（机械设计及理论专业论文）聚合物熔体叶片正位移输送特性研究.pdf

分类号：t q 3 2 学号：2 0 0 4 2 0 1 0 9 7 7 6 华南理工大学硕士学位论文 学校代号：1 0 5 6 1 秘密三年 聚合物熔体叶片正位移输送特性研究 作者姓名：彭仕杰指导教师姓名、职称：瞿金平教授 申请学位级别：工学硕士学科专业名称：机械设计及理论 研究方向：轻工机械设计及理论 论文提交日期：2 0 0 7 年5 月3 1 日论文答辩日期：2 0 0 7 年6 月 学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月 答辩委员会成员： 主席：周直援麴援 2 7 日 日 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：乡何套日期：细7 年占月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文# 1 9 ；学校可以公布学位论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。 。 口不保密。 。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏 览。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 本人签名：丛堡垒 导师签名： 日期：丝 ：呈! ：塑 e l # j 1 ：一垒孚。么。簪 于葡要 叶片泵与齿轮泵、柱塞泵同属于容积式泵，具有正位移的输送特性。齿轮泵和柱塞 泵因其特有的输送特性都已在聚合物加工中得到了广泛使用，而叶片泵与齿轮泵和柱塞 泵相比，具有更高的容积效率，并且还具有流率均匀、脉动小、噪声低等优点，因此， 研究结构和原理类似于叶片泵的叶片单元在挤出系统中的应用具有一定的现实意义。 本文针对自行研制的叶片正位移挤出机，建立了用于熔体输送叶片单元内部熔体流 动的物理模型，并根据熔体在叶片单元内部的流动特点建立了相应的速度和挤出流率数 学模型，结合必要的假设以及边界条件，对建立的数学模型进行求解，得出了熔体在轴 向出口的速度分布、理论产量和功耗等，并且将其计算公式结合实际的结构参数以及材 料物理属性进行了具体计算，得到了用于熔体输送叶片单元轴向出口的瞬时速度曲线、 平均速度曲线以及理论产量、实际产量与转子转速和叶片泵偏心量之间的关系曲线；分 析了偏心距和转子转速对叶片单元正位移输送特性的影响。 为了得到结构更加合理的熔体叶片单元，将其与整个挤出过程结合考虑，本文通过 设定一定的挤出产量和口模压力，结合理论研究得到的一系列公式，推导得到了叶片单 元主要结构参数与设定产量、口模压力之间的关系；并结合得到的这些关系进一步推导 出在给定产量和口模压力情形下如何合理选择叶片单元的主要结构参数，使叶片单元在 满足要求的情况下具有更高的容积效率和更低的功耗。 理论研究表明：叶片单元在用于高聚物熔体输送时，具有较理想的正位移输送特性。 对于特定结构的叶片单元，在其偏心距一定的情况下，产量与转速成近似线性关系，同 样，在转速恒定时，产量与偏心距也具有近似线性关系，并且可以通过合理选择偏心距 和转速的大小使叶片单元在满足输送要求的情况下达到更好的综合性能。 关键词：正位移；叶片；偏心距；熔体输送； a b s t r a c t t h ev a n ep u m pw h i c hi sb e l o n gt ot h ec u b a g ep u m pa sw e l la st h eg e a rp u m pa n d p l u n g e rp u m p ，h a sp o s i t i v ed i s p l a c e m e n tt r a n s p o r t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c t h eg e a rp u m pa n d p l u n g e rp u m pa r ew i d e l yu s e di np o l y m e rp r o c e s s i n gb e c a u s eo ft h e i ru n i q u et r a n s p o r t a t i o n c h a r a c t e r i s t i c ，w h i l et h ev a n ep u m ph a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g h e rc u b a g ee f f i c i e n c y , e v e nd i s c h a r g e ，s m a l l e rp u l s a t i o na n dl o w e rn o i s et h a nt h a to ft h eg e a rp u m pa n dp l u n g e r p u m p s oi th a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d yt h ea p p l i c a t i o no f t h ev a n ec e l lw h o s es t r u c t u r e a n dp r i n c i p l ea r es i m i l a rt ot h ev a n ep u m pi nt h ee x t r u d e rs y s t e m b a s e do nt h es e l f - d e v e l o p e dv a n ep o s i t i v e d i s p l a c e m e n te x t r u d e r ，t h i sp a p e rh a s e s t a b l i s h e dt h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fm e l tf l o w i n gi nv a n ec e l lf o rm e l t t r a n s p o r t a t i o n t h em a t h e m a t i c a lm o d e li sd e t a i l e ds o l v e db yc o m b i n i n ge s s e n t i a lh y p o t h e s i s a n db o u n d a r yc o n d i t i o n ，t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n dt h e o r e t i c a lo u t p u to fm e l tf l o w i n gi n v a n ec e l la r eo b t a i n e d w ea l s ov e r i f i e dt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l au s i n gt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r a n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l ， i no r d e rt og e tam o r er e a s o n a b l es t r u c t u r eo fv a n ec e l l ，t h ew h o l ee x t r u d i n gs y s t e mi s t a k e ni ti n t oc o n s i d e r a t i o n b ys e u i n gt h ee x t r u d i n go u t p u ta n dt h e d i ep r e s s u r ea n d c o m b i n i n gas e r i e so ff o r m u l a e ，t h i sp a p e rg o tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a i ns t r u c t u r a l p a r a m e t e ra n dt h es e r i n go u t p u ta n d d i ep r e s s u r e b a s e do nt h e s er e l a t i o n s h i pa n dr e s u l t s ，t h e p a p e rs u g g e s t e dh o wt o s e l e c tt h em a i ns t r u c t u r ep a r a m e t e r , f a c i l i t a t i n gt h ev a n eh i g h e r v o l u m ee f f e n c ya n dl o w e r p o w e rc o n s u m p t i o n t h et h e o r e t i c a lr e s e a r c hs h o w s ：w h e nt h ev a n ec e l li su s e df o rm e l tt r a s p o r t a t i o n ，i th a s g o o dp o s i t i v ed i s p l a c e m e n tt r a n s p o r t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e o r e t i c a l o u t p u ta n dr o t a t i o n a lv e l o c i t yi sl i n e a ru n d e ras p e c i f i e de c c e n t r i cd i s t a n c e ，a n ds i m i l a r l y , t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e o r e t i c a lo u t p u ta n de c c e n t r i cd i s t a n c ei s l i n e a ru n d e ras p e c i f i e d r o t a t i o n a l v e l o c i t y w h a t sm o r e ，i t i s p o s s i b l e t oo p e r a t em o r ee c o n o m i c a lo p e r a t i o n c o n d i t i o nf o rt h ew h o l ee x t r u d e rs y s t e mc a no b t a i nb yr e a s o n a b l ec h o o s i n ge c c e n t r i cd i s t a n c e a n dr o t a t i o n a lv e l o c i t y k e yw o r d s ：p o s i t i v ed i s p l a c e m e n t ；v a n e ；e c c e n t r i cd i s t a n c e ；m e l tt r a n s p o r t a t i o n i i 物理量名称及符号表 定子环宽度 螺杆直径 偏心量 漏流系数 计量段螺槽深度 口模形状系数 熔体非牛顿指数 螺杆转速 叶片燃速 螺杆计量段末端压力 叶片单元进出口压差 叶片单元理论排量 叶片单元实际流率 叶片单元输送熔体的流率 叶片单元l 瞬时流率 叶片螨流量 定子内径 叶片厚度 升压扭矩 叶片单元驱动轴的总扭矩 黏性摩擦消耗扭矩 叶片数量 叶片倾角 叶片辅速度 间隙中的熔体粘度 叶片单元中熔体粘度 1 1 1 b d e q 如 n m m 置 卸 q q 9 g 蛔 r 。 乃l l z o d 鲍 心 4 ，7 。 玑 机头口模中熔体粘度 叶片僦械效率 叶片瓣积效率 i v 目录 摘要i a b s t r a c t il 物理量名称及符号表i ii 目录v 第一章绪论1 1 1 前言1 。1 。2 正位移输送在塑料挤出成型加工中的应用和研究进展2 1 2 1 柱塞挤出机在塑料挤出成型加工中的应用2 1 2 2 啮合型异向双螺杆挤出机在塑料挤出成型加工中的应用3 1 2 3 熔体齿轮泵在塑料挤出成型加工中的应用和进展研究4 1 3 叶片泵的研究进展8 1 4 叶片用于熔体输送的可行性研究9 1 4 1 单作用变量叶片泵的工作原理9 1 4 2 叶片用于熔体输送的可行性研究1 0 1 5 叶片正位移挤出机的结构特点1 1 1 6 本论文研究的目的意义12 1 7 本论文研究的主要内容12 1 8 本章小结13 第二章理论研究1 4 2 1 物理模型14 2 2 基本假设14 2 3 边界条件1 5 2 4 数学模型及其解15 2 4 1 挤出流率数学模型及其解15 2 4 2 轴向出口速度数学模型及其解2 2 2 5 正位移熔体输送特性分析3 1 2 5 1 熔体在轴向出口的速度分布3 1 2 5 2 熔体的挤出流率特性3 2 2 5 3 叶片单元的容积效率3 3 2 5 4 叶片单元的驱动功率3 5 2 6 本章小结3 6 第三章结果分沂与寸沦3 7 3 1 挤出流率分布3 7 3 1 1 挤出瞬时流率3 7 v 3 1 2 挤出理论流率4 0 3 1 3 叶片单元内部漏流情况计算分析4 1 3 2 熔体轴向出口的速度分布4 3 3 2 1 熔体轴向出口平均速度分布4 3 3 2 2 熔体轴向出口瞬时速度分布。4 7 3 3 容积效率5 0 3 4 驱动功率5 1 3 5 本章小结5 2 第四章叶片单元结构参数设计5 3 4 1 叶片单元的主要结构参数5 3 4 2 结构参数设计5 3 4 3 本章小结5 5 结论与建议5 6 1 结论5 6 2 不足与建议5 6 参考文献5 7 攻读硕士期间发表论文6 0 致谢6 1 v i 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 前言 由于塑料替代金属愈来愈广泛，再加上塑料本身有很多优良的特性，如质地轻、耐 水、耐化学腐蚀、易成型加工，制品外形美观，并且还具有能很好地与金属、玻璃、木 材以及其它材料胶合等特点，使得它在人们生产生活中的地位和作用越来越高，同时也 极大地促进了塑料行业与塑料机械工业的进步和发展。 挤出成型n - r 是塑料成型加工中最重要的方法之一，在塑料成型加工中占有及其 重要的位置1 。据统计全世界5 0 左右的塑料是用挤出法来加工的。挤出加工的应用 范围很广，既能加工常用的聚乙烯、聚丙烯、软硬聚氯乙烯等民用塑料，也能加工聚碳 酸醋、尼龙、a b s 、聚甲醛等工程塑料；既能生产薄膜、管材、棒材、型材、电缆等制 品，又能加工中空容器等单件制品。因此，对挤塑设备的研究具有十分重要的意义。 自从m a t h e wg r a y 在上世纪三十年代第一次将单螺杆挤出机应用于高分子聚合物加 工以来，伴随着挤出工程的发展，螺杆挤出机能将一系列化工基本单元过程，如固体输 送、增压、熔融、排气、脱湿、熔体输送和泵出等物理过程集中在挤出机内的螺杆上来 进行。但是，能否高效稳定优质的熔融、塑化、挤出，仍然受到许多客观条件的限制喳1 。 第一，受到挤出机的挤出过程、工艺操作条件的影响，如挤出机一般是应用电加热，当 电网电压发生变化时，当加料斗处出现断料或架桥现象时，当螺杆转速有波动，当物料 在螺杆内塑化不充分，在熔融段的物料软化点不稳定或固体床破碎阳7 1 ，电机负荷有脉 动时，都会引起挤出物料的温度、压力、流率的波动，从而，影响制品尺寸的精度和产 品质量。第二，由挤出理论熔体输送段流率、功率计算公式可知，由于机头压力增大， 逆流率和漏流量也必然增加，使最终流率下降，而压力的增大，也必然使螺杆转动所消 耗的能量加大阴1 。第三，在加入多种物料及填料对聚合物进行共混改性时，为了保证混 合的均匀性，将对螺杆进行改进设计，增加混炼混合组件等；此外，添加剂的加入，使 物料的温度、粘度、压力等特性更难以预测，必然使挤出过程更加不稳定。 为了解决上述问题，降低或消除挤出过程中的不稳定现象，在保证高产量的同时达 到较好的塑化效果，人们研究开发了一系列能够稳定挤出流率的装置，熔体齿轮泵是其 中较为理想的一种田1 。熔体齿轮泵最大的特点就是具有正位移输送特性，这也是熔体齿 轮泵能够在挤出系统中实现高效稳定挤出的关键因素n 们。 与熔体齿轮泵相比，采用类似于液压系统中的变量叶片泵的叶片单元也具有正位移 华南理r 大学硕士学位论文 的输送特性，并且，从前人对用于液压系统中的齿轮泵与叶片泵的性能来看，该叶片单 元从理论上讲应该具有比齿轮泵更高的容积效率、噪声更小等优点。虽然这种叶片单元 是首次用于高聚物熔体的输送，但从其原理分析，它用于高聚物熔体输送过程中，同样 具有计量、建压和稳压的功能，从而可以实现高效稳定的挤出。 因叶片是首次用于挤出系统中的高聚物熔体输送，因此，本文主要研究该叶片单元 的熔体输送特性及其对整个挤出系统的影响，探讨挤出系统中采用叶片进行聚合物熔体 输送的流率特性、影响容积效率的诸多因素、及其稳压稳流的功能原理等阎题。 1 2 正位移输送在塑料挤出成型加工中的应用和研究进展 所谓正位移输送就是某一充满密闭容腔的介质在外力的作用下，被压缩而强制排出 密闭容腔的过程。在塑料挤出成型过程中，具有正位移输送特点的设备主要有柱塞挤出 机、啮合型异向双螺杆挤出机、部分同向双螺杆挤出机和熔体齿轮泵。下面将分另i j 叙述 这些设备在塑料加工中的应用和研究进展。 1 2 1 柱塞挤出机在塑料挤出成型加工中的应用 柱塞挤出机是典型的正位移输送设备，主要是利用柱塞的推压力来挤出物料m 1 ，因 此也被称为柱塞推压机。柱塞挤出机是最早用于聚合物j n - r _ 的成型设备。1 8 4 5 年 r a b r o o m a n 采用柱塞挤出机挤出古波橡胶丝，这是柱塞挤出机首次用于聚合物的加工。 1 9 世纪末，用柱塞挤出机间断性地挤出英法间埋在英吉利海峡的海底电缆n 引，这是这种 设备真正用于塑料的挤出成型加工。 柱塞挤出机按其结构可分为卧式和立式两种。其中，卧式柱塞挤出机具有操作、运 输、安装方便等优点，但它主要用于加工棒材或实心制品，若加工中空制品，则因模具 芯棒不易固定而使得加工精度难以保证。立式柱塞挤出机的最大特点是占地面积小、操 作简便、柱塞和模具的对中性好且不易偏移，生产出的制品精度高。其缺点是需要将设 备安置在相当于一二层楼的高度位置上才能生产出较长的制品n 。 柱塞挤出机近年来的发展是伴随着材料科学技术的不断发展而逐渐完善的，特别是 当聚四氟乙烯( p t f e ) 和超高分子量聚乙烯( u h m w p e ) 的出现之后，柱塞挤出机再 次受到人们的重视，并得到迅速发展。柱塞挤出机的发展过程经历了从早期的非连续柱 塞挤出向连续式转变过程，并出现了一些新的连续式柱塞挤出机，如北京化工大学塑料 机械及塑料工程研究所研制的螺杆柱塞复合式挤出机、柱塞冲压式挤出机等，如图1 - 1 所示。 2 第一章绪论 2 ， 5 1 一柱塞；2 一储料仓；3 一进料口；l 一电机；2 一螺旋喂料装置；3 一柱塞； 4 一开关；5 一挤出头；6 一螺杆4 一预热区：5 加热区；6 一简体；7 一芯棒 a ) 螺杆柱塞复合式挤出机b ) 柱塞冲压式挤出机 图1 - 1 新型连续式柱塞挤出机结构图 柱塞挤出机除了在p t f e 和u h m w p e 的成型加工中得到了广泛的应用外，还因柱 塞正向位移产生的均一稳定的高压和整个过程中很小的剪切、摩擦效应也被用于一些特 殊场合，如固态挤出1 ，粉体造粒技术n 卯和硝酸纤维素等的“湿法”挤出m 1 。 1 2 2 啮合型异向双螺杆挤出机在塑料挤出成型加工中的应用 双螺杆挤出机中具有典型正位移输送特性的是啮合型异向双螺杆挤出机。这类挤出 机最主要的特点是低剪切和强制输送。其强制输送作用在几个方面改善了异向啮合双螺 杆挤出机的工作性能n 7 驯。第一、由于啮合型异向双螺杆挤出机是靠正位移原理输送物 料，不产生压力回流，它减少了固体输送机理对固相物料与螺杆及机筒间的摩擦性质的 依赖，提高了固体输送效率和稳定性，改善了进料性能，许多在单螺杆挤出机上难以进 ， 料的具有很高或很低粘度以及与金属表面有很宽范围摩擦系数的物料，如带状料、糊状 料、粉料及玻纤料皆可加入：第二、它削弱了熔融态物料与螺杆和机筒间的粘滞性质对 熔体输送机理的影响，增强了螺杆的容积效应，使螺杆特性线变硬，从而使得口模压力 对挤出量的影响变小，提高了熔体输送过程的稳定性；第三、它使得啮合双螺杆挤出机 可用计量方式加料，只要加料量不超过挤出机的攫料能力( 它取决于固体输送能力及螺 杆和口模的特性线) ，则加料量可以是一个与其他条件无关的允许独立操作的工艺参数； 第四，物料在双螺杆挤出机中停留时间短，滞留时间分布窄；第五，具有优异的混合、 塑化效果，并且具有低的比功率。因此，在实际生产中，大多数异向双螺杆挤出机常用 于加工热稳定性较差的物料，特别是挤出硬p v c 。此外，当在单螺杆和同向双螺杆挤出 机上出现加料困难时也常采用异向双螺杆挤出机。 华南理工大学硕士学位论文 近几年来，异向旋转双螺杆挤出机在国内外得到了突飞猛进的发展，其产量、扭矩 和螺杆直径大幅度的提高，应用也日益广泛。目前国外双螺杆挤出机已经发展到第五代， 并且具有超深螺槽、超高扭矩、大功率、高产低耗和微机控制等特点。现在异向双螺杆 挤出机的研究重点是扩大其应用范围，提高其加工适应性以及先进测控系统的应用上。 1 2 3 熔体齿轮泵在塑料挤出成型加工中的应用和进展研究 熔体齿轮泵应用于聚合物加工，开始于上世纪七十年代末和八十年代初，最初应用 在合成纤维生产中。使用熔体齿轮泵将聚合物熔体输送到成型模具，即拉丝模中，再经 过拉丝模成型；此外，有的还把熔体齿轮泵安装在反应器的出口处或熔体输送管路上， 用来输送从反应器中出来的熔体，然后这些熔体通过多支管道进入每个泵，从而保证聚 合物熔体以恒定转速排放乜。 正位移输送是熔体齿轮泵最大的特点，它具有很好的计量和建压的功能，已成为现 代挤出成型中一种重要的辅助设备啪1 ，得到了广泛的应用，主要体现在以下几个方面： 1 ) 使用熔体齿轮泵实现精密挤出。实现精密挤出成型的一个重要前提就是要消除各 种影响因素的波动，以求实现定量、定压、定温的稳定挤出过程，在此基础上再对制品 截面尺寸的精度进行控制，从而生产出高精度的挤出制品。将熔体齿轮泵与挤出机串联 使用以后，熔体齿轮泵具有以下几方面的作用：a 提高熔体压力稳定性，从而有效地提 高制品精度，降低制品废品率；b 增加挤出机产量，降低能耗；c 减小挤出机的磨损， 延长机器寿命：d 降低熔体温度1 。熔体齿轮泵显著的稳压效果为实现精密挤出成型过 程提供了有力的技术保障。 2 _ ) 应用于混炼挤出造粒生产线中。将熔体齿轮泵与同向双螺杆挤出机组合用于混炼 挤出造粒生产线，可以免除双螺杆挤出机为克服机头阻力需要具备的建压功能，从而使 该生产线的混炼质量与产量比单独的双螺杆造粒机组大幅提高，并且，单机产量的提高 使加工每千克物料的能耗降低，一般可降低2 5 堙劓。 3 ) 应用于管、板、膜等挤出生产线。将熔体齿轮泵与单螺杆或同向双螺杆挤出机组 合用于生产管、板、膜等f 2 5 2 6 ，这样的系统除具有建压的优点外，它还能通过简化挤出 制品生产工艺过程，缩短生产周期来实现节能。例如，这种系统特别适合挤出制品的材 料需要经过共混改性，物料必须经过充分的混炼均化才能达到制品质量要求的场合。在 这种生产过程中，一般分两步进行。第一步是将原料混炼造粒，第二步是再用另外的设 备将粒料重新加温熔融后挤成制品。在这两步中将熔料冷却至常温然后再加温至熔融态 4 第一章绪论 挤出，其中伴随着大量的能量耗费。而应用熔体齿轮泵的挤出设备，将传统挤出工艺过 程中这部分可观的能量节省下来，从而实现高效、节能。 4 ) 应用熔体齿轮泵，实现用中小型挤出机挤出大型制品。在挤出生产线中使用多台 挤出机同时向一台熔体齿轮泵供料，熔料经熔体齿轮泵汇合、增压、计量后供给机头而 挤出制品。使用这种配置可以实现用中小型挤出机挤出大型制品( 大1 2 1 径管材、宽幅板、 宽幅膜等) 的目的乜7 1 。这种配置的生产线结构紧凑，占地面积小；挤出制品的截面尺寸 更精确且控制容易。 5 ) 与单螺杆排气挤出机组合。在单螺杆排气挤出机上串接熔体齿轮泵，可使该系统 操作自如，性能优越。与传统单螺杆排气挤出机相比，产量可大幅提高啪1 。在高机头压 力和高产量下，挤出量可随意调节而排气口无冒料情况发生。 6 ) 熔体齿轮泵还可以用于微孔塑料挤出成型中。微孔塑料是指泡孔直径为0 1 1 0 l am ，泡孔密度为1 0 9 1 0 1 2 个c m 3 的泡沫塑料，具有优异的综合性能。微孔塑料的发泡 成型过程一般都要经过三个阶段，即气泡的成核、气泡的长大和泡体的固化定型。其中， 在气泡的成核过程中需要大的压力和压力降速率，因此，可以利用熔体齿轮泵作为成核 装置。熔体齿轮泵用作成核装置主要是利用齿轮泵的增压作用提高熔体的压力。在这种 微孔塑料挤出设备中，是在机筒后端安装一个齿轮泵，随后接上挤出发泡机头。气体 聚合物体系进入齿轮泵的入口后，在齿轮轮齿与泵体内壁形成密闭的空间，随着齿轮的 转动，密闭的空间越来越小，使得聚合物熔体压力增大，从而提高熔体的压力。、气体 聚合物体系从熔体齿轮泵流出后迅速释放压力，从而形成大量的气泡核，再经过固化定 型得到微孔塑料。 ，前人对熔体齿轮泵挤出技术的研究是循序渐进的。在发展的过程中夹杂着经历了熔 体齿轮泵与普通螺杆挤出机的认识以及理论和实践运用的研究过程。大致可以简单归纳 如下： 早从1 9 7 6 年开始，美国华盛顿大学的j m m c k e l v e y 和l u w a 公司的u r s m a l r e 对熔体齿 轮泵的输送原理进行了研究，他们把熔体齿轮泵与螺杆泵作比较，并将熔体齿轮泵的输 送原理简化成为活塞泵加上一段小直径排出管道形式，用来简化泵的出口以及下游的流 道。他们认为，熔体齿轮泵本身是一个正位移输送装置，正同活塞泵一样，在理想的情 况下，它的流率仅是转速的函数，而排出管的流动则是压力流，是在泵的出口压力的作 用下流动的，与物料的粘度、管道的几何尺寸有关。由这两种流动的组合，形成了所谓 的操作点的概念，即在流率和压力的关系图中正位移输送物线与压力流动曲线的交点， 华南理工大学硕十学位论文 它代表着一定转速下的熔体齿轮泵输送所达到的压力值。此外，他还对熔体齿轮泵的入 口压力提出了新的见解。泵在运转过程中应避免“饥饿”状态，因此，合理设计入口的 形状是至关重要的，他以v a e n e x 为例，说明了它的结构特点：加大入口直径，并使室壁 设计成偏心圆弧与齿轮的一部分结合，从而增大了入口圆弧角。他具体分析了入口处四 个位置上的压力分布情况，发现这种结构对流体有明显的辅助压缩作用，即使在2 0 0 毫 米汞柱的绝对气压下，泵仍然能正常工作，在流率曲线上与理论值偏差很小，因此，这 种结构对防止气穴的产生是很有效的。 19 8 2 年，j m m c k e l v e y 对熔体齿轮泵辅助挤出中的螺杆进行了探讨。他涉及了一根 实验螺杆，并给出了实验结果，证明了专为熔体齿轮泵设计的螺杆挤出机的使用具有非 常好的效果。这根螺杆主要是起熔融、塑化、均化、混合的作用，而增压稳流的功能交 给后面的熔体齿轮泵来实现。螺杆的计量段上螺槽较深，且在计量段之后再加上一混炼 头。它的固体输送段属膨胀型设计，使物料在半充满状态下熔化，目的是让热量传递作 为熔化的主要能量，而不是剪切口。在实验过程中，所用的物料为l d p e 。在? ) i e e l d p e 时，挤出压力为1 2 6 k g c m 2 ，输出率( 产量) 为4 7 6 k g h ，而当挤出压力降为2 4 5 k g m 2 ，用 熔体齿轮泵增压，则输出率为8 1 6 k g h 。比较它们在单位时间内的挤出率可以发现，后 者比前者提高了5 9 ，同时熔体齿轮泵对挤出的稳定性也有很大的贡献口羽。 1 9 8 3 年，w i l l i a m a k r a m e r 在a n t e c 年会上，就前人在熔体齿轮泵的研究及应用状 况进行了深入的剖析，肯定了熔体齿轮泵在挤出应用中带来的好处，同时也对使用中某 些片面认识进行了评述，并建议一些场合中尽可能使用齿轮泵嘲：l 、大多数的两段排 气挤出机，因为它们存在要求挤出稳定性方面的问题。女n a b s 的片材挤出过程。2 、对 制品有特别苛刻的公差要求，女n c a n 电缆包覆，在此过程中，有轻微的径向变动都会影 响电缆的性能。3 、要求有非常好的线性输出，并且，必须使其工作在很小的压差下， 即要求精确计量的共挤过程。 1 9 8 4 年，j m m c k e l v e y 对熔体齿轮泵的容积效率进行了计算分析，并考虑了漏流对 输送效率的影响，为实际应用中的容积计算提供了依据，经过对p d s 和a b s 实验中的大 量数据进行整理分析，提出了关于漏流量计算的经验公式口。 同年，r o b e r t a m a l l o y 在8 4 s p e 年会，对熔体齿轮泵的入1 2 1 压力控制进行了研究， 指出了泵的入口压力的重要性，泵的入口压力是随着材料的粘度、泵的转速、混合状况 等变化而变化，一般情况小于1 0 0 0 p d s i ，但不能为零，并提出了长时间的压力偏差趋势 与短时间压力偏差趋势的概念，为系统的压力控制理论打下基础制。 6 第一章绪论 1 9 9 0 年，a k i l c h m a n n 对熔体齿轮泵的工作扭矩、轴承的润滑及齿轮的受载情况进 行了分析。他得出了如下结论：驱动扭矩m 。= m ，+ m 。，其中以为摩擦损耗，m 。为 工作压力损失。事实上，熔体齿轮泵的形状、间隙的大小、物料的粘度变化等因素都影 响扭矩。关于轴承润滑，他指出，因为长分子链的聚合物有很高的承载能力，在轴承中 转动时，在轴承与轴之间能形成承载润滑膜。但是如果过热和过载，就会破坏润滑膜， 与轴和轴承的直接接触，就会造成黏着和磨损。此外，由于聚合物熔体的特性，如粘弹 效应和高温下机构和零部件的变形等因素，对于非牛顿流体的滑动轴承的承载理论计算 和设计是非常复杂和困难的b 3 1 。 1 9 9 2 年，在a n t e c 上，r s t e h r 和ea n d e r s e n 将熔体齿轮泵应用于排气挤出系统中， 提出了熔体齿轮泵并入单螺杆排气挤出机中应满足的条件：1 、熔体齿轮泵的入口应该 保证有足够的入口压力来满足流体始终充满泵体，从而使熔体齿轮泵能保持稳定的挤出 产量和压力。2 、熔体齿轮泵的入口的压力不能过高，它应该保证单螺杆排气挤出机中 的物料不会从排气口溢出。这是使系统能够正常的工作的基本条件口引。 轧， 1 9 9 5 年，l c i 公司的w i l l i a mm m u r p h y 和华盛顿大学的j a m e sm m c k e l v e y 教授共同 就用于反应器出口处的熔体齿轮泵的性能进行了研究。他们详细的介绍了在这种聚合物 加工生产中的熔体齿轮泵的结构特点以及具体结构的一些设计特点、并且给出了熔体齿 轮泵各种性能参数的经验计算方法。他们还认为控制泵速最好的方法是在泵的入口法兰 处安装一个压力传感器，利用传感器传来的信号来控制泵速m 3 。 豫 以上是前人对熔体齿轮泵的研究进展。叶片单元与熔体齿轮泵虽然在结构上有很大 差别，但其原理以及在挤出系统中的功能相同，因此，可以借鉴前人对熔体齿轮泵的研 究方法来研究采用叶片进行高聚物熔体输送的特性。综合前人对熔体齿轮泵的研究，有 以下几点可借鉴用于高聚物熔体叶片正位移输送特性的研究： 1 操作点的概念，即在流率和压力的关系图中正位移输送物线与压力流动曲线的 交点，它代表着一定转速下的叶片单元输送达到的压力值。 2 叶片单元在运转过程中应避免“饥饿”状态，因此，其入口形状非常重要。 3 容积效率与漏流的关系。 4 叶片单元的入口压力是一个非常重要的参数，它的入口压力是随着材料的粘度、 螺杆的转速、混合状况等变化而变化。可以通过对叶片单元入口压力的检测来控制螺杆 的转速和以及叶片单元的偏心量。 5 使用叶片输送聚合物熔体后，对螺杆设计和整个挤出系统的影响。 7 华南理t 大学硕士学位论文 1 3 叶片泵的研究进展 叶片泵是将电动机或内燃机等原动件的机械能转换成流体的压力能的装置。它是近 代液压技术发展史上最早使用的一种液压泵，并且，具有结构简单、流量均匀、噪声低 等突出优点。因此，对叶片泵的研究也引起了国内外广大专家学者的关注，他们对叶片 泵的研究主要集中在泵的高压性能、噪声问题以及对泵的控制精度三个方面。具体的研 究进展可以归纳如下7 叫射： 1 9 5 7 年威格士公司发明的阶梯式叶片泵，后来的海得利考公司的双簧叶片泵、日本 减压阀式叶片泵等，在开发初期，这些泵的工作压力一般只能达到1 4 m p a ，噪声约在6 8 7 6 d b ( a ) ；此后相当长一个时期内，基本上停留在这一水平无多大进展。直至7 0 年代 后期$ n 8 0 年代初，由于低噪声定子曲线的采用，叶片项出机构的改进和进一步提高压力 方面才取得了重大突破。首先是威格士公司的v - 2 8 2 系列低噪声子母叶片泵，最高压力 达到2 1 m p a ，噪声6 3 d b ( a ) 。随后是美国丹尼逊公司生产的t 6 系列实心柱销式高压低噪 声叶片泵，最高压力达到2 8 0 m p a ，噪声6 3 d b ( a ) 。在国外甚至出现了压力高达4 0 0 m p a 的叶片泵。日本油研的圆弧式低噪声叶片泵，其p v 2 r 系列泵噪声降低至5 1 d b ( a ) ，与7 0 年代以前的噪声水平相比，降低了1 5 一- - 2 0 d b ( a ) 。 在国内对叶片泵噪声的研究主要是一些高等学校和研究所。广州机床研究所，王忠 楗对降低y b 型叶片泵噪声进行了研究；沈阳工业大学的孙继昌对通过噪声的测试与分 析，提出了转向泵噪声产生的原因及降噪消振措施，使转向泵的噪声在一定程度上得到 了控制；宁波大学机械工程系的林九如从定子曲线开始，提出合理设计减震槽等方面探 讨降低叶片泵噪声的途径；太原理工大学的孙艳对差压控制型变量叶片泵定子受力、转 子所受径向作用力以及由于叶片受剪而产生的扭矩分析，建立了计算受力的数学模型， 并通过v 4 8 0 型变量叶片泵内部的受力计算验证了分析建模的正确性。 对于叶片泵控制精度的研究，浙江大学教授路甬祥、吴根茂及南京液压件厂的刘运 生等联合开发了公用二级阀结构的电液比例压力流量复合控制叶片泵，该泵的流量控制 方式应用流量一位移一力反馈的原理，压力控制采用泵出口压力间接检测，并内含级间 动压反馈，改善了泵的动态响应，但是由二级阀结构所产生的流量压力控制相互干扰的 问题未能很好解决。后来在此基础上，以y b f 6 3 变量叶片泵为本体开发研究的压力流量 复合控制变量叶片泵，其性能有所改进。秦川机床厂引进西德力士乐产品：v 4 型变量叶 片泵，作为工业用型的v 4 型变量叶片泵具有压力高、低噪音、启动可靠性高、重复精度 高、轴承因采用动压润滑寿命长等特点。重庆大学徐霖等与秦川机床厂张沛哲等人在消 第一章绪论 化引进力士乐叶片泵的基础上，研究开发了一种新型的数字阀控变量变压叶片泵，它可 以和微机接口，实现高精度的可编程开环控制，其结构原理与v 4 型变量叶片泵没有什么 差别，控制方式上采用数字控制技术，并且利用计算机实现了变压变流量的连续控制。 浙江大学博士后黄德欢将计算机控制用于电液比例恒压变量泵的控制，收到了比较理想 的效果。 烁 、 歹固 飞i 、叠 孥 ： 1 一定子2 一转子3 一叶片 图卜2 叶片泵结构示意图 1 4 叶片用于熔体输送的可行性研究 1 4 1 单作用变量叶片泵的工作原理 单作用变量叶片泵结构示意图如图1 2 所示。从图中可以看到，叶片泵主要由定子、 转子、叶片和两则挡板组成。当转子在输入轴的带动下旋转时，叶片在离一t l , 力和叶片根 部压力油的作用下与定子内表面保持接触，并沿定子内表面滑动。随着转子的旋转，下 半部的叶片沿转子槽逐渐向外伸出，由定子内表面、转子外表面、两侧挡板及相邻两叶 片围成的密封容积逐渐增大，形成真空，完成吸油的过程。在下半部叶片向外伸出的同 时，上半部分的叶片受定子内表面作用沿转子槽逐渐向内缩进，相邻两叶片间的密封容 积逐渐缩小，油液被迫从排料窗1 3 排出。转子每转一圈，每个相邻叶片间的密封容积完 成一次进、排料作用。从理论上讲，只要叶片泵的转速和偏心量保持不变，其排量就保 持不变。 9 华南理t 大学硕士学位论文 1 4 2 叶片用于熔体输送的可行性研究 在叶片正位移挤出机中用于熔体输送的叶片单元其结构和原理类似于上述液压系 统中的变量叶片泵。而对于变量叶片泵要使其正常运行，必须满足下面两个重要条件h 引： 1 对于一般的变量叶片泵而言，叶片顶部与定子内表面紧密接触是叶片泵正常工作 的必要条件。为保证叶片能紧密贴在定子内表面，通常叶片泵的转速要求在6 0 0 r m i n 以 上，并且在叶片根部通有压力油。 2 油液必须充满由叶片、定子、转子和挡板组成的密闭腔室。对于一般的变量叶片 泵而言，都是采用自吸的方式使液体充满密闭腔室。 上面是变量叶片泵正常运行的两个必要条件，而对于与变量叶片泵结构和原理都相 似的叶片单元而言，要使其输送熔体能正常运行，也必须满足上述两个条件。然而，如 果不对叶片单元进行特殊设计就直接用于高聚物熔体输送是很难满足上述两个必要条 件的。究其原因主要有以下两个： 第一，而对于普通的挤出机来说，其转速很难达至l j 6 0 0 r m i n ，并且这个最低转速是 在用于油液输送的情况下测得的，而对于高聚物熔体其粘度比油液大很多，其叶片从叶 片槽中甩出所需要的离心力更大，因此，所要求的最低转速也就越高。同时也不能像变 量叶片泵那样在叶片根部通压力油，否则会污染高聚物熔体。综合以上两点，如采用叶 片来输送高聚物熔体就很难保证叶片紧贴于定子内表面而形成密闭腔室。 第二，高聚物熔体的粘度比油液的大很多，当采用叶片输送高聚物熔体时，很难通 过自吸的方式使熔体充满由叶片、定子、转子和挡板组成的密闭腔室，从而可能会导致 空气的混入，使得排料腔无法建压，无法实现在挤出系统中计量、建压和稳压的作用。 征对第一个问题，在叶片正位移挤出机中，其叶片单元的叶片经过特殊的结构设计， 从而可以保证：即使在很低的转速下，并且无需通压力油也能使叶片紧贴在定子内表面， 从而形成密闭腔室。 对于叶片正位移挤出机而言，其固体进料方式不同于普通的挤出机，它也采用类似 与变量叶片泵的叶片单元实现了在固体物料的正位移输送。按照正位移原理，叶片每转 一圈，其输送量是固定的，而与其它因素无关。因此，对于用于熔体输送的叶片单元的 进料方式同时包含有自吸式和强制迸料。根据质量守恒原理，流进的物料应该与流出的 物料在质量上是相等的，也即是说用于固体输送的叶片单元的排出的物料质量应与用于 熔体输送的叶片单元流入的熔体物料的质量相等。而根据质量公式朋2p 可知，尽管 进料端固体的松密度比熔体料小，然而可以通过增大固体进料端的容积，并且用于固体 1 0 单元就可以实现其计量的功能。并且因叶片单元的进口与出口是分隔开的，因而也就可 以完成建压和稳压的作