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SJ单螺杆挤出机组优化设计的理论与方法
点击次数:1387 发布时间:2017-04-25 返回
作为聚合物加工成型主要设备之一的SJ单螺杆挤出机组,在聚合物加工行业得到越来越广泛的应用,而且在其他行业也将得到更多的应用。标志SJ单螺杆挤出机组工作性能的主要技术参数有:螺杆直径、螺杆的长径比、螺杆的转速范围、拖动主螺杆的电动机功率、机械的生产能力、机筒的加热功率和分段数、机器的中心高度和外形尺寸等,这些参数是衡量和选用挤出机的主要依据,也是设计螺杆挤出机首先需确定的技术参数。根据SJ单螺杆挤出机组中的三种物理状态的变化过程,以及对螺杆各部位的工作要求,通常将螺杆挤出机的螺杆分为加料段、熔融段和计量段。由于螺杆的几何结构非常复杂,所以难以建立一个能全面反映螺杆挤出机优化设计的数学模型。即便能建立起理想的螺杆挤出机优化设计的数学模型,由于影响因素复杂,设计变量多,其求解也非常困难,所以按螺杆的功能段建模并进行优化设计,较为符合实际要求。
目前,常用的螺杆挤出机优化设计方法有:解析法、图解法和计算机模拟仿真法。根据挤出过程的现象建立物理模型,根据物理模型建立数学模型,采用Pro/E、ANSYS、Polyflow、Matlab等软件编写优化设计程序,将程序输入计算机并通过改变优化目标的取值进行优化计算,通过对计算机输出的优化结果进行分析和验证,得出挤出机优化设计的参数。
对于解析式的数学模型,除了取决于预定的优化目标以外,还在相当程度上依赖于对部件的工作情况及理论的认识。一个设计方案可用一组基本参数的数值来表示。其中,需要优选的独立参数称之为设计变量。由于挤出机螺杆直径、长径比、螺纹升角和螺杆槽深等参数直接关系到螺杆的承载能力、生产能力、动力消耗、挤出物质量,以及螺杆的机加工性等,故通常选择为设计变量。螺杆挤出机优化设计的特点是:设计变量多;多目标与单目标优化设计并存;数学模型的多维性和非线性;设计变量中多种量纲并存。
SJ单螺杆挤出机组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zui高压力、剪切棱两侧的zui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zui强,共混物中CaCO3颗粒的平均粒径zui小,材料拉伸力学性能zui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zui好,共混物中CaCO3颗粒的平均粒径zui小,材料拉伸力学性能zui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。