啮合同向双螺杆3种构型的模拟分析和实验研究.pdf

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1、第37卷第1期化工机械5啮合同向双螺杆3种构型的模拟分析和实验研究赵锋’罗兵江渡韩亚南何明(北京化工大学)摘要通过数值模拟方法对3种含捏合盘元件螺杆构型的剪切速率、停留时间和回流量等指标进行了分析，通过实验对3种螺杆构型的混合性能进行了对比。结果表明，90。捏合盘元件与反向捏合盘元件组合可以达到较好的分布混合效果，45。捏合盘元件与反向捏合盘元件的组合可以达到较好的分散混合能力。捏合段加入反向螺纹元件并不能提高分布混合能力，但可以延长停留时间。关键词啮合同向双螺杆螺杆构型数值模拟捏合盘中图分类号TQ320．66+3

2、文献标识码A文章编号0254-6094(2010)0l-0005-06啮合同向双螺杆挤出机因其混合性能优异，螺杆、机筒可以任意组合而适用于多种混合工艺，故更多地用于多组分物料的混合⋯。通过优化螺杆组合使双螺杆挤出机高产、高效、高速、低能耗是设计者追求的目标¨，z-。由于螺纹元件、捏合盘元件结构自身所具有的多样性和其组合的灵活性，以及不同混合工艺的要求不同，所以多数的螺杆组合设计主要都是依靠经验。在螺杆组合中设计由捏合盘(块)组成的几何形状复杂的捏合段，在其旋转时能对流经它的物料产生强烈的剪切作用，因而具有较理想的分

3、散和分布混合能力¨J。所以在啮合同向双螺杆挤出机对聚合物的加工过程中，对混合影响最大的是捏合盘元件(块)所在的捏合段”“1。本文通过对3种不同捏合段的螺杆构型的研究和分析，来探索螺杆构型组合规律，从而指导螺杆组合设计。1模拟部分本文建立了3种不同捏合段螺杆构型的三维非牛顿流体流道模型，通过数值计算分析聚合物在捏合段流道中的流动特性，详细对比了物料在3种构型流道中的平均剪切速率、停留时间等参数，对3种不同捏合段的螺杆构型的混合特性进行研究"1。本文的模拟计算在北京化工大学网络中心化工网格上完成。1．1物理模型本文所模

4、拟螺纹元件和捏合盘流道的几何参数为：外径33．4ram，中心距30mm，机筒内径34mm。A构型为KB45／4／30+KB45／4／15L+SE30／15L，B构型为KB45／2／15+KB90／4／30+KB45／4／15L，C构型为KB45／6／45+KB45／4／15L，流道长度为60ram。流道和螺杆构型模型的网格划分如图1所示，模拟计算采用POLYFLOW·赵锋，男，1985年1月生，硕士研究生。北京市，100029。图1网格重叠技术的网格划分6化工机械2010年软件完成。为了方便说明，本文采用图2所示的

5、编号方式。左旋(没有L即右旋)总厚度捏合盘数目铭烈角捏合盘元件S图2元件编号方式1．2数学模型对本文所模拟的流道模型作如下假设⋯21：a．熔体为不可压缩的流体；b．流场为稳定、等温流场；c．雷诺数较小，流动为层流；d．惯性力、重力等体积力远小于粘滞力，可忽略不计；e．熔体在流道中全充满；f．熔体对流道壁面无滑移。本文采用Cross模型进行模拟计算。其本构方程为：铲志(1)式中刀——表观粘度，Pa·s；，，o广一零剪切粘度，Pa·s；A——时间常数，s；，——剪切速率，s一；m——非牛顿指数。对于等温流场，只需根据连

6、续性方程、动量方程和本构方程来求解流场。连续性方程为：V·t，=0(2)动量方程为：Vp=V·丁(3)式中t，——速度矢量；p——静压力，MPa；f——剪切应力，Pa。1．3物性参数和边界条件模型使用的物性参数经实验物料流变曲线拟合而得到，其中非牛顿指数m=0．677，时间常数A=0．3648s，零剪切粘度吼=4020Pa·8。模拟计算中采用的边界条件为：入口流量18kg／h，机筒表面速度0，出口压力0，螺杆转速160r／min。2实验部分本实验的3种螺杆组合分别对应模拟部分左旋(没有L即右旋)长度导程螺纹元件A、

7、B、C3种捏合段螺杆构型，通过对比流场的数值模拟结果和实验结果，研究3种螺杆构型的混合效果。2．1主要原料聚丙烯(MFR=5—8s／10rain)粉体(北京燕山石油化工股份有限公司生产)，抗氧化剂1010、168，硬脂酸钙，碳酸钙(5000目)。2．2主要设备啮合同向双螺杆挤出机LSM30／34，德国Leistritz公司高速混合机SHR．50A，江苏张家港市三兴江帆机械厂真空干燥箱DZX一1(6050B)，上海福玛实验设备有限公司2．3螺杆组合螺杆组合如图3所示。加料121捧气口机头置换段ASFA5／120+SE

8、45／120+SE45／22．5+KB45／22／165+!型4／304-KB45／4／15L+SE30／15L+SE45／60+SE45／604-SE30／195叵!置换段B置换段c．K．．．．B．．．4．．．．5．．．／．．．2．．．．／．．．1．．．5．．．．．+．．．．．K．．．．．B．．．9．．．0．．．／．．．．4．．．／．．．3．．．0．．．—