挤出成型序论和固体输送yan剖析

1、 挤出成型序论和固体输送yan剖析 认识挤出机认识挤出机 挤出成型序论和固体输送yan剖析 认识挤出成型过程过程 在挤出成型过程中，影响产品质量和产量的关键设备在挤出成型过程中，影响产品质量和产量的关键设备 挤出机，而在挤出机中，螺杆又称为挤出机的心脏。挤出机，而在挤出机中，螺杆又称为挤出机的心脏。 挤出成型序论和固体输送yan剖析 认识挤出成型过程过程 二、挤出成型设备二、挤出成型设备 三、单螺杆挤出理论简介三、单螺杆挤出理论简介 门窗型材门窗型材 2 2、挤出成型的特点、挤出成型的特点 螺杆挤出机能将一系列化工基本单元过程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、

2、脱湿、熔体输送和泵出等物理过程，交联、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，交联、 发泡、接枝、嵌段、调节相对分子量、甚至聚合反应等化学过程集中在挤出发泡、接枝、嵌段、调节相对分子量、甚至聚合反应等化学过程集中在挤出 机内的螺杆上来进行。挤出机逐步取代了一些由多台经典的化工设备组成的机内的螺杆上来进行。挤出机逐步取代了一些由多台经典的化工设备组成的 生产线，生产线， 带来的是生产率的提高和能耗的降低，带来的是生产率的提高和能耗的降低， 减少了生产面积和工人的数量，易于实现生产的自动化，还有较好的劳动条减少了生产面积和工人的数量，易于实现生产的自动化，还有较好的劳动条 件

3、和较少的环境污染，降低了生产成本。件和较少的环境污染，降低了生产成本。 优优 点点 连续化连续化效率高效率高应用广应用广投资少投资少 二、挤出成型设备二、挤出成型设备 挤出机挤出机 传动系统传动系统 挤压系统挤压系统加热冷却系统加热冷却系统 一一 挤出机挤出机 1 1、挤压系统、挤压系统 挤出成型序论和固体输送yan剖析 挤压系统 加料 挤出成型序论和固体输送yan剖析 挤压系统 挤出成型序论和固体输送yan剖析 固体输送固体输送 2 2、传动系统、传动系统 挤出成型序论和固体输送yan剖析 二、挤出机的辅机设备二、挤出机的辅机设备 辅机辅机 牵引装置牵引装置定型装置定型装置口模口模冷却装置冷

4、却装置堆放堆放切割装置切割装置 三、控制系统三、控制系统 4 4、挤出机的主要技术参数、挤出机的主要技术参数 挤出机的规格挤出机的规格 JWMJWM 挤出机挤出机 规格规格 螺螺 杆杆 直直 径径 长径比长径比 L/DL/D 最大挤出最大挤出 量量( (PET)PET) (kg/h)(kg/h) 螺 杆 转 速螺 杆 转 速 ( (r/min)r/min) 机 头 压机 头 压 力力( (MPa)MPa) 传 动传 动 功 率功 率 KWKW 加热加热 功率功率 ( (KW)KW) 加加 热热 段段 加 热加 热 电压电压 （V V） 中 心 高中 心 高 ( (mm)Cmm)C型型 中 心

5、高中 心 高 （mmmm） D D型型 重 量重 量 （t t） 25/2525/25 22 5 5 25:125:18 820-9020-9015-2515-252.52.53 33 3220220340340 0.80.8 45/2545/25 44 5 5 25:125:1383820-9020-9015-2515-257.57.58 83 3220220340340 1 1 65/2565/25 66 5 25:125:1808020-9020-9015-2515-2518.518.520205 52202203403403303301.31.3 80/2580/25 88 0 0 2

6、5:125:112012020-8020-8015-2515-25373730305 52202205105105605601.61.6 90/2590/2599 0 0 25:125:122022020-8020-8015-2515-25454530305 52202205105105605601.81.8 105/2105/2 5 5 11 0505 25:130020-7015-2555 40 52206105603 120/2 5 1 20 25:144020-6015-25754862206606004 130/2 5 1 30 25:150020-6015-2590 48 6220

7、6606004 135/2 5 1 35 25:15500-6015-2590 57 63806606004 150/2 5 1 50 25:170020-6015-25110 72 63807106255 160/2 5 1 60 25:178020-6015-25132 84 63807106256 180/2 5 1 80 25:1105020-5015-25180 110 738080080010 200/2 5 2 00 25:1140020-5015-25220 150 73801000100012 三、单螺杆挤出理论简介三、单螺杆挤出理论简介 二、单螺杆挤出理论二、单螺杆挤出理论

8、 1 1、螺杆长度方向上的划分、螺杆长度方向上的划分 固体输送固体输送 压缩物料，并使物料熔融塑化压缩物料，并使物料熔融塑化 对熔融物料进行搅拌和混合，同时对熔融物料进行搅拌和混合，同时 稳定、定量地向口模输送料流。稳定、定量地向口模输送料流。 加料段加料段压缩段压缩段计量段计量段 熔体输送段熔体输送段 熔融段熔融段固体输送段固体输送段 3 3、螺杆的名词术语、螺杆的名词术语 Ds 螺纹参数螺纹参数: 螺旋线展开螺旋线展开 sinsins tDD Ztg co t t 注注意意：t tg g= = D D 螺纹展开图螺纹展开图 轴线轴线 3 3、挤出理论的研究内容、挤出理论的研究内容 4 4、

9、挤出理论、挤出理论 一、固体输送理论一、固体输送理论 二、熔融理论二、熔融理论 三、熔体输送理论三、熔体输送理论 挤出成型序论和固体输送yan剖析 一、固体输送理论一、固体输送理论 固体在螺杆中存在着两种状体：固体在螺杆中存在着两种状体：。相应地存在。相应地存在 着两种固体输送状态：塞流输送和非塞流输送。在大多数情况着两种固体输送状态：塞流输送和非塞流输送。在大多数情况 下，塞流输送占据着固体输送段长度的绝大部分。下，塞流输送占据着固体输送段长度的绝大部分。 挤出成型序论和固体输送yan剖析 一、固体输送理论一、固体输送理论 一、固体输送理论一、固体输送理论 2 2、流场分析、流场分析 3 3

10、、固体输送方程、固体输送方程 4 4、固体塞的输送角、固体塞的输送角 ( (前进角前进角) ) 5 5、固体输送理论的讨论、固体输送理论的讨论 6 6、对固体塞摩檫理论的修正、对固体塞摩檫理论的修正 8 8、固体输送段的功率计算、固体输送段的功率计算 一、固体输送理论一、固体输送理论 一、固体输送理论一、固体输送理论 （3）摩檫系数是常数，但物料与螺杆和机筒内摩檫系数是常数，但物料与螺杆和机筒内 表面的摩檫系数不同；表面的摩檫系数不同； （4 4）忽略固体塞密度的变化，重力的影响，螺）忽略固体塞密度的变化，重力的影响，螺 棱顶部和机筒表面间隙的影响；棱顶部和机筒表面间隙的影响； （5 5）加料

11、段螺槽截面为矩形，且槽深不变。）加料段螺槽截面为矩形，且槽深不变。 （1）物料是已被压实的无内变形的物料是已被压实的无内变形的； （2 2）固体塞所受的压力仅沿螺槽方向有变化；）固体塞所受的压力仅沿螺槽方向有变化； x yz 0 2 2、流场分析、流场分析 固体塞形貌固体塞形貌 2 2、流场分析、流场分析固体塞运动分析固体塞运动分析 建立坐标：建立坐标： 静坐标建立在机静坐标建立在机 筒上筒上; 动坐标建立在螺动坐标建立在螺 杆上杆上. 绝对速度牵连速度相对速度绝对速度牵连速度相对速度 V3=V1+V2 V2 V1 V3 VL 几种速度分析：几种速度分析： 3 3、固体输送方程、固体输送方程

12、nDV tgtg tgtg nD tgtg tgtg VV b b b b b b L 1 1 固体输送率固体输送率QsVLA A （1） n螺杆转速螺杆转速 挤出成型序论和固体输送yan剖析 3、固体输送方程、固体输送方程 )180sin(sin 13 bb VV V2 V1 V3 VL b b bb b b b tgtg tg V VV V cos/ sincoscossin sin )sin( sin 1 11 3 b b b b b L tgtg tgtg nD tgtg tgtg VVV 13 sin 垂直于垂直于VL的螺槽流道截面的螺槽流道截面 积计算：积计算： 垂直轴向的截面积垂

13、直轴向的截面积 A sin)( 1)( 1 , 11 hD ie hDhA b b ee hD ii t W b , 1 , sin)(cos 螺槽的法向宽度螺槽的法向宽度 )( , 11 eW W hDhA b i1,1,将将W代入代入A方程方程 （2） 整理整理 固体输送方程固体输送方程 固体输送率固体输送率QsVLA A （1）*（2） s （3） （5） 固体输送方程固体输送方程 写成比流率的形式：写成比流率的形式： 4 4、固体塞的输送角、固体塞的输送角 ( (前进角前进角) ) 通过受力分析通过受力分析,求出固体塞的输送角求出固体塞的输送角 (前进角前进角) 推力推力 F F2 2

14、、F F6 6 螺棱间挤压力螺棱间挤压力F F7 7、F F8 8 摩擦力摩擦力 物料与侧壁物料与侧壁 F F3 3、F F4 4 物料与螺杆基部物料与螺杆基部 F F5 5 物料与机筒内壁物料与机筒内壁 F F1 1 进行力和力矩的平衡计算进行力和力矩的平衡计算 挤出成型序论和固体输送yan剖析 4 4、固体塞的输送角、固体塞的输送角 ( (前进角前进角) ) F1是运动着的微元和机筒内壁面的摩擦力是运动着的微元和机筒内壁面的摩擦力 bbb dzpWfF 1 微元周围的料对微元的正压力微元周围的料对微元的正压力F2和和F6 dpWHPWHdpPWHPWHPWHFF 11111112126 )

15、( _ 18 zdpHF d FzdpHF _ 17 螺棱对微元的正压力螺棱对微元的正压力F8和和F7： FdFd是推进面作用在微元上的正推力是推进面作用在微元上的正推力 挤出成型序论和固体输送yan剖析 4 4、固体塞的输送角、固体塞的输送角 ( (前进角前进角) ) )( _ 173dss FzdpHfFfF _ 184 zdpHfFfF ss s ss zdpWfF 5 螺棱侧面对微元的摩擦力螺棱侧面对微元的摩擦力F3和和F4，螺槽底面对微元的摩擦力，螺槽底面对微元的摩擦力F5 0maF iL 0 iii RFM 将上述的将上述的8个力分解为轴向分力个力分解为轴向分力FiL和切向分力和切

16、向分力Fi 假设在等深螺槽中的固体输送的加速度为零假设在等深螺槽中的固体输送的加速度为零 sin sin b b dz zd s b b s dz dz sin sin 从螺杆几何关系可以得到从螺杆几何关系可以得到 通过受力分析通过受力分析, ,求出固体塞的输送角求出固体塞的输送角 ( (前进角前进角) )- - 固体塞的输送角固体塞的输送角 ( (前进角前进角) ) 方程方程 （6） （7） sincos cossin s s b f f D D K c 1ssss bbs bbbbbB 11 bbbb0 hfDW fD osKsin+2sin(K)sin(Kctg) WfDWfD Wh1D

17、P (Kctg )ln WzfDP （8）MK sincos sincos cossin s s b f f D D K 1ssss bbs bbbbbB 11 bbbb0 hfDW fD M2sin(K)sin(Kctg) WfDW fD Wh1DP (Kctg )ln WzfDP 固体塞的输送角固体塞的输送角 ( (前进角前进角) ) 方程方程 为了减少计算量，为了减少计算量，的计算图的计算图 图图 1、与与 M (螺杆与物料参数的集合项螺杆与物料参数的集合项) 5 5、固体输送理论的讨论、固体输送理论的讨论 (2) (2) 输送角输送角的大小的大小 从从K K值的计算可得值的计算可得 c

18、tgctg b b 实际上实际上fs = 0fs = 0， a.控制螺杆和料筒的表面加工精度可使控制螺杆和料筒的表面加工精度可使 料筒开槽料筒开槽。 b. b. 控制螺杆与机筒的温度。控制螺杆与机筒的温度。 (3)(3)摩檫因数摩檫因数f f 控制螺杆与机筒的温度控制螺杆与机筒的温度 控制螺杆与机筒的温度控制螺杆与机筒的温度 控制螺杆与机筒的温度控制螺杆与机筒的温度 当其最大时，当其最大时， Qs 达到最大。达到最大。 对于大多数聚合物，对于大多数聚合物，f s在在0.250.5间，螺纹升角间，螺纹升角 在在1720之间，一般取之间，一般取1741. b b s tgtg tgtg Q (5)

19、 螺槽深度和螺杆的转速螺槽深度和螺杆的转速 H H增大，增大，n n加快，加快，Qs Qs 增高。增高。 1 22 11 0 Z KAB KAB expPP P Zb 理论理论 实际实际 P0 讨论：讨论： 挤出成型序论和固体输送yan剖析 初始压力初始压力 Jannssen考虑初始压力考虑初始压力 P0 gy m m h n 0 sin 1 sin 1 k R yk2f exp(1 k2f gR P ) P0 yyc 料位高度料位高度 (7) 物料的颗粒形态物料的颗粒形态 . s s0 0 Q Q , ,MM , ,P P , , 6 6、对固体塞摩檫理论的修正、对固体塞摩檫理论的修正 作用

20、在机筒内表面的压力：pkp bb 作用在螺槽底面的压力： pkp ss pkp ff 1 sb kk5 . 0 f k 作用在螺槽侧面的压力： 一般在计算中，取 对固体塞摩檫理论的修正对固体塞摩檫理论的修正 固体塞密度的变化固体塞密度的变化 螺槽深度变化，在螺槽中会产生一些附加力，螺槽深度变化，在螺槽中会产生一些附加力， 需要对摩擦理论进行修正。需要对摩擦理论进行修正。 螺槽深度变浅，压力增高，密度增大，螺槽深度变浅，压力增高，密度增大， 附加力对螺槽中压力会产生影响，压力分附加力对螺槽中压力会产生影响，压力分 布方程布方程: dz KAB KAB expPP 2 1 z z 22 11 0

21、式中式中A A1 1、A A2 2、B B1 1、B B2 2中的中的h h1 1随随Z Z的增加而变化。的增加而变化。 在锥形螺槽中压力建立的比等深快；在锥形螺槽中压力建立的比等深快； 螺槽锥度对压力建立的影响随流率增螺槽锥度对压力建立的影响随流率增 高而增大。高而增大。 （1 1）非塞流固体输送理论的物理模型）非塞流固体输送理论的物理模型 a、假设条件、假设条件 ( a) 物料是松散的，颗粒之间有间隙，存在物料是松散的，颗粒之间有间隙，存在 着相对运动的散粒体。着相对运动的散粒体。 ( b) 散粒体具有一定的流动性，并且仅在一散粒体具有一定的流动性，并且仅在一 定范围内能保持其形状。定范围

22、内能保持其形状。 b 流场分析流场分析 (a) 不能满足压力各向同性的假设；不能满足压力各向同性的假设； (b) 用多维压力和速度场描述输送过程；用多维压力和速度场描述输送过程； (c) 随散粒体内部挤压力和摩擦力的增加，随散粒体内部挤压力和摩擦力的增加， 粒间相对运动消弱，直至转换成塞流。粒间相对运动消弱，直至转换成塞流。 (1)(1)非塞流固体输送理论的物理模型非塞流固体输送理论的物理模型 螺槽中的颗粒料以立方小块代替。螺槽中的颗粒料以立方小块代替。 挤出成型序论和固体输送yan剖析 非塞流理论模型非塞流理论模型 挤出成型序论和固体输送yan剖析 非塞流理论模型非塞流理论模型 挤出成型序论

23、和固体输送yan剖析 非塞流理论模型非塞流理论模型 (2) (2) 研究结果研究结果 （a) 螺槽中散粒体的速度分布螺槽中散粒体的速度分布 （b）非塞流输送向塞流输送的转换）非塞流输送向塞流输送的转换 fi i为物料的内摩擦系数。为物料的内摩擦系数。 fi增大向塞流输送过渡。增大向塞流输送过渡。 （c）摩擦系数对固体输送率的影响）摩擦系数对固体输送率的影响 塞流理论：塞流理论： fbfs, Q=0 非塞流理论：非塞流理论： 无论无论fb、fs的大小的大小 如何，如何，Q预测均不预测均不 为零。为零。 （d）螺杆参数对生产率的影响）螺杆参数对生产率的影响 塞流理论：塞流理论： H1增加，增加，Q

24、增大增大 非塞流理论：有最佳槽深。非塞流理论：有最佳槽深。 螺旋升角螺旋升角 最佳为最佳为45 大于目前的大于目前的1740。 （e）压力的建立及）压力的建立及f b与系统压力的关系与系统压力的关系 按塞流理论按塞流理论: : 加料段末端压力会大到加料段末端压力会大到 无法置信的地步，与实无法置信的地步，与实 际不相符。际不相符。 非塞流理论：非塞流理论： 末端压力末端压力 不会大于不会大于5 5 MPaMPa。 fb fs 或或 fi P G 表表1 计算生产率与实测生产率的比较计算生产率与实测生产率的比较 挤出挤出LDPE,螺杆螺杆D=45mm，L/D=25,H=7mm,Fs=0.25,Fb=