螺杆设计组合计算

8--NI-MPE
停留时间分布
SE20
KB60
KB90
KB120
S
TME
FTX
NI-MPE
累积停留时间分布
回流量
螺杆 构型 回流 量 螺杆 构型 1 0.03 2 5 2 0.62 8 6 3 0.12 1 7 4 1.68 3 8
回流 量
0.52 3
0.25 2
0.06 4
0.33 8
1--SE20Βιβλιοθήκη Baidu5—S
设计螺杆元件时：
1、输送能力； 2、混合性能； 3、停留时间及停留时间分布； 4、几何参数的优化优选。
设计螺杆元件时：
根据双螺杆几何学和加工体系所需的混合 能力、输送能力进行设计。
啮合同向双螺杆元件的设计
输送元件
包括正向螺纹元件和反向螺纹元件，设计 时需考虑螺纹头数、螺旋方向、导程、元件 的轴向长度。
双螺杆元件设计、组合和评价
主讲 马秀清
双螺杆挤出机的分类：
非啮合与啮合型双螺杆挤出机：非啮合双螺杆挤出机(non-intermeshing
twin-screw extruder)的两根螺杆轴线分开的距离等于或大于两根螺杆外 半径之和；啮合型双螺杆挤出机的两根螺杆轴线间的距离小于两根螺杆 外半径之和。根据啮合程度的不同，啮合型又分为全啮合型和部分啮合 型。所谓全啮合型是指在一根螺杆的螺棱顶部与另一根螺杆的螺槽根部 之间不留任何间隙，而部分啮合型是指一根螺杆的螺棱顶部与另一根螺 杆的螺槽根部之间在几何上留有间隙。
啮合异向双螺杆挤出机的输送机理：啮合异向双螺杆挤出机可通过设计使这
种双螺杆实现不同程度的正位移输送。螺槽纵横向封闭越好，正位移输送特 性越强。只有全啮合、螺槽纵横向完全封闭，才能实现完全的正位移输送。
啮合同向双螺杆挤出机的输送机理：啮合同向双螺杆挤出机可以设计成螺
槽全啮合横向封闭的，但纵向不能封闭，否则螺杆会啮合不上，会发生 干涉。也就是必须将螺槽宽度设计得大于螺棱宽度，在纵向留下一定的 通道。通道的大小由使用目的而定。纵向开放得越大，正位移输送能力 丧失得越多，而摩擦拖曳和粘性拖曳的作用越大。因此啮合同向双螺杆 挤出机的输送机理介于单螺杆挤出机和纵横向皆封闭的啮合异向双螺杆 挤出机之间：有正位移输送，也有摩擦、粘性拖曳输送。
双螺杆螺槽的纵横 向开放与封闭
同向和异向旋转双螺杆挤出机：
同向旋转：同向旋转双螺杆挤出机的两根螺杆的旋转方向相同，从螺杆外形看，同
向旋转的两根螺杆完全相同，螺纹方向一致。
异向旋转：异向旋转双螺杆挤出机两根螺杆旋转方向相反。有向内旋转和向外旋转两
种。向内旋转时，物料自加料口加入后，在两根螺杆的推动下，物料会首先进入啮合 区的两根螺杆的径向间隙之间，并在上方形成料堆，从而减少了可以利用的螺槽自由 空间，影响接受来自加料器物料的能力，不利于将螺槽尽快充满和使物料向前输送， 加料性能不好，还易形成架桥。同时进入两螺杆径向间隙的物料有一种将两螺杆分开 的力，把螺杆压向机筒内壁，从而加快了螺杆和机筒的磨损。向外旋转则可避免以上 缺点，物料在两根螺杆的带动下，很快向两边分开，充满螺槽，且很快与热机筒接触， 吸收热量，有助于将物料加热、熔融。从外形看，异向旋转的两根螺杆螺纹方向相反。
ANSYS模拟结果
几何模型
有限元模型
压力场
压力分布
速度场
轴向速度分布
粘度场
粘度分布
剪切速率分布
剪切应力分布
流量
回流量
POLYFLOW模拟结果
有限元模型
SE20
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S
TME
FTX
NI-MPE
机筒
计算结果及分析
剪切应力场
SE20
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S
TME
程度以及螺杆的旋转方向有关。
正位移输送：所谓正位移输送就是移动的外部表面置换了系统中的部分液
体。如注射机中的柱塞-机筒结构和齿轮泵。从理论上说，正位移输送与被 输送介质的流变特性无关，即介质的摩擦性质和粘性对输送特性没有影响。
非啮合双螺杆挤出机的输送机理：非啮合双螺杆挤出机因两根螺杆不能形成
封闭的或半封闭的腔室，无正位移输送条件，故其物料不是靠正位移输送。 其输送机理类似于单螺杆挤出机，物料对金属的摩擦系数和粘性力是控制挤 出机输送量的主要因素，摩擦是主要的推动力。
1--SE20 2--KB60 3--KB90
5--S 6--TME 7--FTX
4--KB120 8--NI-MPE 各螺杆元件置于熔体输送段时分散相的 平均粒径与加权平均剪切应力
FTX
NI-MPE
加权平均剪切应力
螺杆 构型 1 2 3 4
( Pa) 3367 3482 3389 3706
2
螺杆 5 构型 ( Pa)
0
6
4
7
2
8
2936 3226 2968 2809 2 5 0 3
1--SE20 2--KB60 3--KB90 4--KB120 5—S 6—TME
7--FTX
啮合异向双螺杆元件的设计
输送元件：
压缩元件：
啮合异向双螺杆的组合设计
啮合异向双螺杆元件的设计
混合元件：
计算软件：
ANSYS POLYFLOW
POLYFLOW简介
POLYFLOW是Fluent公司开发的一个专门用来模 拟粘性和粘弹性流体流动的有限元 CFD 程序。可 以被用于模拟聚合物加工过程、食品流变学、玻 璃熔炉流变、以及其他的流变应用。所模拟的流 体可以是等温或非等温、二维或三维、稳定流或 与时间相关流。 POLYFLOW的计算模拟主要是基于非牛顿流体的 非线性广义流动的理论。因此它不仅适合于模拟 挤出成型、注射成型、吹模成型等常见的聚合物 加工技术，而且还适合于模拟多流场、聚合物共 挤、三维挤出、反应挤出以及自由表面的数值计 算等。
POLYFLOW基本结构
POLYFLOW
中心处理器
计算流场
POLYDATA
GAMBIT POLYMAT
前处理
前处理 前处理
定义参数
建立几何模型和 有限元模型 定义材料参数
POLYSTAT
FLUENT/Post FIELDVIEW
统计学后处理 混合任务后处理
结果后处理 查看计算结果
双螺杆挤出过程的数值模拟
2--KB60 6—TME
3--KB90 7--FTX
4--KB120 8--NI-MPE
模拟研究 —— 应变分布（SFD）
螺杆组合
螺杆构型
(1)SE 20
(2)KB30
(3)KB60
(4)KB90
(5)KB120
(6)KB150
(7)S
(8)TME
(9)TME
(10)FTX
(11)NI-MPE
共混物的相态结构
螺杆元件置于熔 体输送段时在线 取样处共混物试 样的扫描电镜照 片
螺杆元件置于熔 体输送段时机头 末端共混物试样 的扫描电镜照片
N D D N
i n i
i
Dw
N i Di
2
N i Di
4 N D i i Dv 3 N i Di
Dw PDI Dn
P xx yx zx ( ) 0 x x y z P xy yy zy ( ) 0 y x y z P xz yz zz 0 ( ) z x y z
) (
2 2 ( n1) / 2 ) 0 (1 c
螺杆构型
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TME
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NI-MPE
有限元模型
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FTX
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机筒
边界条件
入口：流量或压力边界；
出口：压力边界； 螺杆外表面：旋转边界； 机筒内表面：固定边界。
另一根螺杆，即沿着螺槽有流动，则叫纵向开放；反之，就叫纵向封闭。纵 向封闭意味着两根螺杆上各自形成若干个相互不通的腔室，一根螺杆的螺槽 完全被另一根螺杆的螺棱所堵死。
横向开放或封闭：在两根螺杆的啮合区，若横过螺棱物料有通道，即物料可以
从同一根螺杆的一个螺槽流向相邻的另一个螺槽，或一根螺杆的一个螺槽中的 物料可流到另一根螺杆的相邻两个螺槽中，叫横向开放，否则叫横向封闭。
基本假设
熔体为不可压缩的流体 流场为稳定、等温流场 雷诺数较小，流动为层流流动 惯性力、重力等体积力远小于粘滞力，可 忽略不计 熔体在流道中全充满 壁面无滑移 流体为非牛顿流体，其本构方程为BirdCarreau模型或其它非牛顿模型
数学模型
v x v y v z 0 x y z
啮合同向双螺杆元件的设计
剪切元件
主要指捏合盘元件，一般成对、成串使用。 设计时应考虑头数、厚度等。在应用时考虑错列 角的大小和方向、捏合盘的个数、捏合块的轴向 长度等。
捏合盘错列角对混合的影响
捏合盘厚度对混合的影响
啮合同向双螺杆元件的设计
混合元件
啮合同向双螺杆元件的设计
混合元件
啮合同向双螺杆元件的组合设计
开放与封闭型双螺杆挤出机： 开放与封闭是指啮合区螺槽的情况，即指在
两根螺杆啮合区的螺槽中，物料是否有沿着螺槽或通过螺槽的可能通道 (该通道不包括螺棱顶部和机筒壁之间的间隙或在两螺杆螺棱之间由于加 工误差所带来的间隙)。由此可分为纵向开放或封闭、横向开放或封闭。
纵向开放或封闭：如果物料自加料口到出口有通道，物料可由一根螺杆流到
平行和锥形双螺杆挤出机：按两螺杆轴线的平行与否可将双螺杆分为平行
双螺杆或锥形双螺杆挤出机。锥形双螺杆，其螺纹分布在锥面上，两螺 杆轴线成一交角，一般为异向旋转。
双螺杆挤出机的输送机理
输送机理： 对于挤出机来说，是指物料本质上靠什么原理和以何种方式由
加料段向末端输送。
双螺杆挤出机的输送机理较为复杂，与其啮合与否、纵横向开放与否和开放
加料段：大导程、正向输送元件
压缩段：分段改变导程或渐变改变导程
啮合同向双螺杆元件的组合设计
熔融塑化段：可设置捏合盘、反向螺纹元件、反向 大导程元件。
啮合同向双螺杆元件的组合设计
排气段：
混合段：
啮合同向双螺杆元件的组合设计
整根螺杆组合时需根据具体配方、物料特性、混合 要求、操作条件来进行：
1. 混合作业的目的、加入到挤出机进行混合时物料各组分的 形态、性能和配比。 2. 对各种螺杆元件的结构、工作原理和性能、应用场合全面 了解。 3. 对混合工艺中的加料方式、加料顺序等弄清楚。 4. 看混合工艺要求的主要混合形式，即是分布性混合还是分 散性混合。
锥型双螺杆挤出机的输送机理：锥型双螺杆挤出机的输送机理与啮合异向双
螺杆挤出机的输送机理相同，如果螺槽纵横向皆封闭，其输送为正位移输送； 如果螺槽纵横向有一定开放，则会丧失一部分正位移输送能力，但会加大混 合作用。
双螺杆挤出机的用途
非啮合双螺杆挤出机主要应用于反应挤出、熔剂法或乳液法制取聚合物、
着色、玻璃纤维增强以及热熔体粘接剂的准备工序，广泛应用于熔剂含 量高达50％，每小时需干燥4500-6750kg物料的情况下。 啮合同向双螺杆挤出机广泛应用于聚合物的物理改性－共混、填充和增强， 也可用于成形制品和反应挤出。 啮合异向双螺杆挤出机和锥型双螺杆挤出机广泛应用于挤出成型和配料造 粒等方面，主要用于聚氯乙烯粉料的加工。