往复式单螺杆销钉挤出机设计原理及混炼机理研究

论文摘要

近年来,往复式单螺杆销钉挤出机以其独特的混炼性能越来越多地应用于聚合物混炼加工领域。本文以WXJ-140往复式单螺杆销钉挤出机的研制开发为主线,对往复式单螺杆销钉挤出机的设计原理、挤压系统和传动系统运动仿真、混炼机理、螺纹元件内物料三维动态流动过程以及停留时间分布测量和建模等方面进行探索和研究。运用系统工程设计原理,全面剖析了往复式单螺杆销钉挤出机的结构特点,构建了挤压系统销钉-螺棱复合运动数学物理模型,通过运动仿真模拟,对其加工过程进行了全程、实时、动态和全方位观察和研究,完善了往复式单螺杆销钉挤出机挤压系统和传动系统的设计原理,并对WXJ系列往复式单螺杆销钉挤出机系列化开发理论进行研究和实践。采用有限元数值方法对往复式单螺杆销钉挤出机三种典型螺纹元件内物料流动及混合进行三维动态模拟,分析了工艺条件、物料特性以及销钉布置对挤出机分布、分散混合性能的影响。在数值模拟理论指导下,开发了国际上最先进的具有超高混合性能的四排销钉四条螺棱的新型混炼元件。在验证数字图像处理方法测量塑化挤出机停留时间分布可行性的基础上,对往复式单螺杆销钉挤出机的停留时间分布进行了实验研究。为了预测和控制挤出机的时间分布情况,分别应用化学反应工程和流体力学方法,根据机器的结构组成和螺杆的组合形式,建立了预测往复式单螺杆销钉挤压造粒机组停留时间分布的数学模型。目前,往复式单螺杆销钉挤出机的技术和市场基本上被瑞士Buss公司独家垄断,本研究取得的阶段性成果不仅可为该机型的系列化开发和推广应用提供理论依据,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 概述
• 1.1 往复式单螺杆销钉挤出机
• 1.2 往复式单螺杆销钉挤出机的发展沿革
• 1.3 我国往复式单螺杆销钉挤出机的研制现状
• 1.4 往复式单螺杆销钉挤出机理论研究的现状
• 1.4.1 往复式单螺杆销钉挤出机加工机理研究现状
• 1.4.2 往复式单螺杆销钉挤出机停留时间分布研究现状
• 1.4.2.1 停留时间分布的定义
• 1.4.2.2 停留时间分布研究实验方法
• 1.4.2.3 停留时间分布数学模型
• 1.4.3 挤出机相似放大理论研究的现状
• 1.5 本课题研究的意义
• 1.6 本课题主要研究内容
• 第二章 WXJ-140往复式单螺杆销钉挤出机的开发研制
• 2.1 往复式单螺杆销钉挤出机的结构分析
• 2.1.1 塑化系统
• 2.1.2 传动系统
• 2.1.3 熔体齿轮泵
• 2.1.4 抽真空系统
• 2.2 传动系统设计原理
• 2.2.1 摇摆箱
• 2.2.2 齿轮箱
• 2.3 塑化系统研发
• 2.3.1 加料段
• 2.3.2 熔融混炼段
• 2.3.3 排气段
• 2.3.4 熔体输送段
• 2.3.5 螺纹元件的设计方法
• 2.3.6 销钉的设计
• 2.4 运动仿真模拟
• 2.5 新型混炼元件的开发
• 2.6 相似放大理论研究
• 2.7 小结
• 第三章 往复式单螺杆销钉挤出机混合性能研究
• 3.1 混合原理
• 3.1.1 混合的概念
• 3.1.2 混合过程的要素
• 3.2 混合累积量化指标
• 3.2.1 分布混合指数
• 3.2.2 分隔比例
• 3.3 典型螺纹元件混合性能数值分析
• 3.3.1 基本假设及边界条件
• 3.3.1.1 基本假设
• 3.3.1.2 边界条件
• 3.3.2 动态混合过程
• 3.3.3 分布混合性能
• 3.3.4 分散混合性能
• 3.3.5 物料黏度对混合性能影响
• 3.3.6 销钉对混合性能影响
• 3.4 新型NKE混炼元件混合性能研究
• 3.4.1 动态混合过程
• 3.4.2 停留时间分布
• 3.4.3 分布混合性能
• 3.4.4 分散混合性能
• 3.5 小结
• 第四章 用流体力学方法计算停留时间分布的研究
• 4.1 几种典型的RTD模型
• 4.1.1 管流反应器模型
• 4.1.2 平行平板模型
• 4.1.3 单螺杆挤出机停留时间分布模型
• 4.1.4 基于流场数值解建立的RTD模型
• 4.2 往复式单螺杆销钉挤出机RTD分析
• 4.2.1 非线性拟合
• 4.2.2 工艺条件对螺纹元件RTD的影响
• 4.2.3 机筒销钉布置对RTD的影响
• 4.2.4 三种螺纹元件RTD对比
• 4.2.5 往复式单螺杆销钉挤出机停留时间分布的组合
• 4.3 小结
• 第五章 用化学反应工程方法计算停留时间分布的研究
• 5.1 几种典型RTD模型
• 5.1.1 理想反应器模型
• 5.1.1.1 塞流反应器模型PFR
• 5.1.1.2 连续搅拌釜反应器模型CSTR
• 5.1.2 非理想反应器模型
• 5.1.2.1 轴向扩散模型ADM
• 5.1.2.2 Wolf-Resnick模型
• 5.1.2.3 Yeh-Jaw模型
• 5.1.2.4 Gao模型
• 5.1.2.5 Zusatz模型
• 5.1.2.6 连续搅拌釜串联模型CIS
• 5.1.2.7 带回流的连续搅拌釜串联模型BC
• 5.1.2.8 双向回流连续搅拌釜串联模型DBC
• 5.2 有限元方法求解RTD模型
• 5.2.1 有限元方法求解RTD模型基本程序
• 5.2.1.1 网格划分
• 5.2.1.2 加权余量方程
• 5.2.1.3 线性方程组及求解
• 5.2.2 FEM方法求解RTD模型的可行性分析
• 5.2.3 BC模型和DBC模型的有限元求解
• 5.2.3.1 BC模型求解
• 5.2.3.2 DBC模型求解
• 5.3 往复式单螺杆销钉挤压造粒机组塑化成型系统RTD计算
• 5.3.1 塑化成型系统RTD模型
• 5.3.1.1 机头成型区
• 5.3.1.2 熔体齿轮泵输送区
• 5.3.1.3 螺杆塑化区
• 5.3.1.4 螺杆固体输送区
• 5.3.2 模型参数计算
• 5.3.3 模型参数与工艺条件之间的关系
• 5.4 小结
• 第六章 往复式单螺杆销钉挤出机停留时间分布实验研究
• 6.1 实验原理
• 6.2 Buss机RTD实验研究
• 6.2.1 实验设备
• 6.2.2 实验原料
• 6.2.3 实验步骤
• 6.3 实验结果与分析
• 6.3.1 DIP方法可行性验证
• 6.3.1.1 可重复性
• 6.3.1.2 色彩强度与示踪剂浓度的线性关系
• 6.3.1.3 对比实验
• 6.3.2 工艺条件对RTD的影响
• 6.3.3 BP神经网络模型预测Buss机停留时间分布
• 6.3.3.1 非线性回归分析
• 6.3.3.2 BP神经网络模型
• 6.4 小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 本文所做的主要工作和取得的阶段性成果
• 7.2 研究展望
• 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