异向双螺杆挤出机螺杆开槽仿真分析

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.12.013

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (12): 79-84.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.12.013

异向双螺杆挤出机螺杆开槽仿真分析

孙晨昊¹^,², 黄志刚¹^,², 吴运涛¹^,², 刘子豪¹

^1.北京工商大学计算机与人工智能学院，北京 100048
^2.塑料卫生与安全质量评价技术北京市重点实验室，北京 100048

收稿日期:2024-10-28 出版日期:2025-12-26 发布日期:2025-12-22
通讯作者: 黄志刚（1966—），男，教授，从事食品包装机械与材料改性，huangzg@btbu. edu. cn
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(32172277)

Simulation and analysis of slotted screws with different⁃direction configurations in counter⁃rotating twin⁃screw extruders

SUN Chenhao¹^,², HUANG Zhigang¹^,², WU Yuntao¹^,², LIU Zihao¹

^1.School of Computer and Artificial Intelligence，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China
^2.Beijing Key Laboratory of Plastics Hygiene and Safety Quality Evaluation Technology，Beijing 100048，China

Received:2024-10-28 Online:2025-12-26 Published:2025-12-22
Contact: HUANG Zhigang

摘要/Abstract

摘要：

以聚乳酸（PLA）为例，研究螺杆开槽对异向双螺杆流道分布规律的影响。以标准的异向双螺杆挤出机作为对照组，研究异向双螺杆挤出机螺杆开槽数量对于挤出特性的影响。将螺杆和流道的几何模型分网后，使用Polyflow流体仿真软件进行模拟，仿真过程中添加示踪粒子并对其运动状态进行研究。结果表明，在螺杆以60 r/min的条件下，由于物料在开槽处堆积，开槽螺杆的建压能力要优于标准螺杆，随着开槽数目增加，挤出机建压能力减弱，其次螺杆开槽增加了在C型室中物料的不规则流动与停留时间，改善了异向双螺杆挤出机的轴向混合性能和混合均匀性，但是由于结构变得复杂，导致螺杆的自清洁能力下降，综合来看，聚乳酸在开三槽的螺杆中挤出效果最好。

关键词: 异向双螺杆, 螺杆开槽, 数值模拟, 分布均匀性, 混合特性

Abstract:

This study investigates the influence of axial screw slotting on the flow patterns within counter⁃rotating twin⁃screw extruders， using polylactic acid （PLA） as the model material. A standard counter⁃rotating twin⁃screw extruder served as the control. The geometric models of the screw and flow channel were meshed and simulated using the Polyflow fluid dynamics software. Tracer particles were introduced to analyze fluid motion. Results indicated that at a screw speed of 60 rpm， a slotted screw configuration enhanced pressure buildup compared to the standard screw， attributable to material accumulation within the slots. However， this pressure⁃building capability weakened as the number of slots increased. Furthermore， the slots promoted irregular flow and extended the material residence time within the C⁃shaped chambers， thereby improving axial mixing and homogeneity. A drawback was the reduction in the screw's self⁃cleaning performance due to the increased structural complexity. Overall， the three⁃slot screw configuration yielded the optimal extrusion performance for PLA.

Key words: opposite?direction twin screw, screw slotting, numerical simulation, distribution uniformity, mixing characteristics

中图分类号:

TQ320.66⁺3

孙晨昊, 黄志刚, 吴运涛, 刘子豪. 异向双螺杆挤出机螺杆开槽仿真分析[J]. 中国塑料, 2025, 39(12): 79-84.

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图/表 18

名称	长度/mm	内径/mm	外径/mm	中心距/mm	螺棱角/°
BZ	30	14	22	18.5	90

表1 螺杆元件几何参数

Tab.1 Geometric parameters of screw components

图1 理论端面曲线

Fig.1 Theoretical end face curve

图2 螺杆元件三维模型（BZ）

Fig.2 Three⁃dimensional model of screw element

图3 螺杆元件三维模型

Fig.3 Three⁃dimensional model of screw element

内径/mm	外径/mm	长度/mm	中心距/mm
14	22.5	30	20

表2 流道部件建模参数

Tab.2 Runner assembly modeling parameters

图4 流道部件三维模型

Fig.4 Three⁃dimensional model of flow channel

图5 螺杆元件与流道的有限元分网模型

Fig.5 Finite element model of screw element and flow channel

图6 压力参考轴线示意图

Fig.6 Schematic diagram of pressure reference axis

图7 两种螺杆的压力云图

Fig.7 Pressure cloud image of four kinds of screw

图8 轴向压力折线图

Fig.8 Axial pressure line diagram

图9 累计停留时间分布曲线

Fig.9 Cumulative residence time distribution curve

图10 停留时间分布曲线

Fig.10 Residence time distribution curve

图11 分布指数曲线

Fig.11 Distribution exponential curve

图12 示踪粒子混合图

Fig.12 Mixing diagram of tracer particles

时间切片序列	双螺杆模型
时间切片序列	BZ	KC3	KC4	KC6
Slice 0	2 000	2 000	2 000	2 000
Slice 1	1 574	1 553	1 565	1 573
Slice 2	1 559	1 532	1 549	1 558
Slice 5	1 528	1 491	1 516	1 513
Slice 10	1 464	1 422	1 422	1 441
Slice 20	1 400	1 342	1 356	1 354
Slice 30	1 345	1 301	1 304	1 300
Slice 45	1 332	1 270	1 281	1 269
Slice 60	1 319	1 252	1 268	1 242

表3 各螺杆示踪粒子分布情况

Tab.3 Distribution of particles tracked by each screw

图13 分离尺度曲线

Fig.13 Separation scale curve

图14 冲击实验数据图

Fig.14 Diagram of impact experiment data

图15 拉伸实验数据图

Fig.15 Diagram of Tensile test data

参考文献 17

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Simulation and analysis of slotted screws with different⁃direction configurations in counter⁃rotating twin⁃screw extruders

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