排气挤出机分流环结构与产量平衡问题的研究

作者：张运龙 董传涛 郝春燕    来源：PT现代塑料

欢迎访问e展厅 展厅 2 塑料挤出机展厅 片材生产线, 单螺杆挤出机, 双螺杆挤出机, 板材生产线, 木塑挤出机, ... 前言 排气挤出机是在挤出成型制品过程中，能够用来排除物料中所含的水分、溶剂、剩余单体及在成型温度下易挥发的低聚物的一种挤出设备。由于它具有排气功能且又有较大的长径比，因此可以提高螺杆的转速，从而提高机台的生产能力。 挤出波动和冒料是限制排气挤出机适用范围的2 个重要因素，而这2 个现象都是由于流量不平衡所导致。为了解决以上问题，国内外一些学者作了大量的研究，针对塑料排气挤出机，他们主要从改变操作工艺条件，排气段参数以及泵出段参数等方面来考虑，但是由于近年来双螺杆排气挤出机的迅速发展，已经逐渐替代了塑料单螺杆排气挤出机，所以近年来关于塑料单螺杆排气挤出机的研究工作较少。而对于橡胶排气挤出来说，由于橡胶的黏度较大，目前用来加工橡胶的双螺杆挤出机还少有报道，所以橡胶单螺杆排气挤出机仍然具有很重要的地位。而对于橡胶排气挤出机来说，由于要经常更换口模和物料，所以机头压力和一些工艺条件就经常要变化。那么如何使同一根螺杆在不同的工艺条件下满足二阶螺杆的流量平衡，就需要在第1 计量段末段加入可更换的阻尼分流环，在工艺条件改变的情况下，通过更换阻尼分流环来保证二阶螺杆流量平衡，从而最大限度的避免挤出波动和冒料现象的出现。 1、流场模型的建立 1.1数学模型 1.1.1基本假设 本研究对聚合物熔体的流动状况作如下基本假设： （ 1 ） 聚合物熔体为黏弹性流体， 采用Oldroyd-B（OB）模型； （2 ）流场为等温定常流场，即场量不随时间变化，且流场中各点温度相等； （3 ）流动为稳态层流； （4 ）物料黏度大，惯性力、重力等体积力远小于黏滞力，忽略不计； （5 ）流体为不可压缩流体； （6 ）物料在机筒内壁面无滑移。 1.1.2 基本方程 本文中的流体模型采用微分黏弹性模型。 对于黏弹性流体，总额外应力张量T 可以分解为附加黏弹应力张量T 1 和纯黏性牛顿应力项T2 。即：T=T1+ T2根据以上假设，三大方程可简化为 在以上各式中：vx 、v y 、v z 分别为x 、y 和z方向的速度；p 为压力；T ij 为剪切应力；T ii 为法向应力。 包括Maxwell、Oldroyd-B、White-Metzner、Phan-Thien-Tanner 等在内的所谓的Oldroyd 家族的微分黏弹性模型都遵从根据附加应力张量T1所写的微分方程： 其中本文所采用的Old ro yd-B（OB）模型是所有黏弹性本构方程中最简单的一种。其本构方程为： 式中：λ——松弛时间； η1 ——黏度； D ——应变速率张量； ——逆变时间导数。 这种本构方程虽然只包含了2 个或3 个材料参数，但却能定性地得到聚合物流体的许多宏观流动性质。 1.2 几何模型 图1 为本文研究的橡胶排气螺杆的三维模型图。表1 为本文所模拟的橡胶排气螺杆的基本参数。 由于本文中橡胶排气螺杆的直径较大，长径比较大，所以在Polyflow 中模拟起来相对比较困难；此外，由于我们在Polyflow 中只能对熔体全充满段进行模拟分析，所以本文把橡胶排气挤出机中的流场分为2 部分来分析：第1 阶计量段（L1）、第2 阶计量段（L2）。在计算分析时把2 部分流场有机的结合起来考虑流量的平衡问题。 1.2.1 第1 计量段（L1） （1 ）建立模型第1阶计量段（L1）的螺杆以及分流环的几何模型如图2所示。而在Polyflow中是要对聚合物熔体进行模拟分析，因此要对聚合物熔体所充满的流道进行建模。L1段流道的几何模型如图3 所示。 （2 ）网格划分在G a m b i t 中直接对流道模型进行网格划分， 网格为四面体单元。 （3 ）边界条件在模拟计算时，本模型有4 个边界，分别为入口、出口、机筒内壁以及螺杆表面。入口流量设定为Q 1 ；出口由于处于排气段，所以出口压力P = 0 ；根据聚合物熔体在壁面无滑移的假设，故法向和切向速度均为0，即νn=νs=0；螺杆表面设定为螺杆转动的角速度ω =2 n π / 6 0 。 1.2.2 第2 计量段（L2） （1 ）建立模型L2 段流道的几何模型第2 阶计量段（L2 ）的螺杆几何模型如图4 所示。而在P o l y f l ow 中是要对聚合物熔体进行模拟分析，因此要对聚合物熔体所充满的流道进行建模。L2 段流道的几何模型如图5 所示。 （2 ）网格划分在G a m b i t 中直接对流道模型进行网格划分， 网格为四面体单元。 （3 ）边界条件此模型有4 个边界，分别为入口、出口、机筒内壁以及螺杆表面。入口压力设定P=0 ；出口为机头压力P = P 1 ；根据聚合物熔体在壁面无滑移的假设，故法向和切向速度均为0，即νn=νs=0；螺杆表面设定为螺杆转动的角速度ω =2 n π / 6 0 。 2、模拟计算 具体计算方法为：首先对第2 计量段L 2 进行流场模拟，得出流量Q ，因为在排气挤出机中二阶螺杆的流量一定要相等，所以把第2 计量段L 2 计算得出的流量Q 作为初始边界条件代入到第1 计量段L 1，并对第1 计量段L 1 进行流场模拟，从而可以得出第1 计量段的压力分布，然后通过对第1 计量段L 1 的最高压力P m a x 和机头压力P 2 进行比较来判断是否冒料或者挤出波动。如果Pma x>P2 ，则说明二阶螺杆流量不平衡：Q1 Q2 ，此时就会出现冒料现象，那么就需要减小分流环的流通面积来降低第一阶螺杆的流量Q1 ，从而保证两阶螺杆的流量平衡。 计算所用的物料为三元乙丙橡胶（EPDM），牌号3666，美国Exxon 化学公司生产，乙烯/ 丙烯的质量比为65/35 ， 取黏度值为2330 Pa·s，松弛时间为λ=0.2 s；排气螺杆泵比初设为1.2 ，即第2 计量段槽深取为12mm；第1计量段取长度为170 mm，螺杆转速为45r/min；机头压力设定为P2=10 MP a。 分流环的结构形状如图6 所示，L 为槽宽，H 为槽深。在本文计算中初选分流环的尺寸为L=6 mm，H=2 .5 mm，槽的个数为20 ，厚度为10 mm。 对由以上参数所定义的模型1 进行模拟计算：首先对第2 计量段L 2 进行模拟计算得出流量Q=0.326 106 4×10-4 m3/s；然后再把计算所得的流量Q 作为初始边界条件代入到第1 计量段中，并对第1 计量段L 1 进行模拟计算，可以得出第1 计量段的L 1 压力分布如图7 所示。 图8 为在第1 计量段沿着轴线方向上各个截面的平均压力曲线图。 从图9 和图1 0 中可以看出，第1 计量段各截面的平均压力值随着螺杆转速的提高而增加，且平均压力值都大于机头压力1 0 MPa ，这说明了此时二阶螺杆的流量有不平衡的趋势，而且随着螺杆转速的不断提高，这种趋势会越来越明显，那么就会出现挤出波动的现象。这时就要通过增大分流环的流通截面来减少平均压力，增大第1 计量段的流量Q 1 ，从而保证二阶螺杆的流量平衡。 从图中我们可以看到在0 . 0 9 m 处（也就是螺纹的尾部）的横截面上平均压力最大，最大值为Pm ax=13 .6 MPa。我们可以得出此时二阶螺杆流量不平衡：Q1 < Q2，则会出现挤出波动现象，那么就需要增大分流环的流通面积来提高第1 阶螺杆的流量Q1 ，从而保证二阶螺杆流量平衡。 2.1 螺杆转速变化对第1 计量段压力分布的影响 在各参数与模型1 相同的情况下， 通过改变螺杆转速来模拟计算第1 计量段的压力分布，分别以螺杆转速45、50、55、60 r /min 来分析不同转速对第1 计量段压力分布的影响。首先在不同转速下计算出第2 计量段L 2 的流量Q ，然后把其作为初始条件代入到第1 计量段L 1 中计算压力分布。图9 为不同转速下L 1 段的压力分布，图1 0 为不同转速下L 1段沿轴线方向各截面的平均压力曲线。 2.2 黏度变化对第1 计量段压力分布的影响 在各参数与模型1 相同的情况下， 通过改变物料的黏度来模拟计算第1 计量段的压力分布，分别以黏度值2 330、3 000、4 000和5 000 Pa·s来分析不同的物料黏度对第1 计量段压力分布的影响。首先分别在不同的黏度下计算出第2计量段L 2 的流量Q 2 ，然后把其作为初始条件代入到第1 计量段L 1 中计算压力分布，看有什么影响。图11为不同黏度下L 1 段沿轴线方向各截面的平均压力曲线。 从上图中可以看出， 第1 计量段各截面的平均压力值随着物料黏度的增大而增加，且最大平均压力值都大于机头压力1 0 MPa ，这说明了此时二阶螺杆的流量有不平衡的趋势，而且随着螺杆转速的不断提高，这种趋势会越来越明显，那么就会出现挤出波动的现象。这时就要通过增大分流环的流通截面来减少平均压力，从而增大第1 计量段的流量Q 1 ，来保证二阶螺杆的流量平衡。 3、结束语 排气挤出机设计的关键是要保证二阶螺杆的流量平衡，而第1 计量段和第2 计量段的流通截面积的比值对流量平衡影响比较大。本文在设定第2 计量段流通面积固定不变的前提下，在第1 计量段末端加入可更换的分流环，分析了同一根螺杆在不同转速、不同物料黏度下第1 计量段的压力分布， 从研究结果中可以发现随着这些参数的变化，两阶螺杆的流量不再保持平衡。 那么如何通过改变分流环的结构来实现在不同参数下达到二阶螺杆的流量平衡的问题，我们将在后续研究中继续展开。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/21/2006)