平行同向双螺杆加工含能材料挤出安全特性研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.12.019

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (12): 119-126.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.12.019

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平行同向双螺杆加工含能材料挤出安全特性研究

李明华¹, 薛平¹(), 王斌², 赵荣², 韩民园², 张帅², 韩京京²

^1.北京化工大学机电工程学院，北京 100029
^2.山西北方兴安化学工业有限公司，太原 030003

收稿日期:2025-01-07 出版日期:2025-12-26 发布日期:2025-12-22
通讯作者: 薛平，教授，从事高分子材料／特种材料加工成型的研究，xueping@mail.buct.edu.cn
E-mail:xueping@mail.buct.edu.cn

Study on extrusion safety characteristics of parallel coaxial twin⁃screws for processing energetic materials

LI Minghua¹, XUE Ping¹(), WANG Bin², ZHAO Rong², HAN Minyuan², ZHANG Shuai², HAN Jingjing²

^1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China
^2.Shanxi North Xing’an Chemical Industry Co，Ltd，Taiyuan 030003，China

Received:2025-01-07 Online:2025-12-26 Published:2025-12-22
Contact: XUE Ping E-mail:xueping@mail.buct.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

为了提高含能材料在双螺杆挤出机生产过程中的安全性和加工效率，通过EDEM、Ludovic和Polyflow仿真软件对设计的平行同向双螺杆挤出过程进行模拟仿真，开展工艺条件对工艺过程安全性影响模拟仿真研究，得到含能材料在双螺杆挤出机混合塑化过程中的温度、压力和平均停留时间等参数，进而分析加工过程的安全性。结果表明，当螺杆转速为12 r/min时，加料速率推荐范围为5.6~8.4 kg/h；当螺杆转速为15 r/min时，加料速率推荐范围为5.6~11.2 kg/h，在此范围内有利于提高加工过程的安全性；物料的物性参数（幂律指数、稠度系数）对挤出的安全性影响较明显，因此实际试验中，需根据不同的工艺阶段，采用适当范围水分含量的物料，以提高加工的安全性。

关键词: 含能材料, 平行同向双螺杆, 仿真, 工艺条件, 安全性

Abstract:

Improving the safety and efficiency of processing energetic materials in twin⁃screw extruders is critical. This study investigates the impact of process conditions on extrusion safety using a simulation approach with EDEM， Ludovic， and Polyflow softwares. The parallel coaxial twin⁃screw extrusion process was modeled to analyze key parameters， including temperature， pressure， and average residence time of the material during mixing and plastication. Simulation results provide specific safe operating windows： at a screw speed of 12 r/min， the recommended feed rate is 5.6~8.4 kg/h； at 15 r/min， the safe feed rate range is 5.6~11.2 kg/h. Furthermore， the material's physical properties， specifically the power law index and consistency coefficient， were found to significantly influence extrusion safety. Therefore， to enhance process safety， it is recommended to select materials with an appropriate moisture content range tailored to different stages of the actual process.

Key words: energetic materials, parallel coaxial twin screw, simulation, process conditions, safety

中图分类号:

TQ320.66⁺2

李明华, 薛平, 王斌, 赵荣, 韩民园, 张帅, 韩京京. 平行同向双螺杆加工含能材料挤出安全特性研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(12): 119-126.

LI Minghua, XUE Ping, WANG Bin, ZHAO Rong, HAN Minyuan, ZHANG Shuai, HAN Jingjing. Study on extrusion safety characteristics of parallel coaxial twin⁃screws for processing energetic materials[J]. China Plastics, 2025, 39(12): 119-126.

图/表 22

图1 平行同向双螺杆挤出机螺杆元件组合图

Fig.1 Parallel coaxial twin⁃screw extruder screw element combination diagram

图2 平行同向双螺杆挤出各段及全程物理模型

Fig.2 Physical Modeling of Parallel Coaxial Twin Screw Extrusion Sections and Processes

参数	涵义	数值
固相物性参数	颗粒直径/mm	5
	泊松比	0.23
	密度/kg·m^-3	600
	杨氏模量/Pa	6.96×10⁹
设备	泊松比	0.3
	密度/kg·m^-3	7 850
	杨氏模量/Pa	2×10¹¹
塑化物料物性参数	比热容/J·（kg·K）^-1	2 790
	密度/kg·m^-3	1 670
	导热系数/W·（m·K）^-1	0.34

表1 仿真研究用基础参数设置

Tab.1 Parameterization of the material conveying process

工艺温度	加料段/℃		混合塑化段/℃		均化段/℃
GYWD⁃1	50	50	70	70	80	80
GYWD⁃2	55	55	65	65	75	75
GYWD⁃3	60	60	70	70	80	80
GYWD⁃4	60	60	65	65	75	75
GYWD⁃5	65	65	75	75	85	85

表2 不同工艺温度设定表

Tab.2 Setting table for different process temperatures

图3 GYWD⁃1工艺条件下仿真结果

Fig.3 Simulation results under GYWD⁃1 process conditions

工艺温度	最高温度/ ℃	最大压力/ MPa	平均停留时间/ s	比机械能/ kWh·t^-1
GYWD⁃1	103	25.0	253.7	134
GYWD⁃2	103	25.9	252.3	142
GYWD⁃3	104	24.4	253.9	133
GYWD⁃4	103	25.7	252.4	141
GYWD⁃5	106	22.5	256.1	122

表3 平行同向双螺杆挤出设备不同工艺温度下的模拟结果

Tab.3 Simulation results of parallel coaxial twin⁃screw extrusion equipment at different process temperatures

图4 不同加料速率下最高温度和最大压力随螺杆转速变化的Ludovic仿真模拟结果

Fig.4 Ludovic simulation results of maximum temperature and maximum pressure variation with screw speed at different charging rates

图5 不同螺杆转速下平行同向双螺杆挤出机加料段模拟结果

Fig.5 Simulation results of charging section of parallel coaxial twin⁃screw extruder under different screw speeds

图6 GYWD⁃4工艺条件下的模拟结果

Fig.6 Simulation results under GYWD⁃4 process conditions

图7 GYWD⁃2工艺条件下的模拟结果

Fig.7 Simulation results under GYWD⁃2 process conditions

图8 均化段切片示意图

Fig.8 Schematic diagram of homogenization section slicing

图9 不同螺杆转速下平均压力沿轴向变化曲线

Fig.9 Curve of average pressure variation along the axial direction at different screw speeds

图10 不同螺杆转速下平均温度沿轴向变化曲线

Fig.10 Curve of average temperature change along the axial direction at different screw speeds

图11 不同螺杆转速下平均剪切速率沿轴向变化曲线

Fig.11 Curve of average shear rate along axial direction at different screw speeds

图12 不同加料速率下平行同向双螺杆挤出机加料段模拟结果

Fig.12 Simulation results of charging section of parallel coaxial twin⁃screw extruder under different charging rates

图13 不同加料速率下平均压力沿轴向变化曲线

Fig.13 Curve of average pressure variation along the axial direction at different charging rates

图14 不同加料速率下平均温度沿轴向变化曲线

Fig.14 Curve of average temperature change along the axial direction at different charging rates

图15 不同加料速率下平均剪切速率沿轴向变化曲线

Fig.15 Curve of average shear rate along axial direction at different charging rates

图16 不同幂律指数下的模拟结果

Fig.16 Simulation results with different power law exponents

图17 不同幂律指数下的模拟结果

Fig.17 Simulation results with different power law exponents

图18 不同稠度系数下的模拟结果

Fig.18 Simulation results with different consistency factors

图19 不同稠度系数下的模拟结果

Fig.19 Simulation results with different consistency factors

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Study on extrusion safety characteristics of parallel coaxial twin⁃screws for processing energetic materials

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