双螺杆捏合机螺杆元件性能分析与实验研究

摘要

双螺杆捏合机作为一种聚合物加工设备，具有良好的输送、混合、塑化、剪切作用，广泛应用于橡胶工业、医药食品等领域。其核心部件为两根螺杆转子，并且螺杆转子的剪切拉伸以及混合能力直接受到螺杆端面型线设计的影响。针对螺杆转子端面型线设计和螺杆元件的性能展开研究对于新型螺杆元件的研制以及螺杆转子性能的提高具有重要的作用。
　　本文从转子端面型线的形成机理入手，选取三组端面型线作为研究对象，对与之相应的三组螺杆转子进行流场分析和混合性能对比研究，并探讨了设计参数和工艺参数对双螺杆捏合机混合性能的影响，最后通过搭建出的新型双螺杆捏合机进行混合过程的可视化研究，研究结果为转子端面型线的设计、性能良好的螺杆构型和合适的螺杆参数的选取以及混合过程的可视化研究提供了依据和指导作用，具体研究工作如下:
　　(1)在阐述了本文研究背景和意义的基础上，认真分析了国内外双螺杆捏合机及螺杆元件的发展现状，着重介绍了双螺杆捏合机的性能和型线研究进展;
　　(2)在重点介绍了螺杆转子端面型线的两种形成方法，即相对运动法和啮合原理法的基础上，探讨了基于泛函思想的转子端面型线设计思路，寻求转子端面型线设计的新方法，给出了常规螺杆转子与差速型螺杆转子端面型线给定段曲线的统一表达形式，并确立了本文的主要研究对象;
　　(3)针对三组螺杆转子进行流场模拟和混合性能分析，给出了瞬态模拟过程的理论控制方程以及分析过程中具体应用的评估参数和统计学参数，通过提取流道内给定的线与面上速度、压力等参数进行流场分析，并根据统计学知识结合粒子示踪法运用停留时间、分离尺度、平均瞬时混合效率、最大剪切/拉伸速率等参数对不同构型的螺杆转子进行混合性能对比研究;
　　(4)顶角作为螺杆转子端面型线设计过程中重要的参数直接决定着螺棱和螺槽尺寸的大小，选取五组顶角参数研究了螺杆转子端面型线的演化过程以及顶角对混合性能的影响，并通过实验进行验证;顶隙作为双螺杆捏合机的重要工艺参数，影响着物料粒子的混合和经受高剪切高拉伸作用粒子的数量，选取四组顶隙值探讨了双螺杆捏合机的混合性能受顶隙的影响。
　　(5)通过搭建新型双螺杆捏合机实验平台，并结合有限的实验条件对该新型双螺杆捏合机进行混合过程的可视化研究，为双螺杆捏合机混合过程研究提供了指导作用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外双螺杆捏合机发展概况

1．3 国内外双螺杆捏合机研究现状

1．3．1 双螺杆捏合机性能研究

1．3．2 双螺杆捏合机转子型线研究

1．4 课题研究目的和主要内容

2 转子端面型线设计

2．1 前言

2．2 端面型线设计

2．2．1 异向旋转双螺杆转向的确定

2．2．2 标架的建立及坐标变换

2．2．3 基于相对运动法的端面型线设计

2．2．4 基于齿轮啮合理论的端面型线设计

2．2．5 基于泛函思想的转子端面型线设计探讨

2．2．6 差速端面型线演化生成

2．3 本章小结

3 啮合异向型螺杆组流场模拟和混合性能分析

3．1 前言

3．2 数值计算方法

3．3 模型建立和边界条件设定

3．3．1 数学模型的建立和边界条件的设定

3．3．2 物理模型和有限元模型的建立

3．4 瞬态模拟理论方程及混合分析应用参数

3．4．1 瞬态模拟理论方程

3．4．2 分析过程应用参数

3．5 常规异向啮合型螺杆组数值模拟结果与分析

3．5．1 流场分析结果

3．5．2 分布混合性能评估

3．5．3 分散混合性能评估

3．6 差速异向啮合型螺杆组(阳螺杆头数为1)数值模拟结果与分析

3．6．1 流场分析结果

3．6．2 分布混合性能评估

3．6．3 分散混合性能评估

3．7 差速异向啮合型螺杆组(阳螺杆头数为2)数值模拟结果与分析

3．7．1 分布混合性能评估

3．7．2 分散混合性能评估

3．8 三组螺杆转子性能对比

3．9 本章小结

4 螺杆转子参数研究

4．1 前言

4．2 螺杆顶角对混合性能的影响

4．2．1 转子型线方程及演化过程

4．2．2 螺杆转子几何模型及有限元模型

4．2．3 结果分析

4．3 螺杆顶隙对混合性能的影响

4．3．1 结果分析

4．4 本章小结

5 新型双螺杆捏合机实验研究

5．1 前言

5．2 实验设备

5．3 实验过程

5．4 实验结果及分析

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢