毕业论文（设计）啮合同向双螺杆挤出机挤压系统可视化设计研究.pdf

摘要近年来，日益发展的高分子材料科学和不断更新的新型聚合物 加工方法，迫使企业必需以较短的研发周期和较低的研发成本进行 挤出机的研制。本文在对啮合同向双螺杆挤出机及其挤压系统的特点进行详细 研究的基础上，通过对国内某著名双螺杆挤出机生产企业进行的深 入调研，提出了基于二次开发技术及数值模拟计算方法对啮合同向 双螺杆挤出机挤压系统进行可视化设计的观点。在啮合同向双螺杆 几何学的基础上建立了挤压系统零件的三维参数化模型；其次，研 究了参数化设计的原理和数字化装配的关键技术，得到一种挤压系 统装配体及其装配序列自动生成方法。利用Visual CH6.0和 Pro/Engineer应用程序接口 Pro/Toolkit,开发了啮合同向双螺杆挤出 机挤压系统可视化设计系统的原型，实现了挤压系统零件的参数化 设计、挤压系统装配体及装配序列的自动生成、装配干涉检查和机 构运动仿真。根据自动生成的挤压系统装配体，建立熔体输送段的 流道模型，利用有限体积法对其进行了数值模拟计算，分析了流体 压力分布和速度分布情况。数值模拟计算所得挤出产量，与实验比 较结果相差不大。研究所得的数值模拟计算方法可用于挤压系统设 计。研究开发的可视化设计软件，将行业标准和企业经验融入CAD 系统，充分利用企业现有设计知识，规范设计方法，可大大提高设 计效率；在此基础上，可以利用流场数值分析在一定程度上替代物 料的挤出实验，从而降低设计成本、缩短研发周期。本文的研究为 挤压系统的优质高效研发提供了一种方法。关键词：啮合同向双螺杆挤出机，挤压系统，自动装配，参数化设计,数值模拟，装配序列ABSTRACTRecently,with the growing polymer material science and updated polymer processing methods,the enterprises are forced to shorten development cycle and reduce research costs.On the basis of studying the intermeshing co-rotating twin-screw extruder and its extrusion system,through investigating in a domestic famous enterprise for twin screw extruder,the idea,which is to carry on visualization design about intermeshing co-rotating twin screw extruder based on development technology and numerical simulation method,is put forward.Firstly,based on the intermeshing co-rotating twin-screw geometry,the three-dimensional parametric models of the parts belong to the extrusion system are established.Secondly,on the basis of studying the principles of parametric design and key technologies of the digital assembly design,the methods for automatic assembling and the assembly sequences planning for extrusion system are obtained.Finally,by Visual C+6.0 and Pro/Toolkit,the prototype system of visualization design is established,which makes the parametric design of the extrusion system parts,the automatic assembling and the assembly sequence planning,the interference inspection and the movement simulation of extrusion systems come true.After the automatic assembly of extrusion system,the three-dimensional model of its melting-transmission channel is established,then the numerical simulation calculation is carried out by Finite Volume Method(FVM),and the fluid pressure profile and velocity profile are analyzed.The outflow of numerical simulation is accord well with the one of experiment,which proves that numerical simulation calculation can be used for extruder design.The design efficiency can be enhanced by the visualization design software which combines with the industry standards and business experience into the CAD system.Accordingly,to a certain extent,the flow field analysis by numerical simulation can be instead of the extrusion experiment,which can shorten the development cycle and reduce design costs.A highly efficient method for new extrusion systemproducts design is provided.KEY WORDS intermeshing co-rotating twin-screw extruder,extrusion system,automatic assembly,parametric design,numerical simulationin硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1 课题的研究背景及意义塑料已经成为当今世界四大材料（金属、木材、硅酸盐、塑料）之一，随着 塑料制品的应用和产量迅猛增长，塑料机械的需求量也越来越大。近几年来，国内塑料机械年均增长率30%左右，是增长最快的行业之一山。挤出机是塑料 机械的主要品种之一，占塑料机械总产值的31%,用挤出机加工的塑料制品占 其总量的1/3左右，挤出成型已经成为高分子材料最主要的加工方法。挤出机分为螺杆类挤出机和非螺杆类（如柱塞式）挤出机。而螺杆类挤 出机又分为单螺杆挤出机、双螺杆挤出机和多螺杆挤出机。实际应用中，以单 螺杆挤出机和双螺杆挤出机居多。就使用范围而言，双螺杆挤出机应用更为广 泛，适用性更强。双螺杆挤出机喂料特性好，比单螺杆挤出机有更好的混炼、排气、反应和自洁功能，特别是加工热稳定性差的塑料和共混料时更显示出其 优越性。西欧在1970年代末，双螺杆挤出机已占全部挤出机总数的40%,硬聚氯乙 烯及管材、异型材、板材儿乎全部用双螺杆挤出机来加工成型，近年来这个比 例又有提高。双螺杆挤出机在我国虽然应用、制造较晚，但1980年代末以来引 进了大量的国外双螺杆挤出机组，并有企业引进了国外的制造技术或自己进行 研制，目前已经形成了较强的生产能力。图1-1所示为国内某著名双螺杆挤出 机生产厂家自行研制的同向双阶双螺杆挤出机，图12所示为该企业对自行研 制的某型号双螺杆挤出机进行的发泡材料反应挤出实验。图1-1同向双阶双螺杆挤出机困1-2发泡材料的反应挤出实脸硕士学位论文第一章绪论尽管近年来国内双螺杆挤出机的设计和制造取得了一定的成绩，但随着高 分子材料科学的发展和新型聚合物加工方法的更新，迅速增长的聚合物加工业 急需以较短的研发周期和较低的研发成本不断研制出新型的济出机。而据作者 对国内某著名双螺杆挤出机生产厂家进行的调研表明：目前国内挤出机生产厂 家，已具一定的生产规模和生产能力，产品种类比较齐全且已形成系列化，甚 至有很多产品已经销往国外，但同时也存在着一些问题急需解决，如挤出机设 计方法有待改进、设计效率有待提高。据作者调研，目前国内企业的挤出机设计，仍然沿用传统的经验设计方法;计算机辅助设计(CAD)应用停留在二维图样绘制；因没有采用工程分析手段，在物理样机试验之前，不能及时发现设计缺陷和失误，故需经过多次实物挤出 实验并反复修改设计；普遍存在开发周期长、投入大等问题。受企业委托，项目的研究旨在应用现代设计技术，针对上述问题开发满足 企业生产实际需要的挤出机设计方法，以提高挤出机设计效率。可视化(Visualization)是现代设计技术的发展方向之一，可视化技术来自科 学计算可视化(VISC：Visualization in Scientific Computing),是关于数据场的描 述、操作、造型、绘制及处理的技术以叫其目的是将科学计算或实测产生的数 据转变为直观的，易于为研究人员理解且可进行交互分析的、以图形或图像形 式表示的静态或动态显示画面，加快数据的处理速度。可视化技术涉及到计算 机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领 域。可视化技术已在工程实践中获得了一些应用，如流体力学、气象学、有限 元后处理等方面。目前，基于可视化技术已经开发了很多可视化设计和可视化分析软件，因 此，现代机械产品的可视化设计可以在现有可视化设计软件如Pro/E及可视化 分析软件如Ansys、FLUENT 进行可视化建模、可视化装配及可视化分析。即利用计算机进行三维建模，把机械零部件的结构全部用三维实体描述出来，并把各种技术要求、设计说明、材料公差等非几何信息以及各结构之间的相对 位置表示清楚；在此基础上进行虚拟装配，检查零部件之间是否发生干涉或存 在间隙，在产品的开发设计阶段就对其生命周期全过程中的各种因素考虑周全，排除某些设计的不合理性，最终形成数字样机或虚拟样机；然后可对数字样机 进行结构可靠性分析计算、工装设计、工艺设计或可制造性分析等。可视化技术有助于整个工程过程一体化和流线化，并能使工程的领导和技 术人员看到和了解过程中参数变化对整体的动态影响，从而达到缩短研制周期、节省工程全寿命费用的目的。据研究，啮合同向双螺杆挤出机优于其它类型双螺杆挤出机；由于功能、2硕I:学位论文第一章绪论结构类似，在设计方法上，啮合同向双螺杆挤出机的设计具有代表性；并且，该企业的主要产品就是啮合同向双螺杆挤出机。挤压系统是双螺杆挤出机的核 心部分，因此本文以啮合同向双螺杆挤出机挤压系统的可视化设计方法为研究 对象。作者认为，开发啮合同向双螺杆挤出机挤压系统可视化设计软件可以提高 企业设计技术水平，将行业标准和企业经验融入CAD系统；利用三维参数化设 计和自动装配技术可以针对产品特点充分利用企业现有设计知识、规范设计方 法，大大提高设计效率；在此基础上，可以利用流场数值分析在一定程度上替 代物料的挤出实验，从而降低设计成本、缩短研发周期。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状自从美国杜邦公司的M.L.Booy博士，在1978年根据相对运动原理推导 出啮合同向双螺杆的螺杆儿何学以来，国外诸多研究机构和院校在挤出理论、双螺杆几何设计、停留时间分布等方面取得了大量的研究成果。双螺杆挤出机 无论在结构方面，啮合原理方面，实验方面，还是在应用方面都得到了飞速的 发展。White在1991年提出挤出机机筒在完全充满条件牛顿流体状况下的漏流 模型，描绘了挤压过程中各过程参数之间的关系，参照单螺杆的研究方法，得 到了相互啮合双螺杆挤压机C形腔的模型。Mielcarek和Daniel网在1997年论 述了双螺杆挤出设备在塑料加工、回收等环节的广泛应用。Bakalis,Serafim和 Karwe在1998年对同向双螺杆挤出设备中的螺杆输送段的速度进行了测量，分析研究了螺杆螺旋面和物料流速度之间的关系，并建立了数学模型。同年，Hi函ns T D和Soomtaranum J S0）在塑料挤出试验的基础上，研究了双螺杆混 合段的参数设计和理论，讨论了喂料速度和螺杆所承受的扭矩之间的关系。Lee Anderson,Ferguson和JamiJ川在1999年对双螺杆混炼机进行优化设计研究，讨论了如何提高加工效率。同年，Machado A V,Covas J A和Van Duin对同 向双螺杆挤出机中物料的变动和流动的相关理论进行了研究，论述了物料流型、混合效果和停留时间分布。Fukuoka和Takamasa】在2000年对双螺杆挤出设备进行数字分析，建立数 学模型，并通过仿真来验证模型的正确性。2001年，ROZEN,BAKKER和 BALDYGA四对操作参数，如螺杆转速等，以及螺杆形状对同向双螺杆挤出机 混合性能的影响进行了研究。Serafim,Bakalis和Mukund1在2002年对同向 3硕十学位论文第一章绪论自清洁型双螺杆挤出机的啮合区和非啮合区进行了速度分布和流量速率的模拟 计算，结果表明：当流体流经啮合区时，速度加快；啮合区的流量速率是非啮 合区的四倍，说明了啮合区良好的挤出特性。Bertrand,Thibault和Delamare】等在2003年利用有限元分析法对啮合同向双螺杆中的流体进行了数值模拟计 算，计算中考虑了螺杆与机筒之间的间隙，从而提高了模拟计算的精确性。2006 年，意大利的 Antonio Ficarella,Marco Milanese 和 Domenico Lafbrgia网应用 流体动力学数值模拟模型，对同向双螺杆挤出机的挤出过程进行了数值模拟计 算分析，在改变温度、螺杆转速、流量以及螺杆元件类型等条件的基础上，对 剪切速率、停留时间以及混合率等流体动力学变量进行了评定。显然.国外对双螺杆挤出机的研究偏向于对挤出理论的研究，而在挤出机 机械结构设计方面研究甚少。1.2.2 国内研究现状双螺杆挤出机在我国开始应用较晚，只是到了 20世纪80年代初才开始较 多的从国外引进，对双螺杆挤出机挤出理论的研究也从此开始。在我国原轻工 业部科技司的主持下，北京化工大学朱复华教授池和华南理工大学彭玉成教授 31领导的两个科研组于1980年代初开始对挤出理论及应用、聚合物加工可视化 技术等方面做了大量的研究，利用在机筒上安装时压、耐温、耐腐蚀的玻璃视 窗，研究人员可以从左、右、上三个方向观察、记录挤出现象，进行可视化实 验及挤出理论研究。除此之外，其他高校及科研机构也对双螺杆挤出机做了很 多研究工作。.北京化工大学的耿孝正教授ma期指导其研究生，对双螺杆挤出机的螺杆 构型和螺杆元件的挤出特性分析等方面进行了研究，为双螺杆挤出机的设计奠 定了一定的基础。其中，金月富网对其自行设计的新型同向双螺杆元件S型元 件进行了流场计算，并对S型元件的流场与常规螺纹元件的流场作了一定的比 较。在此基础上，梁畅31等应用有限单元法(FEM)模拟计算了 S型元件的正 反向螺纹部分不同长度构型下的流场，考察了三种不同螺杆构型的挤出特性。华南理工大学的梁基照四对普通挤出机螺杆固体输送段的最优化设计进行 了研究，根据不同的聚合物固体输送理论，分析了固体输送段主要结构参数的 最佳取值范围。上海交通大学的朱文华向等通过UniGraphics软件建立全啮合螺杆的三维 实体模型，剖切得到螺杆截面的形状，对截面参数进行了分析计算。大连理工 大学的景宁网等采用 DEAS6.0、Visual Basic 6.0 和 SQL Sever 6.0 建立了 CAD 系统，并基于虚拟现实建模语言(VRML)建立仿真系统，开发了同向双螺杆数字 4硕士学位论文第一章结论化设计系统，实现了利用标准圆柱立铳刀加工同向双螺杆螺旋曲面的设计计算 和仿真，可根据零件设计参数，优化加工刀具参数，并可仿真其加工运动。北京理工大学的胡东东12”。）等采用POLYFLOW软件，对聚合物熔体在组 合式啮合同向双螺杆挤出机ZSK60的组合螺杆中的三维等温流动进行了数值 模拟，并对ZSK60中不同构型的组合螺杆进行了混合分析，研究了不同工艺条 件下组合螺杆的混合特性。沈阳化工学院的倪洪启等在AutoCAD2004平台上，用Visual LISP语言 开发了挤出机螺杆的CAD程序，用对话框控制语言（DCL）编制了螺杆参数输入 对话框，使用该方法可以方便、快捷地设计挤出机螺杆，但是只能实现常规螺 纹元件的二维参数化设计，而没有实现其他形式螺杆元件的三维参数化设计。天津科技大学的邓中明冈等在Pro/Engineer（以下可简称Pro/E）环境下建立 了双螺杆磨浆机构中核心零件的参数化模型，并运用ProfToolkit和VC什实现 了这些核心零件的参数化设计，开发了双螺杆磨浆机构的参数化设计系统，但 该系统只进行了常规螺纹元件、芯轴和机筒的参数化设计，没有考虑其他形式 的螺杆元件，并且没有实现组合螺杆装配体的参数化。从国内已完成的相关研究工作来看：主要是针对挤出过程的理论研究或双 螺杆挤出机挤压系统某个螺杆元件的设计研究，而未从挤出机挤压系统整体结 构上考虑；未将计算机模拟分析结果用于挤压系统结构设计中；或在开发平台 上多数基于二维绘图软件如AutoCAD,未能实现挤压系统的三维可视化设计；或者有的实现了挤压系统零件的三维参数化设计但没有实现组合螺杆装配体的 自动生成。1.3 课题来源与主要研究内容本文的研究工作来源于企业生产实际的需求，以啮合同向双螺杆挤出机挤 压系统的可视化设计方法为研究对象，研究包括以下几个方面，如图13所示。挤压系统可视化设计图1-3挤压系统可视化设计的组成乐统场值拟析 校分压统构动其挤系机运仿压统配列动成挤系装序自生压统动配干检 挤系口装和涉压统件数设 挤系零参化5硕士学位论文 第一章绪论本论文的主要研究内容有：1.啮合同向双螺杆几何学研究运用啮合原理，建立端面曲线及螺杆的数学模型，推导中心距、螺槽深度、最大理论挤出量等主要螺杆参数的数学方程，为螺杆元件的建模及参数化设计 提供计算依据。2.挤压系统零件的参数化设计研究尺寸驱动的数学模型，基于啮合同向双螺杆几何学建立挤压系统各零 件的三维模型原型，研究挤压系统零件参数化设计的方法，并对数据库技术进 行研究，建立挤压系统参数数据库，以实现挤压系统零件的参数化设计。3.挤压系统自动装配及装配序列自动生成研究数字化装配的关键技术，结合挤出机挤出生产工艺，研究挤压系统装 配模型自动生成的原理及方法；研究装配序列规划与评价方法、装配干涉检查 原理和算法、挤压系统机构运动仿真的方法。4.挤压系统流场数值模拟计算研究计算流体力学以及流场的数值模拟计算基本原理和方法，以自动生成 的挤压系统装配体为基础，得到熔体输送段流道的几何模型，建立熔体输送段 流体的数学模型，研究熔体输送段流场的数值模拟计算分析方法，分析其流体 的压力分布、速度分布以及挤出鼠，并与实物挤出实验进行对比验证模拟计算 分析方法的可行性，以便对挤压系统设计结果进行分析验证，及时发现设计缺 陷和失误。5.挤压系统可视化设计的实现 研究基于Pro/Engineer的二次开发技术，采用Pro/Toolkit和Microsoft Visual C+6.0编程实现接口设计、用户界面设计、挤压系统零件参数化设计、挤压系 统装配体和装配序列的自动生成，实现一个挤压系统可视化设计系统的原型。6硕士学位论文第一章挤压系统及啮合同向双螺杆儿何学第二章 挤压系统及啮合同向双螺杆几何学啮合同向双螺杆几何学是啮合同向双螺杆挤出机挤压系统螺杆元件设计与 制造的基础，也是分析挤出机产量与挤压系统设计参数的理论依据。本章首先 对双螺杆挤出机及其挤压系统进行简要介绍，然后对啮合同向双螺杆几何学进 行详细的研究，为挤压系统零件参数化设计及挤压系统装配设计奠定基础。2.1 双螺杆挤出机简介最早而且真正应用于聚合物加工的双螺杆挤出机是20世纪30年代在意大 利研制成功的：Roberto Colombo研制成功了同向旋转双螺杆挤出机，Pasquetti 研制成功了异向旋转双螺杆挤出机网。经过半个多世纪的不断改进和完善，双 螺杆挤出机得到了长足的发展，目前已广泛应用于聚合物加工业和其它工业如 食品加工业。在聚合物加工领域中，作为成型机，它主要用来加工硬聚氯乙烯 等制品，如管、板、异型材等；作为混合机，它主要当作连续混合机，可用来 进行聚合物的共混改性、填充改性和增强改性：双螺杆挤出机还可以用来进行 反应挤出、脱挥发分、脱水等作业。在实际应用中，双螺杆挤出机必须配以机头和辅机才能完成预定的任务，这就是所谓的双螺杆挤出机组。图2/所示为双螺杆挤出机风冷模面热切机组,其主要适用于增强改性如PE+碳酸钙，可降解母粒如PE+淀粉和辅助剂，阻 燃母粒如PE+三氧化二锌的加工；图2-2所示为配有失重式电子秤连续计量加 料系统的双螺杆挤出机组。双螺杆挤出机是双螺杆挤出机组的核心组成部分。从总体组成上看，双螺杆挤出机由传动系统、挤压系统、加热冷却系统、控制 系统等组成。1.计量喂料机2.双螺杆主机3.风冷热切粒机4.旋风分离器5.风冷振动筛 图2-1双螺杆挤出机风冷模面热切机组7硕士学位论文第二章挤压系统及啮合同向双螺杆儿何学图2-2具有失重式电子秤连续计量加料系统的双螺杆挤出机组双螺杆挤出机的种类比较多，根据两根螺杆轴线之间的关系有平行双螺杆 与锥形双螺杆之分；根据两根螺杆的啮合程度有啮合与非啮合之分，啮合型双 螺杆还存在啮合程度的不同；根据两根螺杆的旋转方向有同向旋转与异向旋转 之分。本文研究的是平行啮合同向旋转双螺杆挤出机，文中简称为啮合同向双 螺杆挤出机。啮合同向双螺杆挤出机的主要用途是对聚合物进行改性，如对聚合物进行 共.混、填充和增强改性等，以及进行反应挤出、脱挥发分、脱水等。这是因为 这种挤出机具有良好的自洁性能、较强的剪切作用及鼓高的螺杆转数4。啮合 同向双螺杆挤出机中的两根螺杆在啮合区的相对运动方向相反，两根螺杆互相 清洁表面，防止了物料在螺杆表面的滞留和粘附，还可以不断更新表面，有利 于聚合物的混合、传热，并提高了排气效率。这是啮合同向双螺杆挤出机优于 其它类型双螺杆挤出机之处，也是其得到广泛应用的主要原因。2.2 双螺杆挤出机挤压系统双螺杆挤出机的挤压系统是双螺杆挤出机的核心部分。其作用是把加入的 固体或液体物料熔融塑化、混合或进行化学反应，为口模提供定温、定压、定 量的熔体，并将在这一过程中产生的气体或液体排除，最后通过口模及后续的 辅机，得到合乎质量要求的制品如颗粒料或具有一定形状和尺寸的制品。如图 12所示，根据设计的口模，得到了发泡材料的板型成品；图23得到了拉条状 的物料。8硕士学位论文第1章挤压系统及啮合同向双螺杆儿何学图2-3啮合同向双螺杆挤出机冷拉条实脸双螺杆挤出机的挤压系统主要由芯轴、螺杆、机筒等组成，根据挤出过程 和工艺的需要，将不同功能、不同结构形状的若干螺杆元件按照匚艺要求依次 装配到芯轴上形成组合螺杆，然后与相应的机筒组合装配在一起，成为挤压系 统。图24显示了具有剖分式机筒的挤压系统。因此，双螺杆挤出机挤压系统 的设计实质上是芯轴、螺杆、机筒及螺杆组合的设计。困2-4具有剖分式机筒的啮合同向双螺杆挤出机挤压系统2.2.1螺杆组合及螺杆元件1.螺杆组合啮合同向双螺杆挤出机的螺杆在机械结构上一般都采用积木或组合式，如 图25所示。这就使得双螺杆挤出机的螺杆构型，筒体结构，长径比，加料口 与排气口的位置和数量等均需根据物料体系与工艺要求变化调整，以便实现通 用性和专用性的统一。9硕上学位论文笫二章 挤压系统及啮合同向双螺杆儿何学困2-5啮合同向双螺杆挤出机组合螺杆啮合同向双螺杆挤出过程一般由加料、固体输送、熔融、混合、排气、熔 体输送等功能段组成。不同的功能段需要不同的局部螺杆构型与它相适应，以 完成不同的功能。螺杆组合构型设计是一个重要而困难的问题，因为它与多种 因素有关，如被加工物料的性质和配方设计，运转条件以及螺杆元件的性能等。因此，这种组合也是一种专门的技术和诀窍，目前尚无公式可循，一般是要根 据对各种螺杆元件性能以及物料性能的了解，通过经验一理论一实验相结合的 方法进行设计。2.螺杆元件如果把物料在双螺杆挤出机中的输送过程像在单螺杆挤出机中的输送过 程那样分为固体输送区、熔融区和熔体输送区，则相应于物料在挤出过程中发 生的相态变化，可以把一整根螺杆分解成不同的功能段，而不同的功能段采用 不同的儿何结构来完成其功能，把能实现不同功能的螺杆区段称为螺杆元件。根据实现功能的不同，可将螺杆元件分为输送元件（由正向螺纹元件组成，灯 有不同的螺杆头数和导程）、建压元件（主要是指反向螺纹元件）、剪切元件（主 要是捏合盘及其组合）、混合元件（主要是指齿形盘元件）等。2.2.2芯轴及机筒1.芯轴实现螺杆组合，从机械设计上要解决两个问题：一是把山传动系统传来的 扭矩通过芯轴传到每一个螺杆元件上去，以克服挤出过程中受到的阻力；二是 各螺杆元件串到芯轴上后，要保证螺杆元件之间几何中心同心，螺纹连接处不 能形成台阶和缝隙，螺槽相接处要光滑过渡，以免存料。这里涉及到用什么样 的芯轴及螺杆元件内孔来解决这两个问题。根据对国内外双螺杆挤出机芯轴的 研究调查，花键芯轴由于能够很好解决上述问题，应用很广泛。图2-6显示了 渐开线花键芯轴的加工过程。10硕士学位论文第二章挤压系统及啮合同向双螺杆儿何学图2-6加工渐开线花锭芯轴2.机筒如前所述，螺杆是组合的，机筒也是组合的，即其机筒也是由若干段机筒 元件组合而成。纵观国内外同向双螺杆挤出机，虽然各厂家的机筒段的长度不 尽相同，但大致为34倍螺杆外径，也有为57.5倍螺杆外径的。根据机筒的 功能不同,有不同的结构形式,如图2-7、(b)、(c)和(d)所示，分别为上加料 口机筒、全封闭式机筒、排气机筒和侧加料机筒。图2-7功能不同的机筒11硕士学位论文第二章挤压系统及啮合同向双螺杆儿何学2.3啮合同向双螺杆几何学啮合同向双螺杆几何学是建立啮合同向双螺杆元件（包括螺纹元件、捏合 块元件等）三维模型的依据，是进行可视化设计的基础。关于双螺杆几何学的研究，国内外都有人进行过这方面的工作。就自清洁 型啮合同向双螺杆的几何学而言，研究得最早、起奠基作用的是M.L.Boo/叫 其他如C.CarrotJ、HPotent3等人对其做了进一步的研究。国内也陆续发表了 一些有关这方面的文献阴，3刀。2.3.1 啮合原理图2-8表示了全啮合同向双螺杆的啮合过程。设圆盘1不动，圆盘2绕圆 盘1平动而自身不产生转动,则圆盘2的中心点O2的运动轨迹为一个中心在O,半径为002的圆。盘2上的其他点同样也以相同的半径描绘出一条圆形轨迹。如果在圆盘2圆周上圆弧6是螺纹顶，则在该弧上的点将描绘出从盘1上切 去半月状表面积的弧线族。两盘相对运动的结果会将盘1切成一个特定形状的 盘，如果将这个特定形状的盘沿。的周线作轴向运动和旋转运动，就形成了螺 纹元件，其螺旋表面上每一点相对另一根螺杆以恒定的速度由切向扫过。这就 是两根平行轴同向旋转的螺杆啮合的基本原理。2.3.2端面啮合曲线的形成及数学模型图2-9表示了一对全啮合同向双螺杆端面曲线的形成过程。设两相同直径 的螺杆以相同角速度g同方向（如顺时针）旋转，两螺杆中心距=螺12硕士学位论文第一章挤压系统及I啮合同向双螺杆儿何学杆外圆半径为4,则螺杆根圆半径凡=q-凡。图2-9全啮合同向双螺杆端面曲线形成过程尸是圆盘&上任一点即相当于螺棱上的点，考察尸点相对于圆盘的运动 轨迹。根据相对运动原理，建立一个动坐标系，随着圆盘q以角速度。顺时针 旋转。在动坐标系中，圆盘Q相对静止，圆盘。2相对于动坐标系作圆平动。圆 平动的特点是：圆盘上任意一点的相对运动轨迹为一个圆。山圆平动的特点易 知圆盘。2上任意一点尸相对运动轨迹的圆心Mp就是过P作圆心002连线的平 行线与圆盘G的交点，其半径是6=QQ。尸点的运动轨迹与圆盘Q交于灯，Jpz，与圆盘O1的根圆切于g。设P0是圆盘上夹角为a的弧段，介于P、。间每一点的轨迹都是一条 中心在圆盘，上、半径为c,的圆弧，0的轨迹与圆盘q交于两点%,与圆盘a根切于Cg。根据全啮合不干涉原理，螺杆1的端面曲线应是螺杆2上 所有点相对运动轨迹的包络线。如果尸、。分别是螺杆2端面的螺棱的端点，那么整个螺棱尸。扫过圆盘。I上的区域是一个月牙形，由包络线gq及轨迹线 JPlcp,三段圆弧组成，构成了同向双螺杆的端面曲线的一部分。整个螺杆的端面曲线除了上述三段圆弧外，还包括外圆上的42MpM构成。由啮合 原理知：NPO?Q=NCpO,即圆盘。2上P。圆弧所对中心角a和他们对应轨 迹在包络线上的夹角,相等。13硕士学位论文第二章挤压系统及啮合同向双螺杆儿何学下面以等速同向双头全啮合双螺杆为例建立端面曲线的数学模型。如图 2io所示，建立两个直角坐标系qxr,o2x,q在坐标系下的坐标为(Q,o)。Cg段方程：段方程：(x_/y+(y_%)2=c；其中Xq=-Rs cos(a/2)北=-R$sin(a/2)若端面方程用极坐标表示，极点在g,极轴与QX轴重合，夕为半径，6为 极角，则端面曲线的数学模型是：式(21)式(22)式(23)14硕士学位论文第二章挤压系统及啮合同向双螺杆儿何学氏4 V 6 4 0或;r +222 2-凡 cos(6 )+J。：R：sin?(8 5)2-R$cos(/r 0 )+2 2R；sin2(/r 0)印.2 22（。）=一凡 cos(9 7t)+Jc；-R；sin?(8 一 万)a,c/3八 P 71 4 4 6 4-2Rs cos(2乃0 5)+Q-R；sinTZ-。一/)灯纥”2一2 2 22 2 2 2曳-乙”四+2式Q4)2.3.3螺杆的数学模型在原平面坐标系中加入 Q-Z、。2-4,构成两个 右手正交坐标系O|Xrz、O2XZ.,如图211所示。令图211中端面曲线绕 4轴匀速转动，即形成螺旋 面。若对上述端面曲线数学 模型加以修饰，当端面曲线 沿4轴从0到T变化时，端 面曲线整体绕中心旋转一周。图2-11螺杆三维模型的生成对应不同的初值曷，端面曲线处于不同位置，这样即可得到任意初始位置时端面曲线的数学模型。2 2氏2 22215硕士学位论文第二章挤压系统及啮合同向双螺杆儿何学1华为(兀-一一凡 cos(8+备一9+Jc：-sin2(+%-里2 2 2_一 旦 COS(4-。-短一5)sin?5-9-。0-32 2,0 20(8+&)=4 _ _Z_一凡.00$(6+40 一万_1)+Jc；一用“加步+多一%一 a,e匕，3万 P 4+,工+刍4万一万-R cos(2兀一 6 4一+C；-R；sin?(2万一 6 一 短一拿&巴 s+gp 2 2 50 2 2史-纥8+Q把+2 2 2 0 2 2式(2-5)用变量J取代耳，则得到在直角坐标系中螺杆的数学模型:x=p(O)cqsO y=0(e,J)sin6式(2-6)2.3.4中心距与齿顶角的关系如前所述，同向旋转的螺杆端面轮廓曲线由三部分组成：第一部分是螺顶 部分的圆弧，第二部分是螺槽底部的圆弧，第三部分是螺纹侧面的圆弧，如图 2-12o这三部分的圆心角分别为a、夕、2o对单头螺纹的情形：a+6+4夕=24 式(2-7)如果螺纹头数为n,显然有：(a+夕+=In 式(28)16硕士学位论文第:章挤压系统及啮合同向双螺杆儿何学根据螺杆啮合原理，螺杆的螺顶角应等于与它啮合的另一根螺杆的螺槽底 角。而一般情况下两根螺杆具有相同的截面情况，即两根螺杆的螺顶角、螺槽 底角均相同，即。=夕，有(2a+4*)=2;r。圆弧。1。2对应的圆周角为圆心角的一半，即为3。若用9表示半啮合区角(此处引入啮合区角”，它等于啮合区对应的中心角，如图213所示)，根据 啮合原理可知，(/=(cos=Cl/2Rs=cos(p),从齿根到齿顶，即2。二 2夕，故：n(2a+4夕)=In 式(29)。=%/2一。/2 式(2-10)即。=/-20 二不/-20 式(211)为保证形成正常的螺杆螺纹，螺顶圆弧所对中心角夕0,故：P-a=7c/n-2(pQ 式(2-12)(pnlln 式(2J3)根据MQN组成的直角三角形cos=G/2 凡 式(214)p=coU(Cj2R)式(215)cosH(C/2/?J cos(/2m)式(217)对于无间隙啮合双螺杆，其螺槽深度力为：h=2Rs-CL 式(2/8)而且槽深也必须大于零，可得：Cl2Rs 式(2-19)由式(217)和(219)可知中心距C,取值范围为：硕士学位论文第一章挤压系统及啮合同向双螺杆儿何学.其中6=6+&令则Ds cos(/2m)Cl cos(/4)=V2/2=0.707,即C,0707Ds,因而螺杆螺槽深度和螺槽体积比较大，使输送量得到提高；而对于三头螺纹，Cl/Ds cos(/6)=V3/2=0.866,螺槽深度=小一。0.134。,因而螺槽 深度变得相对小，螺槽体积也就相对小，输送量受到了很大的限制。这正是当 今大多数同向双螺杆挤出机制造厂家把三头螺纹元件改成双头螺纹元件的原因 之一。2.3.5法向截面方程的建立町螺纹加工来说，螺旋齿廓的法向截面即螺槽横截面是非常重耍的，它 关系到螺纹刀具的选择，甚至整个加工过程的可行性与性价比。螺槽横截面亦 可用以进行螺纹元件的三维造型。螺槽横截面形状如图214所示，分别由IJ,JK,KL,LM和MN五条曲线构成。18硕士学位论文第二章挤压系统及啮合同向双螺杆儿何学其中：b。=(24-a)(T/2 兀)cos 中 式(224)B=e=(7/2)cos 式(225)式中中为平均螺旋角，n是螺纹头数，T是导程，a是螺顶角。0(6=J-a/2)角为螺槽上任意一点P与极轴起点。上的夹角，如图2-15所示。幽 为图2-15中曲线LM上任意点的螺槽深度。从图2-15可以看出：QP=P。-OQ=(c&sin?8)-&cos0 式(2-26)h0=Rs-J-&sin，6)+凡 cos。+6i-式(227)=4(1+cos。)-RS sin2 6)+6将6角换算成坐标x的函数。在螺杆横截面上2角对应的轴向长度为一个 导程，若设周向。角对应的轴向长度为Z,则772%=z/e,所以z=6T/2;r。再将轴向坐标z换算成x方向坐标：/=Z cos=20342814-28=25534821-3030=10057605222-2840=150686026-3255=2007228-32260837621-273001252.4.1螺杆外径双螺杆挤出机的螺杆外径是一个重要参数，它在很大程度上反映出挤出机 规格的大小和生产能力。其它参数也都与它有关，例如，当螺杆转速一定，它 决定了螺杆的圆周速度，进而决定了螺槽中物料的剪切速率以及螺杆外径和机 筒内壁之间间隙中的剪切速率；又如，当机头压力一定，它基本决定了螺杆的 轴向推力，因而也决定了止推轴承的规格和数目。一般说来，双螺杆外径的确定与所需达到的挤出量、被加工物料的种类、制品的规格及挤出机的用途有关。用于小批量配混料，生产小规格制品的双螺 杆外径较小，用于大批量配混料、生产大截面制品的双螺杆外径较大。在一些双螺杆挤出机设计和生产