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1、雙螺桿元件設計、組合和評價 主講 馬秀清,非嚙合與嚙合型雙螺桿擠出機：非嚙合雙螺桿擠出機(non-intermeshing twin-screw extruder)的兩根螺桿軸線分開的距離等于或大于兩根螺桿外半徑之和；嚙合型雙螺桿擠出機的兩根螺桿軸線間的距離小于兩根螺桿外半徑之和。根據嚙合程度的不同，嚙合型又分為全嚙合型和部分嚙合型。所謂全嚙合型是指在一根螺桿的螺棱頂部與另一根螺桿的螺槽根部之間不留任何間隙，而部分嚙合型是指一根螺桿的螺棱頂部與另一根螺桿的螺槽根部之間在幾何上留有間隙。,雙螺桿擠出機的分類：,開放與封閉型雙螺桿擠出機：開放與封閉是指嚙合區(qū)螺槽的情況，即指在兩根螺桿嚙合區(qū)的螺

2、槽中，物料是否有沿著螺槽或通過螺槽的可能通道(該通道不包括螺棱頂部和機筒壁之間的間隙或在兩螺桿螺棱之間由于加工誤差所帶來的間隙)。由此可分為縱向開放或封閉、橫向開放或封閉。,雙螺桿螺槽的縱橫向開放與封閉,縱向開放或封閉：如果物料自加料口到出口有通道，物料可由一根螺桿流到另一根螺桿，即沿著螺槽有流動，則叫縱向開放；反之，就叫縱向封閉?？v向封閉意味著兩根螺桿上各自形成若干個相互不通的腔室，一根螺桿的螺槽完全被另一根螺桿的螺棱所堵死。,橫向開放或封閉：在兩根螺桿的嚙合區(qū)，若橫過螺棱物料有通道，即物料可以從同一根螺桿的一個螺槽流向相鄰的另一個螺槽，或一根螺桿的一個螺槽中的物料可流到另一根螺桿的相鄰兩個

3、螺槽中，叫橫向開放，否則叫橫向封閉。,同向和異向旋轉雙螺桿擠出機： 同向旋轉：同向旋轉雙螺桿擠出機的兩根螺桿的旋轉方向相同，從螺桿外形看，同向旋轉的兩根螺桿完全相同，螺紋方向一致。,異向旋轉：異向旋轉雙螺桿擠出機兩根螺桿旋轉方向相反。有向內旋轉和向外旋轉兩種。向內旋轉時，物料自加料口加入后，在兩根螺桿的推動下，物料會首先進入嚙合區(qū)的兩根螺桿的徑向間隙之間，并在上方形成料堆，從而減少了可以利用的螺槽自由空間，影響接受來自加料器物料的能力，不利于將螺槽盡快充滿和使物料向前輸送，加料性能不好，還易形成架橋。同時進入兩螺桿徑向間隙的物料有一種將兩螺桿分開的力，把螺桿壓向機筒內壁，從而加快了螺桿和機筒的

4、磨損。向外旋轉則可避免以上缺點，物料在兩根螺桿的帶動下，很快向兩邊分開，充滿螺槽，且很快與熱機筒接觸，吸收熱量，有助于將物料加熱、熔融。從外形看，異向旋轉的兩根螺桿螺紋方向相反。,平行和錐形雙螺桿擠出機：按兩螺桿軸線的平行與否可將雙螺桿分為平行雙螺桿或錐形雙螺桿擠出機。錐形雙螺桿，其螺紋分布在錐面上，兩螺桿軸線成一交角，一般為異向旋轉。,雙螺桿擠出機的輸送機理,輸送機理：對于擠出機來說，是指物料本質上靠什么原理和以何種方式由加料段向末端輸送。,雙螺桿擠出機的輸送機理較為復雜，與其嚙合與否、縱橫向開放與否和開放程度以及螺桿的旋轉方向有關。,正位移輸送：所謂正位移輸送就是移動的外部表面置換了系統(tǒng)中

5、的部分液體。如注射機中的柱塞-機筒結構和齒輪泵。從理論上說，正位移輸送與被輸送介質的流變特性無關，即介質的摩擦性質和粘性對輸送特性沒有影響。,非嚙合雙螺桿擠出機的輸送機理：非嚙合雙螺桿擠出機因兩根螺桿不能形成封閉的或半封閉的腔室，無正位移輸送條件，故其物料不是靠正位移輸送。其輸送機理類似于單螺桿擠出機，物料對金屬的摩擦系數和粘性力是控制擠出機輸送量的主要因素，摩擦是主要的推動力。,嚙合異向雙螺桿擠出機的輸送機理：嚙合異向雙螺桿擠出機可通過設計使這種雙螺桿實現不同程度的正位移輸送。螺槽縱橫向封閉越好，正位移輸送特性越強。只有全嚙合、螺槽縱橫向完全封閉，才能實現完全的正位移輸送。,嚙合同向雙螺桿擠

6、出機的輸送機理：嚙合同向雙螺桿擠出機可以設計成螺槽全嚙合橫向封閉的，但縱向不能封閉，否則螺桿會嚙合不上，會發(fā)生干涉。也就是必須將螺槽寬度設計得大于螺棱寬度，在縱向留下一定的通道。通道的大小由使用目的而定。縱向開放得越大，正位移輸送能力喪失得越多，而摩擦拖曳和粘性拖曳的作用越大。因此嚙合同向雙螺桿擠出機的輸送機理介于單螺桿擠出機和縱橫向皆封閉的嚙合異向雙螺桿擠出機之間：有正位移輸送，也有摩擦、粘性拖曳輸送。,錐型雙螺桿擠出機的輸送機理：錐型雙螺桿擠出機的輸送機理與嚙合異向雙螺桿擠出機的輸送機理相同，如果螺槽縱橫向皆封閉，其輸送為正位移輸送；如果螺槽縱橫向有一定開放，則會喪失一部分正位移輸送能力，

7、但會加大混合作用。,雙螺桿擠出機的用途,非嚙合雙螺桿擠出機主要應用于反應擠出、熔劑法或乳液法制取聚合物、著色、玻璃纖維增強以及熱熔體粘接劑的準備工序，廣泛應用于熔劑含量高達50，每小時需干燥4500-6750kg物料的情況下。 嚙合同向雙螺桿擠出機廣泛應用于聚合物的物理改性共混、填充和增強，也可用于成形制品和反應擠出。 嚙合異向雙螺桿擠出機和錐型雙螺桿擠出機廣泛應用于擠出成型和配料造粒等方面，主要用于聚氯乙烯粉料的加工。,設計螺桿元件時： 1、輸送能力； 2、混合性能； 3、停留時間及停留時間分布； 4、幾何參數的優(yōu)化優(yōu)選。,設計螺桿元件時： 根據雙螺桿幾何學和加工體系所需的混合能力

8、、輸送能力進行設計。,嚙合同向雙螺桿元件的設計,輸送元件 包括正向螺紋元件和反向螺紋元件，設計時需考慮螺紋頭數、螺旋方向、導程、元件的軸向長度。,嚙合同向雙螺桿元件的設計,剪切元件 主要指捏合盤元件，一般成對、成串使用。設計時應考慮頭數、厚度等。在應用時考慮錯列角的大小和方向、捏合盤的個數、捏合塊的軸向長度等。,捏合盤錯列角對混合的影響,捏合盤厚度對混合的影響,嚙合同向雙螺桿元件的設計,混合元件,嚙合同向雙螺桿元件的設計,混合元件,嚙合同向雙螺桿元件的組合設計,加料段：大導程、正向輸送元件 壓縮段：分段改變導程或漸變改變導程,嚙合同向雙螺桿元件的組合設計,熔融塑化段：可設置捏合盤、反向

9、螺紋元件、反向大導程元件。,嚙合同向雙螺桿元件的組合設計,排氣段：,混合段：,嚙合同向雙螺桿元件的組合設計,整根螺桿組合時需根據具體配方、物料特性、混合要求、操作條件來進行： 混合作業(yè)的目的、加入到擠出機進行混合時物料各組分的形態(tài)、性能和配比。 對各種螺桿元件的結構、工作原理和性能、應用場合全面了解。 對混合工藝中的加料方式、加料順序等弄清楚。 看混合工藝要求的主要混合形式，即是分布性混合還是分散性混合。,嚙合異向雙螺桿元件的設計,輸送元件：,壓縮元件：,嚙合異向雙螺桿的組合設計,嚙合異向雙螺桿元件的設計,混合元件：,計算軟件： ANSYS POLYFLOW,POLYFLOW簡介,PO

10、LYFLOW是Fluent公司開發(fā)的一個專門用來模擬粘性和粘彈性流體流動的有限元CFD程序?？梢员挥糜谀M聚合物加工過程、食品流變學、玻璃熔爐流變、以及其他的流變應用。所模擬的流體可以是等溫或非等溫、二維或三維、穩(wěn)定流或與時間相關流。 POLYFLOW的計算模擬主要是基于非牛頓流體的非線性廣義流動的理論。因此它不僅適合于模擬擠出成型、注射成型、吹模成型等常見的聚合物加工技術，而且還適合于模擬多流場、聚合物共擠、三維擠出、反應擠出以及自由表面的數值計算等。,POLYFLOW基本結構,雙螺桿擠出過程的數值模擬,基本假設,熔體為不可壓縮的流體 流場為穩(wěn)定、等溫流場 雷諾數較小，流動為層流流動 慣性力

11、、重力等體積力遠小于粘滯力，可忽略不計 熔體在流道中全充滿 壁面無滑移 流體為非牛頓流體，其本構方程為Bird-Carreau模型或其它非牛頓模型,數學模型,,,,,螺桿構型,SE20,KB120,FTX,KB60,S,NI-MPE,TME,KB90,,有限元模型,SE20,KB120,FTX,KB60,S,NI-MPE,TME,KB90,,,,,機筒,邊界條件,,入口：流量或壓力邊界； 出口：壓力邊界； 螺桿外表面：旋轉邊界； 機筒內表面：固定邊界。,ANSYS模擬結果,,,幾何模型 有限元模型,,壓力場 壓力分布,,速度場 軸向速度分布,,粘度場

12、 粘度分布,,剪切速率分布 剪切應力分布,,流量 回流量,,POLYFLOW模擬結果,,有限元模型,SE20,KB120,FTX,KB60,S,NI-MPE,TME,KB90,,,,,機筒,計算結果及分析,剪切應力場,SE20,KB120,FTX,KB60,S,NI-MPE,TME,KB90,加權平均剪切應力,1--SE20 2--KB60 3--KB90 4--KB120 5S 6TME 7--FTX 8--NI-MPE,停留時間分布,SE20,KB120,FTX,KB60,S,NI-MPE,TME,KB90,累積停留時間分布,回流量,1--SE20

13、 2--KB60 3--KB90 4--KB120 5S 6TME 7--FTX 8--NI-MPE,模擬研究 應變分布（SFD）,螺桿組合,螺桿構型,,,,,,,(1)SE 20,(7)S,(8)TME,(11)NI-MPE,(9)TME,(2)KB30,(3)KB60,(4)KB90,(5)KB120,(6)KB150,(10)FTX,,,,,,,,,,,,,共混物的相態(tài)結構,,,,,,,,,各螺桿元件置于熔體輸送段時分散相的平均粒徑與加權平均剪切應力,4--KB120,7--FTX,2--KB60,8--NI-MPE,6--TME,3--KB90,1--SE20,5--S,