單螺桿擠出機優化設計

單螺桿擠出機優化設計

田普建從單螺桿擠出機的擠出過程及擠出理論出發，分析螺桿結構及其幾何參數對螺桿塑化性能的影響，提出衡量螺桿塑化性能優劣的標準，并以此為優化目標，以聚丙烯(PP)/竹粉為例，對螺桿的相關幾何參數進行優化。優化結果表明：木塑復合材料專用螺桿較普通塑料用螺桿更利于木塑復合材料熔體的輸送，避免了因為木塑復合材料熔體黏度增加而出現一系列問題。對物料塑化計量段壓力場影響的因素大小依次為：計量段螺槽深度、螺紋升角、螺棱寬度。若增大螺槽深度，減小螺紋升角，可有效降低計量段所需要的能耗。這是因為螺槽深度越大，螺紋升角越小，熔體前進阻力越小，計量段輸送熔體消耗的能量就越少。螺棱寬度增加，計量段輸送熔體所消耗的能量有增加的趨勢，但增加趨勢比較平緩；若過多增加螺棱寬度，則螺棱上的動力消耗也會增加，并且會出現局部過熱的危險，螺棱寬度應控制在某一個合適的范圍。利用Pro/E分析軟件，最終確定了最適宜的擠出機螺桿因素，從而達到提高生產效率的目的。

黃志剛基于正交實驗法與Matlab模擬仿真相結合的方法對單螺桿擠出機的固體輸送段進行數值模擬，通過對目標進行多方面的優化分析得到最優結果，得出固體輸送段的單螺桿幾何參數對固體輸送速率和固體輸送效率的影響，以及最優的螺桿參數組合。優化過程：首先，采用模擬計算與正交試驗法相結合，可以快速、高效地對單螺桿擠出機的螺桿進行優化；其次，由于螺槽寬度對固體輸送速率和固體輸送效率的影響較大，螺距對固體輸送速率的影響最大，故利用Matlab軟件對單螺桿擠出機的結構進行優化設計，以保證上述兩因素對物料在擠出過程中的影響控制在合理范圍。結果表明：通過優化設計得到的結果不僅有較高的可靠度，而且還能縮短單螺桿的設計周期，降低研發成本。

梁斌、薛平等對新型螺桿擠出機的螺桿建立了符合實際尺寸與形狀的有限元模型，利用ANSYS有限元軟件對其進行了應力分析并與傳統方法進行比較，證明合理地利用有限元方法進行模擬計算，可對擠出工藝參數和結構設計進行優化調整，獲得合理的最佳方案。

梁基照討論了單螺桿擠出機螺桿加料段的優化設計問題。以單位產量的能耗最小為優化目標，建立簡化的擠出機加料段螺桿優化設計的數學模型，應用約束坐標輪換法求解，螺槽寬度、螺槽深度和螺紋升角的最佳值均位于或接近文獻中所建議的最佳取值范圍。梁基照還討論了單螺桿擠出機螺桿熔融段的優化設計問題。研究中提到螺槽深度、螺棱頂寬度和螺紋升角直接關系到擠出機的生產能力、塑化質量和能耗，并以這些幾何參數為設計變量，以單位產量能耗最小為優化目標，建立了簡化的擠出機熔融段螺桿優化設計的數學模型。應用約束復合形法求解。從而得到了螺桿熔融段起、末端的螺槽深度，螺棱頂寬度和螺紋升角的最佳值，使螺桿熔融段得到了優化。

此外，梁基照還討論了擠出機螺桿計量段的優化設計問題。應用黏性流體動力學基本方程，分析了聚合物物料在螺槽中的流動。以單位產量能耗最小為優化目標，建立簡化的擠出機計量段螺桿優化設計的數學模型，應用約束隨機方向法求解。結果表明：螺槽深度、螺紋棱頂寬度、螺紋棱頂與機筒間隙和螺紋升角均位于或接近于文獻中所建議的最佳取值范圍。

高崗采用三維造型軟件UG對不同結構的三角槽屏障混煉元件進行三維建模，然后利用有限元分析軟件Polyflow對混煉元件流場進行三維非等溫數值模擬，并借助流場的壓力、速度、溫度、剪切速率、混合指數和平均解聚功等參數對其流場特性和混煉效果進行分析表征。最后，借助于線型低密度聚乙烯(LLDPE)/CaCO3共混物實驗對數值模擬的結果進行了驗證。

通過數值模擬和實驗分析，得到如下結論：(1)三角槽形狀是影響混煉元件流場混煉效果的主要因素。在所研究的4種三角槽屏障混煉元件中，等腰反向三角槽屏障混煉元件流場的最高壓力、剪切棱兩側的最大壓差及高剪切區比例均高于其他結構混煉元件，流場的溫升更高，剪切棱對物料的破碎和磨蝕作用最強，共混物中CaCO3顆粒的平均粒徑最小，材料拉伸力學性能最好；(2)剪切棱寬度和剪切棱徑向間隙也對混煉元件流場的混煉效果有重要影響。其中剪切棱寬度為5mm、剪切棱徑向間隙為2mm的三角槽屏障混煉元件對物料的剪切作用和分散混合作用最好，共混物中CaCO3顆粒的平均粒徑最小，材料拉伸力學性能最好；(3)適當提高螺桿轉速可有效減小共混物中CaCO3顆粒的平均粒徑，提高混煉元件的總體混煉效果。節能加熱圈

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