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沟槽机简单螺杆挤出机塑化性能的模拟研究
点击:119 日期:2017-6-29 14:07:55

摘要: 对传统光滑机筒单螺杆挤出机、固体输送段沟槽机筒单螺杆挤出机和熔融段沟槽机筒单螺杆挤出机的结构特点、输送机理、熔融热源以及熔融模型进行了对比分析, 并对其熔融过程中熔融速率、熔融长度和熔融起始点进行了数值模拟, 根据模拟结果分析了机筒结构形式对单螺杆挤出机熔融性能的影响。结果表明, 机筒内壁开设沟槽的单螺杆挤出机在结构、机理和性能等方面均优于传统光滑机筒单螺杆挤出机, 且将机筒沟槽由固体输送段延伸至熔融段对单螺杆挤出机的熔融性能有显著的提高.
0前言
        单螺杆挤出机具有建压能力强、稳定性好、性价比高、节能等优点,广泛应用于高分子材料成型加工领域。单螺杆挤出机经典的熔融理论为基于光滑机筒单螺杆挤出机提出的Tadmor熔融理论。为提高单螺杆挤出机的输送效率、改善其挤出特性,20世纪70年代,德国亚深工业大学率先研制出了固体输送段开设纵向沟槽的具有强制输送能力的IKV挤出机[1-2],随后又在IKV挤出机的基础上,开发了固体输送段机筒开设螺旋沟槽的单螺杆挤出机[3] 0 2015年,Griinschlol3基于Helibar挤出机,将固体输送段的螺旋沟槽延伸至熔融段,开发出一种新型高效的单螺杆挤出机[[A ]。至此,经过多年的发展,单螺杆挤出机的机筒结构出现了3种形式,即光滑机筒、固体输送段沟槽机筒和熔融段沟槽机筒。本文将对上述3种不同机筒结构下单螺杆挤出机的结构特点、输送机理和熔融机理等进行详细地分析,用Maple数值计算的方法,模拟分析了螺杆转速、机筒沟槽深度和沟槽宽度对单螺杆挤出机熔融速率、熔融长度和熔融起始点的影响,并对其塑化性能进行对比研究。
1结构分析
        单螺杆挤出机的工作部件主要包括机筒和螺杆,本文采用普通三段式螺杆,对不同机筒和螺杆组合情况下的单螺杆挤出机的结构特点进行比较。机筒结构形式主要包括:光滑机筒、固体输送段开设螺旋沟槽机筒及固体输送段和熔融段均开设螺旋沟槽机筒。单螺杆挤出机机筒结构示意图如图1所示,其结构参数见表1。


2理论分析
2. 1输送机理
        光滑机筒单螺杆挤出机的固体输送机理为摩擦拖曳输送[}s},其输送模型可类比于“螺栓一螺母”模型,将螺杆比作螺栓,将螺槽内固体塞比作螺母,依靠机筒表面对固体塞摩擦力实现物料的输送。沟槽机筒单螺杆挤出机的固体输送机理为正位移输送困,其输送物理模型为“平行弧板模型”。将机筒沟槽底面与螺杆螺槽底面看作2块无限长的平行弧板,嵌人机筒沟槽和螺杆螺槽内的物料视为整体固体塞,固体塞在机筒沟槽推进面和螺杆螺槽推进面的共同推力作用下,在相对转动的2块平行弧板间实现正位移输送。
2. 2熔融热源
        光滑机筒单螺杆挤出机和固体输送段沟槽机筒单螺杆挤出机的固体输送机理不同,但在熔融段,机筒和螺杆结构相同,熔融热源相似,均以外热源和豁性耗散热为主Cs7。在外部加热器加热的作用下,机筒温度逐渐升高,当温度达到物料熔点时,靠近机筒表面的物料首先发生熔融并产生熔膜。在熔体流动过程中,由于螺杆转动引起的速度差而使熔膜内部产生了勃性耗散热,促使固相熔融。但是,由于固体输送段沟槽机筒单螺杆挤出机的建压能力大于光滑机筒单螺杆挤出机,固体输送段末端和熔融段的压力分布不同,而且两者的输送能力不同,导致这2种机型的熔融效率和塑化能力不同。
        熔融段沟槽机筒单螺杆挤出机的熔融热源为内摩擦热叫。在固体输送段,在机筒沟槽螺棱和螺杆螺槽螺棱的共同推动作用下,沟槽内物料和螺槽内物料是以整体固体塞形式输送,到达熔融段,在机筒沟槽和螺杆螺槽藕合作用下,熔融段机筒沟槽固体塞和螺杆螺槽固体塞在机筒沟槽螺棱和螺杆螺槽螺棱的分界面处发生层间剪切,产生大量“固一固”内摩擦作用,在内摩擦热与机筒外热源的作用下机筒沟槽内固相物料率先熔融并形成熔体,随后机筒沟槽内已熔融液相物料与螺杆螺槽内未熔融的固相物料之间发生层间摩擦,在固相与液相之间产生了“固一液”内摩擦热,促使螺杆螺槽内固相物料快速熔融。
3塑化过程
3.1物理模型
        光滑机筒单螺杆挤出机和固体输送段沟槽机筒单螺杆挤出机的熔融模型如图2所示。从图中可以看出,两者的熔融模型仅在固体输送段有差别,熔融段和熔体输送段的熔融模型均保持不变,其原因在于,固体输送段沟槽机筒是在光滑机筒的基础上,将机筒固体输送段内壁开设螺旋沟槽,机筒熔融段和熔体输送段的几何结构相同。在固体输送段,对于光滑机筒单螺杆挤出机,物料在机筒摩擦拖曳的作用下不断被压缩,到达固体输送段末端时,物料被压实成为整体固体塞[图2(a)};对于固体输送段沟槽机筒单螺杆挤出机,物料在机筒沟槽和螺杆螺槽的共同推动作用下逐渐被压缩,到达固体输送段末端,物料被压实成为整体固体塞「图2(a})}。在熔融段的初始阶段,由于机筒内表面与物料的摩擦产生了少量的外摩擦热,物料在外摩擦热
与挤出机外热源对机筒传导热的共同作用下发生熔融,并在机筒内表面处产生熔膜[图2(b>}。当固体塞与机筒内表面之间的熔膜达到一定厚度时,在机筒压力和摩擦拖曳作用下,在固体塞前端的螺槽内熔体不断聚集并生成熔池[图2(c)二。随着熔融进行,熔体不断增加,螺槽内固体床宽度不断减小,熔池宽度不断增加[图2(d)一(e)口。在熔融段末端,固相物料完全熔融,螺槽内固体床消失,熔池占据整个螺槽,此时熔融结束[图2}。


        熔融段沟槽机筒单螺杆挤出机的熔融模型如图3所示。当物料进人挤出机的固体输送段时,在机筒沟槽螺棱和螺杆螺槽螺棱的双重推动作用下,发生物料的正位移输送,在固体输送段末端,物料被压实成为整体固体塞,且机筒沟槽固体塞和螺杆螺槽固体塞之间不会发生剪切作用[图3(a)}。在熔融段,由于机筒几何结构参数的变化,机筒沟槽固相和螺杆螺槽固相发生层间剪切,固相与固相层间发生内摩擦作用,由于熔融段机筒沟槽深度较小,固相层较薄,再加上机筒外热源的共同作用,使机筒沟槽内物料率先达到熔点并开始熔融形成熔体[图3(b>]。在螺杆转动的作用下,机筒沟槽内已熔融液相物料与螺杆螺槽内未熔融的固相物料之间发生层间摩擦,在固相与液相之间产生了“固一液”摩擦热,促使靠近“固一液”分界面处的固相物
料熔融,由于机筒沟槽内熔膜厚度不断增加,机筒沟槽容积和螺杆螺槽容积不断减小,熔融物料在机筒沟槽和螺杆螺槽的双螺棱推动作用下,熔体被迫挤压到螺槽内,在螺槽固体塞前端的螺槽内聚集并形成熔池[图3(c)]。熔融不断进行,螺槽内固体床宽度逐渐减小,熔池宽度逐渐增大[图3(d>一(e)]。在熔融段末端,固相物料完全熔融,螺槽内充满熔体[图3(f)]o
3. 2数学模型
        (1)光滑机筒单螺杆挤出机
        文献[sj基于Tadmor熔融理论对光滑机筒单螺杆挤出机熔融段的熔融过程进行了数学求解,得到光滑机筒单螺杆挤出机的熔融速率、熔融长度和熔融起始点,见式(1)~(3):


        北京化工大学潘龙Cs7在对固体输送段机筒开设螺旋沟槽的单螺杆挤出机研究时,将机筒沟槽底面和螺杆螺槽底面看作2块无限长的平行弧板,建立了螺旋沟槽机筒单螺杆挤出机固体输送物理模型—弧板模型,提出了机筒沟槽螺棱和螺杆螺槽螺棱共同作用的双螺棱推动理论。根据正位移输送条件,得到了固相熔融速率的计算公式:


        在固体输送段沟槽机筒单螺杆挤出机中,对于熔融段机筒内壁仍为光滑无沟槽,根据光滑机筒单螺杆挤出机的计算过程,得到固体输送段机筒开设沟槽情况下的熔融长度和熔融起始点:


(3)熔融段沟槽机筒单螺杆挤出机
        本文所研究的对象为普通三段式螺杆与熔融段沟槽机筒组合情况下的熔融过程,为求解熔融段沟槽机筒单螺杆挤出机的熔融过程参数,需要将熔融段机筒沟槽区分为沟槽螺棱顶部(区域1)和沟槽内部(区域2),如图4所示。分别计算2个区域的熔融过程参数,通过机筒沟槽结构函数关系,最后确定出整个挤出过程的熔融速率、熔融长度和熔融起始点。


        区域1的熔融模型与光滑机筒熔融模型相同,因此计算得到的熔融过程参数可引用文献[aj中的结果,得到其熔融速率、熔融长度和熔融起始点,见式(10)一(12):


L1螺杆进料段长度
        区域2的熔融模型可看作是熔膜厚度很大的光滑机筒熔融模型,由于边界条件的变化,需要对此区域进行重新计算,联立单螺杆挤出机熔融过程中固相质量平衡方程、熔膜质量平衡方程和固液分界面热量平衡方程,求解得到区域2的固相熔融速率和固相分布函数分别为:


        根据文献[4]沟槽螺棱顶部和沟槽内部相关关系,熔融段沟槽机筒单螺杆挤出机的熔融速率为:


        同理可得熔融段沟槽机筒单螺杆挤出机的熔融长度和熔融起始点:


式中Wb—机筒沟槽宽度
4分析与讨论
        利用Maple数学分析软件对上述数学模型进行了数值模拟,计算了不同螺杆转速、机筒沟槽宽度和沟槽深度所分别对应的熔融速率、熔融长度和熔融起始点,所得数值模拟结果如图6、图8、图9所示。为得到加工工艺参数和机筒结构参数的变化,以及机筒结构形式对挤出机熔融塑化效果的影响,需对其数值模拟图形进行分析比较。通过实验验证了螺杆转速、机筒沟槽结构对单螺杆挤出机熔融长度的影响,发现实验结果与数值模拟结果具有良好的一致性。
4. 1实验分析
        建立熔融段沟槽机筒单螺杆挤出机熔融模型的基础上,对熔融段沟槽机筒单螺杆挤出机的熔融过程进行了实验研究,如图5所示。从图中可以明显看出,在沟槽机筒单螺杆挤出机中,物料首先由松散的物料压实为密实的固体塞,随后熔膜出现,熔体与固体混合共存,最后固相物料全部熔融,机筒沟槽内充满熔体。通过实验结果分析表明,实验验证了熔融段沟槽机筒单螺杆挤出机熔融物理模型的准确性,实验研究与理论分析结果具有良好的一致性。


4. 2熔融速率
        从图6可以看出,对于沟槽机筒单螺杆挤出机,其熔融速率随螺杆转速、机筒沟槽宽度和沟槽深度的变化均呈逐渐增大趋势,且增长速率逐渐减缓,而对于光滑机筒单螺杆挤出机,螺杆转速对挤出机熔融速率略有影响,当机筒沟槽宽度和沟槽深度变化时,熔融速率保持不变。根据式(10>可知,提高螺杆转速n,公式中Vb、增大,挤出机相应的固体输送产量增多,单位时间内固体输送量增大,而螺杆螺槽内物料的停留时间缩短,促使更多的物料加速熔融;增大机筒沟槽宽度或增大机筒沟槽深度,进人机筒沟槽内固体量增多,挤出机的固体输送产量增加,在机筒沟槽螺棱和螺杆螺槽螺棱的双螺棱推动作用下,嵌人机筒沟槽和螺杆螺槽内松散的固相物料被压实成为整体固体塞,物料因层间剪切而产生内摩擦热或外热源的作用下,热量在整体固体塞内部快速传递,促使物料的快速熔融,因此单螺杆挤出机熔融速率随螺杆转速、机筒沟槽宽度和沟槽深度的增大而增大。此外,当螺杆转速、机筒沟槽宽度和沟槽深度变化时,熔融段沟槽机筒单螺杆挤出机熔融速率均大于其他2种结构机筒单螺杆挤出机熔融速率。由于熔融段沟槽机筒的几何结果发生变化,机筒熔融段开设与螺杆螺槽旋向相反的螺旋沟槽,当固相物料由固体输送段进入熔融段时,在熔融的初始阶段,整体固体塞在机筒沟槽和螺杆螺槽藕合双槽的作用下发生层间剪切,在沟槽固体塞和螺槽固体塞之间产生大量的“固相一固相”内摩擦热,而使固相物料熔融产生熔膜,再加上机筒外热源的共同作用,使机筒沟槽内固相物料迅速转化为熔体,此时物料熔融的主要热源变为“固相一液相”之间的内摩擦热与机筒的外热源,在这两种热源的作用下,物料加速熔融,因此,沟槽机筒单螺杆挤出机熔融速率更大。
        从图7可以看出,螺杆转速越大,机筒内壁已熔融物料所粘连的物料颗粒越多,表明物料熔融效果越好。结合数值模拟分析结果,当螺杆转速增大时,沟槽机筒单螺杆挤出机熔融速率提高,实验结果与数值模拟结果相吻合。


4. 3熔融长度
        如图8所示,当螺杆转速增大时,3种机筒结构单螺杆挤出机熔融长度均逐渐减小,且减小速率逐渐减缓,如图8(a)所示;当机筒沟槽宽度或沟槽深度增大时,沟槽机筒单螺杆挤出机熔融长度均呈逐渐增大趋势,且增长幅度逐渐减缓,光滑机筒单螺杆挤出机熔融长度不随机筒结构参数的变化而变化,如图8(b)和(c)所示。根据式(15)和式(20)可知,随着螺杆转速的增大,单螺杆挤出机的固体输送产量增大,由于螺杆螺槽内输送的固相物料增多,在螺槽推动与机筒内壁摩擦的双重作用下,当物料到达固体输送段末端时,被压实成为整体固体塞,此时挤出机内具有较高的建压能力,促使物料在熔融段熔融效果增强,实际所需熔融长度缩短。当机筒沟槽宽度或机筒沟槽深度增大时,进入机筒沟槽内固相物料增多,在固体输送段末端,由于沟槽宽度或深度过大,未能及时将进人挤出机的松散物料压实成为整体固体塞,挤出机未能积累足够的建压能力,当物料进入熔融段时,不能实现快速熔融,导致实际所需熔融长度的增长。从图4中还可以看出,在相同的螺杆转速、机筒沟槽宽度或机筒沟槽深度下,熔融段沟槽机筒单螺杆挤出机熔融长度均小于其他2种结构机筒单螺杆挤出机熔融长度,其原因主要在于机筒结构的差别,固相物料进人熔融段时,在机筒沟槽螺棱和螺杆螺槽螺棱的协同作用下,整体固体塞内部发生层间剪切而产生大量的内摩擦热,内摩擦热与机筒外热源的共同作用使机筒与螺杆分界面处的固相物料率先熔融产生熔膜,直至机筒沟槽内固相物料完全熔融,此时螺杆螺槽内的固相物料与机筒沟槽内的液相物料之间的“固相一液相”内摩擦热促使物料加速熔融,因此,熔融段沟槽机筒单螺杆挤出机所需熔融长度更短。


4. 4熔融起始点
        根据图9中曲线可以看出,单螺杆挤出机熔融起始点随螺杆转速的增大呈逐渐减小趋势,即熔融起始点向物料输送的后方移动;对于沟槽机筒单螺杆挤出机,随着机筒沟槽结构参数的增大,熔融起始点呈逐渐增大趋势,即实际熔融起始点向物料输送前方移动;对于光滑机筒单螺杆挤出机,其熔融起始点不随机筒沟槽结构的变化而变化。分析图中曲线,根据式(15)和式(21)可知,当螺杆转速增大时,单螺杆挤出机固体输送产量增多,在固体输送段末端,由于机筒内具有足够的建压能力,松散的物料颗粒被压实成为整体固体塞,且螺杆转速越大,建压能力越强,固体塞越密实,在内外部热源的共同作用下,物料越容易更早的发生熔融,因此实际熔融起始点越靠近螺杆的起始端。增大机筒沟槽结构参数,挤出机固体输送产量增大,进人单螺杆挤出机固体输送段的固相物料增多,由于挤出机建压能力不足,在固体输送段末端物料未被压实为整体固体塞,在熔融段固相物料仅在机筒外热源作用下开始熔融,固相颗粒间存在缝隙导致热量无法快速的传翅,出现物料熔融迟缓现象,实际熔融起始点远离螺杆起始端。此外,由于机筒熔融段开设的螺旋沟槽,使进入熔融段的固相物料在“固相一液相”内摩擦热和外热源作用下更早的发生熔融现象,因此当螺杆转速、机筒沟槽宽度和沟槽深度变化时,熔融段沟槽机筒单螺杆挤出机熔融起始点均小于其他2种结构机筒单螺杆挤出机熔融起始点,即物料的实际熔融起始点更靠近螺杆起始端。
5结论


        (1)机筒内壁开设的沟槽由固体输送段延伸至熔融段,可以有效提高挤出机的熔融性能,随螺杆转速逐渐增大,熔融速率逐渐增大,熔融长度逐渐缩短,熔融起始点向物料输送后方移动;
        (2)随机筒沟槽宽度逐渐增大,熔融速率逐渐增大,熔融长度逐渐增大,熔融起始点向物料输送前方移动;
        (3)随机筒沟槽深度逐渐增大,熔融速率逐渐增大,熔融长度逐渐增大,熔融起始点向物料输送前方移动。

 
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