同向双螺杆熔体输送段螺杆设计参数的研究

论文摘要

啮合同向双螺杆挤出机以其积木式结构带来的多变性和适应性以及优异的混合性能,在成型、共混、改性、反应挤出等聚合物加工过程中得到了广泛应用。同向双螺杆挤出机的挤出过程一般包括固体输送、熔融、排气、熔体输送等阶段,熔体输送段螺杆的输送特性和混合特性直接影响其生产能力的大小和产品的质量。本文运用数值模拟和实验研究相结合的方法,对啮合同向双螺杆熔体输送段螺杆的参数设计方法和若干理论问题进行了研究,为螺杆参数的设计提供了若干理论依据。本文总结出基于螺杆端面曲线和基于螺杆轴向螺槽曲线的螺杆元件常用的两种三维建模方法,灵活运用这两种方法可以对任意形状的螺杆元件进行建模。运用相似放大方法,采用“大型机模拟-相似放大-小型机模拟-小型机实验”的方法为大型造粒挤出机的设计提供理论依据。用几何相似确定螺杆构型和机筒组合；按容积相似放大计算产量；用平均剪切速率相似放大确定螺杆转速。在相似放大过程中,采用流场模拟计算平均剪切速率的大小来进行剪切速率相似放大确定螺杆转速,根据产量用容积输送效率来计算螺杆直径等几何参数。理论最大容积输送效率的大小能表征出元件的正位移输送能力的强弱；用模拟的方法求出元件流道的压差流量关系进而求出理论最大容积输送效率；大型啮合同向双螺杆挤出机的设计产量对应的容积输送效率一般在10%～20%。本文探索了螺杆元件的建压能力及充满长度预测方法,数值模拟和实验结果表明：元件组合的建压能力近似等于单个元件的建压能力之和。并可用模拟计算建压能力的方法和实验方法来预测螺杆充满长度,为熔体输送段螺杆建压元件的类型和长度的选择和分析提供了理论依据。用流场模拟和实验研究的方法研究了SME元件的混合特点及其最佳的螺杆组合方式：SME元件由于其螺棱上开有反向沟槽,回流量较大分布混合能力较强,是一个比较好的分布混合元件；熔体输送段采用SME元件的螺杆组合分布混合效果好,放置在螺杆的头部时回流量最大,分布混合能力最强。运用数值模拟计算方法对螺杆轴向力和扭矩进行了理论计算,并通过实验方法对螺杆轴向力进行了实验研究,为螺杆设计提供了理论依据。实验表明,螺杆轴向力由机头静压力和附加轴向力组成。并通过实验测得的螺杆轴向推力与机头静压力之间的比例关系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 同向双螺杆挤出机设计及熔体输送段螺杆设计概述
• 1.2 同向双螺杆螺纹元件几何学及建模方法
• 1.2.1 同向双螺杆螺纹元件几何学
• 1.2.2 同向双螺杆螺纹元件的三维建模方法
• 1.3 螺杆元件熔体输送和混合特性的研究进展
• 1.3.1 Booy的二维解析模型
• 1.3.2 流场模拟研究进展
• 1.4 同向双螺杆挤出机的相似放大方法综述
• 1.4.1 W.P公司ZSK机型的相似放大
• 1.4.2 Berstorff系统ZE机型的相似放大
• 1.4.3 APV系统MP机型的相似放大
• 1.4.4 焊接工程师公司CRNI机型的相似放大
• 1.4.5 Farrel公司FCM机型的相似放大
• 1.4.6 相似放大实例和国内的研究
• 1.5 本课题研究的目的、意义及主要内容
• 1.5.1 论文选题的目的和意义
• 1.5.2 本课题的主要研究内容
• 第二章 同向双螺杆螺纹元件几何学及建模方法
• 2.1 基于螺杆端面曲线的三维建模方法
• 2.1.1 基于螺杆端面曲线的Pro/E建模过程
• 2.1.1.1 螺杆端面曲线
• 2.1.1.2 螺旋引导线
• 2.1.1.3 扫掠和旋转复制
• 2.1.2 基于螺杆端面曲线的GAMBIT建模过程
• 2.2 基于螺杆轴向螺槽曲线的三维建模方法
• 2.2.1 螺杆轴向螺槽曲线方程
• 2.2.1.1 螺槽底部轴向宽和螺棱轴向宽度
• 2.2.1.2 螺槽底部深度和螺棱顶部深度
• 2.2.3 螺杆法向螺槽曲线
• 2.2.4 基于螺杆轴向螺槽曲线的Pro/E建模过程
• 2.3 同向双螺杆三维建模方法的应用
• 2.3.1 螺杆元件的加工
• 2.3.2 建立流场模拟的模型
• 2.4 小结
• 第三章 数值模拟方法和数理模型
• 3.1 数理模型、物性参数、有限元模型及边界条件
• 3.1.1 数理模型
• 3.1.2 物性参数
• 3.1.3 有限元模型及边界条件
• 3.2 流场分析中对熔体输送、混合特性和力学状态的描述
• 3.2.1 输送特性分析
• 3.2.2 混合特性分析
• 3.2.3 螺杆受力状态
• 3.3 在POLYFLOW软件中有限元网格划分的优化方法
• 3.4 各螺杆元件的有限元模型
• 3.4.1 GDT（过渡体）
• 3.4.2 SPACE元件
• 3.4.3 SME/34/20/20元件
• 3.4.5 SE/34/20/20元件
• 3.4.6 SE/34/30/23元件
• 3.4.7 组合元件SE/34/20/20+SE/34/30/30
• 3.4.8 组合元件SE/34/20/20+SME/34/20/20
• 3.4.9 熔体输送段螺杆三种构型组合元件
• 3.4.10 大型挤出机螺杆元件
• 第四章 模拟结果及理论分析
• 4.1 流道平均剪切速率的模拟结果和分析
• 4.1.1 大型挤出机螺杆元件流场的平均剪切速率模拟结果和理论分析
• 4.1.1.1 SE315/300元件流场的平均剪切速率模拟结果
• 4.1.1.2 螺杆设计参数和操作条件对流道平均剪切速率的影响
• 4.1.1.3 最大、最小剪切速率的计算
• 4.1.2 小型实验挤出机螺杆元件流场的平均剪切速率模拟结果和理论分析
• 4.2 SME元件的混合性能
• 4.3 螺杆元件建压能力的模拟结果和理论分析
• 4.3.1 GDT（过渡体）
• 4.3.1.1 过渡体流道的压力场和剪切速率场
• 4.3.1.2 操作条件对GDT流道建压能力的影响
• 4.3.2 SPACE元件
• 4.3.3 SME34/20/20元件
• 4.3.4 SE/34/20/20常规螺纹元件
• 4.3.5 SE/34/30/23常规螺纹元件
• 4.3.6 元件组合SE/34/20/20+SE/34/30/30
• 4.3.7 元件组合SE/34/20/20+SME/34/20/20
• 4.3.8 同向双螺杆熔体输送段元件组合的建压能力计算方法
• 4.3.9 用元件组合的建压能力计算方法预测充满长度
• 4.4 容积输送效率的模拟结果和理论分析
• 4.4.1 容积输送效率的计算
• 4.4.2 螺杆设计参数对容积输送效率的影响
• 4.4.3 设计产量对应的实际容积输送效率分析
• 4.4.4 容积输送效率小结
• 4.5 元件组合的分布混合性能与受力状态
• 4.5.1 三种构型元件组合的回流系数对比
• 4.5.2 螺杆元件组合的轴向力模拟结果及理论分析
• 4.5.2.1 压力场
• 4.5.2.2 元件组合的轴向力
• 4.5.3 螺杆扭矩的模拟结果及理论分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 相似放大理论及应用
• 5.1 几何相似放大（确定螺杆构型和机筒组合）
• 5.2 容积相似放大（确定加料量）
• 5.2.1 容积相似放大的选择
• 5.2.2 容积相似放大的计算
• 5.2.3 计算结果
• 5.3 剪切速率相似放大（确定螺杆转速）
• 5.3.1 剪切速率相似放大的选择
• 5.3.2 平均剪切速率模拟计算
• 5.3.2.1 大型机常规螺纹元件的平均剪切速率模拟计算结果
• 5.3.2.2 小型机的平均剪切速率模拟计算
• 5.3.3 螺杆转速的相似放大结果
• 5.4 小结
• 第六章 实验研究
• 6.1 实验设备
• 6.2 实验物料
• 6.3 实验方案
• 6.3.1 加料量标定
• 6.3.2 压力传感器校核
• 6.3.3 螺杆构型混合能力实验方案
• 6.3.4 元件组合建压能力实验方案
• 6.3.5 螺杆轴向力实验方案
• 6.3.5.1 实验原理
• 6.3.5.2 实验过程
• 6.4 实验结果及讨论
• 6.4.1 螺杆构型混合能力实验结果及讨论
• 6.4.1.1 环境扫描电镜照片（SEM）
• 6.4.1.2 拉伸测试结果与讨论
• 6.4.2 元件组合建压能力实验结果及讨论
• 6.4.2.1 操作条件单因素变化对元件组合建压能力的影响
• 6.4.2.2 螺杆构型对元件组合建压能力的影响
• 6.4.2.3 元件组合建压能力对充满长度影响的实验结果及讨论
• 6.4.2.4 元件组合的建压能力实验结果和模拟结果的比较
• 6.4.3 螺杆轴向力实验结果及讨论
• 6.4.3.1 拉杆总拉力的计算方法
• 6.4.3.2 机头静压力的计算
• 6.4.3.3 拉杆总拉力（轴向力）和机头静压力实验结果及讨论
• 6.4.3.4 误差分析
• 6.4.4 螺杆构型对功耗的影响
• 6.5 小结
• 第七章 结论
• 7.1 课题研究的主要结论
• 7.2 课题的创新点及主要贡献
• 7.3 课题有待进一步研究的内容
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 附件