基于离散元法双螺杆挤出机磨损特性分析

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.11.015

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (11): 135-140.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.11.015

基于离散元法双螺杆挤出机磨损特性分析

高坤(), 闫伟, 刘志刚, 朱向哲()

辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 113001

收稿日期:2023-04-04 出版日期:2023-11-26 发布日期:2023-11-22
通讯作者: 朱向哲（1974—），男，教授，从事聚合物加工数值模拟研究，xzzhu@126.com
E-mail:kungao1208@163.com;xzzhu@126.com
作者简介:高坤（1994—），男，在读硕士研究生，从事螺杆挤出机离散元模拟研究，kungao1208@163.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(5197031333)

Wear characteristics of twin⁃screw extruder based on discrete element method

GAO Kun(), YAN Wei, LIU Zhigang, ZHU Xiangzhe()

School of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China

Received:2023-04-04 Online:2023-11-26 Published:2023-11-22
Contact: ZHU Xiangzhe E-mail:kungao1208@163.com;xzzhu@126.com

摘要/Abstract

摘要：

双螺杆挤出机在生产过程中经常会出现螺杆磨损等问题，严重影响了螺杆的使用寿命和聚合物加工的品质。本文采用离散单元法（DEM），结合Archard磨损模型，对同向啮合双螺杆挤出机螺杆磨损进行数值模拟，分析螺杆转速和填充率等因素对双螺杆挤出机磨损特性的影响规律。结果表明，螺杆磨损主要发生在螺棱的顶部区域以及进料口处，在物料进入机筒入口处会发生严重的挤压磨损；随着螺杆转速和填充率的增加，螺杆的磨损程度不断增大；料槽后方输送段的螺杆主要产生横向切削磨损，切向累积能量是导致磨损的关键因素。

关键词: 双螺杆挤出机, 固体输送段, Archard磨损模型, 螺杆磨损

Abstract:

Twin⁃screw extruders often have problems such as screw wear in the production process， which seriously affects the service life of the screw and the quality of polymer processing. The screw wear of twin⁃screw extruder was simulated numerically by using a discrete element method and Archard wear model， and the effect of screw speed and filling rate on the wear characteristics of twin⁃screw extruder was analyzed. The results indicated that the screw wear mainly occurred in the top area of the screw edge and the inlet of the feed， and serious extrusion wear occurred at the entrance of the material entering the barrel. The wear degree of screw increased continuously with an increase in the screw speed and filling rate. The screw in the rear conveyor section of the feed trough mainly produces transverse cutting wear， and the tangential accumulated energy is the key factor which leads to wear.

Key words: twin screw extruder, solid transfer section, Archard wear model, screw wear

中图分类号:

TQ320.5

高坤, 闫伟, 刘志刚, 朱向哲. 基于离散元法双螺杆挤出机磨损特性分析[J]. 中国塑料, 2023, 37(11): 135-140.

GAO Kun, YAN Wei, LIU Zhigang, ZHU Xiangzhe. Wear characteristics of twin⁃screw extruder based on discrete element method[J]. China Plastics, 2023, 37(11): 135-140.

图/表 15

图1 同向啮合双螺杆挤出机几何模型图

Fig.1 Geometric model of twin screw extruder with simultaneous meshing

挤出机几何参数	数值
螺杆顶径	50
螺杆根径	26
螺杆中心距	38
机筒内径	52
螺距	45
螺杆长度	315

表1 双螺杆基本几何参数 (mm)

Tab.1 Basic geometric parameters of the twin screw

图2 同向啮合双螺杆挤出机有限元网格模型

Fig.2 Finite element mesh model of the twin screw extruder with simultaneous meshing

材料	密度/kg•m^-3	弹性模量/GPa	泊松比
PE⁃LD（颗粒）	923	0.18	0.44
碳钢（挤出机）	7 850	203	0.30

表2 挤出机和颗粒的材料属性

Tab.2 Material properties of the extruders and particles

相互作用	恢复系数	静摩擦系数	滚动摩擦系数
颗粒⁃颗粒	0.50	0.60	0.01
颗粒⁃机筒	0.50	0.35	0.01
颗粒⁃螺杆	0.50	0.25	0.01

表3 材料之间接触属性

Tab.3 Contact properties between the materials

图3 同向啮合双螺杆表面磨损分布云图

Fig.3 Surface wear distribution cloud map of the twin screw engaged in the same direction

图4 同向啮合双螺杆表面累积能量分布云图（俯视图）

Fig.4 Cumulative energy distribution on the surface of the twin screw engaged in the same direction （top view）

图5 平均累积接触力随时间的变化

Fig.5 Change of average cumulative contact force with time

图6 磨损速率随位置的变化

Fig.6 Change of wear rate with position

图7 不同填充率条件下颗粒填充分布云图（俯视图）

Fig.7 Cloud map of particle filling distribution at different filling rates （top view）

图8 不同填充率条件下螺杆磨损分布云图（俯视图）

Fig.8 Screw wear distribution cloud map under different filling rates （top view）

图9 不同填充率条件下磨损速率随位置的变化

Fig.9 Change of wear rate with position under different filling rates

图10 不同速度条件下填充率随时间的变化

Fig.10 Change of filling rate with time under different velocity conditions

图11 不同速度条件下螺杆磨损分布云图

Fig.11 Screw wear distribution cloud map under different speed

图12 磨损深度随螺杆转速的变化

Fig.12 Change of wear depth with screw speed

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