（化工过程机械专业论文）高扭矩高啮合比同向双螺杆挤出机挤压系统设计原理及性能研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t q 3 2 学科分类号 5 3 0 3 1 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 6 7 8密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名曹利 学号 2 0 0 9 0 0 0 6 7 8 获学位专业名称 化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 高扭矩高啮合比挤压系 课题来源 中央、国家部门项l ：- i研究方向 统研究 论文题目 高扭矩高啮合比同向双螺杆挤出机挤压系统设计原理及性能研究 同向双螺杆挤出机，相似放大理论，正交试验设计，新型捏合盘元件， 关键词 停留时间分布 论文答辩日期 2 0 12 5 2 5卑论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位学科专长 指导教师李翱讲师北京化工大学橡塑装备研究 评阅人1杨卫民教授北京化工大学聚合物加工原理及设备 评阅人2张亚军 教授 北京化工大学 机械控制和塑料机械 徽员 李培杰 教授 清华大学 轻金属材料研究与开发 椭员会筛 杨卫民 教授 北京化工大学聚合物加工与设备 徽员蝴 张亚军 教授 北京化工大学 机械控制和塑料机械 答辩委员1关昌峰研究员北京化工大学化工过程及装备 答辩委员2丁玉梅副研究员北京化工大学聚合物加工原理及设备 答辩委员3马秀清副教授北京化工大学聚合物加工原理及设备 答辩委员4 杨于光 副教授北京化工大学聚合物加工原理及设备 答辩委员5 谢鹏程 副研究员 北京化工大学 高分子材料先进制造 答辩委员7毕超副教授北京化工大学聚合物加工原理及设备 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在( 中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查 询。 四。论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 高扭矩高啮合比同向双螺杆挤出机挤压系统 设计原理及性能研究 摘要 本文瞄准目前国际上最新一代同向双螺杆挤出机水准，以高扭矩高啮 合比同向双螺杆挤出机挤压系统的开发研制为结合点，对同向双螺杆挤出 机相似放大参数优化、挤压系统设计原理、新型捏合盘元件混炼性能及实 验研究等方面进行了研究。 采用f e m 与正交试验设计相结合的方法，选用螺槽深度、螺杆转速 和螺杆与机筒间隙作为试验因素，将产量、比能耗、最大剪切应力和平均 停留时间作为评价指标，确定了目标机型一中7 2 同向双螺杆挤出机的最 优几何参数。 深入探讨螺杆元件设计方法，采用有限元数值方法从产量、齿轮箱轴 承载荷、比能耗、停留时间等方面量化对比中心距修正法和法向等间隙修 正法设计的螺杆元件性能。 运用有限元法与传统理论计算相结合的方法，对渐开线花键芯轴进行 了齿形优化和结构设计，并从剪切应力、变形等方面分析了芯轴的承载能 力。 在全面剖析国内外常用机筒加热冷却方式和加热冷却通道布置的基础 上，确定本课题采用电加热+ 轴向双管并联式单通道加热冷却形式，并完 成了各功能段机筒的结构设计。 自行开发设计了新型正向、反向捏合盘元件，运用数值模拟方法研究 北京化工大学硕士学位论文 其输送性能、混炼性能及经济性能；并采用数字图像技术和m a t l a b 软 件对新型捏合盘元件的停留时间分布进行了实验研究，分析螺杆转速对停 留时间分布的影响。 关键词：同向双螺杆挤出机，相似放大理论，正交试验设计，挤压系统， 新型捏合盘元件，停留时间分布 a b s t r a c t d e s i g np r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c es t u d yo f e x t r u s i o ns y s t e mo fh i g h - t o r q u ea n dh i g h v o l u m e t r i cr a t i ot w i n s c r e we x t r u d e r a b s t r a c t a i m e da tt h el a t e s tg e n e r a t i o nc o - r o t a t i n gt w i n s c r e we x t r u d e ra n db a s e d o nt h ed e v e l o p m e n to fh i g h t o r q u ea n dh i g hv o l u m e t r i cr a t i o c o r o t a t i n g t w i n s c r e we x t r u d e r , s c a l e - u pp a r a m e t r i co p t i m i z a t i o n ，d e s i g n p r i n c i p l eo f e x t r u s i o ns y s t e m ，m i x i n gp e r f o r m a n c eo fn e wt y p ek n e a d i n gb l o c k sa n d e x p e r i m e n t a ls t u d yw e r es t u d i e d b yc o m b i n i n gf e ma n do r t h o g o n a le x p e r i m e n td e s i g n ，t h ee f f e c t so f d i f f e r e n te x p e r i m e n t a lf a c t o r si e c h a n n e l d e p t h ，s c r e ws p e e da n dt h e c l e a r a n c eb e t w e e ns c r e wa n db a r r e lo ne v a l u a t i n gi n d i c a t o r s ( o u t p u t ，s p e c i f i c e n e r g yc o n s u m p t i o n ，t h em a x i m u ms h e a rs t r e s sa n dm e a nr e s i d e n c et i m e ) w e r ea n a l y z e d t h eo p t i m a lg e o m e t r y p a r a m e t e r so ft h et a r g e tm o d e l ，i e 0 7 2 c o r o t a t i n gt w i n s c r e we x t r u d e rw e r eo b t a i n e d t os t u d yt h ed e s i g nm e t h o do fs c r e we l e m e n t s ，t h et h r o u g h p u t ，g e a r b o x b e a r i n gl o a d ，s p e c i f i ce n e r g yc o n s u m p t i o na n dr e s i d e n c et i m eo fs c r e w e l e m e n t s ，w h i c hw e r ed e s i g n e db yn o r m a lu n i f o r mc l e a r a n c ec o r r e c t i o n m e t h o da n dc e n t e rd i s t a n c ec o r r e c t i o nm e t h o d ，w e r e c o m p a r e db yf i n i t e e l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d i i i 北京化工大学硕士学位论文 _一 b yc o m b i n i n gf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt r a d i t i o n a lt h e o r y c a l c u l a t i o n ，t h et o o t hp r o f i l eo p t i m i z a t i o na n ds t r u c t u r a ld e s i g no fi n v o l u t e s p l i n es p i n d l ew e r ec a r r i e do u t m e a n w h i l e ，t h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h e s p i n d l ew a sa n a l y z e df r o ms h e a rs t r e s sa n dt r a n s f o r m a t i o n b a s e do nc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ed o m e s t i ca n do v e r s e a se x i s t i n g h e a t i n ga n dc o o l i n gm e t h o d sa n dc h a n n e l ss e x i n go ft h eb a r r e l ，t h ee l e c t r i c h e a t i n ga n dp a r a l l e lt u b i n ga l o n gt h ea x i sc o o l i n gm e t h o do ft h eb a r r e lw a s c h o s e ni nt h es u b j e c t t h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h eb a r r e l si nd i f f e r e n tf u n c t i o n s e c t i o n sw e r ec o m p l e t e ds i m u l t a n e o u s l y a d o p t i n gp a t e n tt e c h n o l o g yo fo u rl a b o r a t o r y ，n e wt y p ep u r a p i n ga n d r e v e r s e dk n e a d i n gb l o c k sw e r ed e s i g n e d f u r t h e r m o r e ，t h em i x i n g ，t r a n s p o r t a n de c o n o m i cp e r f o r m a n c e so ft h en e w t y p ek n e a d i n gb l o c k sw e r es t u d i e db y n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d b e s i d e s ，t h er e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o no ft h e n e w t y p ek n e a d i n gb l o c k sw a ss t u d i e db yd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ( ：d i p ) a n d m a t l a bs o f t w a r e ，a n di n f l u e n c eo ft h es c r e ws p e e do nt h er e s i d e n c et i m e d i s t r i b u t i o nw a sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：c o - r o t a t i n gt w i n s c r e we x t r u d e r , s c a l e - u pt h e o r y , o r t h o g o n a l e x p e r i m e n td e s i g n ，e x t r u s i o ns y s t e m ，n e wt y p ek n e a d i n g b l o c k ，r e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o n i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源1 1 2 挤出机相似放大理论的研究现状1 1 3 同向双螺杆挤出机挤压系统的研究现状3 1 3 1 螺杆元件研究现状4 1 3 2 芯轴研究现状一5 l - 3 3 机筒研究现状6 1 4 停留时间分布的研究6 1 5 本课题研究的主要内容7 第二章同向双螺杆挤出机相似放大参数优化9 2 1 特征参数相似放大关系9 2 2 相似放大参数优化的正交试验设计9 2 3 相似放大参数优化数值分析1o 2 3 1 物理模型1 0 2 3 2 数学模型1 1 2 3 3 边界条件1 2 2 3 4 正交试验结果分析1 2 2 3 5 基准机型和目标机型最优方案性能分析1 5 2 4 小结15 第三章m 7 2 高扭矩高啮合比同向双螺杆挤出机挤压系统设计+ 1 7 3 1 主要设计参数的确定17 3 2 螺杆元件设计深入探讨1 7 3 2 1 常规螺杆元件的设计1 7 3 2 2 新型捏合盘元件的开发1 8 3 2 3 螺纹曲线修正1 9 3 2 4 数值模拟2 0 3 3 芯轴参数优化与结构设计2 5 v 北京化工大学硕士学位论文 一 3 3 1 渐开线花键芯轴齿形参数优化2 6 3 3 2 渐开线花键芯轴校核2 9 3 3 3 芯轴力学性能分析3 1 3 4 机筒结构设计3 4 3 4 1 机筒加热冷却方式3 4 3 4 2 机筒加热冷却通道布置0 64 0 3 4 3 4 3 7 2 机组机筒的结构设计一3 6 3 5 小结3 7 第四章新型捏合盘元件混炼性能及实验研究3 9 4 1 新型捏合盘元件混炼性能数值分析3 9 4 1 1 物理模型3 9 4 1 2 数学模型和边界条件4 l 4 1 3 结果分析一4 1 4 2 新型捏合盘元件停留时间分布实验研究4 6 4 2 。1 数字图像处理( d i p ) 实验原理4 6 4 2 2 实验设备4 9 4 2 3 实验原料及工艺条件4 9 4 2 4 螺杆构型5 0 4 2 5 实验步骤51 4 2 6 实验结果5 2 4 3 小结5 4 第五章结论与展望5 5 5 1 取得的阶段性成果。5 5 5 2 对本课题研究的展望5 6 参考文献5 7 致谢6 1 研究成果及发表的学术论文6 3 v i 目录 作者与导师简介6 5 v i i 原书空白页 不缺内容 co n t e n t s c h a p t e r li n t r o d u t i o n 1 1 1t h ep r o j e c to r i g i n 1 1 2c u r e n ts i t u a t i o no f s c a l e u do f e n t r u d e r 1 1 3c u r e n ts i t u a t i o no f e x t r u s i o ns y s t e mo f t w i n - s c r e we x t r u d e r 3 1 3 1c u r e n ts i t u a t i o no f s c r e we l e m e n t s 4 1 3 2c u r e n ts i t u a t i o no f s p l i n e 5 1 3 3c u r e n ts i t u a t i o no f t h eb a r r e l ：。6 1 4c u r e n fs i t u a t i o no f r e s i d e n c et i m ed i s t i l b u t i o n 6 1 5c o n t e n t so f t h es u b j e c ts t u d y 7 c h a p t e r 2s c a l e - - u pp a r a m e t r i co p t i m i z a t i o no ft w i n s c r e we x t r u d e r 9 2 1c h a r a c t e rp a r a m e t e rr e l a t i o n s h i po f s c a l e - u p 9 2 2t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g no fs c a l e - u pp a r a m e t r i co p t i m i z a t i o n 9 2 3n u m e r i c a la n a l y s i so f s c n e - - u pp a r a m e t r i co p f i m i z a t i o n 1 0 2 3 1p h y s i c a lm o d e l 1 0 2 3 2t h em a t h e m a t i c a lm o d e l 。11 2 3 3t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s 1 2 2 3 4t h er e s u l ta n a l y s i so f t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t 1 2 2 3 5p e r f o r m a n c ea n a l y s i so f b a s i cm o d e la n dt a r g e tm o d e l 1 5 2 4s u m m a r y 15 c h a p t e r 3d e s i g no fe x t r u s i o ns y s t e mo f 由7 2h i g h t o r q u ea n dh i g h v o l u m e t r i cr a t i oc o r o t a t i n g 铆i n s c r e we x t r u d e r 17 3 1t h ed e t e r m i n i n go f t h em a j o rp a r a m e t e r s 17 3 2t h o r o u g hd i s c u s s i o no f s c r e wd e m e n t si nt w i n s c r e we x t r u d e r 1 7 3 2 1d e s i g no fc o m m o ns c r e we l e m e n t s 1 7 3 2 2d e v e l o p m e n to f n e wt y p ek n e a d i n gb l o c k s 18 3 2 3s c r e wc u r v ec o r r e c t i o n 1 9 3 2 4n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 2 0 一一! ! 塞垡三奎堂堡主堂焦笙塞 _ _ _ - _ 一一 3 3p 踟“co p t i m i z a t i o na n ds t m c t u r ed e s i g no f i n v o l u t es p i n d l e 2 5 3 3 1t o o hp r o f i l eo p t i m i z a t i o no f i n v o l u t es p i n d l e 2 6 3 3 2 h l v 0 1 m es p i n d l ec h e c k i n g 2 9 3 3 3t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f i n v o l u t es p i n d l e 3 1 3 4f t r u c t u r ed e s i g n o ft h eb a r r e l j 斗 3 4 1c o o l i n ga n dh e a t i n gm e t h o do f t h eb a r r r e l 3 4 3 4 2c o o l i n ga n dh e a t i n gc h a n n e l so f t h e b a r r r e l 3 4 3 4 3s t m c t u r ed e s i g no f t h e b a r r e l si n 由7 2e x t r u d e r 3 6 3 5s u n u n a i v 一3 7 c h a p t e r4s t u d yo fm i x i n gp e r f o r m a n c e a n de x p e r i m e n to fn e wt y p e k n e a d i n gb l o c k - 3 9 4 1n u i n e r i c a la n a l y s i s o f m i x i n gp e r f o r m a n c e j y 4 1 1p h y s i c a lm o d e l 3 9 4 1 2t h em a t h 锄a t i c a lm o d e la n db o u n d a r yc o n d i t i o n s 4 1 4 1 3t h er e s u l ta n a l y s i s 叶1 4 2e x p e r i m e n t a ls t u d yo f r e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o no f n e wt y p ek n e a d i n g b l o c k “4 6 4 2 1e x p 嘶m e n tp r i n c i p l eo fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ( d i p ) 4 0 4 2 2e x p e r i m e n t a ld e v i c e 4 9 4 2 3e x p e r i m e t a lm a t e r i a la n dp r o c e s sc o n d i t i o n s 4 9 4 2 4s c r e wc o n f i g u r a t i o n 一j v 4 2 5e x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e 。j 1 4 2 6a n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t ”j 二 4 3s u m 棚a 巧5 4 c h a p t e r 5c o n c l u s i o n s 5 5 5 1m a i nw o r k sa n dc o n c l u s i o i l s 5 5 5 2r e s e a r c he x p e c t a t i o n s ”5 6 r e f e r e n c e s 5 7 a c k n o w l e d g e ，6 l x c o n t e n t s s t u d ya c h i e v e m e n ta n dp u b l i s h e da c a d e m i ct h e s e s 6 3 i n t r o d u t i o no ft h ea u t h o ra n dt u t o r 6 5 原书空白页 不缺内容 符号说明 d n h ，z r r d r ：d 尺z d 6 z h 1 ， 矗 g ，圪，圪 p 气 ，7 以 m d | 0 。 d o | d l e u k a x r m a x 彬 h 沙 聊 z d m q d o s 符号说明 产量，k g h 一1 螺杆转速，r p m 螺槽深度，r n 幂律指数 停留转动分布 停留体积分布 停留时间分布 螺杆与机筒之间间隙，m 螺杆长度相似放大指数 螺槽深度相似放大指数 螺杆转速相似放大指数 螺杆直径相似放大指数 间隙相似放大指数 速度分量，m ，s 一 压力， 应力分量，n m 屯 表观粘度，p a s 零剪切粘度，p a s 时间常数，s 比扭矩，n m c m q 啮合比 弹性模量，砌 泊松比 最大剪切应力，砌 最大扭矩，n m 抗弯截面系数，m 3 许用应力，砌 载荷不均匀系数 渐开线花键模数，m m 渐开线花键齿数 渐开线花键分度圆直径，m 渐开线花键压力角，。 屈服强度，m p a 北京化工大学硕士学位论文 o b 巧 o c 够 g i p s 。 m 啦 c ( f ) e ( f ) f ( f ) f 仃 叮 r ，a ，b ，k ，z 0 拉伸强度，m p a 安全系数 螺杆轴向力， 自重产生的弯曲应力，p a 扭转角，r a d 掰叫 材料剪切弹性模量，p a 截面极惯性距，m 4 比能耗，k w h k g 。1 瞬态混合效率 平均混合效率 混合效率 示踪剂浓度函数 停留时间分布函数 累计停留时间分布函数 平均停留时间，s 分布方差 分布标准差 e a b 色彩空间亮度 x y z 色彩空间中三原色数值 x i v 第章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 在高分子材料加工领域中，同向双螺杆挤出机由于其优异的混炼性能、自洁功能 以及灵活的结构特点得到了日益广泛的应用，并且朝高啮合比、高比扭矩和高产量的 方向发展【l 圳。对比国内外高聚物成型装备前沿发展情况可以发现，国内中小型同向双 螺杆挤出机性能指标与国外机型仍存在较大的差距。2 0 1 0 年，德国著名的同向双螺杆 挤出机生产厂家c w & p 公司推出了啮合比为1 5 5 的z s k 系列机型，比扭矩高达 1 8n m c m 3 ，螺杆转速最高为1 2 0 0 仞m ；而我国同种规格机型的比扭矩一般在 8 7 11 3 n 。m c m 3 之间，螺杆转速最高也只能达到6 0 0 r p m ；2 0 0 7 年，德国l e i s t r i t z 公司推出的啮合比为1 6 6 的z s em a x x 系列同向双螺杆挤出机，产量比上代z s eh p 系列提高了3 0 - - 5 0 ，这也是目前国内双螺杆挤出机行业无法达到的水平，因此实 现技术突破已迫在眉睫。 本课题结合国家“十一五 重点攻关项目“2 0 万吨年大型挤压造粒机组的 开发研制”和北京化工大学中央高校基本科研业务费项目“大型双螺杆挤压造粒 机组螺杆几何造型设计方法及相似放大理论的研究 ，瞄准目前国际上最新一代同向 双螺杆挤出机水准，借鉴大型挤压造粒机的研发经验，以高扭矩高啮合比同向双螺杆 挤出机挤压系统的开发研制为结合点，对同向双螺杆挤出机相似放大参数优化、挤压 系统设计原理、新型捏合盘元件混炼性能及实验研究等方面进行研究。研究成果不仅 可以应用于大型双螺杆挤压造粒机组系列化开发，而且可以为中小型同向双螺杆挤出 机产品技术更新提供重要的理论支撑。 1 2 挤出机相似放大理论的研究现状 挤出机的相似放大须从螺杆的固体输送段、熔融段和熔体输送段考虑。每种相似 放大方法都有其自身缺陷，只有综合分析挤出机性能指标，才能得到较合适的相似放 大方法。自从1 9 5 3 年m c k e l v e y c a r l e y 对单螺杆挤出机熔体输送段的进行了研究，之 后很多学者相继提出不同的相似放大方法。表1 1 列出了九种经典相似放大方法中特 征参数的放大指数。 和f e n n e r 5 】提出的相似放大方法能基本保证固体熔体输送和熔融速率保持平 衡，但是比能耗增大很明显，这将导致产生过多的粘性热。 c a r l e y 和m c k i v e y 6 1 在分析熔体输送过程中首次提出了单螺杆挤出机的相似放大 方法，认为螺杆转速n 2 = n , a o ，螺杆长度厶= 厶d ( 其中d = d 2 d ) 。这种相似放大理 论能保持螺杆转速、剪切速率、平均停留时间和比能耗不变，但是在低b r i n k m a n 数 的情况下，熔体输送速率和熔融速率不能保持均衡。此外，采用这种相似放大方法后， 北京化工大学硕士学位论文 挤出机比表面减小，从而机筒导热能力降低。 f i s c h e r 和p o t e n t e l 7 在仅考虑了固体输送和熔体输送基础上，分别提出了两种类型 挤出机的相似放大方法：其中一种是应用于传统挤出机的理论，其缺陷是熔融速度增 加不明显，比能耗不恒定；另一种应用在计量加料挤出机上，提出的相似放大理论导 致固体输送速率和熔融速率( 熔体输送速率) 不平衡，停留时间相应增加，产量增加 不明显，比能耗不恒定。 p e a r s o n 8 】首次综合分析了挤出机的相似放大方法。这种方法能保持固体熔体输送 速率和熔融速率达到平衡、比能耗保持不变，但它的缺陷是产量增加不明显、且在高 b r i n k m a n 数比在低b r i n k m a n 数时熔融速率增加偏快。 m a d d o c k 【卅提出b ：h 扩5 ，= m d n 5 ，这种相似放大方法为当前挤出机设计中 最常用的方法。它的主要缺陷是在低b r i n k m a n 数的情况下，熔体的输送速率与熔融速 率不能达到平衡，比能耗随直径比增加。 表1 - 1 特征参数的相似放大指数 一 c a r l e y m c k e i v e y m a d d o c k 放大指数( 混各相似放大，) ( 通用相似放大) p e 嬲3 0 n 螺槽深度 10 5( 1 + m ) ( 1 + 3 m ) 螺杆长度 11 l 螺杆转速 00 5 一( 2 + 2 m ) ( 1 + 3 研) 剪切速率 00 2 ( 1 + 3 m ) 螺杆功耗 32 5( 1 + 5 m ) ( 14 - a m ) 平均停留时间 00 5( 2 + 2 m ) ( 1 + a m ) 比能耗 00 5o 比表面积 - 1 0( 1 4 - 肌) ( 】【+ 3 m ) 续表1 - 1 特征参数的相似放大指数 一 f 锄e r 脚s 吐e n k e f i 毗篙叭酬e放大指数 螺槽深度 0 3g0 7 螺杆长度 l g 1 螺杆转速 0 3 g 一1 - 1 4 剪切速率 0 401 1 螺杆功耗 2 7 + 0 4 m 2 9 4 - 1 1 6 1 1 m 平均停留时间 0 301 4 比能耗 0 7 + 0 4 m00 3 一1 1 m 比表面积 00o 7 2 第一章绪论 续表1 - 1 特征参数的相似放大指数 一 f i s c h e r p o t e n t er a u w e n d a a lr a u w e n d a a l 放大指数( 2 )( 1 )( 2 ) 螺槽深度 0 7 ( 1 + m ) ( 1 + 2 m ) 1 2 m 螺杆长度 11 ( 1 + m ) 2 m 螺杆转速 一0 6( 1 + 埘) ( 1 + 2 m )1 剪切速率 0 31 ( 1 + 2 m )一1 | 2 m 螺杆功耗2 4 0 3 m 2 ( 1 + 2 m ) 2 m 平均停留时间 0 6 ( 1 + ，1 ) ( i + 2 m )( 1 + m ) 2 m 比能耗 0 3 0 3 m0 0 比表面积 - 0 10 0 5 以上是针对单螺杆挤出机提出的相似放大理论，国内外也有很多研究人员进行了 双螺杆挤出机相似放大理论研究。 m n a k a t a i 1 0 1 认为树脂温度是描述同向双螺杆挤出机操作条件很有代表性的参 数，在综合考虑绝热指数p 和非牛顿指数的基础上，提出保持树脂温度恒定的新的相 似放大方法。 d b i g i o 和k w a n g 1 1 提出了在l d 和h d 均为常数时，混合速率不变的相似放 大方法。通过理论、实验及可视化的手段，他们研究了填充度、螺杆转速及螺杆直径 等因素的影响，得出填充度影响其分布混合性能，螺杆转速与流体混合速率无关，螺 杆直径不影响其混炼性能。 国内的学者董中华等人 1 2 】分别从热平衡、混合方面以及综合分析了不同相似放大 方法的优势和劣势，对比分析了z s k 机型数据，得出在中小机同向双螺杆挤出机宜 采用混合相似放大方法，而对大型机宜采用螺杆线速度近似恒定的准则。 王建平等人 13 】分析了三种相似放大方法：热传递相似、混合相似及m a d d o e k 相 似，并给出三种相似放大方法的关系式，并从螺槽深度、功率、转速及产量等技术参 数方面对同向双螺杆挤出机性能参数进行预测，预测结果与实际较吻合。 李翱等人【1 4 】综合分析了单螺杆挤出机九种经典的相似放大方法，并在c w & p 公 司z s km c 系列同向双螺杆挤出机技术参数的数据基础上，分别提出了适用于小型机、 中型机及大型机的相似放大准则。 1 3 同向双螺杆挤出机挤压系统的研究现状 聚合物共混改性工艺的高速发展，大大促进了人们对混炼加工装备的开发利用， 挤压系统作为同向双螺杆挤出机核心的组成部分，其螺杆元件、芯轴及机筒的开发设 计是保证物料在挤出机中获得充分分散和分布混合的重要影响因素。随着共混设备向 北京化工大学硕士学位论文 高速、高性能方向发展，对挤压系统设计开发研制提出了更高的要求。 1 3 1 螺杆元件研究现状 螺杆元件的设计开发直接影响同向双螺杆挤出机的混炼效果。国内外很多学者采 用有限元数值模拟的方法研究了聚合物在螺杆元件流道内流动过程，通过各种指标和 参数量化分析了螺杆元件的混炼和熔融性能。 陈晋南等从剪切速率场、温度场、速度场的流场分析结果及分散分布混合分析结 果研究了s m e 和s e 两种螺纹元件混炼性能，得出s m e 元件最大压力较小，轴向温 度变化平缓，分散分布混合性能较优【15 1 。 董中华等从轴向温升、输送能力和混合性能等方面分析了三种不同导程的螺纹元 件混炼性能，得出导程越大，螺纹元件的输送能力和建压能力增加，但其停留时间减 小【阑。 朱向哲等利用非等温数值模拟的方法，从螺杆特性曲线、速度场、压力场及温度 场等方面研究了非啮合并列型螺纹元件性能，得到此种元件的压力梯度和速度梯度较 大，啮合区温度过高，其产量随螺杆转速的增大而增大，并随流道两端压差的增加而 减 b t l7 1 。 邱国庆等【1 8 1 研究了扭转角、错列角及盘体厚度对螺旋形捏合盘元件分散分布混合 性能的影响，并与常规捏合盘元件性能进行了比较，得出螺旋状捏合盘元件的性能更 优。 h o n g f e ic h e n g 掣1 9 】采