单螺杆挤出机优化设计

单螺杆挤出机优化设计

田普建从单螺杆挤出机的挤出过程及挤出理论出发，分析螺杆结构及其几何参数对螺杆塑化性能的影响，提出衡量螺杆塑化性能优劣的标准，并以此为优化目标，以聚丙烯(PP)/竹粉为例，对螺杆的相关几何参数进行优化。优化结果表明：木塑复合材料专用螺杆较普通塑料用螺杆更利于木塑复合材料熔体的输送，避免了因为木塑复合材料熔体黏度增加而出现一系列问题。对物料塑化计量段压力场影响的因素大小依次为：计量段螺槽深度、螺纹升角、螺棱宽度。若增大螺槽深度，减小螺纹升角，可有效降低计量段所需要的能耗。这是因为螺槽深度越大，螺纹升角越小，熔体前进阻力越小，计量段输送熔体消耗的能量就越少。螺棱宽度增加，计量段输送熔体所消耗的能量有增加的趋势，但增加趋势比较平缓；若过多增加螺棱宽度，则螺棱上的动力消耗也会增加，并且会出现局部过热的危险，螺棱宽度应控制在某一个合适的范围。利用Pro/E分析软件，最终确定了最适宜的挤出机螺杆因素，从而达到提高生产效率的目的。

黄志刚基于正交实验法与Matlab模拟仿真相结合的方法对单螺杆挤出机的固体输送段进行数值模拟，通过对目标进行多方面的优化分析得到最优结果，得出固体输送段的单螺杆几何参数对固体输送速率和固体输送效率的影响，以及最优的螺杆参数组合。优化过程：首先，采用模拟计算与正交试验法相结合，可以快速、高效地对单螺杆挤出机的螺杆进行优化；其次，由于螺槽宽度对固体输送速率和固体输送效率的影响较大，螺距对固体输送速率的影响最大，故利用Matlab软件对单螺杆挤出机的结构进行优化设计，以保证上述两因素对物料在挤出过程中的影响控制在合理范围。结果表明：通过优化设计得到的结果不仅有较高的可靠度，而且还能缩短单螺杆的设计周期，降低研发成本。

梁斌、薛平等对新型螺杆挤出机的螺杆建立了符合实际尺寸与形状的有限元模型，利用ANSYS有限元软件对其进行了应力分析并与传统方法进行比较，证明合理地利用有限元方法进行模拟计算，可对挤出工艺参数和结构设计进行优化调整，获得合理的最佳方案。

梁基照讨论了单螺杆挤出机螺杆加料段的优化设计问题。以单位产量的能耗最小为优化目标，建立简化的挤出机加料段螺杆优化设计的数学模型，应用约束坐标轮换法求解，螺槽宽度、螺槽深度和螺纹升角的最佳值均位于或接近文献中所建议的最佳取值范围。梁基照还讨论了单螺杆挤出机螺杆熔融段的优化设计问题。研究中提到螺槽深度、螺棱顶宽度和螺纹升角直接关系到挤出机的生产能力、塑化质量和能耗，并以这些几何参数为设计变量，以单位产量能耗最小为优化目标，建立了简化的挤出机熔融段螺杆优化设计的数学模型。应用约束复合形法求解。从而得到了螺杆熔融段起、末端的螺槽深度，螺棱顶宽度和螺纹升角的最佳值，使螺杆熔融段得到了优化。

此外，梁基照还讨论了挤出机螺杆计量段的优化设计问题。应用黏性流体动力学基本方程，分析了聚合物物料在螺槽中的流动。以单位产量能耗最小为优化目标，建立简化的挤出机计量段螺杆优化设计的数学模型，应用约束随机方向法求解。结果表明：螺槽深度、螺纹棱顶宽度、螺纹棱顶与机筒间隙和螺纹升角均位于或接近于文献中所建议的最佳取值范围。

高岗采用三维造型软件UG对不同结构的三角槽屏障混炼元件进行三维建模，然后利用有限元分析软件Polyflow对混炼元件流场进行三维非等温数值模拟，并借助流场的压力、速度、温度、剪切速率、混合指数和平均解聚功等参数对其流场特性和混炼效果进行分析表征。最后，借助于线型低密度聚乙烯(LLDPE)/CaCO3共混物实验对数值模拟的结果进行了验证。

通过数值模拟和实验分析，得到如下结论：(1)三角槽形状是影响混炼元件流场混炼效果的主要因素。在所研究的4种三角槽屏障混炼元件中，等腰反向三角槽屏障混炼元件流场的最高压力、剪切棱两侧的最大压差及高剪切区比例均高于其他结构混炼元件，流场的温升更高，剪切棱对物料的破碎和磨蚀作用最强，共混物中CaCO3颗粒的平均粒径最小，材料拉伸力学性能最好；(2)剪切棱宽度和剪切棱径向间隙也对混炼元件流场的混炼效果有重要影响。其中剪切棱宽度为5mm、剪切棱径向间隙为2mm的三角槽屏障混炼元件对物料的剪切作用和分散混合作用最好，共混物中CaCO3颗粒的平均粒径最小，材料拉伸力学性能最好；(3)适当提高螺杆转速可有效减小共混物中CaCO3颗粒的平均粒径，提高混炼元件的总体混炼效果。节能加热圈

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