混合型销钉机筒冷喂料挤出机理及实验研究

摘要

复合挤出在橡胶行业内越来越广泛的应用以及高性能轮胎越来越高的行业标准对挤出成型制品质量、产量、性能稳定性等都提出了更高的要求，橡胶挤出作为高分子材料塑化混合的关键环节，其设备尤其是螺杆挤出机的技术改进与突破开始受到研究、设计制造、生产等各个领域的广泛关注。传统意义上的普通销钉机筒挤出机虽然在目前行业被广泛使用，但在胶温、产量、塑化成型质量等方面都存在诸多限制，现已越来越难以满足高产量下对混炼、塑化程度要求较高的挤出制品的设备要求。近几年来，国外开始探索新的挤出塑化方式与结构，其中切向销钉机筒冷喂料的挤出方式为新型挤出机的发展提出了新的方向。在研究销钉机筒冷喂料挤出机混合塑化机理的基础上，本文针对现有挤出成型设备技术的不足及限制，设计研发了一种混合销钉结构的新型销钉机筒冷喂料挤出机，并通过对比挤出成型实验研究混合销钉模式对橡胶类高分子材料挤出过程的挤出温度、机头压力、功率消耗、挤出产量、分流模式和胶团混合流场等的影响。
　　混合型销钉机筒冷喂料挤出机可以增强胶料混合塑化的效果并实现低温挤出，降低了流场内部局部焦烧的概率，对螺杆转速限制较小，可大幅度提高生产能力，实现橡胶类高分子材料的低温、高速、高质挤出。由于该挤出机的销钉与胶料直接接触的有效面积比传统的径向销钉机筒挤出机更大，对胶料的正向剪切更有效，而且剪切力更为分散，同时由于销钉中设计了冷却通道，可以更好地将胶料挤出过程中在销钉局部流场产生的剪切热量带出机筒，同时在一定程度上改善了因胶料升温对挤出机螺杆转速的限制问题，因此这种挤出机比传统的径向销钉机筒挤出机具有更高的生产能力、更好的均化塑化效果和更低的出胶温度。
　　本文所做的主要研究工作和所取得的成果如下:
　　(1)研究混合销钉机筒冷喂料挤出机在挤出成型过程中胶料分散机理及塑化过程，研究高分子聚合物材料在挤出过程中的物理、化学变化以及各种影响因素之间的相互作用关系，建立相关数学模型。
　　(2)通过对混合销钉流场的理论研究与分析，设计研发了Φ65×12D混合型销钉机筒冷喂料挤出机，并重点对新型销钉、机筒、机头、螺杆和喂料装置等进行优化设计。
　　(3)利用有限元分析技术、Polyflow软件等对挤出流场胶料的流动状态、分流模式、流域温度等实行动态模拟并对销钉、机筒、螺杆组成的横向流域以及单个销钉局部流域进行压力场和温度场模拟，并借此对销钉结构、数量、排布状态进行初步理论分析与优化设计。
　　(4)进行对比挤出成型实验，针对普通径向销钉与混合销钉挤出机分别进行不同胶料下的对比挤出成型实验，建立对比实验模型，并对混合销钉挤出机的挤出产量、出胶温度、挤出压力、单位能耗、混合质量等做数据对比与讨论分析。
　　(5)对比分析了普通径向销钉与混合销钉挤出机的优劣差异，总结设计、实验、分析过程，结合本文实验，针对挤出机在塑化流场的发展方向和其他方面提出了相应的想法与见解。

目录

摘要

符号说明

1 绪论

1．1 概述

1．2 挤出机国内外发展背景

1．3 冷喂料挤出机简介及研究进展

1．3．1 螺杆

1．3．2 机筒

1．3．3 机头

1．3．4 喂料装置

1．4 本文研究的目的和意义、主要内容及拟解决的问题

1．4．1 研究目的和意义

1．4．2 本文研究的主要内容

1．4．3 本文主要拟解决的问题

1．4．4 课题来源

2 混合流场理论分析及混合销钉挤出机的设计

2．1 混合销钉挤出系统理论分析

2．1．1 径向销钉流场理论分析

2．1．2 混合销钉流场理论分析

2．2 混合销钉机筒冷喂料挤出机工作原理

2．3 螺杆设计

2．3．1 主要工艺参数的确定

2．3．2 螺杆功率消耗及电机的选择

2．3．3 螺杆的强度校核

2．4 机筒设计

2．5 销钉设计

2．5．1 径向销钉设计

2．5．2 切向销钉设计

2．6 挤出机头设计

2．7 喂料段设计

2．8 混合销钉机筒冷喂料挤出机总装

2．9 本章小结

3 混合销钉机筒挤出系统流场有限元模拟

3．1 有限元技术简介

3．1．1 有限元技术的发展

3．1．2 有限元技术的应用

3．2 POLYFLOW简介

3．2．1 POLYFLOW的特点

3．2．2 POLYFLOW模拟步骤

3．3 挤出成型过程的有限元模拟

3．3．1 物理模型夏有限元模型的建立

3．3．2 数学模型的建立

3．3．3 边界条件的设定

3．4 混合销钉机筒挤出系统力学分析及模拟优化

3．4．1 径向销钉力学模拟分析

3．4．2 切向销钉力学模拟分析

3．4．3 机筒力学模拟分析

3．4．4 混合流场模拟及对比分析

3．5 本章小结

4 混合销钉机筒冷喂料挤出机实验研究

4．1 实验平台

4．1．1 挤出成型实验平台

4．1．2 硫化实验平台

4．1．3 其它设备和仪器

4．2 实验方案

4．2．1 实验的目的

4．2．2 实验的方案

4．3 实验配方及测试内容

4．3．1 原材料及配方

4．3．2 挤出参数及性能测试内容

4．4 本章小结

5 混合销钉对比挤出实验结果与分析

5．1 挤出过程数据与分析

5．1．1 出胶温度分析

5．1．2 机头压力对比

5．1．3 挤出产量对比及设备自洁性差异

5．1．4 功率消耗对比

5．2 挤出制品质量检测与分析

5．2．1 挤出制品外观对比

5．2．2 炭黑分散度分析

5．2．3 撕裂强度对比

5．2．4 断裂位移分析

5．2．5 销钉排布对橡胶门尼粘度的影响

5．3 本章小结

6 全文总结与研究展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的成果目录

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