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啮合同向双螺杆捏合机转子型线演化设计及其混合性能研究

周东明  
【摘要】:啮合同向双螺杆捏合机在对物料输送、混合、塑化等方面的优点使得其在食品、化工、橡胶等领域得到广泛的应用。螺杆转子作为捏合机挤压混炼系统的核心部件,其构型直接影响所加工物料的剪切流动和拉伸流动,进而影响加工物料的混合作用及挤出制品的物理性能。本文着重研究同向双螺杆转子端面型线的设计理论。转子端面型线设计中包络法的引入,不仅解决了相对运动法的不足之处,还摆脱了常规同向螺纹元件设计的固有思想及固有端面组成曲线,拓展了非常规同向双螺杆转子型线设计的思路。基于共轭包络法,提出一种共轭啮合端面曲线生成方法——圆弧端面型线法。分别根据相对运动法和圆弧端面型线法,改变相关设计参数,对给定的初始端面型线进行演化设计。基于共轭包络法并结合泛函思想,研究了同向螺杆转子型线设计的新途径。运用数值模拟法对由新方法得到的几种端面型线得到的螺杆元件的混合性能进行比较。具体工作如下:(1)首先论述了课题研究背景及意义,并概述了国内外双螺杆捏合机发展现状以及性能研究现状,阐述了螺杆转子型线的研究现状。(2)从转子端面曲线的基本几何学着手研究,完善了由相对运动法生成端面曲线的推导过程,并指出常规螺纹转子设计中存在的限制。将包络法引入同向螺杆转子元件端面设计中,根据同向转子端面型线圆弧——共轭圆弧包络线的特性,提出了一种圆弧端面型线法,并分别根据相对运动法以及圆弧端面型线法,对给定的两种初始端面型线,改变相关设计参数,演化出多种转子端面型线。(3)将泛函分析思想应用到转子端面型线设计中,研究组成齿曲线由泰勒级数表示的涡旋线及其共轭包络线;对一种由泰勒级数表示的特殊涡旋线——圆弧,研究了其在半径大小、圆心位置、及转速比不同时对应的共轭包络线的类型;根据同向螺杆转子端而曲线及傅里叶级数特性,改变相应设计参数得到六种典型的由傅里叶级数表示的几种典型的端面型线,并研究了它们之间存在的演化关系。(4)对转于螺旋剐的几何特性,包括螺旋面、轴向截形、啮合线、面积利刖系数等相关公式进行了推导,研究了啮合线及端面利用系数对捏合机工作性能的影响。(5)针对由网弧端面型线法得到三种新型螺杆转子与常规双头螺纹进行瞬态流场数值模拟,分别从停留时间分布、分离尺度、剪切速率、拉伸速率等表征物料混合特性参数的角发,横向对这旧种螺杆转予的混合性能进行对比。


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