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青岛科技人学研究生学位论文 混炼成型一体机计算机模拟及实验研究 摘要 混炼和挤出成型过程一直以来都是橡胶、塑料等聚合物加工过程中各自独立 的重要环节，随着橡塑工业及其它高分子材料加工行业的迅速发展，特别是以塑 料为基体的橡塑共混物的广泛应用，对橡塑机械的性能要求也越来越高，各种新 型设备不断涌现。本文中提到的混炼成型一体机是种新型的共混聚合物混炼成 型加工一体化设备，具有密炼机的优良混炼性能和挤出机的连续挤出成型加工的 特点，使混炼和挤出成型两道工序在同一台设备上完成。本文以这种新的加工方 法为对象，主要进行以下研究工作： 1 采用a d i n a 有限元软件分别对新型二棱同步转子、销钉二棱同步转子、 功能二棱同步转子等三对转子的混炼效果进行了模拟分析比较，分析了胶料混炼 时以及混炼后排胶时在密炼机中的流动情况、转子的混炼性能以及排胶性能。模 拟结果显示功能二棱同步转子适合于混炼成型一体机的要求。 2 在国内首次设计并制造出了适合混炼成型一体机的配套的一种新型的双 锥螺杆挤出机。 3 对混炼成型一体机的挤出部分进行流动模拟分析，并对单、双两种螺杆 挤出机进行模拟对比。 4 对三对转子进行了不同的实验，对各种转子的最佳工艺条件进行了讨论， 找出了影响混炼过程的最佳的混炼工艺参数，为混炼成型一体机的进一步的实验 研究，提供工艺参数的选择依据；实验数据分析表明三对新型转子中，功能二棱 同步转子的混炼效果最好，其次是销钉二棱同步转子。同时，转子的对比实验结 果也验证了相关理论分析和转子流场分析结果的正确性。 5 对单、双两种螺杆挤出机进行了对比实验，实验过程中发现了新型双锥 螺杆挤出机的吃料效果明显好于单螺杆挤出机。 本文通过研究表明，所研究丌发的混炼成型一体机技术是可行的，改进后配 有新型双锥螺杆挤出机的混炼成型一体机实现了最初的设计目标，对于开发工业 化应用机台具有重要的指导意义。 关键词：混炼成型一体机功能二棱同步转子a d i n a 有限元分析双锥螺杆 青岛科技人学研究生学位论文 t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t i 之e s e a c ho fm i x e r e x t r u d e ri n c o r p o r a t e m a c h i n e a b s t r a c t m i x i n ga n de x t r u s i o nm o l d i n gh a v eb e e nt w oi n d e p e n d e n ta n di m p o r t a n ts t e p so f p o l y m e rp r o c e s s i n g ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f r u b b e ra n dp l a s t i ci n d u s t r ya sw e l l a so t h e rp o l y m e rm a t e r i a li n d u s t r y , e s p e c i a l l yt h ew i d eu s eo fr u b b e rp l a s t i c sb l e n d s ， t h er e q u i r e m e n tf o rt h ep e r f o r m a n c eo ft h ei n t e r n a lm i x e ri sh i g h e rt h a ne v e rb e f o r e ， k i n d so fn e w s t y l ei n t e m a lm i x e rc o m ef o r t h t or e s o l v et h i sp r o b l e m ，w ep u tf o r w a r d an e w s t y l ec o n t i n u o u sm i x e r - 一m i x e r & e x t r u r e ri n c o r p o r a t em a c h i n e ，t h ee q u i p m e n t ， o nw h i c ht h ep r o c e s so fm i x i n ga n de x t r u d i n gc a nb o t hb ef i n i s h e d ，h a st h ea d v a n t a g e o fb o t hi n t e m a lm i x e ra n de x t r u d e r t os o l v et h ed i s a d v a n t a g et h a tp r e s e n tc o n t i n u o u s m i x i n ge q u i p m e n t sc a n tm i xm a s s i v ea n dp o o rf l o w a b i l i t ym a t e r i a l t h ee q u i p m e n tc a n m i xm a s s i v ea n dh i g ht r e a c l i n e s sm a t e r i a l t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r ko nt h i s e q u i p m e n th a sb e e nd o n e ： 1 a n a l y s et h em i x i n ge f f e c to ft h en e w - s t y l et w o - w i n gs y n c h r o n o u sr o t o r s 、t h e p i n n e dt w o - - w i n gs y n c h r o n o u sr o t o r sa n dt h et w o - w i n gf u n c t i o n a ls y n c h r o n o u s r o t o r sw i t ha d i n as o f t w a r e w es p e c i a l l ya n a l y s er u b b e r sf l o ww h i l em i x i n g a n dd u m p i n gt or e s e a r c ht h er o t o r sm i x i n ga n dd u m p i n gc a p a b i l i t y w e a p p r o v et h et w o - w i n gf u n c t i o n a ls y n c h r o n o u sr o t o r ss u i t a b l ef o rm i x e r & e x t r u r e ri n c o r p o r a t em a c h i n er e q u i r e m e n t s 2 i nt h ee x p e r i m e n tw ef i n dt h a tc a t t i n gm a t e r i a l lr e s u l to fs i n g l es c r e we x t r u d e r i sb a d ，w ef i n i s ht h ee x t r u d e rp a r ts t r u c t u r ed e s i g no ft h em i x e r e x t r u d e r i n c o r p o r a t em a c h i n e ，d e s i g nc o n et w i n s c r e we x t r u d e ra n dp r i n ta l lt h ed r a w st o h a v et h e mp r o d u c e db yf a c t o r y 3 w ed e s i g nc o n et w i n - s c r e we x t r u d e ra n ds i m u l a t ee x t r u d e rp a r to fm i x e r & e x t r u r e ri n c o r p o r a t em a c h i n e ，a n dc o m p a r et h et w oe x t r u d e r s 4 t h r e er o t o r sw i t hd i f f e r e n t c o n f i g u r a t i o nw e r ed e s i g n e d a n dc o n t r a s t e x p e r i m e n t sf o rt h ed e s i g n e dr o t o r sa n dt r a d i t i o n a lr o t o r sw e r ep e r f o r m e d a t 3 混炼成型一体机计算机模拟及实验研究 t h es a m et i m e ，t h eo p t i m u mp r o c e s sc o n d i t i o nf o r t h er o t o r sa n dt h eo p t i m u m p r o c e s sp a r a m e t e r sf o rt h em i x i n gp r o c e s sw e r ed i s c u s s e di n t h i sp a p e r t h e a n a l y s i sr e s u l ts h o w st h a tf u n c t i o n a lt w o w i n gs y n c h r o n o u sr o t o r sa r eb e s tf o r t h em i x i n ge f f e c ta n dt h ep i n n e dt w o w i n gs y n c h r o n o u sr o t o r sa r et h es e c o n d ， w h i c ha l s op r o v e st h a tt h ec o n n e c t i n gt h e o r ya n a l y s i si sc o r r e c t 5 c o n t r a s te x p e r i m e n t sf o rt h et w oe x t r u d e r sa r ed o n e d u r i n gt h ee x p e r i m e n t a l p r o c e s sw ef i n dt h ee a r i n gm a t e r i a l lr e s u l to f c o n et w i n s c r e we x t r u d e ri sb e t t e r t h a nt h a to fs i n g l es c r e we x t r u d e r t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e rs h o wt h a tt h ed e v e l o p e dm i x i n g m o l d i n gi n t e g r a t i v e m a c h i n ei sf e a s i b l e w br e a l i z et h ef i r s ti m p r o v e m e n tg o a l st h r o u g hi m p r o v i n gm i x e r e x t r u r e ri n c o r p o r a t em a c h i n e ，a n di ti su s e f u lf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r i a l e q u i p m e n t k e yw o r d s ：m i x e r & e x t r u r e ri n c o r p o r a t em a c h i n ef u n c t i o n a lt w o - w i n g s y n c h r o n o u s r o t o r sa d i n af i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s c o n et w i n s c r e w e x t r u d e r 4 混炼成型一体机计算机模拟及实验研究 符号说明 卜电机功率，k w c p 胶料的比热容，k j ( x g k ) t 胶料温度， 。c 口换热系数w m 2 k 卜速度，m s 卜压力，p a p 密度，k g m 3 卜重力，n r 粘度( p a s ) l i 幂律指数 m 稠度( n s m 2 ) f 剪应力( p a ) 矿剪切速率( 1 s ) 7 。一初始粘度，也就是零剪切速率时的粘度 旯一粘弹性的特征时问 巩一无穷剪切粘度 d 应变速率张量 n m a x 消耗的最大功率，k w t 混炼时间，s j 1 3 0 0 定伸应力，m p a j 2 拉伸强度，m p a t ，抗撕裂强度，k n m 。1 e t 扯断伸长率， 西扯断永久变形， ? 口硬度，a ( o ) d s 混炼胶分散度 2 、混炼成型一体机计算机模拟及实验研究 独创性声明 本人声明所呈交的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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请 的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：侈尔穆同期：冲7 年莎月7 7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权学校可以将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、汇编学位论文。本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科 技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 本人签名：移 导师签名：墨 ， 参蕾 彳跫步 i 裟驾毙多昌 8 6 青岛科技大学研究生学位论文 一 日i j 吾 如今人们对各种高分子材料的需求越来越大，而各种高分子材料也在高分子 材料科学的发展下相继出现，人们将这些高分子材料应用在各个领域，对聚合物 的改性要求也越来越高。f 因为聚合物改性的迅速发展，之前的混炼设备已不能 满足要求，需要研制满足混合性能的混炼设备。数十年来，围绕如何增强共混效 果、提高制品质量、节能降耗和改善机器性能以及追求高效率，出现了种类繁多 的、适应不同混合工艺要求的聚合物混炼设备。通过近几十年的发展，聚合物混 炼设备从最初的间歇式混炼机，发展到各类连续混炼机。因此，加强对新型高效 连续混炼机及其混炼机理的研究，是我国缩短与国外同行的差距的一项具有现实 意义的工作。 现在人们利用计算机技术完成了很多复杂的工作，c a d 技术在设计工作中发 挥越来越大的作用。比如本文中的双锥螺杆的设计，首先利用三维设计软件进行 三维造型，设计出复杂的双锥螺杆构型，再利用软件对其进行结构强度的计算； 本文中还利用有限元软件模拟双锥螺杆和机筒壁之间胶料的流动情况，观察云 图，分析之前设计的双锥螺杆是不是合乎设计的要求，然后改进原来的设计方案， 实现双锥螺杆的优化设计。这都是计算机辅助技术对设计的很大帮助。 本文的主要研究内容是研究混炼成型一体机的胶料的流场分布，并在后续的 实验研究中加以观察和验证。首先利用三维元件建立了混炼成型一体机的三维造 型，并在有限元分析软件中建立了混炼成型一体机的有限元模型，利用有限元法 进行了求解运算，然后得到混炼成型一体机的胶料流场的分布云图。对比相关分 布云图，找出对比的三种转子构型对胶料的影响和不同之处，以及设计的双锥螺 杆构型与单螺杆构型相比的优缺点。 本文虽然研究了混炼挤出成型一体机的流场分布，利用计算机辅助技术和实 验设备做了很多工作，但是由于混炼挤出成型一体机胶料流场具有的复杂性以及 本人的理论水平和实践经验有限，文中肯定有不足的地方，恳请各位专家给与指 导。 青岛科技人学研究生学位论文 1 绪论 1 1 间歇式混炼机与连续式混炼机的发展 1 1 1 间歇式混炼机 1 、开炼机 开炼机是一种间歇混炼设备，其工作原理是依靠两个有一定速比的且间隙很 小的辊筒相对回转。由于机械力的作用胶料在辊隙中受到强烈的碾压，剪切和撕 裂，经过多次辊压使胶料和小料分散均匀，达到混炼的目的。主要缺点是劳动条 件差、劳动强度大等。仅靠减小辊间距来增加剪切力，并且减小辊间距有一定限 度，其范围很窄，剪切效应和速度梯度都太低，因而物料分散不充分，质量不稳 定。但是开炼机工作时，可随时观察到物料的加工程度，可以直接观察到混合过 程中的变化，从而能够及时调整操作工艺及配方，而且开炼机构造简单，成本较 低，因此目前仍有一定的应用。 2 、密炼机 密炼机是在开炼机基础上发展和不断完善起来的一种问歇式混炼设备。密炼 机克服了丌炼机的缺点，缩短了生产周期，提高了生产效率，且混炼过程中物料 不易泄漏，大大减少了粉尘污染。因此在实际生产中，密炼机已经成为橡塑工业 中最重要的混炼设备，主要应用在橡胶的塑炼、混炼，塑料的混合以及橡塑共混 等。自密炼机问世以来，其结构和性能在不断地发展和完善，应用也越来越广。 从密炼机的发展情况来看，分为以下几个阶段： 第一阶段：( 1 8 2 0 - - 1 8 7 6 ) ，是密炼机的早期发展阶段心1 ，主要以英国伦敦的 t h o m a sh a n c o c k 于1 9 世纪早期设计的“单转子密炼机”( t h es i n g l e r o t o r m a s t i c a t o r ，图1 - 1 ) 和美国麻省的n a t h a n i e lg o o d w i n 公司于1 8 6 5 年发明的 “石英碾磨机 ( t h eq u a r t zm i l l ，一种带有两个非啮合反向旋转的转子搅拌器， 图1 - 2 ) 以及俄亥俄州的j a m e sb a r d e n 和s a m u e lc r u d d e n 于1 8 7 5 年发明的“旋 转搅拌机 ( t h er o t a r yc h u r n ，一种带有两个啮合的转子搅拌器，图卜3 ) 为代 表。这三种设备的主要功能是：“单转子密炼机 主要用于对橡胶进行塑炼和混 炼；“石英碾磨机 主要是对高分子材料进行破碎、碾压；“旋转搅拌机”则是用 于生产膏状的物料。实际上，可以认为“石英碾磨机”是剪切型转子密炼机的前 身，而“旋转搅拌机”则是啮合型转子密炼机的前身。 m 炼成l o 一体机计算机模拟及实验研究 图卜1 18 2 年h a n c o c k 发明的密炼机 器? 之：鉴：；篙盅1 ”“1 ”“h 图卜3i9 7 5 年b a r d o n 和cr u d d e n 发明 的旋转搅拌机 国i - 2 18 6 5 年g o o dw i n 设计的石荛碾唐机 “9 1 2 。“嚣鬻l 嚣“”“”“7 图卜41 8 7 9 年p f le i d e r e r 发明的 混合捏炼机 f i g i - 3 t h es t i r r i n g m i l ld c s i g n e d f i g 1 4 l f a l e a d i n ga n d m i x i n g m a c h i n e r y b y b a r d e na l l d c m d d c n i n1 8 7 5d e s i g n e d b yp f l e i d i n1 8 7 9 第一阶段：( 1 8 7 f i 1 9 0 9 ) ，是建立早期混炼技术的发展阶段。3 。主要是以德 国斯图加特的f e r g b u r g e r 、p a u lp f l e i d e r e r 和h a r m a n nw e r n e r 等人制造出的 五种类型的密炼机( 吲1 4 为其l 卜1 种) 为代袁。这几种类型的密炼机，其转子 的形状是现代的剪剀型密炼机转子的雏形。 图1 519 14 年k e m p t e r s 发明占奇橡胶密炼机 f i g1 - 5 r u b b e r m i x e r d e s i g n e d b y k 锄p t e r s i n l 9 1 4 第三阶段：( 1 9 1 0 - - 1 9 1 5 ) ，是橡胶工业用密炼机发展的早期阶段“。在这一 阶段，德国斯图加特的魏尔纳尔普佛莱德瑞公司的fk e m p t e r 分别在1 9 1 0 、 1 9 1 3 、1 9 1 4 年发明了三种密炼机。“1 ，命名为橡胶密炼机或橡胶捏炼机( 圈卜5 ) ， 其转子不同于以前，究棱是螺旋形的，密炼室是倾斜的，这种密炼机简称为g k 系列密炼机。与此同时，德国帕特斯巴多夫的j o h ne p o i n t o n 在1 9 1 4 年试制了 一种新型密炼机，并申请了专利，其密炼室已与现代的密炼室相类似，突棱也是 青岛科技人学研究生学位论文 螺旋形，主要用于橡胶的加工。 第四阶段：( 1 9 1 6 1 9 3 5 ) ，f e r n l e yb a n b u r y 发明了b a n b u r y 密炼机。这种 密炼机的主要特点：一是转子具有两条螺旋突棱；二是有了上顶栓。这一时期是 密炼机种类发展最快的时期，共申请了1 0 多项专利。本伯里密炼机也已经被大 多数人所接受，成为今后密炼机发展的一个趋势，本伯罩密炼机大体结构也一直 延续至今。 第五阶段：( 1 9 3 6 一- - 1 9 8 5 ) ，是密炼机发展的鼎盛阶段，转子结构和密炼机整 体结构趋于完善，出现了许多新的机型，突出的有拉区和弗莱的“横向剪切型密 炼机睁7 协、“四棱转子 ，福特的“啮合式转子密炼机”，麦克利德的“允许 液体排放出来的改进型密炼机 ，伯伦能的“啮合式同向旋转转子密炼机”，依 奴等研制的“双螺棱转子密炼机”等十几种新型结构陋。2 们。 第六阶段：( 1 9 8 6 现在) ，是密炼机技术发展更加完善的阶段。各国的学者 和企业发明研制了许多新型的密炼机，涌现了很多新的混炼理论和新的专利，得 到了许多研究成果。 我国对密炼机的研究始于七十年代初，虽然起步比较晚，但国内的学者对密 炼机的发展做出了很大的贡献，使国内的密炼机发展水平达到了国际水平，青岛 科技大学等在转子的设计，密炼机控制等方面做了很多研究，青岛科技大学研制 的同步转子获得了国家进步二等奖，实现了密炼机发展的突破。随着子午线轮胎 的发展，对密炼机的要求也越来越高，国内的学者也正在研究适合工业发展的新 型转子及密炼机。 1 1 2 连续混炼机发展概述 与间歇式设备相比连续式混炼机混炼不需要进行周期性的加料和卸料，提高 了单位机台的生产能力，也就大大地提高了生产率。连续混炼的能量消耗稳定， 没有大的峰值，可以节约能源。使用连续混炼机进行连续混炼，可以省去上、下 辅机设备。这就大大地简化了生产设备。基于这些优点所以连续混炼机是目前共 混设备的发展方向。 下面介绍几种主要的连续混炼机： 1 1 2 1 螺杆挤出机 螺杆挤出机是橡胶制品加工中又重要设备，具有生产能力高，可进行连续 生产，产品质地均匀密致，规格尺寸准确，容易更换产品种类与规格，同一机台 可适用于多种工艺操作，且结构简单，易制造等特点。螺杆挤出机是一种连续混 混炼成型一体机计算机模拟及实验研究 炼设备，是连续混炼机的前身，现有的连续混炼机的结构都是在挤出机的基础上 进行的改进。下面简单介绍一下挤出机的发展历程心4 。2 6 1 ： ( 1 ) 在1 9 世纪8 0 年代出现了橡胶热喂料挤出机，由于其结构简单、生产 效率高、制造容易以及能够连续化作业等独特的优点，使得热喂料挤出机在橡胶 工业中获得广泛的应用，并成为橡胶工业的重要设备。并因此在橡胶工业中占据 支配地位达1 0 0 年之久。但是，由于热喂料挤出机需要外供热系统，而且热喂料 挤山机螺杆长径比很短，很难建立起机头压力，直接影响橡胶制品的质量。 ( 2 ) 德国在2 0 世纪4 0 年代初期发明了橡胶冷喂料挤出机，这种挤出机加 大了长径比提高了挤出机的机头压力，从而提高了制品的质量，而且挤出机变为 内部热炼。然而，早期的冷喂料挤出机其螺杆构型比较简单，主要是起输送作用， 其剪切、混合功能较差，因此，这种普通型冷喂料挤出机未能取得广泛应用，只 局限在电缆电线的复胶。 ( 3 ) 在2 0 世纪6 0 年代初期，工业化国家出现了主副螺纹冷喂料挤出机。 这类冷喂料挤出机的剪切功能和混合功能得到显著提高，同时能建立起更高的机 头压力，这就解决了冷喂料挤出机一直没有解决的塑化能力问题。但是其生产能 力偏低和挤出温度偏高问题制约着其发展。 ( 4 ) 在2 0 世纪7 0 年代木期8 0 年代初期，工业化国家推出了销钉机筒冷喂 料挤出机，它具有高塑化能力和高生产率，同时与其相匹配的挤出联动线及其配 套的附属装置也得到了迅速的发展。冷喂料挤出机得到了广泛的应用。但在近2 0 年的生产实践中发现了许多问题，如制造比较困难；销钉容易磨损等，因此销钉 机筒冷喂料挤出机有待于进一步改进。 国内挤出机的发展，在主机方面国内能够设计和生产出工业化国家的主要挤 出机产品，但是生产制造少，产品的质量也有待提高。目前，已认同了冷喂料挤 出机的优越性，这对国内挤出机的发展有很大的促进作用。 1 1 2 2 连续混炼机 1 、传递式连续混炼机 图1 6 所示为传递式连续混炼机心2 。2 3 i ，这种设备的混炼机筒是可以打开的， 便于检修。其结构特点与销钉式挤出机相似，机筒内壁设有容量不同的螺纹槽， 这些螺纹槽与螺杆上的螺纹槽是相对应的。当螺杆的外直径变小，螺纹槽的容量 也即随之减少，对应的机筒螺纹槽的容量则增大，相反，当螺杆外直径变大时， 螺杆螺纹槽的容量也将会增大，对应的机筒螺纹槽的容量减小，螺杆直径大小和 机筒螺纹槽之问不断的交替变化，胶料在混炼过程中受到剪切力，得到充分的混 炼。但这种设备的缺点是不能加入太多的胶料。 6 青岛科技大学研究生学位论空 图1 6 传递式连续混炼机原理图 f i g l - 6 t h es d a c l cd i a g r a mo f t r a n s f e rc o n t i n u o u s m 2 、f c m ( l c m ) 连续混炼机 f c m ( f a r r e lc o n t i n u o u sm 1 x e r ) 是f a r r e l 公司最早研制的连续混炼( 造 粒) 机，如图卜7 所示，它克服了密炼机间歇操作的缺点，且保留了密炼机优异 的混炼特性。它有一对相对旋转的转子，安装在光滑的混炼窄内，其长径比大约 为1 5 ：i 与本伯里密炼机的布置相似，一端装确加料爿，原材料通过，浚加料 斗喂八连续混炼室1 。其对应端上装有一个卸料门，混炼好的胶料通过该卸料门 排出。这种f c k l 具有优异的混炼性能，特别适合于高填充物的分散混合，生产效 率高，而且根据不同的混炼要求，配备了不同构型的转子，如图卜8 所示。 氅1 留e 兰垂蕃黜 # t # ，* 十m i 目白口= 图1 7f c m尉18f c m 的转干 f i g1 - 7f c mf i g1 - 8 t h er o t o ro f f c m 图卜9 是一种f c m 的转子，它是仿制本伯里密炼机转子设计的，转子上有+ 段似于挤出机螺杆的喂料段，其士要用途是把原材料推进密炼室内，与其邻接的 是正、反向螺旋状突棱的馒炼段，其丰要作用是进 j ：强烈的混炼，还有椭圆形究 棱，该突棱用于通过卸料n 丌口处排出物料。图卜1 0 所小的为f a r r e l 公司生产 的1 5 f c m 连续混炼机，它的生产能力达到了2 5 0 0 0 k g d , 时”“。 混炼成型一体机计算机模拟及实验研究 噶晕雏 。i i 艘如严瓢e 图1 - 9 棱峰，混炼室厘排膻口 图1 - 1 015 f 删阱厦等待清理状态 f i 9 1 - 9 e d g e m i x i n gc h a m b e r a n d d u m pv o n tf i g1 - 1 0 1 5 f o ma n ds t a t e o f w a l t l n gd i s e n t a n g l e f c m 是一种连续供料的混炼设备它适台于混炼高剪切率和温度高的物料， 同时也适合于混炼低剪切率和对温度更为敏感的物料。这种混炼机原为橡胶的连 续混炼而设计，现多用于塑料行业。 l c m ( l o n gc o n t i n u o u sm i x e r ) 是意大利p o m i m 公司在f c m 的基础上改进 而成的，它把转子加长了，有两个混炼段，两个加料口，如图卜l l 所示。a 段为 非啮合双螺杆段，主要作用是对物料进行输送，也叫输送段；b 段类似于密炼机 转子段，用于组分的分散和物料的预热；c 段为双螺杆段，对应于第- - a n 料口， 某些添加剂可由这一加料口加入，d 段类似丁密炼机转了段，此段物料进行熔融 和混合。 圉1 1 1l c m f i g1 - 1 1l o m 与f c m 相比，l c m 有以下优点：1 ) 停留时间较长，有利于混合：2 ) 可以在 较低的速度下工作；3 ) 具有更大的分散和掺混能力；4 ) 总的热交换系数的值比 较高；5 ) 可在排料口处准确控制物料温度；6 ) 易于去除湿气和挥发物；7 ) 能 耗可降低约2 0 ；8 ) 精密零件的磨损降低。 f c m ( l c m ) 具有较强的混炼能力，而且配有多种转子构型，因此，它们可适 于不同的物料加工。但是f c m ( l c m ) 也存在着自洁性差、不易清理，转子段的温 度不易控制等问题，而且他们都不适于加工流动性差的物料。 3 、新型混炼捏合机 这种新型混炼捏合机是一种适用于硅橡胶混炼过程中母炼胶和添加剂捏合 的新型混炼捏合机啪1 ，如图卜1 2 所示，该机主要由混炼部分、螺杆挤出部分以 青岛科技大学研究生学位论文 及底座等组成，螺杆挤出部分的双螺杆与转子平行，方向一致，安装在混炼室底 部，混炼室侧壁与机简相连，且采用可拆卸式固定连接，双螺杆水平放置，同向 旋转。母炼胶以及添加剂经过密炼机混炼，再自动转移到双螺轩挤出机进行分散、 混舍、剪切、输送，并使物料得到强力剪切，使物料混合、分散更加均匀，最后 利用双螺杆的输送作用将到达混炼要求的物料从排料口排出。 图卜1 2 适用于硅橡胶混炼的新型混炼捏合机 f i g1 - 1 2 t h e n e w - $ t y l e k n e a d i n ga n d m i x i n g 4 、双阶连续混炼机 这种连续混炼机。”，如图卜1 3 所示。它是为石化合成纸的加工而设计的， 它主要由前段混炼部分、前后段连接部分、后段混炼部分等三大部分组成。前段 混炼部分包括加料斗、主混炼室。在主混炼室内有转子，在主混炼室前段加料口 处设有减速机、齿轮箱。前后段连接部为一连接前段出料口的连接管。后段混炼 部包括与连接前段出料口的连接管相接的混合挤出机，在机筒内的后段混炼转于 以及与后段混炼转子连接的后段齿轮箱。 图卜l3 甄轴连续混炼机示意图 f i 9 1 1 3 t h e t w i n l - o t o l mc o n t i n u o u s m i x e r 5 、双转于连续混炼机 双转子连续混炼机的外形很像双螺杆挤出机“，而加料与山料方式则并不相 同，其结构如图卜1 4 所示。改机器主要由机筒、转干、卸料装置等部分组成。 混炼成型一体机计算机模拟及实验研究 机筒上的混炼室为两个相互贯通的、横截面为圆形的孔，物料在混炼室中受到转 子的剪切、粉碎、捏合、混合作用，机筒上还丌有冷却水孔，并备有电加热器， 可以根据工艺的需要，对物料进行加热和冷却。卸料装置由卸料门和调节装置所 组成，通过卸料调节装置，可以控制卸料门的开启度，达到控制物料在混炼室中 的停留时间的目的。 这种连续混炼机的排料量是由加料量所决定的，混炼机转子可以在饥饿状态 下工作，也可以在充满物料的状态下工作。因此，通过控制加料量，可以调节物 料在混炼机中的停留时间及其产量。 图一1 4 双转子连续混炼机 f i g 1 - 1 4t h ed o u b l er o t o rc o n t i n u o u sm i x e r 6 、混炼成型一体机的提出 连续混炼设备虽然有许多的优点，但是也有一定的不足：现有的连续混炼设 备对加工的原料有很高的要求，要求加工的原材料必须是粉料或粒料，这就要求 原材料加工之前必须经过造粒处理，这样就使加工工序复杂化，增加了生产成本。 另外，由于纳米级填料的使用，出现了许多新的聚合物合金和新型复合材料如热 塑性弹性体等，由于该类材料有很高的粘度，现有的成型加工设备远远不能满足 其性能要求。因此，各国近年来都在积极研制适合聚合物共混物加工的新型混炼 成型加工设备。j a m e st m a t s u o k a 等连续申请了多个连续混炼设备的专利心引。 本课题组所提出的聚合物共混物的混炼成型加工设备( 图卜1 5 ) 目前在国内 外文献资料中尚未发现。其主要思路是把密炼机和挤出机做成一体机，密炼机在 上方，挤出机在下方。其设备结构和加工方法方面的特色和创新之处就在于：( 1 ) 研制的新型转子及其密炼机，可加快胶料的流动，消除混炼“死角”，提高分散 和分布混炼效果。( 2 ) 把密炼机和挤出机做成一体，在一台机器上可实现加入 的是原料，挤出的是制品，简化生产工序，提高生产效率。( 3 ) 采用智能化控 制程序。可根据不同配方、不同工艺条件或不同的加工阶段，调整转子转速、螺 杆转速、上顶栓压力、冷却水温度等主要参数，获得不同剪切强度和混炼效果， 从而达到优化加工的目的。 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 1 i ：顶栓气缸2 加料门3 密炼室4 前转子l 乜机5 地脚螺栓6 地座7 挡胶板气缸8 挤f i j 机9 接料斗 1 0 左侧壁挡胶板1 1 左侧壁1 2 加料锤气缸1 3 后转子电机 图1 - 1 5 混炼成型一体机外形图 f i g 1 15m i x e r & e x t r u d e ri n c o r p o r a t em a c h i n e 1 2 有限元分析技术 随着计算机技术的迅速发展，计算机辅助设计已经改变了传统的设计模式， 在机械设计中发挥越来越大的作用。计算机模拟技术在聚合物加工领域也已显示 其巨大的作用，利用有限元软件，在各种基础理论上对高聚物的加工过程进行计 算机模拟，节省了时问，缩短了产品的设计和生产的周期，减低了生产的成本， 对产品的优化提供了直观、正确的指导。 目前，流场的分析方法主要有解析法和数值法两种。密炼机加工高聚物的过 程是一个复杂的过程，且转子本身的几何形状也比较复杂，解析法只适合于方程 比较简单，且几何形状规则的问题，不适合密炼机混炼过程的模拟。随着大型有 限元软件的出现，人们开始利用数值法对复杂的流场进行计算机模拟。主要分三 大类：有限差分法、有限元法和边界元法。 1 ) 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) 是最早使用的计算机数值模拟方法崎7 1 。 该方法将求解的区域划分为差分网格( 图卜1 6 ) ，用有限个网格节点代替连续的 求解域。用泰勒展丌式或控制容积法等离散方法对划好网格的区域进行离散处 理，将微分方程变换成差分方程，即在网络节点上用差分方程的解，近似替代微 分方程的解。因此，这种方法的求解过程相对简单，而且程序运行时问较短。其 缺点是不适合解决复杂边界条件的问题，因此在流场分析中很少使用。 混炼成型一体机计算机模拟及实验研究 转子 图1 一1 6 有限网络差分示意图( 五点差分格式) f i g 1 16s k e t c ho ff i n i t ed i f f e r e n c em e s h 2 ) 边晃元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 边界元法可以有效的解决数学模型满足泊松方程和l a p l a c e 方程的工程问 题呻3 。计算时要将边界离散成边界单元，将要解决的问题维数降低一维；计算时 输入的数据少，节省了内存，计算的时间也会变短，提高了计算精度。但边界元 法只适合有基本解的问题。 3 ) 有限元法( f e m ) 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 解决问题的思路是用较简单的问题代替复 杂问题后再求解畸8 | 。有限元法是本世纪六十年代后才发展起来的一种数值方法， 它将所要解决的问题的区域分割成仅在有限个节点相连的有限大小的若干单元 ( 图1 1 7 ) ，然后基于变分原理或加权余数法将复杂的偏微分方程转换为简单的 求解关于节点未知量的代数方程问题。相对于有限差分法，有限元法的特点是灵 活性和通用性较好，单元可以是不同的形状，单元之问可按不同的连接方式进行 连接，适用于各种复杂的情况，因此计算过程也很复杂。在聚合物流场的分析中， 一般采用有限元法。本文中由于转子及螺杆形状比较复杂，胶料流动不规则，采 用有限元法进行求解。 图1 1 7 有限单元法的区域离散 f i g 1 - 17z o n ed i v e r g e n c ea b o u tf i n i t ec e l lm e t h o d 有限元的基本思路是将复杂的结构简化为简单的结构，将原来的结构均匀分 成许多有限的规则小单元结构，并且这些小单元之问是相互联系的，这样将原来 结构的连续求解域简化为每个小单元的解的组合体，这些有限个的单元体的解是 按一定方式相互联结在一起的，小单元体的数目越多，每个单元的尺寸就越小， 插值函数的精度就越高，最后得到的解就与原柬的结构的连续求解域越接近，而 1 2 青岛科技人学研究生学位论文 且可以满足实际工程中的需要的精度和求解，解决了实际工程中理论分析无法解 决的复杂问题。 1 3 混炼和挤出过程的模拟研究概况 随着科学技术的发展，特别是大型有限元软件的开发和应用，人们已开始采 用计算机对混炼过程的流场进行模拟。国外的学者是最早也是最多的从事密炼机 混炼过程的计算机模拟工作，国外很早就运用边界元法模拟密炼机流场的一维模 型和二维模型3 嵋5 ，国外在流场模拟方面的技术已经趋于成熟。最近几年国外 的很多企业在研究开发新的产品的时候，不再按照以前的传统的设计产品程序， 为了节省更多的时问和成本，已经开始运用计算机辅助技术对产品进行计算机计 算模拟，一般采用幂律流体本构模型，在密炼室全部充满胶料并且温度平衡的假 设条件下，对密炼机流场进行三维的真实流场的模拟。玎。4 纠，来指导并确定产品的 技术参数。 由于挤出机螺杆内聚合物材料的流动特性，从固体向熔体的迁移部分，是随 时间变化的复杂两相流体的流动，所以在理论上难以处理，最初靠实验来说明。 这一相迁移过程的机理被m a d d o c k 和s t r e e t 实验作了解释，此后发展到采用急 骤冷却机筒取出螺杆的方法、透明机筒的方法、哈夫式机筒的方法、放射性同位 素扫描法等对挤出过程进行定性分析。k l e i n 和m a r s h a l l 首先利用计算机设计 螺杆的程序，为解决过去的研究和实际中对螺杆设计的结果存在差别的问题提供 了一种先进方法。t a d m o r 和k l e i n h 3 1 率先建立了包括固体输送、塑化及熔体输送 挤出过程的完整数学模型，所建模型能够模拟操作条件、螺杆的几何形状、固体 物料的输送量、挤出机内螺杆各点的压力和温度分布，更重要的是这个模型为7 0 年代研究挤出塑化的初探者及以后的研究者提供了经典理论依据。随着8 0 年代 计算机技术的发展，利用计算机模拟技术研究挤出过程己发展到机头口模及双螺 杆挤出，例如，y h u a n g 和p p r e n t i c e 用计算机模拟研究了塑料挤管机头形 状对结合线的影响；8 v e r g n e s 等人开发了双螺杆挤出机熔体流动的软件，用于 选择合适的工艺条件：h p o t e n t e 和m b a s t l a n 通过s i g m a 模拟软件来设计混 合挤出机。 现在国内关于密炼机流场模拟的研究仍处于起步阶段，对流场模拟仅仅限于 理想状态下的二维分析，通过查阅资料，国内的一些学者在研究密炼机流场模拟 时，在密炼机的混炼机理和混炼过程的实际情况基础上，利用有限元分析软件建 立有限元模型，并对有限元模型设置与混炼实际过程相符的一些边界条件，定义 材料的合适方程，并建立适当的数学模型，对有限元模型做了一些有利于计算的 1 3 混炼成型一体机计算机模拟及实验研究 假设条件，利用有限元法对密炼机流场及转子做有限元分析h 卜倒。虽然国内的学 者已经开始这方面的研究，但对密炼机混炼过程的模拟研究仍然局限于简单的混 炼理论，还很不成熟。另外这些研究也都是实验和生产方面的研究，系统的混炼 过程计算机模拟几乎没有，需要进一步进行理论的系统的研究。 在国内，计算机模