基于离散单元法一字排列三螺杆挤出机固体输送段输送机理分析

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.08.009

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (8): 61-68.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.08.009

基于离散单元法一字排列三螺杆挤出机固体输送段输送机理分析

王颢霖(), 王廷玺

辽宁北方华丰特种化工有限公司，辽宁抚顺 113003

收稿日期:2023-02-13 出版日期:2023-08-26 发布日期:2023-08-21
作者简介:王颢霖（1993—），男，硕士研究生，从事高效节能石化设备的研究，wanghaolin2432@163.com
第一联系人：地址：北京市海淀区阜成路11号《中国塑料》杂志社广告部
邮编：100048

Conveyor analysis of solids conveying section of three⁃screw extruder based on discrete unit method with one⁃character arrangement

WANG Haolin(), WANG Tingxi

Liaoning North Huafeng Special Chemical Co，Fushun 113003，China

Received:2023-02-13 Online:2023-08-26 Published:2023-08-21

摘要/Abstract

摘要：

利用离散单元法对计量加料下一字排列三螺杆挤出机固体输送段进行模拟。分析了聚合物颗粒在一字排列三螺杆挤出机正位移输送和摩擦拖曳输送2种输送机理下的输送情况，计算出一字排列三螺杆挤出机的输送特性参数，并与双螺杆挤出机进行对比分析。结果表明，由于三螺杆挤出机啮合区的增加，提高了颗粒在挤出机螺槽内的填充率。一字排列三螺杆挤出机在填充程度、质量流速率等方面均优于双螺杆挤出机，并且输送产量大约为双螺杆挤出机的1.3倍，在聚合物加工行业具有较好的工程应用前景。

关键词: 一字排列三螺杆, 离散单元法, 固体输送, 输送机理

Abstract:

The solids conveying section of a single⁃aligned three⁃screw extruder under metering and dosing was simulated using a discrete unit method. The transport performance of polymer particles was analyzed through both positive displacement conveying and friction drag conveying in a one⁃screw extruder. The conveying characteristics parameters of the mono⁃aligned three⁃screw extruder were calculated and then compared with those of a conventional twin⁃screw extruder. The results indicated that the filling rate of the particles in the screw groove of the extruder was increased with an increase in the engagement zone of the three⁃screw extruder. The mono⁃aligned triple⁃screw extruder exhibited better performance of the twin⁃screw extruder in the aspects of the filling degree and mass flow rate， and its conveying output was approximately 1.3 times that of the twin⁃screw extruder. This indicates a promising prospect of engineering application in the polymer processing industry.

Key words: one?way alignment of three screw, discrete unit method, solids conveying, conveyor theory

中图分类号:

TQ320.66⁺3

王颢霖, 王廷玺. 基于离散单元法一字排列三螺杆挤出机固体输送段输送机理分析[J]. 中国塑料, 2023, 37(8): 61-68.

WANG Haolin, WANG Tingxi. Conveyor analysis of solids conveying section of three⁃screw extruder based on discrete unit method with one⁃character arrangement[J]. China Plastics, 2023, 37(8): 61-68.

图/表 20

图1 颗粒接触模型及阻尼模型

Fig.1 Particle contact model and damping model

图2 三螺杆固体输送段模型

Fig.2 Model of three⁃screw solid conveying section

类别	机筒内径/mm	螺杆外径/mm	导程/mm	固体输送段长度/mm	螺槽深度/mm	密度/kg·m^-3	弹性模量/GPa	泊松比
机筒与螺杆参数	82	80	30	200	8	7 850	80	0.3

表1 机筒与螺杆参数

Tab.1 Parameters of the barrel and screw

类别	密度/kg·m^-3	弹性模量/GPa	泊松比	恢复系数	颗粒间的摩擦因数	颗粒与螺杆的摩擦因数	颗粒与机筒的摩擦因数
性能参数	595	0.17	0.44	0.5	0.81	0.25	0.35

表2 PE⁃LD材料的性能参数

Tab.2 Performance parameters of PE⁃LD

图3 颗粒在上啮合区正位移输送

Fig.3 Positive displacement conveying of particles in the upper meshing zone

图4 颗粒在上下啮合区正位移输送

Fig.4 Positive displacement conveying of particles in the upper and lower meshing zone

图5 颗粒在上下啮合区正位移输送

Fig.5 Positive displacement conveying of particles in the upper and lower meshing zone

图6 正位移与固体摩擦并存输送

Fig.6 Coexistence of positive displacement and solid friction conveying

图7 非啮合区的N层模型

Fig.7 N⁃layer model of the non⁃engaging zone

挤出机类型	螺杆转速/ r·min^-1	颗粒填充率
挤出机类型	螺杆转速/ r·min^-1	0.2	0.3	0.5
双螺杆挤出机	25	3.06	4.59	7.65
	35	3.80	5.70	9.50
	45	4.83	7.25	12.09
三螺杆挤出机	25	3.98	5.97	9.95
	35	4.94	7.41	12.35
	45	6.30	9.43	15.72

表3 不同转速下的质量流速率对比 (g/s)

Tab.3 Comparison of mass flow rates at different rotational speeds

挤出机类型	螺杆转速/ r·min^-1	螺棱宽度/mm
挤出机类型	螺杆转速/ r·min^-1	7	9	11
双螺杆挤出机	25	14.48	13.23	12.05
	35	17.22	16.10	15.73
	45	19.53	17.86	16.45
三螺杆挤出机	25	19.64	18.48	16.87
	35	24.08	22.43	21.00
	45	26.61	24.92	22.96

表4 不同螺棱宽度下的质量流速率对比 (g/s)

Tab.4 Comparison of mass flow rates at different screw rib widths

图8 3种形状的螺棱结构

Fig.8 Structure of the three shapes of screw prongs

挤出机类型	螺杆转速/ r·min^-1	螺棱形状
挤出机类型	螺杆转速/ r·min^-1	矩形	梯形	锯齿形
双螺杆挤出机	25	13.24	14.55	15.13
	35	17.41	19.76	21.39
	45	22.42	24.92	26.88
三螺杆挤出机	25	18.48	20.37	21.18
	35	23.84	27.12	30.01
	45	30.87	34.88	36.40

表5 不同螺棱形状下的质量流速率对比 (g/s)

Tab.5 Comparison of mass flow rates for different spiral prism shapes

图9 颗粒简化模型

Fig.9 Simplified model of the particles

颗粒形状	三螺杆质量流速率/g·s^-1	双螺杆质量流速率/g·s^-1
球形	18.47	14.29
圆柱形	21.79	15.38
椭球形	16.33	12.31

表6 不同形状颗粒的质量流速率

Tab.6 Mass flow rate of the particles with different shapes

图10 颗粒在挤出机内的形态

Fig.10 Morphology of the particles in the extruder

图11 3种颗粒的填充率对比

Fig.11 Comparison of filling rates of the three types of particles

图12 颗粒之间的摩擦因数对流量流速率的影响

Fig.12 Effect of friction coefficient between particles on the flow rate

图13 颗粒与螺杆的摩擦因数对流量流速率的影响

Fig.13 Effect of friction coefficient between particles and screw on the flow rate

图14 颗粒与机筒的摩擦因数对流量流速率的影响

Fig.14 Effect of friction coefficient between particles and barrel on the flow rate

参考文献 10

1	何和智，赵耀，董国庆，等.三螺杆挤出机固体输送理论的实验研究［J］.塑料，2013，42（2）：1⁃5，114.
	HE H Z， ZHAO Y， DONG G Q， et al. Experimental study on solid conveying theory of three⁃screw extruder［J］. Plastics，2013，42（2）：1⁃5，114.
2	翟金平.聚合物动态塑化成型加工理论与技术［M］.北京：科学出版社，2005：65⁃75.
3	李响，王东阳，朱向哲.同向旋转三螺杆挤出机固体输送段输送特性研究［J］.中国塑料，2022，36（1）：160⁃165.
	LI X， WANG D Y， ZHU X Z. Study on the transmission characteristics of the solid conveying section of the same⁃directional rotary three⁃screw extruder［J］. China Plastics，2022，36（1）：160⁃165.
4	CUNDALL P A， STRACK O D L. A discrete numerical model for granular assemblies［J］. Geoteehnique，1979，29（1）： 47⁃65.
5	Moysey P A， Thompson M R. Modelling the solids inflow and solids conveying of single⁃screw extruders using the discrete element method［J］. Powder Technology， 2005，153：95⁃107.
6	丁学良，何红，王克俭.单螺杆挤出过程固体粒子输送的离散单元法模拟［J］.塑料，2012，41（5）：92⁃95.
	DING X L， HE H， WANG K J. Discrete element method simulation of solid particle transportation in single screw extrusion process［J］. Plastics，2012，41（5）：92⁃95.
7	张文呈.三角形排列的全啮合三螺杆挤出机流场分析剪切分散和剪切温升计算研究［D］.北京：北京化工大学，2007.
8	朱向哲，袁惠群.三螺杆挤出机挤出特性的数值模拟［J］.高分子材料科学与工程，2008，3：32⁃35，40.
	ZHU X Z， YUAN H Q. Numerical simulation of the extrusion characteristics of three⁃screw extruder［J］.Polymeric Materials Science and Engineering，2008（3）：32⁃35，40.
9	胡国明.颗粒系统的离散元素法分析仿真——离散元素法的工业应用于EDEM软件［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2010：9⁃10.
10	翟金平.聚合物动态塑化成型加工理论与技术［M］.北京：科学出版社，2005：363⁃364.

[1]	王颢霖, 朱向哲. 双锥型螺杆挤出机固体输送离散元分析[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 83-88.
[2]	李响, 王东阳, 朱向哲. 同向旋转三螺杆挤出机固体输送段输送特性研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(1): 160-165.
[3]	柳志康, 范元勋, 陆鹏程, 张家诚. 基于EDEM的玻璃纤维振动给料仿真分析[J]. 中国塑料, 2019, 33(9): 62-66.
[4]	黄志刚, 刘凯, 付晓宇, 苏新. 单螺杆挤出机固体输送段的优化设计[J]. 中国塑料, 2014, 28(11): 104-107 .
[5]	潘龙贾明印薛平金志明唐广利. 螺旋沟槽单螺杆挤出机中固体段压力分布研究[J]. 中国塑料, 2011, 25(04): 102-106 .
[6]	袁捷朝罗兵毕超王文飞伊大龙. 响应曲面法优化同向旋转双螺杆挤出机最大固体输送量的研究[J]. 中国塑料, 2011, 25(01): 102-105 .
[7]	潘龙贾明印薛平金志明唐广利. 螺旋沟槽单螺杆挤出机双螺棱推动理论模型的研究[J]. 中国塑料, 2010, 24(11): 95-99 .
[8]	唐广利, 贾明印, 薛平, 吴卫平, 朱复华. IKV挤出机新型固体输送理论研究[J]. 中国塑料, 2007, 21(2): 90-95.

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Conveyor analysis of solids conveying section of three⁃screw extruder based on discrete unit method with one⁃character arrangement

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