连续化双螺杆混合机混合均匀性调控研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.04.021

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (4): 142-148.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.04.021

连续化双螺杆混合机混合均匀性调控研究

蒋经纬¹, 刘振峰², 周国发¹()

^1.南昌大学资源环境与化工学院，南昌 330031
^2.宜春万申制药机械有限公司，江西宜春 336000

收稿日期:2021-11-21 出版日期:2022-04-26 发布日期:2022-04-24
通讯作者: 周国发（1962-），教授，主要从事聚合物成型技术与理论研究，ndzgf@163.com
E-mail:ndzgf@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(21464009)

Study on mixing uniformity regulation and control of continuous twin⁃screw mixer

JIANG Jingwei¹, LIU Zhenfeng², ZHOU Guofa¹()

^1.School of Resources，Environmental and Chemical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China
^2.Yichun Wanshen Pharmaceutical Machinery Co，Ltd，Yichun 336000，China

Received:2021-11-21 Online:2022-04-26 Published:2022-04-24
Contact: ZHOU Guofa E-mail:ndzgf@163.com

摘要/Abstract

摘要：

针对高分子复合材料粉体混合均匀性和工艺可重现性难以调控的行业共性技术瓶颈，模拟研究了粉体混合均匀性和工艺可重现性相对标准偏差（RSD）与入口粉体配方比的组分含量、粉体内聚特性和螺杆转速的协同演化规律。结果表明，RSD与组分含量、螺杆转速呈现负关联关系，而与粉体内聚能量密度呈现正关联关系，可以通过提高螺杆转速强化超细超低组分含量的内聚粉体混合均匀性与工艺可重现性；在组分含量低于5 %，能量密度小于30 000 J/m³的条件下，将螺杆转速提高至1 600 r/min，可以实现其混合均匀性和工艺可重现性的调控，使其满足RSD不超过5 %的技术指标要求。并研究构建了RSD与螺杆转速的协同耦合关联控制回归模型，以此提出了通过转速传感器、变频驱动电机和协同耦合关联控制回归模型，实现超细超低含量内聚粉体混合均匀性和混合工艺可重现性的实时在线模型预测控制，为解决行业共性技术瓶颈奠定基础。

关键词: 连续混合, 双螺杆, 均匀性, 调控机理, 模拟

Abstract:

Aiming at the industry common technical bottleneck in the control of the mixing uniformity and process reproducibility of polymer composites， the synergetic evolution law of the standard relative deviation （RSD） of powder mixing uniformity and process reproducibility with the inlet powder formula ratio， powder cohesive characteristics， and screw speed was simulated， The results indicated that the RSD was negatively correlated with the component content and screw speed， and it had a positive correlation with powder cohesive energy density. The mixing uniformity and process reproducibility of cohesive powders with an ultrafine particle size and an ultralow component content could be enhanced by increasing the screw speed. When the component content was less than 5 % and the energy density was less than 30 000 J/m³， the regulation of mixing uniformity and process reproducibility could be realized by increasing the screw speed up to 1 600 r/min. This can meet the requirement of technical index with a RSD less than 5 %. A regression model for the collaborative coupling correlation control between RSD and screw speed was constructed on the basis of this condition. The real?time online model predictive control of mixing uniformity and process reproducibility in the cohesive powder mixing process at an ultrafine particle size and an ultralow content could be realized by using a speed sensor， a variable frequency drive motor together with the collaborative coupling correlation control regression model. These results provided a technical support for solving the common technical bottleneck in the processing industry of polymer composites.

Key words: continuous mixing, twin screw, uniformity, regulation mechanism, simulation

中图分类号:

TQ320.66⁺3

蒋经纬, 刘振峰, 周国发. 连续化双螺杆混合机混合均匀性调控研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 142-148.

JIANG Jingwei, LIU Zhenfeng, ZHOU Guofa. Study on mixing uniformity regulation and control of continuous twin⁃screw mixer[J]. China Plastics, 2022, 36(4): 142-148.

图/表 15

图1 连续化双螺杆混合机三维模型

Fig.1 3D model of continuous twin screw mixer

螺杆长度/

表1 模型尺寸

Tab.1 Model dimensions

材料	直径/mm	密度/kg•m^-³	泊松比	剪切模量/GPa	恢复系数	静摩擦因数	动摩擦因数
A粉体	1.0	450	0.25	2.0×10⁶	0.5	0.5	0.01
B粉体	0.2	3 140	0.25	2.0×10⁶	0.5	0.5	0.01

表2 粉体物性参数

Tab.2 Physical parameters of powder

图2 组分分布、均匀性与配方组分含量的关系

Fig.2 Relationship between component distribution， uniformity and formula component content

图3 基于组分含量的RSD与时间的关系曲线

Fig.3 RSD versus time curves based on component content

图4 RSD与配方B组分含量的关联曲线

Fig.4 RSD versus formula B component content curve

图5 组分分布、均匀性与螺杆转速的关系

Fig5 Relationship between component distribution， uniformity and screw speed

图6 基于螺杆转速影响的RSD与时间关系曲线

Fig.6 RSD versus time curves based on the influence of screen speed

图7 RSD与螺杆转速的关系曲线

Fig.7 RSD versus screen speed curve

图8 B组分含量与时间的关联曲线

Fig.8 B component content versus time curve

材料	直径/mm	密度/kg • m^-³	泊松比	剪切模量/GPa	恢复系数	静摩擦因数	动摩擦因数
C粉体	1	800	0.25	2.0×10⁶	0.5	0.5	0.01
D粉体	1	500	0.25	2.0×10⁶	0.5	0.5	0.01

表3 内聚粉体物性参数

Tab.3 Physical parameters of cohesive powder

图9 组分分布、均匀性与能量密度的关系

Fig.9 Relationship between component distribution， uniformity and energy density

图10 基于能量密度影响的RSD与时间关系曲线

Fig.10 RSD versus time curve based on the influence of energy density

图11 均匀性RSD与能量密度的关联曲线

Fig.11 Correlation curves between uniformity RSD and energy density

图12 内聚粉体组分含量与时间的关联曲线

Fig.12 Correlation curve between cohesive powder component content and time

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