反向拖曳作用的等速线分布
• 5.3.3.2 内螺杆螺棱正向推力作用的等速线分布
• 5.3.3.3 外螺杆内表面正向拖曳作用的等速线分布
• 5.3.3.4 内螺杆轴和螺棱共同作用的等速线分布
• 5.3.3.5 内外螺杆反向旋转的等速线分布
• 5.3.4 内螺杆压力流分布
• 5.3.5 内螺杆横向流动
• 5.4 实验分析
• 5.4.1 实验原料
• 5.4.2 实验设备
• 5.4.3 结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 新型挤出机的熔体温度分布研究
• 6.1 基本假设与基本方程
• 6.1.1 基本假设
• 6.1.2 基本方程
• 6.2 外螺杆熔体输送段的熔体温度分布计算
• 6.3 内螺杆熔体输送段的熔体温度分布计算
• 6.4 幂率流体无限平行平板模型详解
• 6.5 分析与讨论
• 6.5.1 与文献结果对比
• 6.5.2 新型挤出机幂率流体熔体温度分布
• 6.5.2.1 外螺杆轴向熔体温度分布
• 6.5.2.2 内螺杆轴向熔体温度分布
• 6.5.2.3 外螺杆槽深方向熔体温度分布
• 6.5.2.4 内螺杆槽深方向熔体温度分布
• 6.5.2.5 内外螺杆熔体黏度分布
• 6.6 本章结论
• 第七章 新型挤出机的挤出性能评价
• 7.1 实验设备
• 7.2 实验原料
• 7.3 结果与分析
• 7.3.1 内螺杆加料状况
• 7.3.2 挤出产量分析
• 7.3.3 螺杆扭矩分析
• 7.3.4 单机复合共挤状况
• 7.4 本章结论
• 第八章 全文总结
• 8.1 本文所做的主要工作和取得的阶段性成果
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 附录
• 附录1 嵌套螺杆式新型挤出机装配图
• 附录2 熔体输送段熔体温度分布计算程序
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 附件