發(fā)表時(shí)間： 2026-01-05 16:30:00
作者： 石油化工設(shè)備維護(hù)與檢修網(wǎng)
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大型雙螺桿擠壓造粒裝置的螺桿組合不僅要適應(yīng)較寬熔體流動(dòng)速率范圍的物料的塑化造粒，而且還要保證能在超大扭矩下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。與此同時(shí)，螺桿組合會(huì)對(duì)擠出裝置的混煉效果 、能耗和脫揮能力具有較大影響。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)的研究人員開展了大量有關(guān)于螺桿組合分析方面的工作。在螺桿組合實(shí)驗(yàn)研究方面，針對(duì)特定物料體系的螺桿組合分析已經(jīng)表現(xiàn)出非常顯著的解決問(wèn)題的能力。在螺桿元件性能仿真方面，相關(guān)研究能夠從速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和剪切場(chǎng)等角度揭示和對(duì)比雙螺桿元件的加工性能。研究結(jié)果還延伸到基于統(tǒng)計(jì)算法的混合指數(shù)、分離尺度、分布指數(shù)以及剪切應(yīng)力等量化指標(biāo) 。由于仿真計(jì)算中存在物料完全充滿螺槽的基本假設(shè)，因此所得結(jié)果與螺桿實(shí)際工作狀態(tài)存在較大偏差。
在螺桿組合仿真分析方面，雖然國(guó)際上法國(guó) SCC 公司、CEMEF 研究中心及 INRA 研究院聯(lián)合開發(fā)的 Ludovic 軟件已經(jīng)在較多領(lǐng)域中開展螺桿組合分析，但是并未見有關(guān)該軟件內(nèi)部算法的相關(guān)報(bào)道。筆者課題組早期的研究中在流場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，基于流量平衡算法揭示了螺桿組合內(nèi)的填充度分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步介紹了螺桿組合分析流程，并對(duì)一種用于 PE 造粒的 φ380 大型雙螺桿擠壓造粒機(jī)組進(jìn)行了螺桿組合分析。本文相關(guān)研究?jī)?nèi)容為建立系統(tǒng)性螺桿組合分析算法提供了有效的理論支撐。
螺桿組合分析算法
螺桿元件工作性能數(shù)據(jù)庫(kù)
螺桿元件的工作性能數(shù)據(jù)庫(kù)是進(jìn)行螺桿組合分析的基礎(chǔ)。本文利用數(shù)值計(jì)算方法建立了螺桿元件工作性能數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋了各螺桿元件在不同的轉(zhuǎn)速、出入口壓差以及機(jī)筒溫度等工藝參數(shù)條件下的一系列性能參數(shù)，具體包括螺桿區(qū)域內(nèi)的耗散功率、平均剪切應(yīng)力、物料平均停留時(shí)間、螺桿元件的輸送產(chǎn)能、左右螺桿元件所承受的物料反作用載荷以及流場(chǎng)內(nèi)平均剪切應(yīng)力等。
組合分析算法基本假設(shè)
本文所提出的螺桿組合分析算法基于以下基本假設(shè):
(1) 螺桿元件內(nèi)物料溫度與對(duì)應(yīng)機(jī)筒實(shí)際溫度一致。元件內(nèi)的流場(chǎng)計(jì)算是基于等溫模型開展的，溫度差異僅僅表現(xiàn)為仿真計(jì)算中本構(gòu)方程參數(shù)的取值。忽略黏性耗散生熱對(duì)物料溫度的影響。
(2) 螺桿處理熔融態(tài)物料。加料段及熔融段均以熔融態(tài)進(jìn)行評(píng)估。
(3)部分充滿元件內(nèi)物料填充狀態(tài)包含充滿段和非充滿段，充滿段與非充滿段之間無(wú)過(guò)渡狀態(tài)。非充滿段填充度表示為預(yù)期產(chǎn)能與元件出入口壓差為 0 時(shí)對(duì)應(yīng)流量的比值。元件內(nèi)的實(shí)際充滿長(zhǎng)度不影響該元件單位長(zhǎng)度的建壓能力。部分充滿段長(zhǎng)度的占比由工況給定的元件出口壓力與工況給定流量對(duì)應(yīng)壓力相除所得。
螺桿組合分析流程
在如圖 1 所示的螺桿組合分析流程中，輸入工藝參數(shù)包括元件對(duì)應(yīng)的機(jī)筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、元件出口處壓力與機(jī)組預(yù)期產(chǎn)能。首先根據(jù)元件在給定工況下的輸送特性，將元件區(qū)分為建壓型或阻尼型。具體而言，當(dāng)螺桿的期望產(chǎn)能大于元件在給定工況下的輸送能力時(shí)，則說(shuō)明需要在該元件入口補(bǔ)壓才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期產(chǎn)能，此時(shí)該元件按阻尼型處理；反之，則按照建壓型處理。在區(qū)分建壓型元件和阻尼型元件的基礎(chǔ)上，根據(jù)元件的填充狀態(tài)，來(lái)選擇不同方法來(lái)計(jì)算元件的特征指標(biāo)。由圖可知，建壓型元件在出口背壓大于 0 時(shí)處于部分充滿狀態(tài)，出口背壓等于 0 時(shí)處于全部非充滿狀態(tài)；阻尼型元件始終處于完全充滿狀態(tài)。
部分充滿狀態(tài)下，物料在元件內(nèi)形成充滿段和非充滿段。充滿段所占比例可表示為元件出口壓力Pout與螺桿輸送特性曲線中預(yù)期產(chǎn)能Qw所對(duì)應(yīng)壓力Pw的比值。即，充滿段長(zhǎng)度Lf可表示為:
圖1 螺桿組合分析流程
其中，L 為元件長(zhǎng)度。非充滿段長(zhǎng)度LP可表示為：
此狀態(tài)下，該元件的填充度 η 可以表示為：
其中，元件非充滿段的填充度ηp可表示為期望產(chǎn)能Qw與元件充滿且出入口零壓差時(shí)的輸送產(chǎn)能Q0的比值。當(dāng)前填充狀態(tài)下整個(gè)元件的耗散功率 D 可表示為:
其中，Dw為整個(gè)元件處于Pw出口壓力 (入口壓力為 0) 時(shí)的耗散功率，D0為整個(gè)元件處于零出入口壓力差下的耗散功率；同樣地，元件所受徑向力Fr、軸向力Fz、扭矩Mz、剪切應(yīng)力水平τ也可以進(jìn)行類似計(jì)算。此外，物料在該元件內(nèi)的停留時(shí)間 t 可表示為:
其中，V 代表機(jī)筒內(nèi)左右兩螺桿元件所形成的有效容積，m3；Q 為Qw所對(duì)應(yīng)的體積流率，m3/s。元件在部分充滿狀態(tài)下的累積剪切歷程T可表示為:
值得注意的是，處于完全充滿狀態(tài)的元件和處于全部非充滿狀態(tài)的元件是處于部分充滿狀態(tài)元件的特例。當(dāng)元件處于完全充滿狀態(tài)時(shí)Lf=L，Lp=0；當(dāng)元件處于全部非充滿狀態(tài)時(shí)Lf=0，Lp=L。
在給定工況下進(jìn)行螺桿組合分析時(shí)，以最下游出口處元件為起點(diǎn)，其出口壓力即擠出機(jī)出口設(shè)定壓力(Psout)。下游元件分析完成后，以其入口壓力作為上游相鄰元件出口壓力，再次執(zhí)行元件分析，直至最上游起點(diǎn)處元件為止。整合全部元件結(jié)果即得螺桿組合分析結(jié)果。
螺桿組合的綜合性能指標(biāo)
為全面評(píng)估螺桿組合的綜合性能，本算法還引入了總耗散功率Dt、總軸向力Fz1、總軸向扭矩Mzt、總累計(jì)剪切歷程γt、總停留時(shí)間 τ 和總功率Pt等指標(biāo)。其中，總耗散功率 D 可表示為全部元件耗散功率之和:
其中，Di為第 i 個(gè)元件的耗散功率，m 為組合中元件總數(shù)。總軸向力Fzt、總軸向扭矩Mzt、總停留時(shí)間 τ 和總累計(jì)剪切歷程γt也滿足上述關(guān)系。螺桿組合的總功率Pt包括驅(qū)動(dòng)功率和耗散功率兩部分，可表示為:
其中，n 為螺桿轉(zhuǎn)速 (r/min)。上述綜合性指標(biāo)中，總耗散功率的單位為 W；總軸向力的單位為 N；總扭矩的單位為 N?m；總功率的單位為 kW；總累積剪切歷程的單位為 Pa?s。比能耗可定義為每加工 1 kg 物料所消耗的電量，可表示為:
其中，Qw的單位為t/h。需要特別指出的是，在擠出裝置處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，總功率和比能耗同時(shí)也是用以驗(yàn)證分析結(jié)果可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)。
螺桿組合與典型工況
為明確算法分析能力，本文將其應(yīng)用于 PE 造粒的 ?380 大型雙螺桿擠壓造粒機(jī)組。該機(jī)組螺桿全長(zhǎng) 8740 mm，中心距 316 mm，共計(jì)包含 38 個(gè)元件。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖 2 所示，其中雙頭螺紋元件、單頭螺紋元件和均化元件分別以 S、D 和 SME 開頭，其后 3 個(gè)數(shù)據(jù)分別表示元件導(dǎo)程、長(zhǎng)度和直徑。嚙合盤元件以 K 開頭，其后 3 個(gè)數(shù)據(jù)分別表示錯(cuò)列角、片數(shù)和厚度，末尾符號(hào) L 只有左旋元件才會(huì)標(biāo)記；齒形盤元件、間隔環(huán)元件和單雙頭元件之間的過(guò)渡元件分別以 TME、R 和 GDP 開頭，隨后的數(shù)字表示元件的厚度。在 TME90 元件的上下游分別安裝有 R30 和 R25 間隔環(huán)元件 (圖中未給出名稱注釋)。
圖2 380雙螺桿造粒機(jī)組螺桿和機(jī)筒組合
此外，圖 2 中元件溫度為對(duì)應(yīng)機(jī)筒溫度，所屬機(jī)筒按元件中點(diǎn)位置判定。加料段元件按照 200℃處理。機(jī)組螺桿高、低速檔轉(zhuǎn)速分別為 260、220 r/min，出口背壓取值 2~10 MPa，生產(chǎn)能力 40~80 t/h，加工 7042 牌號(hào) PE 物料。該物料密度為0.924t/m3，流變特性符合 bird‐carreau 本構(gòu)模型:
式中所涉及流變參數(shù)，在 200℃時(shí)，無(wú)窮大剪切速率黏度μ∞=18.0Pa?s、零切黏度μ0=897.36Pa?s、松弛時(shí)間λ=0.0042s、冪律指數(shù)n=0.1629；220℃時(shí)，μ∞=13.0Pa?s、μ0=762.03Pa?s、λ=0.0042s和n=0.2276。
結(jié)果與討論
壓力及填充度分布
圖 3 給出了機(jī)組在預(yù)期產(chǎn)能 60 t/h、螺桿轉(zhuǎn)速 220 r/min 時(shí)，不同出口背壓下的物料壓力分布情況。可以看出，物料只在螺桿擠出段和各混煉段阻尼元件位置出現(xiàn)了局部壓力峰值。
圖3 壓力分布（n=220 r/min，Q=60 t/h，Psout=2~10 MPa）
其中，混煉段位置出現(xiàn)的壓力峰值是由捏合盤元件的阻尼導(dǎo)致的，在阻尼作用下該區(qū)域物料會(huì)堆積并建壓，從而形成充滿段；擠出段的壓力峰值則與螺桿出口背壓大小密切相關(guān)，出口背壓越大，出口處所需要形成的充滿段越長(zhǎng)，相對(duì)應(yīng)的壓力峰值也就越大。
如圖 4 所示，壓力分布與填充度分布密切相關(guān)，這是因?yàn)楫a(chǎn)生壓力峰值的充滿段與填充度分布相對(duì)應(yīng)，只有完全充滿的位置才會(huì)表現(xiàn)出局部壓力峰值。
圖4 填充度分布（n=220 r/min，Q=60 t/h，Psout=2 MPa和10 MPa）
螺桿剪切塑化能力
螺桿剪切塑化能力的評(píng)價(jià)涉及物料在螺桿內(nèi)的停留時(shí)間和累積剪切歷程兩個(gè)指標(biāo)。其中，停留時(shí)間代表了物料在螺桿內(nèi)接受加工的時(shí)間長(zhǎng)短，累積剪切歷程代表物料在螺桿內(nèi)所經(jīng)歷的總剪切作用程度。
停留時(shí)間
圖 5 給出了機(jī)組在出口背壓為 3 MPa、螺桿轉(zhuǎn)速 220 r/min 時(shí)，不同預(yù)期產(chǎn)能下的物料停留時(shí)間分布。如圖所示，隨著的輸送產(chǎn)能增加，物料在螺桿內(nèi)停留時(shí)間不斷降低，這與文獻(xiàn)結(jié)論相符。圖 5 可以看出，第一混煉段是物料沿程停留時(shí)間最長(zhǎng)處，這與實(shí)際生產(chǎn)情況一致。算法分析結(jié)果表明，在非充滿元件及部分充滿元件非充滿段內(nèi)，物料停留時(shí)間與輸送產(chǎn)能無(wú)關(guān)；完全充滿元件及部分充滿元件充滿段內(nèi)，物料停留時(shí)間與螺桿輸送產(chǎn)能成反比。
圖5 停留時(shí)間分布（n=220 r/min，Psout=3 MPa，Q=40~80 t/h）
剪切應(yīng)力水平及累積剪切歷程
圖 6 給出了機(jī)組在出口背壓為 3 MPa、螺桿轉(zhuǎn)速 220 r/min 時(shí)，40 t/h 與 80 t/h 輸送產(chǎn)能下的物料剪切應(yīng)力分布。如圖 6 所示，第一混煉段的嚙合盤并未表現(xiàn)出較高的剪切應(yīng)力，這歸因于其 3 頭減徑非自清的幾何結(jié)構(gòu)。此外，組合中螺紋元件處于完全充滿狀態(tài)時(shí)，表現(xiàn)出較高的剪切應(yīng)力。值得注意的是，如果物料在高剪切元件位置的停留時(shí)間短，可能會(huì)導(dǎo)致元件的剪切能力無(wú)法充分施加于物料之上。鑒于此，圖 7 給出了相同工況下的累積剪切歷程分布。可以看出，在第一混煉段位置，停留時(shí)間對(duì)局部元件的剪切應(yīng)力水平起到了放大作用。所以即使元件的剪切應(yīng)力水平較低，物料也可能歷經(jīng)較高的累積剪切歷程。
圖6 剪切應(yīng)力水平分布（n=220 r/min，Psout=3 MPa，Q=40 t/h和80t/h）
螺桿承受物料反作用載荷
螺桿承受物料反作用載荷主要表現(xiàn)在徑向力、軸向力和扭矩 3 個(gè)方面。下面的分析結(jié)果以左螺桿所受載荷為例進(jìn)行闡述。
圖7 累積剪切歷程分布（n=220 r/min，Psout=3 MPa，Q=40 t/h和80t/h）
徑向力
圖 8 給出了螺桿徑向力的分布情況。圖中的折線僅能體現(xiàn)螺桿徑向力的大小，無(wú)法對(duì)其方向進(jìn)行描述。由圖可知，當(dāng)螺桿出口壓力為 10 MPa 時(shí)，相較于 2 MPa 的情況，單頭元件位置處呈現(xiàn)出明顯的徑向力載荷，這種載荷有助于物料將螺桿托起，從而防止掃膛現(xiàn)象。
圖8 左螺桿徑向力分布（n=220 r/min，Q=60 t/h，Psout=2MPa和10 MPa）
軸向力
圖 9 給出了螺桿軸向力的分布情況。可以看出，阻尼型元件位置的軸向力方向與擠出方向一致，而建壓型元件處的軸向力載荷方向則與擠出方向相反。此外，當(dāng)螺桿出口壓力為 2 MPa 時(shí)，左螺桿總軸向力為 116652 N；當(dāng)螺桿出口壓力為 10 MPa 時(shí)，左螺桿總軸向力為 259987 N，以上結(jié)果表明螺桿出口壓力對(duì)總軸向力有著顯著影響。
扭矩
圖 10 給出了螺桿扭矩載荷分布情況。對(duì)照?qǐng)D 4 中的填充度可知，螺桿元件填充度高的位置，其局部扭矩載荷也較高。在圖 15 中，當(dāng)螺桿出口壓力為 2 MPa 時(shí)，左螺桿總扭矩為 73826 N?m；當(dāng)螺桿出口壓力為 10 MPa 時(shí)，左螺桿總扭矩為 84587 N?m。上述反作用載荷在工藝參數(shù)發(fā)生變動(dòng)時(shí)所呈現(xiàn)出的變化趨勢(shì)，與相關(guān)文獻(xiàn)中的結(jié)果是相符的。
圖9 左螺桿軸向力分布（n=220 r/min，Q=60 t/h，Psout=2MPa和10 MPa）
圖10 左螺桿扭矩分布（n=220 r/min，Q=60 t/h，Psout=2 MPa和10 MPa）
螺桿運(yùn)行功率和比能耗
總功率由螺桿驅(qū)動(dòng)功率和耗散功率兩部分構(gòu)成。圖 11 給出了螺桿出口背壓、輸送產(chǎn)能以及螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)總功率的影響情況。可以看出，耗散功率占總功率比例相對(duì)穩(wěn)定，在 30.5%~30.8% 區(qū)間。圖 12 展示了各工況對(duì)應(yīng)的比能耗數(shù)據(jù)。其中，隨著螺桿出口背壓增大，比能耗呈上升趨勢(shì)；隨著輸送產(chǎn)能提高，比能耗數(shù)值下降；在低速檔時(shí)，能夠獲得較低的比能耗。
圖11 輸送產(chǎn)能和螺桿出口背壓對(duì)總功率的影響
在當(dāng)前研究工況范圍內(nèi)，經(jīng)算法分析得到的總功率在 8000~12000 kW 之間，這與在役 380 機(jī)組的主流配置電機(jī)功率 (10000~13500 kW) 基本匹配。同時(shí)，加工 7042 物料的比能耗處于 0.125~0.25 kWh/kg 范圍，與該機(jī)組加工 7042 物料時(shí)的實(shí)際比能耗數(shù)據(jù)基本相符。
圖12 輸送產(chǎn)能和螺桿出口背壓對(duì)比能耗的影響
螺桿出口背壓、輸送產(chǎn)能以及螺桿轉(zhuǎn)速的增加均會(huì)造成總功率的提升；降低螺桿出口背壓、降低螺桿轉(zhuǎn)速和提升輸送產(chǎn)能，有利于降低比能耗。算法分析表明加工 7042 物料時(shí)總功率在 8000~12000 kW 范圍內(nèi)，比能耗在 0.125~0.25 kW?h/kg 范圍內(nèi)，上述結(jié)構(gòu)均與在役 380 大型擠壓造粒機(jī)組的相關(guān)數(shù)據(jù)相匹配。
結(jié)論
(1) 壓力分布與填充度分布相對(duì)應(yīng)。只有處于完全充滿狀的位置，才能夠表現(xiàn)出一定的壓力。
(2) 輸送產(chǎn)能的增加、螺桿轉(zhuǎn)速的降低以及螺桿出口背壓的降低都會(huì)造成物料的累積剪切歷程降低。
(3)處于完全充滿狀態(tài)下的螺紋元件產(chǎn)生了較為顯著的徑向力、軸向力和扭矩載荷。徑向力方面，在螺桿擠出段使用單頭螺紋元件有利于防止螺桿掃膛，減少螺桿磨損。當(dāng)前組合中，建壓元件表現(xiàn)出與擠出方向相反的軸向力，而阻尼元件則表現(xiàn)出與擠出方向一致的軸向力。螺桿內(nèi)總軸向力、總扭矩隨著輸送產(chǎn)能、螺桿出口背壓和螺桿轉(zhuǎn)速的增加而增大。
(4) 螺桿出口背壓、輸送產(chǎn)能以及螺桿轉(zhuǎn)速的增加均會(huì)造成總功率的提升；降低螺桿出口背壓、降低螺桿轉(zhuǎn)速和提升輸送產(chǎn)能，有利于降低比能耗。算法分析表明加工7042物料時(shí)總功率在8 000~12 000 kW范圍內(nèi)，比能耗在 0. 125~0. 25 kW·h/kg 范圍內(nèi)，上述結(jié)構(gòu)均與在役380大型擠壓造粒機(jī)組的相關(guān)數(shù)據(jù)相匹配。
來(lái)源：《大型雙螺桿擠壓造粒機(jī)組螺桿組合分析算法及應(yīng)用》畢超，趙沖，鄔明均，嵇耀，滕祖榮，左仕博，殷德舉
