PVC平行异向双螺杆挤出机螺杆的研究探究新

／-／L26分类号UDCY777973孝卞斜放大浮硕士学位论文PVC平行异向双螺杆挤出机螺杆的研究学位申请人：王增富学科专业：机械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 指导教师：吴昌林教授论文答辩日期2QQ璺生!Q目2Q目学位授予日期生县目答辩委员会主席挂涸生评阅人至盛型堕基昌嫠墓燕华中科技大学硕士学位论文摘要挤出机是型材生产所需的关键设备，它的作用是将PVC与其它辅料混合的于混料经过螺杆的塑化作用，使之成为熔融的塑料，并通过模具定型成门窗所使用的型材。其中挤出机的螺杆是决定物料塑化质量的核心部件，决定型材产品的质量和稳定性。93挤出机在生产过程中，我们发现其塑化质量不很理想：稳定性差、排气性能不好、对配方的要求很高、适应性差等缺陷。因此决定对其进行研究，设计新的螺杆，提高挤出机的塑化能力和适应性，为适应新的配方作好充分的硬件准备。本文详细介绍了国内外挤出机的发展现状；对93挤出机结构特点进行了阐述，并重点对其螺杆各段情况进行了详细分析，并提出改进 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，经过生产试验并进行适当修整，设计并制造出符合目前生产条件和未来发展所需要的螺杆结构；另外本文还利用编程生成节点、单元的方法，提出了一种新的异向双螺杆螺纹几何造型程序，建立了异向双螺杆流道的三维等温模型；并利用ANSYS有限元分析软件对全满状态下的异向双螺杆熔体输送段的牛顿流场、非牛顿流场进行了三维等温模拟，模型考虑了螺杆机筒间的所有间隙及速度条件，借助ANSYS有限元求解器，求出了速度场、压力场和粘度场，利用流场计算结果，分析了平行异向双螺杆挤出机熔体输送段的挤出特性，据此提出对93挤出机螺杆进行改进的措施，并进行实验，取得成功。关键词：异向平行挤出机几何造型三维流场华中科技大学硕士学位论文AbstractExtruderisthekeyequipmentforproducingdoorandwindowprofile．ItplasticizesthemixeringmaterialofPVCandotherauxiliarymaterialbyusingofscrew，andmakesitmeltingplastic．Thenthemeltingplasticbecomewindowordoorprofilewhenitthroughtoolandcooledbycoolingwater．Inthisprocessthescrewofextruderisthekeyunit．Itdeterminesthequalityandstabilityofproduct．Whileextruder93importedfromAustriacannotplasticizeideally，hasbadstability、gasventingandadaptability．Itneedgoodqualityformulation．Therewasalsoapairofscrewofonelinewasdamagedbysomethingharddroppedinthebarrelabnormally．SowedecidedtOresearchanddesignapairofnewscrew，Andtobuildthefoundationofformulationadjustmentinthefuture．Inthisthesisthedevelopmentofinternalandexternalextruderisintroducedindetail．ThestructureOf93extruderiSdescribed．Thestructureofeveryzoneofscrewismainlyanalyzed，andtheimprovemeasureissupplied．Aftertestedwemadethescrewwhichisbetter．Anewsimplifiedapproachwasproposedforthecounter—·rotatingtwin·-screwgeometrymolding．Three·dimensionalmodelofthemeltconveyingzoneintheextruderwasestablishedbymakingprograms．Wegotthenodeandelement．BytheUSeofANSYSsoftware，wehavecarriedoutthree-dimensionalflowsimulationsofmeltconveyingzoneintheintermeshingcounter—rotatingtwin-screwextruders．Extrusionpropertiesarecomparedunderdifferentgeometryandoperationalconditions．Accordingtotheresult，wegotthemethodofdesigningofscrewof93extruder．Wemadeapairofscrewsandgotachievement，Keywords：Counter-rotatingtwin·screwextrudergeometrymoldingthree—dimensionalflowfield．11独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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。学位论文作者签名：q分繁马日期：细叶年f。月?口‘日学位论文版权使用授权 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密留。(请在以上方框内打“一”)学位论文作者签名：≥埔岛日期：纠年fo月耳^日指导教师签名：黼日期：却4年fO月；口日华中科技大学硕士学位论文1绪论1．1概述PVCf-1窗起源欧美，九十年代末我国引进PVC型材和PVC门窗的生产技术。与传统门窗相比，PVC门窗具有美观、隔音、环保、节能等优越性，因而得到广大用户的青睐和政府部门的大力推广。在政府相关部门和塑钢门窗行业人士的共同努力下，PVC门窗行业得到了长足的发展，PVC门窗广泛的应用于办公楼宇和家庭装修。现在全国有多家大型PVC型材厂，其中以大连实得有限公司，北新建塑有限公司，芜湖海螺有限公司为代表，总产量达到百万吨。在门窗市场，PVC门窗已经占有率达到门窗市场总份额的50％，而且每年仍在不断地增长。塑钢门窗异型材的生产主要原料有PVC、碳酸钙、钛白粉、稳定剂等，通过混料机将这几种原料进行混合成干混料，通过挤出机进行塑化，然后通过安装在挤出机头的模具将挤出机塑化挤出的物料定型，通过定型模冷却定型，定长切割后即可。商用双螺杆挤出机问世于二十世纪三十年代。因为起步较晚，而且双螺杆挤出机不论其结构和理论都比较复杂，起初人们对双螺杆挤出机的工作机理、螺杆的设计理论认识不足，使得双螺杆挤出机的设计和制造存在不少问题。早期的双螺杆挤出机没有良好的机械可靠性，功能不够完善，主要是受推力轴承及传动系统设计局限性的限制，因此并未得到广泛的应用。经过半个多世纪的不断改进和完善，双螺杆挤出机的结构性能得到了长足的发展，特别是六十年代后期，由于开发出了应用于双螺杆挤出机的专用推力轴承，使得双螺杆挤出机在聚合物加工领域得到迅速发展。1960年，奥地利Anger兄弟公司用Kestemann公司的异向双螺杆挤出机进行硬聚氯乙烯挤出实验获得巨大成功。从此异向旋转啮合型双螺杆挤出机因其在加工对温度和剪切敏感物料方面的独特优势，而在硬聚氯乙烯加工领域占据了重要地位，成为挤出成型领域内的重要机型。在聚合物加工领域中，它主要用来加工硬聚氯乙烯制品，如：管材、板材、异型材，所以从这种意义上讲，双螺杆挤出机的发展是与聚氯乙烯的成型加工紧紧联系在一起的【2】【3l。华中科技大学硕士学位论文通过对90—23和93平行双螺杆挤出的研究发现，在生产过程中，90挤出机工作稳定，塑化质量很好，而93挤出机塑化质量不很理想，生产稳定性和产品质量不高，对配方要求比较高，对配方的适应能力差。通过对93挤出机螺杆的分析研究，我们认为其主要原因在于螺杆结构上存在差异，设计新型的螺杆，改善其加工性能。双螺杆理论研究的难点集中在于螺杆啮合区，由于该区几何形状非常复杂，以往设计大多依靠经验，国内外都极少见到有关异向旋转啮合型双螺杆挤出机理论分析的研究报道。目前，关于双螺杆挤出过程的研究主要集中在熔体输送段，这是因为该区段物料的输送特性更明显地影响着双螺杆挤出机的工作特性，并且物料在这一区段是完全熔融的，因此其流动过程的求解方法可借鉴流体力学的研究成果【’1。1．2挤出机简介和国内外研究动态1,2。1双螺杆挤出机的分类由于设计原理、工作原理以及应用领域方面存在很大差异，双螺杆挤出机种类繁多，性能各异。文献对双螺杆挤出机大致分以下几种【5可】：1)根据啮合形式分为啮合与非啮合型双螺杆挤出机。非啮合型双螺杆挤出机多为用于实验室的小型机台，目前仅美国Weldingengineering公司生产，国内还未大批量投入生产实际当中：2)根据两根螺杆旋向的异同分为同向旋转和异向旋转双螺丝杆挤出机；3)根据两根螺杆的轴线相交或是平行分为平行双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机：4)根据啮合区是开放还是封闭分为纵向开放或封闭、横向开放或封闭等几种情况。异向旋转双螺杆挤出机可分为平行和锥形两大类，前者两根螺杆的轴线互相平行，后者两根螺杆的轴线相交成一角度。目前流行的平行异向双螺杆挤出机多为在啮合区纵横向都封闭，即共轭型的。锥形双螺杆挤出机与啮合型平行异向双螺杆挤出机的工作机理基本相同。如果将其设计成啮合区螺槽纵横向皆封闭的，则其输送能力和建压能力都很强；因其加料端两螺杆轴线间有较大的空间，可以采用大的止推轴承和2华中科技大学硕士学位论文扭矩分配齿轮，从而能承受高扭矩和高推力负荷，很适合挤出硬聚氯乙烯类制品[31[rl。鉴此，目前工厂挤出PVC制品的中、小型异向双螺杆挤出机大多是锥形双螺杆挤出机。但当螺杆直径大到一定程度时，锥形双螺杆挤出机需要大尺寸的止推轴承和扭矩分配齿轮，使得机器结构过于庞大，因此这种情况下最好采用平行异向双螺杆挤出机。目前串联止推轴承的设计制造已经成熟，因而锥形和平行双螺杆挤出机两者传动系统制造难易的差异正在缩小，较突出的问题是锥形双螺杆挤出机螺杆及机筒的加工制造难度较大，且磨损较大，制造成本比平行机要高，因此目前螺杆直径在F55～80mm以下的异向双螺杆挤出机多采用锥形双螺杆机。但也有直径F30左右的平行异向双螺杆机，多用于实验室等场合。而直径F80以上者多采用平行双螺杆机。1．22双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的主要差别【”1双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的主要差别有两点：首先是它们的输送机理不同。单螺杆挤出机中的物料传送是拖曳，固体物料与金属表面之间磨擦系数的大小以及熔体物料的粘度在很大程度上决定了单螺杆挤出机输送能力的强弱；啮合型异向双螺杆挤出机中物料的传送是正位移输送，随着螺杆的回转，物料被相互啮合的螺纹强制性地向前推进，其正位移输送的程度取决于一根螺杆的螺棱与另一根螺杆的螺槽的接近程度。用紧密啮合的异向旋转双螺杆挤出机可获得最大的正位移输送。其次，二者的速度场不同。单螺杆挤出机中速度分布相对来说比较明确并且易于描述，双螺杆挤出机中的情况则相当复杂且描述困难，这主要是由于双螺杆挤出机中啮合区的存在造成的。许多研究者通过忽略双螺杆挤出机中啮合区的漏流对其流场做了分析，然而发生在啮合区的漏流的与双螺杆挤出机的混合特性和总体行为有很大关系，因此在不计啮合区漏流的情况下所做的流场分析虽然具有一定的参考价值，但其实用价值不大。由于发生在啮合区的复杂流动使得双螺杆挤出具有混合充分、热传递均匀、熔融能力强、排气性能良好等诸多优点，所以许多科研工作者为了更准确地分析啮合区的流动正在做着不懈的努力。与单螺杆挤出机相比异向双螺杆挤出机具有很多优点：(1)加料容易。由于双螺杆挤出机是靠正位移原理输送物料，不产生压力回流，因此可以加粘度很高或很低的物料，以及与金属表面有很宽范围磨擦系数的物料，如带状料，糊状料，粉料及玻璃华中科技大学硕士学位论文纤维等。(2)物料在双螺杆挤出机中停留时间短，滞留时间分布窄，因此双螺杆挤出机适于jjⅡ7-热敏性物料。(3)优异的排气性能。这是啮合型双螺杆的自洁功能使得物料在排气段获得完全的表面更新所致。(4)优异的混合、塑化效果。(5)低的比功耗。双螺杆挤出机的比功耗比单螺杆挤出机低百分之三十左右，这使得双螺杆挤出机在节能、降耗方面具有明显的优势。1．213同向和异向双螺杆挤出机的比较[6】【81【39】[401双螺杆挤出机中两根螺杆的旋转方向和啮合程度的不同，导致了同向旋转双螺杆挤出机和异向双螺杆挤出机不同的泵送、混合和流动机理，同时也决定了这两类挤出机不同的用途。在啮合型同向旋转双螺杆挤出机中，物料在螺槽中的的流动为⋯8’字形螺旋流动。并且同向双螺杆挤出机转速较高，使得物料所受剪切作用较大。这些特点使得同向双螺杆挤出机具有优异的分散混合及分布混合能力、较窄的停留时间分布、优良的自清理效果等优点，因而被广泛应用于聚合物配混(共混、填充、增强)、排气(脱挥)及反应挤出(聚合物聚合及反应型改性)等领域。但与异向双螺杆挤出机相比，同向双螺杆挤出机的输送效率低，建压能力比较差，因此一般不能用来直接挤出制品(造粒除外)。若想获得高的挤出压力，则需在下游接聚合物熔体齿轮泵，或接第二阶单螺杆挤出机。这必将使机器设备成本提高。在啮合型平行异向旋转双螺杆挤出机中，物料被封闭在绕每根螺杆的C型小室中，作类似于齿轮泵中的正位移输送。异向双螺杆挤出机转速较低，物料剪切发热量小，因此它对物料的热稳定性要求不高，可以在物料成型温度范围的下限进行操作，从而使物料的耐降解安全系数提高【3J，特别适用于热敏性物料(PVC)的成型加工。与同向双螺杆挤出机相比，异向双螺杆挤出机输送效率高、排气效果及熔融效果好，对物料的分散混合效果较差，但建压能力强，因而可用来直接挤出制品。另外，异向双螺杆挤出机特别适于加工PVC粉料，可直接加入粉料而省去造粒工序，使制品成本下降百分之二十左右。异向旋转双螺杆挤出主要用于挤出PVC管材，型材，板材和造粒。1．2．4国内外研究动态华中科技大学硕士学位论文1．2．4．1异向双螺杆挤出机相似设计【9础】【41】【42】1990年KJGanzeveld和Janssan讨论了异向双螺杆的相似放大理论，同时H．Kartghoost等人讨论了锥形双螺杆的相似放大理论。相似设计的目的在于通过相似放大定律将从小型实验设备上得到的理论和成功经验应用到其他尺寸较大的挤出机螺杆设计中，得到直径不同而性能相似的新螺杆，从而达到最佳的设计效果。放大理论的基本原理是：采用无量纲形式，将与挤出过程相关的参数(包括几何参数，工艺参数，物性参数)无量纲化，从而减少相关参数的数量，并使用这一过程中的数学描述与所研究样机的规格无关。相似设计的基准参数是螺杆外径Db(对锥形双螺杆挤出机来说，取小端直径)。根据相似设计原理，奥地利CINCINNATIMILACRON公司以CMT58为样机成功地开发了35ram～92ram系列锥型双螺杆挤出机。采用模拟放大理论对双螺杆挤出进行研究，可把优质挤出机的参数及结构进行放大或缩小，促进了双螺杆挤出机的系列化。但这种方法是建立在大量实验的基础之上，公式中的参数变量只能过实验来获得，因而其应用比较困难。1．2．4．2双螺杆挤出机螺杆几何造型的理论研究。双螺杆几何学的研究是建立在单螺杆几何学基础上的。对双螺杆来说，螺杆主要尺寸之间的几何关系与单螺杆基本相似，但双螺杆啮合区的存在以及为保证螺杆正常工作所留的几个间隙使得双螺杆几何学比单螺杆几何学复杂得多。双螺杆几何学研究的开拓性工作是L．EB．MJanssen和Mooy完成的。Janssen在假设螺棱为梯形时推导出了一些有关几何参数的关系式，并由此计算出四个基本间隙及C形小室的容积。Mooy讨论了无间隙紧密啮合型同向双螺杆挤出机的螺杆端面曲线，提出了一些有益的结论。但由于他忽略了两个基本间隙(侧面间隙和径向间隙)，使得其结论具有一定的局限性。我国也有不少研究人员对双螺杆几何学进行了探索性研究：文献[131对全啮合双螺杆螺纹外形益线的形成过程用数学分析的方法进行了详细的推导，并用解析和几何两种方法总结出了同向和异向旋转双螺杆曲线形成上的共性及各自特点：文献[141根据双螺杆横截面几何造型方程，运用MDT软件包的曲面造型功能绘制同向和异向旋转双螺杆的三维实体图：文献[15]运用解析的方法对异向全啮合双螺杆挤出华中科技大学硕士学位论文机的几何原理进行了研究，并给出了螺杆端面曲线、螺杆形状、加工刀具的刀型曲线等数学模型。1．2．4．3异向双螺杆挤出机性能的研究【16’17J文献【16】介绍了错列型非啮合异向旋转波：状双螺杆挤出机的性能。作者借助计算机对流场方程进行求解，并将它与并列型双螺杆挤出机的挤出量、混合效果、所建立的螺杆头部压力以及螺杆特性线的求解计算及实验结果进行了比较，其物理模型的建立思路和方法以及数学模型的建立、数值计算、求解流场方程所用的方法和处理技巧与并列型基本相同。文献[17】用有限元的方法分析了牛顿流体在异向平行非啮合双螺杆挤出机(包括错列型及并列型)中的流动情况。作者认为流体在挤出机中的流动包括：螺杆旋转引起的拖曳流、机头压力产生的压力流、螺杆输送引起的螺棱上和啮合区的拖曳漏流和机头压产生的漏流。考虑到螺杆几何形状以及物料流动的复杂性，作者假设：流体是在全充满状态下不可压缩的、等温层流流体，并忽略惯性力的影响。在此前提下作者分别对错列型及并列型异向双螺杆挤出机中流体的流动方程进行了分析。尽管进行了上述一系列的假设，由于螺杆几何造型的复杂性，仍无法得到螺杆啮合区的流体速度方程的解析解。作者采用无量纲化的方法分析出了影响流动的物性参数和螺杆几何参数以及它们之间的相互关系，分析了螺杆各横截面上压力流的三维分布，并把所得结果与实验结果进行了对比。Janssen等人建立了完全充满状态下牛顿流体在双螺杆挤出机中的漏流模型。并指出双螺杆挤出机中共存在四种不同的漏流。通过对以上四种漏流进行详细的分析后，认为实际产量是理论产量与漏流之差，并画出了无因次挤出量与四种漏流之间的关系图表。最终得出的结论认为漏流是由三个因素决定的：移动壁面产生的拖曳流动、口模压力和各腔室中的流动所引起的内压所产生的压力流。1．2．4，4熔体输送机理的研究为了充分了解和优化挤出过程，人们对异向双螺杆挤机挤出过程中的熔体输送过程进行了一系列研究。国内外关于熔体在流道内的流动分析主要采用两种方法：解析法和数值计算法。由于螺杆形状复杂使得物料的流动呈三维状态，因此用解析法求6华中科技大学硕士学位论文解其流场几乎是不可能的：此外，因为加工过程中熔料的压力和温度较高，通过实验方法测定熔料所受的应力、应变、滞留时间分布、温度和压力经历等物理参数比较困难，迫切希望借助计算机辅助工程(CAE)技术掌握这些参数，为挤出机的合理设计和工艺条件的科学设定提供依据，因而近年来随着计算机在工程计算领域的飞速发展，使得CAE技术和数值计算方法越来越得到广泛应用。在高聚物加工过程中应用的数值解法主要有：有限元法(FEM)、有限差分法(FDM)和边界元法等三种，其中用得最多的是有限元法。Kim[181等人用FAN法对Farrel连续混炼机中的等温、稳定流动进行了分析，他们假设螺槽是充满的；Bang[19J等人对Kim等人的工作进行了改进，并考虑了饥饿喂料对流动的影响，但他们都没有考虑磨擦热的产生和传递；FunatsuKazumod等人进行了异向旋转非啮合连续混练机中非等温流动的数值模拟和实验验证120J：船滓和守等人对异向啮合双螺杆挤出机内的非牛顿流动进行了数值模拟[21’22l。H．Hwerman和K．Burkardtp】分析了熔体在C型小室内的环流，提出了异向双螺杆挤出机的熔体输送理论模型，并在忽略间隙和啮合区的影响的前提下，讨论了螺槽内及机筒内壁的剪切应力分布和螺槽内的速度分布。作者通过对剪切应力的分析指出双螺杆挤出机中存在“压延效应”，异向双螺杆挤出机转速低的原因即在于此。Jassen【llJ通过挤出机骤冷实验总结出双螺杆挤出机中的四个间隙和啮合区的存在。在分析了物料在这四个间隙中的流动状态后，发现压力梯度是影响物料流动的主要因素之一。他还分析了螺槽中沿轴向和径向的压力梯度，证明在靠近机筒壁面处轴线方向的压力梯度是常数。另外拖曳作用也会在C型小室切线方向产生压力梯度，在异向双螺杆挤出机中这种腔室切线方向的压差对通过压延间隙和侧向间隙的漏流有很大影响。迄今已出现的有关啮合双螺杆挤出机熔体输送段的理论模型主要有：板框模型、正位移泵模型和考虑四个间隙并包括啮合区的准三维模型等【2l】。A．板框模型图1—3为异向啮合双螺杆的一部分，不难看出由于螺杆的啮合，螺槽被阻隔成了一个个如图1．2所示的C形小室。板框模型把C形小室展成如图1-1所示的流动区域，它的一个特点在于以C形小室作为独立的研究对象来求解其内部熔体的流动，而华中科技大学硕士学位论文在计算时板框模型却又以平行板理论为依据分别求出顺螺槽方向和缧槽横向的速度◇⑨图i-I板框模型图1．2C形小室图1．3正位移泵模型和压力降。该模型假设：不考虑螺棱侧壁的影响，不考虑间隙和螺槽表现曲率的影响，不考虑啮合区，螺槽为矩形，且在整根螺杆上其形状和尺寸保持不变：物料为处于等温状态的牛顿型流体，流动是层流并且在沿螺槽方向是充分发展的。B．正位移泵模型正位移泵模型认为双螺杆如同一个强制输送的正位移泵，产量可以表示为每转从机头释放的净体积乘以转速。后来，为了考虑漏流的影响，人们又提出了将上述理论产量乘以一个修正系数，但这个系数的大小却众说纷纭。显然，该系数取决于设计参数和工艺参数，而且目前还无法在设计阶段确定。尽管如此，正位移泵模型仍然是个基本模型，虽然它对于同向双螺杆、非啮合(主要是异向)双螺杆的适用性还有争议，但公认它能从宏观上反映啮合异向双螺杆的强制输送作用。C．考虑四个间隙并包括啮合区的准三维模型【25J在分析了前两个模型的研究成果的基础上，又出现了一种包括啮合区、考虑四个间隙的物理模型和数学模型，即准三维模型。这是一种关于C型小室的新的物理模型。该模型把螺槽区和四个间隙联系起来，反映了异旋转啮合型双螺杆挤出机螺丝杆几何参数的变化以及主要流动和漏流之间的关系。在分析过程中作出如下假设：忽略惯性力、物料流动是稳定的层流、流动过程是等温的、熔体是不可压缩的牛顿流体。具体方法是在螺槽横截面上用二维有限元法、在与横截面垂直的方向上用差分迭代华中科技大学硕士学位论文法，在引入边界条件，建立有限元方程后，进行流量迭代、粘度迭代以及沿螺槽方向压力梯度的处理。该方法使得计算熔体输送段的总压力降、总扭矩和总功耗成为可能。尽管不少学者对异向双螺杆挤出机熔体输送理论进行了不断的研究，但这些模型普遍存在以下几个问题i：J：1)认为一个、两个、甚至三个方向的速度是充分发展的，或忽略一个或两个方向的速度，没有考虑压力梯度在任何方向上的变化。由于双螺杆螺槽较深，而且顺螺槽方向的流动还不断受啮合区的干扰，因此上述处理都不可能较真实地反映流场情况。2)对于双螺杆中存在的几种漏流，以上几种模型或者没有考虑，或者是用平行平扳模型理论或压延理论孤立地计算，因而不便考察间隙流动与螺槽内流动的相互作用，也不便考察C型小室之间的联系。3)以上模型只适于牛顿流体，而大多数聚合物熔体是非牛顿流体。4)上述模型一般用于解决一个c型小室中的流动和混合问题，缺乏对熔体输送段整体特性的认识。5)有些模型的建立缺乏全面的实验验证，有的根本未验证模型与具体实验的吻合度。(大量的实验与计算数据表明这些模型的计算结果与实验结果差别较大)6)上述模型在对熔体输送整体分析上回避了加料量的变化对挤出过程的影响，而实际上加料量是一个独立的操作变量，因此不应回避其影响。上述几种模型尽管有的过于简化，有的则无解析解，但都从不同的角度和深度上提示了熔体输送区的输送特性，这对认识双螺杆有很大帮助。但双螺杆挤出机之不同于单螺杆挤出机，恰恰在于它有啮合区及四个间隙。可以说，不计啮合区和四个啮合间隙的双螺杆理论模型，不可能从本质上全面、真实地反映双螺杆挤出机中物料的流动，因而也不可能是完善的模型。正是基于这一点，人们越来越重视啮合区及四个啮合间隙中物料的流动。Janssen等人对啮合区及四个啮合间隙中物料流动进行了深入的研究，得到了很多有用的结论，但就其所用的模型而言，还存在着美中不足的地方，就是没有建立起一个既包括螺槽区，又包括啮合区及其几个间隙的完整而统一的模型。在借鉴前人研究成果的基础上，本文建立了一个包括啮合区的三维等温模型，并分析了啮合区间隙的大小对螺杆挤出特性的影响，这对以后更深入的研究异向双螺杆华中科技大学硕士学位论文熔体输送机理有一定的帮助。1．2．45数值计算方法的研究【26枷】[31-341好的数学模型可以减少一系列复杂面又昂贵的实验。由于微分方程的复杂性，所以绝大多数问题的解决需要用数值计算法。常见的数值计算方法有：有限差分法、有限元法、边界元法，其中用得最多的是有限元法。下面就各种方法的特点作一个简单介绍：11．有限差分法(FDM)：有限差分法主要应用于模型较简单的场合，在求解非等温温度场时，可和有限元法结合使用，在流场分析中已很少使用。2)．有限元法(FEM)：有限元法具有一系列的优点，主要表现在以下两个方面：A．可方便地处理具有复杂边界条件的问题；B．稍加调整即可用于解决多种不同的问题。3)．边界元法：边界元法是工程上解决数学模型满足泊松方程和拉普拉斯方程问题的有效方法。理论上只要能求出原始微分方程的基本解，就可用边界元法进行求解。这几种方法各有利弊，应根据具体情况决定该采用的方法。从运动方程求解速度分布，可以用有限元法，也可用有限差分法。前者能处理各种复杂边界，但编程复杂；后者则简单明晰，但使用面窄，仅适用于规则边界。考虑到双螺杆挤出机的复杂边界，并借鉴前人的研究经验，可利用ANSYS软件通过编程对流场进行有限元计算。1970年，有限元法在挤出理论的研究中开始应用，首先是R．T．Fenner用有限差分法，随后他与Palit尝试用有限元法来分析螺槽中的二维流动。从1974年到1984年10年间，不少学者用有限差分法、有限元法和边界元法对不同螺槽截面进行了熔体流动分析。三维流动计算虽然很复杂，但在某些情况下似乎是必须的。例如，如果螺杆温度、机筒温度、熔体温度相关很大，或者粘性耗散热弓l起很大的温升，此时非等温流动的精确解便需要求出能量方程和运动方程的联立解，而且为计算由环流引起的温度影响，还必须求出槽深方向的三维速度场，这种非牛顿非等温问题必须用三维求解。1990年，M．Gupta用三维有限元模型绘制了很多螺槽中的速度和压力分布图。1993年，J．W．Joo用拟三维有限元法来分析停留时间分布。1．3课题研究的目的和意义及主要内容华中科技大学硕士学位论文1．3．1课题研究的目的和意义近几年来，异向旋转双螺杆挤出机在国内外得到了突飞猛进的发展，其产量、扭矩和螺杆直径大幅度地提高，应用也日益广泛。目前国外双螺杆挤出机已经发展到第五代，并且具有超深螺槽、超高扭矩、大功率、高产低耗和微机控制等特点。现在国外已把异向双螺杆挤出机的研究重点放在了扩大其应用范围，提高其加适应性以及先进测控系统的应用上。与发达国家相比，我国在双螺杆挤出机的设计制造及应用方面存在很大的差距。国内双螺杆挤出机开发及研究工作起步较晚，因此产品档次较低，系列化程度低，多数产品的技术水平、螺杆、机筒的精度、整机性能和质量与目前发达国家的发展水平有一定差距。目前，我国生产的异向旋转双螺杆挤出机多为锥形双螺杆挤出机，平行异向双螺杆挤出机很少，并且多为中、小型机，国内所需的大型挤出机几乎全部依赖进口。在双螺杆挤出的设计、计算以及制造技术方面仍有不少难点需要克服，这些都制约了我国双螺杆挤出技术与装备的发展。从国外引进的93平行异向挤出机因螺杆设计上存在缺陷，在生产过程中，我们发现其塑化能力不强，而且对配方的适应性差等缺点。如果进行配方改变，其将是一个很重要的制约因素，从而影响技术进步和成本领先，对生产经营很不利，因此迫切需要对螺杆进行研究，进行重新设计，提高其塑化能力及适应性。国内对异向双螺杆挤出机的理论研究才刚刚起步。在异向旋转啮合型双螺杆挤出机理论分析中，其压力场、温度场院及速度场等的分析都很复杂，因为它们不但受到螺扦复杂几何造型的影响，还受到物料之间，物料与机筒以及物料与螺杆之间产生的磨擦热和剪切热的影响。国内外都极少见到有关异向旋转啮合型双螺杆挤出机理论分析的研究报道，因此我们应该加大基础理论研究和应用研究的力度，不断提高我国塑料加工机械的技术水平。1．3．2本课题研究的主要内容本课题的主要工作是对异向双螺杆挤出机螺杆的设计及其挤出理论的研究，主要内容可分为以下三个方面：华中科技大学硕士学位论文1)对几何学进行研究，研究平行异向双螺杆的实体造型：2)对螺杆熔体输送段进行初步研究，建立接近实际的啮合型平行异向双螺杆挤出机熔体输送段的数学、物理模型，分析熔体在该段的流动过程并对流场进行简单计算：3)根据对流场计算的结果分析，对原{I}93平行异向双螺杆挤出机螺杆进行改进，使之满足生产UPVC型材的需要。华中科技大学硕士学位论文2异向双螺杆实体造型的研究2．1平行异向双螺杆实体造型【13】【15】f3712．1．1基本尺寸关系Ⅱ¨21双螺杆的几何形状如图2-1所示：_=_—_=——==——=：——二二二二二—LiI一一一一一一一了一1¨～。～⋯1—●S一广_一一一。-一～⋯一L————。——————L⋯一一一——～r!．”一“、、j一～“fi=■：j———J一图2—1异向双螺杆几何尺寸每根螺杆其主要尺寸之间的关系和单螺杆挤出机的螺杆完全相同，即：D6—2h=D，tg06；T／(ⅡD6)W6=B6COS日6(2—1)tg0，；T／(ⅡD。)W，=BCOS0，r奢nS其中：Db：螺杆外径，mm；D。：螺杆根径，mm；eb：以外径计算的螺纹升角，。；e。：以根径计算的螺纹升角，。；T：螺纹导程，mm；S：螺距，mm：wb：在外径计算的法向螺槽宽度，mm；w。：在根径计算的法向螺槽宽度，mm；华中科技大学硕士学位论文n：螺纹头数；h：螺槽深度，mm；Bb：在外径处计算的轴向螺槽宽度，mm：B；：在根径处计算的轴向螺槽宽度，mm。由于啮合异向双螺杆是相互啮合的(如图2-2所示)，无间隙紧密啮合的两根螺杆之间还应满足以下关系：ICL5(D。+D，)72(2-2、lCOS(a／2)=C￡／Db其中：CL为中心距，mill；a为啮合角，n。图中阴影部分为啮合区，正是由于这一区域的存在使得双螺杆几何关系更为复杂，并使混炼和塑化效果、产量、压力分布、速度分布等的计算更为困难。2．1．2啮合异向双螺杆旋转方向和螺纹旋向之间的关系【1ll在分析和设计双螺杆挤出机，为确保物料从加料口加入后能往机头方向输送，螺杆转动方向和螺纹旋向之间必须保持一定的关系。对于异向啮合型双螺杆挤出机来说，为保证物料正常输送，此关系有如图2-3所示的两种情况：根据挤出理论，异向旋转双螺杆挤出机为尽可能多地从料斗咬进物料，其螺杆上部应向外旋转，此时物料被送到下部楔形区后受到局部预压，进入到分布的C形室中。螺杆每转一转，物料在c形室中推进一个导程，物料输送是正位移输送。因此，现代商品化的异向双螺杆挤出机其螺旋方向、放置方向以及物料流动方向之间的关系都采用图2．3(a)所示的情况，即从加料口往机头方向看，左边的螺杆为右旋螺纹且逆时针旋转，右边的螺杆是左旋螺纹且顺时针旋转。异向双螺杆挤出机存在一个固有的问题：在物料进入双螺杆啮合区的间隙后，它将产生一个很大的使螺杆推向斜上方(如图2．4所示)的横压力P，这种效应通常称为“压延效应”，它加重了螺杆和机筒斜上方的磨损。为了减小此磨损，可以适当加大机筒和螺杆之间的间隙以及降低螺杆转速，但这要以降低挤出机的产量为代价。14华中科技大学硕士学位论文图2—2两螺杆的啮合关系—二=、==：、，‘＼f．协，。11、■—T了航々1■_r广‘／t＼：／、=：、竺：(a)向外旋转(b)向内旋转图2-3螺杆旋向萋≥，；7。荔姜沁塞ai睁j一-?j一|61．。，‘j-j够、j、kj～、+一i—ljo一_)j『‘√。～一，。jj、t===，=二二÷：：====≯：图2—4机筒的磨损区15P；r，rp算||■1，，o，∥}¨Prr。一Lj．◆。一翁√一一尉，_j～华中科技大学硕士学位论文2．1．3啮合异向双螺杆啮合机理及端面曲线的形成图2．5(a)为啮合异向双螺杆端面曲线的形成过程示意图【151。其中A，B两盘半径皆为Rb，A，B两盘中心距OOl=CL，A盘作逆时针匀速转动，B盘作顺时针匀速转动，角速度均为(!)。以A盘中心O为原点，建立相对静止的直角坐标系OXY：以B盘中心Ol为原点，两盘中心连线为01Xl轴建立动坐标系01XlYl。若在系统中加入一以O为中心，角速度为∞的顺时针匀速转动，则A盘相对坐标系OXY静止，且B盘A盘的相对运动不变，即B盘上的任一点P相对A盘的运动轨迹不变。应用相对运动原理分折可知，B盘轮廓上任一点在A盘上的运动轨迹为双摆线。对于螺纹头数为2的啮合异向双螺杆，螺纹元件的端面形状如图2．5(b)所示，一般取a为p／2(见图2—5(b))，各段曲线方程分别表示如下：(Rb为螺杆顶圆半径，R。为螺杆根圆半径)，，。=墨■—_乏芸一，一／1x一。’、-。／‘‘一一十一}o—’。—=，。’—?———，一一————+，一、j、‘jr。——～／，／、、、，r。，一＼、-’二王二二一j＼甚三，，lj第1段(A4一A1)l，≯__一：、、!-。二叭k‘：j^?J如，+：～之+≥，。j。、、—一一⋯”ij锄图2-5螺杆端面曲线的形成lx=R。COSCOtjy：Rsin叫【一石／4(研<口／4第2段(A1一B1)jJ；i∞躲#目(2．3)华中科技大学硕士学位论文＼x—CLCOScot—Rbcos(2wt一兀|q{Y=-C￡sinwt+R6sin(2cot一万／4)(2—4)I．rg／4一arccos(CL／2尺6)sCots玎／4第3段(B1．B2)卜=R6COScOt{Y=Rbsia03t(2-5)[：r／4<cat<勋／4第4段(B2．A2)fx=C￡COS凹一R6cos(2wt一3st／4){Y=一CLsin“+只bsin(2cot一3：r／4)(2—6)l匀r／4≤甜s玎／4+arccos(C￡／2R)第5段(A2．A3)h=RbCOS∽{Y=R6sincot(2—7)【3x／4<a)t(5：r／4第6段(A3．B3)Ix=CLcoscot—Rbcos(2∞t—sⅡ}q{Y=-C￡sincot—Rbsin(2mt一5x／4)(2—8)J5：r／4一arccos(C￡／2Rb)s09t§5x／4第7段(B3．B4)卜=RbCOSOAt{Y=R6sin03t(2·9)f5：r／4<Cot<衍／4第8段(B4．BA4)fX=CLCOScOt—R6cos(2cot一7：r／4){Y=一CLsincot"一R6sin(20Jt一7x／4)(2·10)17x／4swts7石／4+arccos(CL／2R6)双螺杆的几何参数包括：螺杆直径D；，中心距CL，螺纹头数n，以及导程T，～般部可按工作条件预先给定，从而求出横截面几何形状。为绘制双螺杆三维图形，华中科技大学硕士学位论文雪蚕ii蒿翥雾i专亏专焉亏专—————————————一首先需给出横截面上几个关键点(A-，A2，A3，～，_i_i_i_X_葛霸爵亍B3，B4,Bs,B6，B7，Bs)的坐标值，以便求出横截面轮廓线图形。我们已测绘得到本实验室啮合异向平行双螺杆挤出机螺杆横截面上的几个重要参数值，其，,们LU叫彤饥,珂--i意图如图2-6所示。首先将坐标原点建立在左侧螺杆的中心，可求出这根螺杆横截面轮廓线上任意一点的坐标，然后通过移轴可求出另一根螺杆横截面上任点的坐标值。最后通过移轴将坐标系的原点建立在两根螺杆的中心线连线的中点，并求出左右螺杆横截面轮廓线上的任一点的坐标。为防止由于测量尺寸误差太大而造成螺纹端面的相对运动过程产生干涉，图2．7给予出了挤出段螺纹端面的相对运动图。由图可见，根据所测绘的结果画出的螺纹段不会发生干涉。＼图2．6螺杆横截面图螺杆的几何参数：CL，Do，Db，D。，T，a，B，d测绘的结果为：、———————————————————————————～———————～18华中科技大学硕士学位论文2．1．4双螺杆的间隙I：图2．7螺纹端面曲线相对运动图两根螺杆的中心距是一个很重要的参数。因为在设计双螺杆机时，从制定总体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 到具体结构设计，中心距的选取制约了下述几个重要关系：1．传动轴和齿轮的尺寸，因而决定螺杆上的有效扭矩；2．推力轴承的尺寸，因而决定最大的机头压力；3．螺杆外径和根径，因而决定两螺杆的啮合量和螺槽深度。由于加工误差的存在，更主要的是为了有挤出过程中能更好的排气、混合和减少制品质量波动，因此在设计时总是人为地设置必要的间隙。啮合异向双螺杆挤出机的两根螺杆啮合到一起后，将形成三个间隙，再加上螺棱顶部与机筒内壁之间的间隙，一共有四个间隙。双螺杆挤出机之不同于单螺杆挤出机，恰恰在于它有啮合区及其四个间隙。可以说，不计啮合区和四个间隙的双螺杆理论模型不可能从本质上全面、真实地反映双螺杆挤出机中物料的流动，因而也不可能是完善的模型。正是基于这一点，人们越来越重视啮合区和四个间隙中物料的流动。这四个间隙如图2_8所示：华中科技大学硕士学位论文—．。．．。。二，．——：一—立一．，——，——j，一上一一!一广j、IL_．Ii：弋二蓼j兰—一—一，’一一。～、^，，，一、。j7』列’；—■_一——可}l、～一E图2．8双螺杆中的四个间隙1)螺棱间隙d，：是指螺梭顶面至机机筒内壁之间的间隙。其定义同单螺杆挤出机，但在异向双螺杆挤出机中，在垂直于螺杆轴线的端面内内该间隙呈8形；2)径向间隙(也称压延间隙)dc：是指一根螺杆的螺棱顶面和另一根螺杆的螺槽底部之间的间隙；3)侧向间隙血：是指两螺杆的螺棱侧面之间的间隙；4)四面体间隙d。：双螺杆挤出机螺杆的螺侧壁不垂直于螺槽底面，而是呈一角度，在两螺杆相邻螺棱侧面之间形成一个近似为四面体的间隙，称之为四机体间隙。该间隙在靠近通过两螺杆连心线的平面处(即四面体之底)窄而长，对物料流动阻力大：在啮合区终了处(靠近机筒内壁处)则短而宽，它是一个三维区域，很难用简单的解析式表达。在实际应用中，尤其在异向旋转双螺杆挤出机中，大多数是完全啮合式螺杆系统。此种螺杆系统中，径向间隙以及侧向间隙的正确选择，对物料的塑化、均化和螺杆机筒的磨损是极其重要的。2．2平行异向双螺杆的三维实体造型在用ANSYS软件怍异向双螺杆三维实体造型的程序时，其出发点是把螺杆看20华中科技大学硕士学位论文作由无数厚度趋于无穷小的面组成，每个面与相邻面之间错开一定角度(简称交错角)。设相邻两面交错角为JCJ，可求出一个导程内盘的数目NUM=I+2p／Ja。将坐标原点建立在两根螺杆中心线连线的中点。首先求出一根螺杆的端面曲线，给出曲线上任一点坐标，然后把螺杆端面曲线围成的区域按一定规律分节点并求出各节点的坐标，同时给这些节点编号，这样就求出了第一个面上的各节点；第二个面的形状和节点划分与第一个面相同，只是沿轴向与第一个面距离为：1仆ⅢM(T是螺纹导程)．并沿螺杆轴旋转Ja角，因此也可以求出这个面上的节点坐标：依次下去，直到指定的轴向长度：选择单元类型为六面体，按右手法则把前后两个面上的节点连成单元，给出每个单元的单元号和每个单元的构成节点及节点号：这样就构成了一根螺杆实体。再按此方法，改变旋向作出另一根螺杆。最后有ANSYS软件读入这些节点和单元，至此，完成了整个双螺杆的几何造型，如图2-9所示：从图中我们可以看到，螺杆的三维实体图形与实际螺杆形状很相似，只是用ANSYS软件建立的三维螺杆图形有明显的锯齿，各单元之间过渡不太平滑，这是由软件版本的计算精度决定的。本文开发的螺杆三维造型程序的可操作性很好，实用性很强。它对于各类螺纹元件的开发设计均是一有力工具，图2-9螺杆三维实体造型2l华中科技大学硕士学位论文2．3关于修正问题的讨论鲫在第一节2．1．3所论述的螺杆几何学是在螺杆与螺杆之间的间隙以及螺杆与机筒之间的间隙为零的条件下得到的。在实际的设计中，考虑到制造公差、装配间隙以及螺杆和机筒具有相对运动，螺杆与螺杆之间，螺杆与机筒之间必须要有一定的间隙，因此必须对上述理论曲线作必要的修正。主要是对螺槽形状进行修正，目前常见的关于双螺杆的修正方法有以下在种。(1)中一t1,距修正：即螺槽曲线按照修正的中心距(CL"=CL-d，d是修正值)和修正的螺杆外径进行计算(Db’=Db一2d)，而在实际的装配过程中则按照理论的中心距进行安装，这样就可以保证螺杆与螺杆之间以及螺杆与机筒之间的间隙，保证运转条件。(2)轴截面曲线修正：即在轴截面内对螺槽进行一定的修正，使得轴截面内两根螺杆之间的间隙基本相等。这种修正通常是将螺杆的轴面螺槽曲线轴向平移，然后再进行径向平移。这种修正方法比较简单，但不能保证由此得到的间隙大小沿轴截面轮廓线均匀一致。(3)法面曲线修正：与轴截面曲线修正类似，法面修正是对法面内的螺槽越线进行一定的修正，通常是采用数值计算方法逐点进行修正。修正时保证螺槽曲线上的所有点沿其法线方向的啮合间距完全相等。上述三种修正方法中采用最多的是中心距修正法。因为这种修正方法相对比较简单，也可以保证螺杆表面的各个点与另一根螺杆啮合时的间距基本恒定。由于实验室已有的异向双螺杆为梯形螺槽双螺杆，而不是通常所说的双摆线异向双螺杆，本文在流场计算时，也采用梯形螺槽双螺杆螺纹元件进行计算，困此仅考虑梯形螺槽螺纹元件的修正。华中科技大学硕士学位论文3输送段流场计算3．1引言3．1．1流场计算的基本假设【33l进行流场计算之前，需建立合理的数学、性流体力学中的运动微分方程：p鲁一勖巾吲+昭实际上，在螺槽中熔体的流动是三维的，数，其基本矢量表达式为：物理模型。流场计算的基础公式是粘(3．1)即三个方向的流动都是x，y，z的函1，=y；(工，y，：)。f+y，@，y，z)‘，+y：@，y，z)‘七(3—2)如果不作一些简化与假设，运用式(3．1，3-2)来求解熔体输送段中流体的运动规律将是极为困难的。为此，在分析分析段熔体输送理论之前，要先作出一些必要的假设和简化。3．1．2有限元法简介【29】由于双螺杆挤出机流道比较复杂，因此采用有限元法求解挤出过程中的流场。有限元法的求解思路为：将求解区域划分为许多具有合适形状的微小单元，然后将微分方程中的变量改写成由各个变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或者加权剩余法，将控制微分方程转换成控制所有孤立单元的有限元方程，最后将所有局部单元上的方程汇集成总体的微分方程组或代数方程组，然后加载边界条件和初始条件求解，得到各个节点的变量值。即整个求解过程为：单元划分——离散化——建立有限元方程——求解。虽然大多数粘流态聚合物不属于牛顿型流体，但也有少数可看作是牛顿流体。有些聚合物如聚碳酸脂、偏二氯乙烯共聚物等，在一定条件下可作为牛顿流体来处理，因此本章分别分析了牛顿流体和非牛顿流体在流道内流动。华中科技大学硕士学位论文3．2牛顿流场计算对于牛顿流体，当温度恒定时，流体所受的剪切应力与剪切速率成正比，即f，玎y，此式称为牛顿流动定律，比例常数11为粘度(Pa·S)，其值不随剪切速率变化而变化。3．2．1数理模型的建立3．2．1．1计算区域和计算软件流场计算的对象为测绘所得的本实验室异向平行双螺杆挤出机熔体输送段中靠近机头方向的区域，分析计算的流场是真实流道几何条件下的三维流场，如图(3．1)所示。本节内容将建立流场计算的物理模型、数学模型以及有限元求解的边界条件，然后进行速度场、压力场的初步计算。初步计算的目的是进行压力场、速度场分析。图3-1计算区域有限元计算采用的软件为ANSYS5．4工程版。借助于该软件中流体动力学分析工具，可直接针对牛顿流场的速度场、压力场进行求解计算。此区域被完全熔融的物华中科技大学硕士学位论文料所充满，求解计算比非充满段相对容易些。3．2．1．2数学模型如前所述，我们的研究对象为熔体输送段的全充满区。由于熔体输送段的物料已经完全熔融，困此可以认为流场内各点的温度是相等的，即可认为是等温模型。对于等温模型，动量方程和能量方程不能耦合，只能根据连续性方程、动量方程、本构方程来求解速度场、压力场。1)基本假设：A．流动为牛顿流体，采用牛顿流体本构方程；B．流场为等温流场，即流场内各点温度不变；C．流场为稳定流场，即流场的速度、压力、温度的分布和时间无关；D．由于惯性力和重力等体积力远小于粘滞力，因此可忽略不记：E．流道壁面无滑移；F．流体雷诺数较小