چگونه از مینی کامپیوتر به مین فریم برویم؟ پیشرفت تحقیق در مورد تئوری تقویت مشابه اکسترودرهای پیچ

اکسترودر پیچ پیوسته دارای درجه بالایی از انعطاف پذیری و اتوماسیون است. استفاده از پردازش اکستروژن در طول پردازش پلیمر می تواند به طور موثر هزینه های پردازش را کاهش دهد، کارایی تولید را بهبود بخشد و انتشار زباله را کاهش دهد.

اگرچه اکسترودرهای موجود می توانند با ذوب و اختلاط فعلی مواد در پیچ کنار بیایند، اما با افزایش درجه صنعتی شدن، راندمان خروجی پایین آنها دیگر نمی تواند نیازهای صنعت آینده را برآورده کند. به منظور بهبود بیشتر راندمان پردازش پلیمرها، طراحی اکسترودرهای مقیاس بزرگ ضروری است.

با این حال، اگر به طور مستقیم تجهیزات در مقیاس بزرگ را طراحی کنید، به دلیل تجربه ناکافی طراحی با مشکلاتی مانند هدر رفتن منابع مواجه خواهید شد. بنابراین، تحقیقات نظری افزایش مقیاس در مورد تجهیزات اکستروژن پیچ اهمیت ویژه ای پیدا کرده است.

نظریه تقویت تشابه یک گروه اعداد بدون بعد است که پارامترهای مربوط به یک پدیده خاص در سیستم را نشان می دهد. هنگامی که پدیده ها در دو سیستم مشابه هستند، شباهت خاصی بین پارامترهای مربوطه نیز وجود دارد. این شباهت می تواند یک گروه Number بدون بعد را تشکیل دهد، یعنی معیار شباهت یک مقدار ثابت است. با شروع از قضیه تشابه، به کارگیری نتایج تجربی به دست آمده در تجهیزات در مقیاس کوچک برای تجهیزات تولید در مقیاس بزرگ می تواند اطمینان حاصل کند که گروه های بدون بعد تولید شده در تجهیزات مقیاس کوچک و مقیاس بزرگ برابر هستند و در نتیجه اشکال بی بعدی راه حل ها را برای انواع مختلف حفظ می کند. معادلات سازگار تغییر دهید. برای طراحی ساختار پیچ اکسترودرهای دو مارپیچ بزرگ، می توان از نظریه تقویت مشابه اکسترودرها استفاده کرد. این نظریه می تواند از منظر تشابه هندسی شروع شود و از طریق مطالعه مدل سازی پارامتریک بستری برای طراحی فراهم کند. اتخاذ این روش طراحی می تواند از مدل سازی های مکرر جلوگیری کند، در زمان طراحی صرفه جویی کند و در نتیجه راندمان تولید و کیفیت تولید را بهبود بخشد.

در سال های اخیر، تحقیق در مورد ساختار اکسترودرهای کوچک به طور گسترده مورد بحث قرار گرفته است، اما تحقیقات در مورد اکسترودرهای بزرگ هنوز در مرحله اکتشافی است. از طریق تحقیقات عمیق در مورد پارامترهای هندسی و تقویت شاخص عملکرد مدل تجربی، می‌تواند مبنایی نظری برای توسعه اکسترودرهای پیچ در مقیاس بزرگ فراهم کند و در نتیجه کیفیت طراحی و میزان موفقیت را بهبود بخشد. هدف این مقاله معرفی کار و پیشرفت فعلی در این زمینه از تئوری تقویت مشابه قابل اجرا در اکسترودرهای دو مارپیچ است.

تئوری تقویت مشابه اکسترودر دو پیچ

اکسترودرهای دو مارپیچ عملکرد اختلاط بهتری نسبت به اکسترودرهای تک پیچ دارند. پس از تحقیقات علمی بر روی تئوری های تقویت مشابه اکسترودرهای تک پیچ، آن را به اکسترودرهای دو پیچی گسترش دادند. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، با فرض ثابت نگه داشتن زاویه مارپیچ (φ)، پیچ دوقلو باز می شود تا رابطه قطر بین پیچ دوقلو و تک پیچ، همانطور که در رابطه (1) نشان داده شده است، به دست آید. با نادیده گرفتن تأثیر ناحیه مش بندی (زاویه مش بندی ψ تقریباً 0 است)، امکان تقریب دو پیچ به یک پیچ بیشتر نشان داده می شود.

شکل 2 نمودار مشابه کانال جریان دو پیچ تقریبا معادل کانال جریان تک پیچ

اختلاط عملکرد و مطالعات ایمنی اکسترودرهای دو مارپیچ فاکتورهای مهمی برای طراحی موفق اکسترودر هستند. تعیین معیارهای تقویت برای پارامترهای کلیدی و بررسی اثرات تقویت شده بر اساس محاسبات عددی ضروری است. در یک اکسترودر دو مارپیچ، ماده دارای یک بخش نیمه پر و یک بخش کاملا پر است. تئوری‌های تقویت مشابهی که برای اکسترودرهای تک پیچ قابل اجرا هستند، برای اکسترودرهای دو مارپیچ با بخش‌های کاملاً پر قابل اجرا هستند. با این حال، با افزایش تقاضا برای اکسترودرهای اختلاط توزیع شده و اکسترودرهای دو مارپیچ غیر تبخیر، تئوری‌های افزایش مقیاس مشابه برای اکسترودرهای دو مارپیچ غیر مشبک که تا حدی ناحیه کانال را پر می‌کردند، پدیدار شد. از آنجایی که درجه پر شدن اکسترودر دو مارپیچ یک شاخص مهم برای ظرفیت انتقال پیچ است، معیار تقویت دو مارپیچ را می توان بر اساس درجات مختلف پر شدن کانال های جریان اکسترودر دو پیچه تقسیم بندی کرد.

01 تئوری تقویت مشابه پر شدن کامل کانال جریان

کانال جریان کاملاً پر است به این معنی که مواد به طور کامل در کانال جریان بدون هیچ شکافی پر شده است. محققان دریافتند که طول بخش کاملاً پر شده اکسترودر تأثیر قابل توجهی بر زمان ماندگاری و مصرف انرژی مذاب مواد اکسترود شده در اکسترودر دارد. هنگامی که کانال جریان به طور کامل پر شود، خواص مواد پایدارتر از زمانی است که پیچ به طور کامل پر نشده باشد. تنها زمانی که پیچ به طور کامل پر شود می توان ثبات، کیفیت و خروجی محصولات اکسترود شده را تضمین کرد. بنابراین، بحث های محققان فعلی در مورد تئوری مشابه اکسترودرهای دو مارپیچ اساساً فرض می کند که کانال جریان کاملاً پر شده است.

Li Ao یک مقایسه جامع از روش‌های تقویت مشابه برای پر کردن کامل کانال جریان انجام داد و پیشنهاد کرد که روش تقویت را بر روی یک اکسترودر تک پیچ به یک اکسترودر دو مارپیچ اعمال کند و یک پایه نظری برای تبدیل ماشین‌های بزرگ دو پیچه ایجاد کند. . برزین و همکاران اعتقاد بر این است که ضریب انتقال حرارت در یک اکسترودر کاملاً پر شده بسیار حیاتی است. با کاهش نسبت سطح به حجم با قطر، سرعت انتقال حرارت اکسترودر نیز کاهش می یابد. بنابراین، پیچ اغلب به عنوان آدیاباتیک در فرآیند محاسبات شبیه سازی تعریف می شود. حالت، با استفاده از دمای مذاب به عنوان یکی از معیارهای ارزیابی. از آنجایی که فرآیند اکستروژن با انتقال حرارت محدود می‌شود، رسیدن به دمای مذاب مورد نیاز در بخش تحویل مذاب آسان نیست. بنابراین، آزمایش‌ها و مدل‌سازی اضافی ممکن است در هنگام استفاده از تقویت انتقال حرارت مورد نیاز باشد. Matic یک مقایسه تجربی از روش‌های تقویت مشابه انتقال حرارت و روش‌های تقویت مشابه انرژی انجام داد و دریافت که دمای مذاب در ناحیه نیمه پر کمتر بوده و زمان ماند قبل و بعد از تقویت در منطقه کاملاً پر شده مشابه است، که نشان می‌دهد این دو روش‌های تقویت برای جریان‌های کاملاً پر شده مناسب‌تر هستند. در تونل، عملکرد اختلاط داخل اکسترودر در این زمان بهتر است. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، زمان ماند و توزیع دمای مذاب تحت فرآیندهای مختلف مورد بررسی قرار گرفت و مشخص شد که زمان ماند و دمای مذاب در کانال جریان کاملاً پر شده، روند تغییر یکسانی دارند و دمای مذاب تقویت شده و زمان ماند. گسترده تر شد که نشان می دهد کیفیت محصول تولید شده پس از تقویت مشابه با مدل مرجع است که مشکل تجزیه محصول تقویت شده را حل می کند. ناکاتانی معتقد بود که شاخص آدیاباتیک و شاخص غیر نیوتنی شرایط اکسترودر و خواص پلیمر را تعیین می کنند. او یک تقویت مشابه تعادل حرارتی را با استفاده از شاخص تقویت خروجی به عنوان متغیر اصلی پیشنهاد کرد و امکان‌سنجی این روش را از طریق دمای مذاب ثابت تأیید کرد.

شکل 3 مقایسه بین دمای مذاب و زمان ماند محلی قبل و بعد از افزایش مقیاس اکسترودر

اکسترودر دو مارپیچ عملکرد اختلاط خوبی دارد و پس از تقویت باید به اثر اختلاط مواد در اکسترودر دو مارپیچ توجه کرد. Qu Wenbin از روش تقویت تشابه اختلاط برای بزرگ کردن طراحی عناصر پیچ در بخش اختلاط اکسترودر استفاده کرد. او عملکرد اختلاط پیکربندی‌های مختلف پیچ را در کانال جریان کاملاً پر تحلیل کرد و ثابت کرد که تقویت اکسترودر پیچ بر اساس شباهت هندسی ساختار پیچ است. رفتار جنسی. چن پیشنهاد کرد که کیفیت اکسترود توسط پارامترهایی مانند پارامترهای هندسی، انرژی ویژه، توزیع زمان اقامت، دما و فشار تعیین می‌شود و این پارامترها توزیع اختلاط را در طول فرآیند اکستروژن تعیین می‌کنند. Juan امکان سنجی قوانین تقویت نسبت هندسی مشابه را با استفاده از اکسترودرهای دو مارپیچ با قطرهای مختلف توسعه داد و آزمایش کرد. او دریافت که پارامترهای فرآیند اساسی، سرعت جریان مواد و سرعت پیچ تأثیر بسیار کمی بر خواص مواد دارند، در حالی که پیکربندی پیچ تأثیر بیشتری دارد. تحقیقات فوق نشان می دهد که بر اساس تعیین پیکربندی پیچ، تقویت تشابه هندسی می تواند خروجی تولید کند و الزامات اختلاط ثابت را برآورده کند، اما تغییرات دمایی متفاوتی دارد. بنابراین، استفاده جامع از چندین روش تقویت مشابه می تواند مشکل را بهتر حل کند.

فرض استفاده جامع از چندین روش تقویت مشابه، تعیین شباهت هندسی پیکربندی پیچ و ترکیب لوله است. سپس بر اساس هدف تقویت خروجی در صنعت دو پیچ، تقویت حجمی مشابه انجام می شود و در نهایت سرعت پیچ ماشین کوچک به صورت معکوس محاسبه می شود تا ماشین بزرگ مشخص شود. سرعت پیچ، شبیه‌سازی میدان جریان برای قضاوت در مورد ایمنی تقویت و عملکرد اختلاط استفاده می‌شود. Dong Zhonghua یک تئوری تقویت را استخراج کرد که روش‌های تقویت چندگانه را با متعادل کردن زمینه‌های اختلاط و دما بین مواد، یعنی تعادل حرارتی جامع و اختلاط تقویت‌های مشابه ترکیب می‌کند و آن را در میکسرهای سری ZSK به کار برد. یو جین فنگ و همکاران برای انجام تحقیقات تقویتی روی بخش اندازه گیری اگزوز مختلط از سیستم اصلی، از روش تقویت مشابه هندسه 3 حجم برش استفاده کرد و ایمنی و عملکرد اختلاط مدل تقویت شده را بررسی کرد. علاوه بر این، بر اساس بزرگ شدن مشابه اکسترودرهای دو مارپیچ موازی، اکسترودرهای دو مارپیچ مخروطی نیز در این زمینه مورد بررسی و بحث قرار گرفته است. Langhorst شبیه‌سازی‌های مختلف و تقویت مشابهی را برای هر بخش عملکردی ساختار ویژه اکسترودر دو مارپیچ مخروطی ضد چرخش انجام داد. یین چینگژن پارامترهای مربوطه را به شکل ثابت های بدون بعد خلاصه کرد و بخش های عملکردی هر قسمت از اکسترودر دو پیچ مخروطی را طراحی و بزرگ کرد و شرایط را برای عملکرد پایدار اکسترودر بزرگ شده فراهم کرد. چن سیمنگ از روش ریز عنصر برای گسسته کردن اکسترودر دو پیچ مخروطی برای مواد پرانرژی استفاده کرد، تئوری های تقویت متناظر را برای بخش های عملکردی مختلف ایجاد کرد و اصلاحاتی را انجام داد. به طور خلاصه، روش تقویت مشابه معمولی می تواند پارامترهای خاصی از بخش های عملکردی مستقل را تقویت کند، اما هنوز هم کاستی هایی در تقویت کلی اکسترودر پیچ وجود دارد. روش تقویت مشابه بهینه شده را می توان برای ترکیب ویژگی های بخش های عملکردی مختلف به کار برد. تولید واقعی در عین حال، استفاده از طراحی آزمایشی متعامد برای متعادل کردن و ارزیابی همه‌جانبه پارامترهای مختلف در طول فرآیند تصحیح برای تأیید امکان‌سنجی تقویت مشابه و بهینه‌سازی سطح پارامتر مدل تقویت، یک روش تأیید مهم است.

02 تئوری تقویت تشابه پر شدن کانال جریان جزئی

در پردازش واقعی اکسترودر پیچ، ماده تنها می تواند بخشی از کانال جریان را پر کند، اما نمی تواند کل کانال جریان را به طور کامل پر کند. پیچیدگی فرآیند پر کردن کانال جریان جزئی بسیار بیشتر از جریان تک فاز است که کانال جریان به طور کامل پر شود. هنگامی که کانال جریان تا حدی پر شود، سرعت جریان و تنش برشی مذاب مواد افزایش می‌یابد و فرآیند اکستروژن را پیچیده‌تر می‌کند.

بر اساس ویژگی های پر کردن جزئی در بخش تحویل مذاب یک اکسترودر دو پیچه دوار، MEIJER عمق کانال، تقویت مشابه جریان آرام، و تقویت مشابه انتقال حرارت را در مورد پر شدن جزئی یا تغییر در ویسکوزیته مورد بحث قرار داد. در طول فرآیند اکستروژن (شرایط غیر همدما، غیر نیوتنی)، نشت جریان جدی وجود دارد. گانزولد خاطرنشان کرد که سرعت جریان نشتی با درجه پر شدن محفظه در منطقه تغذیه مرتبط است. در مورد پر شدن جزئی، با کاهش تعداد محفظه های کاملاً پر شده، سرعت جریان نشتی تحت تأثیر قرار می گیرد و شاخص تقویت تولید کاهش می یابد. فوکودا و همکاران آزمایش‌های جریان مقاومتی را بر روی عناصر انتقال دهنده و بلوک‌های ورز دهنده با بزرگ‌تر شدن متناسب انجام داد و تقویت مشابهی از درصد جریان مقاومت را برای تقویت نرخ جریان با ثابت نگه داشتن درصد جریان مقاومت عنصر مشخص شده پیشنهاد کرد.

از آنجایی که انواع روش‌های افزایش مقیاس مشابه برای پر کردن کامل اکسترودرهای پیچی پیشنهاد شده‌اند، بسیاری از محققین شروع به مطالعه کرده‌اند که آیا این روش‌ها در کانال‌های جریان نیمه پر قابل اجرا هستند یا خیر. Bigio و همکاران بر این باورند که اگر درجه پر شدن جزئی و سرعت اختلاط اکسترودر دو مارپیچ ثابت بماند، روش‌های افزایش مقیاس مشابهی که برای پر کردن کامل اعمال می‌شود برای کانال‌های نیمه پر به همان اندازه مؤثر خواهند بود. در مقیاس مشابهی که با فرض پر کردن کامل پیشنهاد شده است، هندسه پیچ تأثیر قابل توجهی بر اختلاط و جریان ایجاد شده در اکسترودر دو مارپیچ دارد. درایر و همکاران تئوری تقویت تشابه حجمی را زمانی که پیچ بیشتر پر شده است، پیشنهاد کرد. تقویت تشابه حجم فقط حجم آزاد کل طول پیچ را در نظر می گیرد و پری یکسان را حفظ می کند. با استفاده از نرخ جریان حجمی به‌عنوان یک متغیر واحد، شاخص پارامتر تقویت مشابه با پر کردن کامل است. روش تقویت تشابه مختلط مشابه است. هاسر ثابت کرد که تقویت فرآیند اکستروژن هندسه های مختلف را می توان بر اساس تقویت شباهت حجمی به دست آورد، و روند پارامترهای تقویت سازگار است. می‌توان نتیجه گرفت که روش‌های تقویت قابل اجرا برای پر کردن جزئی کانال‌های جریان اکسترودرهای دو مارپیچ عمدتاً از پر کردن کامل کانال‌های جریان ناشی می‌شوند. جدول 2 روش های تقویت مشابهی را نشان می دهد که معمولاً برای اکسترودرهای دو مارپیچ استفاده می شود.

جدول 2 ویژگی های روش های تقویت مشابه رایج برای پیچ های دوقلو

کاربرد

بر مبنای نظری، تعداد زیادی از محققین نظریه تقویت تشابه را در تولید واقعی به کار برده اند. پژوهش اولیه برای مقایسه روش های مختلف تقویت مشابه استفاده شد. چانگ تأییدهای آزمایشی را روی همان نوع اکسترودر تک پیچ برای تقویت تشابه جهانی، تقویت مشابه انتقال حرارت و تقویت تشابه هندسی انجام داد و دریافت که پس از شباهت هندسی، مدل مقیاس‌شده خروجی دارد. وانگ جیان پینگ از روش "قطر معادل" برای تجزیه و تحلیل سه روش تقویت مشابه در بخش انتقال مذاب در اکسترودر دو مارپیچ هم چرخش مش بندی استفاده کرد و از داده های فنی پیچ های دوقلو بزرگ برای به دست آوردن نتایجی استفاده کرد که مطابقت بیشتری با وضعیت واقعی

شکل 4(a)~(c) مقایسه خروجی، توان و سرعت را با داده های تجربی تحت روش های مختلف تقویت نشان می دهد. مشخص شد که روند داده‌های روش تقویت مشابه مدوک به داده‌های تجربی نزدیک‌تر است. بر اساس بسیاری از روش‌های موجود، تیم نستاج یک سیستم بهینه‌سازی کامپیوتری اکستروژن جدید را برای بهینه‌سازی فرآیند بر اساس یک مدل اکستروژن پیچ جهانی برای به حداکثر رساندن خروجی اکستروژن و به حداقل رساندن مصرف انرژی خاص توسعه داد. شکل 4(d) منحنی داده های مواد و فرآیند است که با شبیه سازی کل بخش اکسترودر به دست می آید. درجه پر شدن در قسمت انتقال جامد کم است و پس از ناپدید شدن بستر جامد به حالت کاملا پر می رسد. در این زمان، نوسانات آشکار فشار و دما رخ می دهد. با در نظر گرفتن پلی وینیل کلراید به عنوان مثال، منگه تقویت مشابه را در دمای مذاب ثابت و نرخ برش ثابت در یک اکسترودر دو مارپیچ ضد چرخش تأیید کرد. ریشتر توزیع اندازه ذرات ذرات را در سطوح مختلف پر شدن از طریق یک روش تقویت مشابه به دست آورد. استفاده از ردیابی ذرات برای تأیید اختلاط ایمن در کانال جریان در حال حاضر یک روش موثر و شهودی است.

بر اساس مقیاس مشابه اکسترودرهای پیچ، کاربردهای افزایش مقیاس تجهیزات ساختاری مشابه به تدریج ظهور کرده است. تجهیزاتی مانند اکسترودرهای اسکرو دیسکی سنگ زنی، میکسرهای داخلی، پالایشگرهای دو مارپیچ و میکسرهای پیوسته با روتور دوقلو نیز شروع به ساختن کاربردهای افزایش مقیاس مشابهی کرده اند. روش او Xiaoling مدلی از اکسترودر مارپیچ دیسکی را بر اساس تقویت تشابه اختلاط ایجاد کرد و در همان زمان پارامترها را با کمک آزمایش‌های متعامد و شبیه‌سازی‌های عددی بهینه کرد. چن کجوان و همکاران از معیارهای تشابه شباهت هندسی و حداکثر تنش برشی ثابت در فناوری پردازش پیچ برای طراحی یک مدل مخلوط کن داخلی استفاده کرد. هو دونگ کوی عملکردها و ساختارهای اکسترودرهای دو مارپیچ و پالایشگرهای دو مارپیچ را مقایسه کرد و دریافت که پالایشگرهای دو مارپیچ و اکسترودرهای دو مارپیچی به طور کلی شبیه به هم هستند و می توان آنها را از طریق آزمایشات تأیید کرد، بنابراین درک بهتری از دو پیچه ایجاد کرد. اکسترودرهای پیچ طراحی دستگاه از اهمیت بالایی برخوردار است. گونگ شویون از هم ارزی انرژی به عنوان معیاری برای اندازه گیری اثر اختلاط استفاده کرد و فرآیند و مدل نظری طراحی تقویت مشابه بخش اختلاط میکسر پیوسته دو روتور را پیشنهاد کرد. ایده تحقیق روش تقویت مشابه در صنعت توجه بیشتری را به خود جلب می کند.

شکل 4 تحلیل مقایسه ای تئوری تقویت مشابه در تولید واقعی

نتیجه گیری

طراحی مشابه و استفاده از اکسترودرهای پیچ می تواند به بهینه سازی ساختار پیچ، سرعت و سایر پارامترهای اکسترودر و بهبود عملکرد اکسترودر کمک کند. با این حال، با خلاصه کردن معیارهای مشابه مقیاس بالا برای اکسترودرهای پیچ در داخل و خارج از کشور در سال‌های اخیر، می‌توان دریافت که صرف نظر از روشی که استفاده می‌شود، آزمایش‌های افزایش مقیاس مبتنی بر اطمینان از ایمنی و اختلاط اکستروژن پیچ است.

با این حال، اکسترودرهای پیچ شامل مواردی مانند مصرف انرژی، نشت، عملکرد اختلاط و ایمنی هستند. روش های تقویت مشابه موجود نمی توانند مزایای خود را به حداکثر برسانند. بنابراین، بهینه سازی استانداردهای تشابه و فاکتورهای تقویت بسیار مهم است. تحقیقات آینده باید پتانسیل کاربرد نظریه تقویت تشابه را در بهینه‌سازی ساختار اکسترودر و پارامترهای فرآیند بررسی کند و ابزارها و روش‌های عملی مربوطه را برای ارائه راه‌حل‌های کامل‌تر برای قالب‌گیری، طراحی و کاربرد دقیق‌تر اکسترودرهای بزرگ توسعه دهد. پشتیبانی نظری.