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1、雙螺桿元件設(shè)計(jì)、組合和評(píng)價(jià) 主講 馬秀清,非嚙合與嚙合型雙螺桿擠出機(jī)：非嚙合雙螺桿擠出機(jī)(non-intermeshing twin-screw extruder)的兩根螺桿軸線分開(kāi)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(jī)的兩根螺桿軸線間的距離小于兩根螺桿外半徑之和。根據(jù)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(jī)的分類：,開(kāi)放與封閉型雙螺桿擠出機(jī)：開(kāi)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(guò)螺槽的可能通道(該通道不包括螺棱頂部和機(jī)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(lái)的間隙)。由此可分為縱向開(kāi)放或封閉、橫向開(kāi)放或封閉。,雙螺桿螺槽的縱橫向開(kāi)放與封閉,縱向開(kāi)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(dòng)，則叫縱向開(kāi)放；反之，就叫縱向封閉。縱向封閉意味著兩根螺桿上各自形成若干個(gè)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(kāi)放或封閉：在兩根螺桿的嚙合區(qū)，若橫過(guò)螺棱物料有通道，即物料可以從同一根螺桿的一個(gè)螺槽流向相鄰的另一個(gè)螺槽，或一根螺桿的一個(gè)螺槽中的物料可流到另一根螺桿的相鄰兩個(gè)

3、螺槽中，叫橫向開(kāi)放，否則叫橫向封閉。,同向和異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)： 同向旋轉(zhuǎn)：同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的兩根螺桿的旋轉(zhuǎn)方向相同，從螺桿外形看，同向旋轉(zhuǎn)的兩根螺桿完全相同，螺紋方向一致。,異向旋轉(zhuǎn)：異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)兩根螺桿旋轉(zhuǎn)方向相反。有向內(nèi)旋轉(zhuǎn)和向外旋轉(zhuǎn)兩種。向內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，物料自加料口加入后，在兩根螺桿的推動(dòng)下，物料會(huì)首先進(jìn)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(lái)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(shí)進(jìn)入兩螺桿徑向間隙的物料有一種將兩螺桿分開(kāi)的力，把螺桿壓向機(jī)筒內(nèi)壁，從而加快了螺桿和機(jī)筒的

4、磨損。向外旋轉(zhuǎn)則可避免以上缺點(diǎn)，物料在兩根螺桿的帶動(dòng)下，很快向兩邊分開(kāi)，充滿螺槽，且很快與熱機(jī)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(zhuǎn)的兩根螺桿螺紋方向相反。,平行和錐形雙螺桿擠出機(jī)：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(jī)。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(zhuǎn)。,雙螺桿擠出機(jī)的輸送機(jī)理,輸送機(jī)理：對(duì)于擠出機(jī)來(lái)說(shuō)，是指物料本質(zhì)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(jī)的輸送機(jī)理較為復(fù)雜，與其嚙合與否、縱橫向開(kāi)放與否和開(kāi)放程度以及螺桿的旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)。,正位移輸送：所謂正位移輸送就是移動(dòng)的外部表面置換了系統(tǒng)中

5、的部分液體。如注射機(jī)中的柱塞-機(jī)筒結(jié)構(gòu)和齒輪泵。從理論上說(shuō)，正位移輸送與被輸送介質(zhì)的流變特性無(wú)關(guān)，即介質(zhì)的摩擦性質(zhì)和粘性對(duì)輸送特性沒(méi)有影響。,非嚙合雙螺桿擠出機(jī)的輸送機(jī)理：非嚙合雙螺桿擠出機(jī)因兩根螺桿不能形成封閉的或半封閉的腔室，無(wú)正位移輸送條件，故其物料不是靠正位移輸送。其輸送機(jī)理類似于單螺桿擠出機(jī)，物料對(duì)金屬的摩擦系數(shù)和粘性力是控制擠出機(jī)輸送量的主要因素，摩擦是主要的推動(dòng)力。,嚙合異向雙螺桿擠出機(jī)的輸送機(jī)理：嚙合異向雙螺桿擠出機(jī)可通過(guò)設(shè)計(jì)使這種雙螺桿實(shí)現(xiàn)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(qiáng)。只有全嚙合、螺槽縱橫向完全封閉，才能實(shí)現(xiàn)完全的正位移輸送。,嚙合同向雙螺桿擠

6、出機(jī)的輸送機(jī)理：嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)可以設(shè)計(jì)成螺槽全嚙合橫向封閉的，但縱向不能封閉，否則螺桿會(huì)嚙合不上，會(huì)發(fā)生干涉。也就是必須將螺槽寬度設(shè)計(jì)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?？v向開(kāi)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(jī)的輸送機(jī)理介于單螺桿擠出機(jī)和縱橫向皆封閉的嚙合異向雙螺桿擠出機(jī)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(jī)的輸送機(jī)理：錐型雙螺桿擠出機(jī)的輸送機(jī)理與嚙合異向雙螺桿擠出機(jī)的輸送機(jī)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(kāi)放，則會(huì)喪失一部分正位移輸送能力，

7、但會(huì)加大混合作用。,雙螺桿擠出機(jī)的用途,非嚙合雙螺桿擠出機(jī)主要應(yīng)用于反應(yīng)擠出、熔劑法或乳液法制取聚合物、著色、玻璃纖維增強(qiáng)以及熱熔體粘接劑的準(zhǔn)備工序，廣泛應(yīng)用于熔劑含量高達(dá)50，每小時(shí)需干燥4500-6750kg物料的情況下。 嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)廣泛應(yīng)用于聚合物的物理改性共混、填充和增強(qiáng)，也可用于成形制品和反應(yīng)擠出。 嚙合異向雙螺桿擠出機(jī)和錐型雙螺桿擠出機(jī)廣泛應(yīng)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(shè)計(jì)螺桿元件時(shí)： 1、輸送能力； 2、混合性能； 3、停留時(shí)間及停留時(shí)間分布； 4、幾何參數(shù)的優(yōu)化優(yōu)選。,設(shè)計(jì)螺桿元件時(shí)： 根據(jù)雙螺桿幾何學(xué)和加工體系所需的混合能力

8、、輸送能力進(jìn)行設(shè)計(jì)。,嚙合同向雙螺桿元件的設(shè)計(jì),輸送元件 包括正向螺紋元件和反向螺紋元件，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮螺紋頭數(shù)、螺旋方向、導(dǎo)程、元件的軸向長(zhǎng)度。,嚙合同向雙螺桿元件的設(shè)計(jì),剪切元件 主要指捏合盤元件，一般成對(duì)、成串使用。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮頭數(shù)、厚度等。在應(yīng)用時(shí)考慮錯(cuò)列角的大小和方向、捏合盤的個(gè)數(shù)、捏合塊的軸向長(zhǎng)度等。,捏合盤錯(cuò)列角對(duì)混合的影響,捏合盤厚度對(duì)混合的影響,嚙合同向雙螺桿元件的設(shè)計(jì),混合元件,嚙合同向雙螺桿元件的設(shè)計(jì),混合元件,嚙合同向雙螺桿元件的組合設(shè)計(jì),加料段：大導(dǎo)程、正向輸送元件 壓縮段：分段改變導(dǎo)程或漸變改變導(dǎo)程,嚙合同向雙螺桿元件的組合設(shè)計(jì),熔融塑化段：可設(shè)置捏合盤、反向

9、螺紋元件、反向大導(dǎo)程元件。,嚙合同向雙螺桿元件的組合設(shè)計(jì),排氣段：,混合段：,嚙合同向雙螺桿元件的組合設(shè)計(jì),整根螺桿組合時(shí)需根據(jù)具體配方、物料特性、混合要求、操作條件來(lái)進(jìn)行： 混合作業(yè)的目的、加入到擠出機(jī)進(jìn)行混合時(shí)物料各組分的形態(tài)、性能和配比。 對(duì)各種螺桿元件的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能、應(yīng)用場(chǎng)合全面了解。 對(duì)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(shè)計(jì),輸送元件：,壓縮元件：,嚙合異向雙螺桿的組合設(shè)計(jì),嚙合異向雙螺桿元件的設(shè)計(jì),混合元件：,計(jì)算軟件： ANSYS POLYFLOW,POLYFLOW簡(jiǎn)介,PO

10、LYFLOW是Fluent公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)專門用來(lái)模擬粘性和粘彈性流體流動(dòng)的有限元CFD程序?？梢员挥糜谀M聚合物加工過(guò)程、食品流變學(xué)、玻璃熔爐流變、以及其他的流變應(yīng)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(shí)間相關(guān)流。 POLYFLOW的計(jì)算模擬主要是基于非牛頓流體的非線性廣義流動(dòng)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(jiàn)的聚合物加工技術(shù)，而且還適合于模擬多流場(chǎng)、聚合物共擠、三維擠出、反應(yīng)擠出以及自由表面的數(shù)值計(jì)算等。,POLYFLOW基本結(jié)構(gòu),雙螺桿擠出過(guò)程的數(shù)值模擬,基本假設(shè),熔體為不可壓縮的流體 流場(chǎng)為穩(wěn)定、等溫流場(chǎng) 雷諾數(shù)較小，流動(dòng)為層流流動(dòng) 慣性力

11、、重力等體積力遠(yuǎn)小于粘滯力，可忽略不計(jì) 熔體在流道中全充滿 壁面無(wú)滑移 流體為非牛頓流體，其本構(gòu)方程為Bird-Carreau模型或其它非牛頓模型,數(shù)學(xué)模型,,,,,螺桿構(gòu)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(jī)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(zhuǎn)邊界； 機(jī)筒內(nèi)表面：固定邊界。,ANSYS模擬結(jié)果,,,幾何模型 有限元模型,,壓力場(chǎng) 壓力分布,,速度場(chǎng) 軸向速度分布,,粘度場(chǎng)

12、 粘度分布,,剪切速率分布 剪切應(yīng)力分布,,流量 回流量,,POLYFLOW模擬結(jié)果,,有限元模型,SE20,KB120,FTX,KB60,S,NI-MPE,TME,KB90,,,,,機(jī)筒,計(jì)算結(jié)果及分析,剪切應(yīng)力場(chǎng),SE20,KB120,FTX,KB60,S,NI-MPE,TME,KB90,加權(quán)平均剪切應(yīng)力,1--SE20 2--KB60 3--KB90 4--KB120 5S 6TME 7--FTX 8--NI-MPE,停留時(shí)間分布,SE20,KB120,FTX,KB60,S,NI-MPE,TME,KB90,累積停留時(shí)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(yīng)變分布（SFD）,螺桿組合,螺桿構(gòu)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(jié)構(gòu),,,,,,,,,各螺桿元件置于熔體輸送段時(shí)分散相的平均粒徑與加權(quán)平均剪切應(yīng)力,4--KB120,7--FTX,2--KB60,8--NI-MPE,6--TME,3--KB90,1--SE20,5--S,