ミニコンピューターからメインフレームに移行するにはどうすればよいですか?スクリュー押出機の同様の増幅理論に関する研究の進展

連続スクリュー押出機は、高度な柔軟性と自動化を備えています。ポリマー加工時に押出加工を使用すると、加工コストが効果的に削減され、生産効率が向上し、廃棄物の排出が削減されます。

既存の押出機はスクリュー内での現在の材料の溶融と混合には対応できますが、工業化の度合いが高まるにつれて、その低い生産効率はもはや将来の産業のニーズを満たすことができなくなります。ポリマーの加工効率をさらに向上させるためには、大型押出機の設計が急務となっています。

しかし、大型装置を直接設計すると、設計経験不足により資源の無駄が発生するなどの問題が発生します。したがって、スクリュー押出装置のスケールアップ理論研究が特に重要になっています。

類似性増幅理論は、システム内の特定の現象に関連するパラメータを表す無次元の数群です。 2 つのシステムの現象が類似している場合、関連するパラメーター間にもある程度の類似性があります。この類似性は、無次元の数値グループを形成することができます。つまり、類似性基準は定数値です。類似性定理から始めて、小規模装置で得られた経験的結論を大規模生産装置に適用すると、小規模装置と大規模装置で生産される無次元群が等しいことが保証され、それによってさまざまなソリューションの無次元形式を維持できます。方程式が一貫していること。変化。大型二軸押出機のスクリュー構造設計には、押出機の同様の増幅理論を適用できます。この理論は幾何学的類似性の観点から開始し、パラメトリック モデリングの研究を通じて設計のプラットフォームを提供します。この設計方法を採用することで、モデリングの繰り返しを回避し、設計時間を節約し、生産効率と生産品質を向上させることができます。

近年、小型押出機の構造に関する研究が盛んに議論されていますが、大型押出機の研究はまだ模索段階にあります。実験モデルの幾何学的パラメータと性能指数の増幅に関する徹底的な研究を通じて、大型スクリュー押出機の開発に理論的基礎を提供し、それによって設計の品質と成功率を向上させることができます。この記事は、二軸押出機に適用できる同様の増幅理論から、この分野における現在の研究と進歩を紹介することを目的としています。

二軸押出機同様の増幅理論

二軸押出機は単軸押出機よりも優れた混合性能を持っています。単軸押出機の同様の増幅理論に関する科学的研究の後、彼らはそれを二軸押出機に拡張しました。図2に示すように、ねじれ角（φ）を変えないという前提で二軸ねじを展開すると、式（1）に示すように二軸ねじと一軸ねじの直径関係が求められます。噛み合い領域の影響を無視することにより (ψ 噛み合い角度はほぼ 0)、単一ネジへの二軸ネジ近似の実現可能性がさらに示されます。

図 2 単軸スクリュー流路とほぼ同等の二軸スクリュー流路の類似図

二軸押出機の混合性能と安全性の研究は、押出機の設計を成功させるための重要な要素です。重要なパラメータの増幅基準を決定し、数値計算に基づいて増幅された効果を検討する必要があります。二軸押出機では、材料には部分的に充填されたセクションと完全に充填されたセクションがあります。単軸押出機に適用できる同様の増幅理論は、完全に充填されたセクションを備えた二軸押出機にも適用できます。しかし、分散混合押出機と脱揮二軸押出機の需要が高まるにつれて、チャネル領域を部分的に満たす非メッシュ二軸押出機にも同様のスケールアップ理論が浮上し始めました。二軸押出機の充填度はスクリュー搬送能力の重要な指標であるため、二軸押出機の流路の異なる充填度に応じて二軸増幅基準をさらに細分化できます。

01完全な流路充填の同様の増幅理論

流路が完全に満たされているとは、材料が流路内に隙間なく完全に充填されていることを意味します。研究者らは、押出機の完全に充填されたセクションの長さが、押出機内での押出された材料溶融物の滞留時間と消費電力に大きな影響を与えることを発見しました。流路が完全に充填されている場合、スクリューが完全に充填されていない場合よりも材料特性が安定します。スクリューが完全に充填されて初めて、押出製品の一貫性、品質、生産量が保証されます。したがって、二軸押出機の同様の理論に関する現在の学者の議論は、基本的に流路が完全に満たされていることを前提としています。

Li Ao は、流路を完全に充填するための同様の増幅方法を包括的に比較し、単軸押出機の増幅方法を二軸押出機に適用することを提案し、二軸大型機械の変革の理論的基礎を築きました。 。ベルジンら。完全に充填された押出機内の熱伝達係数は非常に重要であると考えています。表面積と体積の比率が直径とともに減少するため、押出機の熱伝達率も減少します。したがって、シミュレーション計算プロセスでは、スクリューは断熱として定義されることがよくあります。溶融温度を評価基準の 1 つとして使用し、状態を評価します。押出プロセスは熱伝達によって制限されるため、溶融物送出セクションで必要な溶融温度を達成するのは容易ではありません。したがって、熱伝達増幅を使用する場合は、追加の実験とモデリングが必要になる場合があります。 Matic' は、熱伝達と同様の増幅方法とエネルギーと同様の増幅方法の実験比較を実施し、部分的に充填された領域の溶融温度がより低く、完全に充填された領域での増幅前後の滞留時間が同様であることを発見しました。増幅方法は、完全に満たされた流れに適しています。このとき、トンネル内では押出機内の混合性能が良くなります。図 3 に示すように、さまざまなプロセスでの滞留時間と溶融温度の分布を調査したところ、完全に満たされた流路内の滞留時間と溶融温度は同じ変化傾向を示し、増幅された溶融温度と滞留時間は変化することがわかりました。の幅が広くなり、増幅後に生成される生成物の品質が基準モデルと同等であることがわかり、増幅生成物の分解の問題が解決されました。ナカタニ氏は、断熱指数と非ニュートン指数が押出機の条件とポリマーの特性を決定すると信じていました。彼は、出力増幅指数を主変数として使用する熱平衡同様の増幅を提案し、一貫した溶融温度を通じてこの方法の実現可能性を検証しました。

図 3 押出機のスケールアップ前後の溶融温度と局所滞留時間の比較

二軸押出機は優れた混合機能を備えており、増幅後の二軸押出機内の材料の混合効果に注意を払う必要があります。 Qu Wenbin 氏は、混合類似性増幅法を使用して、押出機の混合セクションのスクリュー要素の設計を拡大しました。彼は、完全に充填された流路内でのさまざまなスクリュー構成の混合性能を分析し、スクリュー押出機の増幅がスクリュー構造の幾何学的類似性に基づいていることを証明しました。性的行為。 Chen は、押出物の品質は幾何学的パラメータ、比エネルギー、滞留時間分布、温度、圧力などのパラメータによって決まり、これらのパラメータが押出プロセス中の混合分布を決定すると提案しました。 Juan は、異なる直径の二軸押出機を使用して、同様の幾何学的比率増幅ルールの実現可能性を開発し、テストしました。彼は、基本的なプロセスパラメータ、材料流量、スクリュー速度が材料特性にほとんど影響を及ぼさないのに対し、スクリュー構成がより大きな影響を与えることを発見しました。上記の研究は、スクリュー構成の決定に基づいて、幾何学的類似性増幅が出力を生成し、一定の混合の要件を満たすことができるが、温度変化が異なることを示しています。したがって、複数の同様の増幅方法を包括的に適用することで、問題をより適切に解決できます。

複数の同様の増幅方法を包括的に使用するための前提は、スクリュー構成とバレルの組み合わせの幾何学的類似性を判断することです。次に、二軸スクリュー産業における出力拡大の目的に基づいて、同様の体積増幅を行い、最終的に小型機のスクリュー速度を逆算して大型機を決定します。スクリュー速度、流れ場のシミュレーションを使用して、増幅と混合性能の安全性を判断します。 Dong Zhonghua 氏は、材料間の混合と温度場のバランスをとることで複数の増幅方法を組み合わせる増幅理論、つまり包括的な熱バランスと混合同様の増幅を導き出し、それを ZSK シリーズミキサーに適用しました。 Yue Jinfengら。は、幾何学形状⁃体積⁃せん断速度に類似した増幅手法を使用して、メインフレームの混合排気計量セクションの増幅研究を実施し、増幅モデルの安全性と混合性能を調査しました。さらに、平行二軸押出機の同様の拡大に基づいて、この点に関して円錐二軸押出機も研究され議論されている。ラングホルストは、円錐形の二重反転二軸押出機の特殊構造の各機能セクションについて、さまざまなシミュレーションと同様の増幅を実行しました。尹清真氏は、関連パラメータを無次元定数の形に要約し、円錐二軸押出機の各部の機能セクションを設計および拡大し、大型押出機の安定した動作のための条件を提供しました。 Chen Simeng は、マイクロ要素法を使用して高エネルギー材料用の円錐二軸押出機を離散化し、さまざまな機能セクションに対応する増幅理論を確立し、修正を行いました。要約すると、従来の同様の増幅方法は、独立した機能セクションの特定のパラメーターを増幅できますが、スクリュー押出機全体の増幅にはまだ欠点があります。最適化された同様の増幅方法を適用して、異なる機能セクションの特性を組み合わせることができます。実際の生産。同時に、直交実験計画を使用して補正プロセス中にさまざまなパラメーターのバランスを包括的に評価し、同様の増幅の実現可能性を検証し、増幅モデルのパラメーターレベルを最適化することは重要な検証方法です。

02 流路部分充填の類似性増幅理論

実際のスクリュー押出機の加工では、材料は流路の一部しか充填できず、流路全体を完全に充填することはできません。部分的な流路充填プロセスの複雑さは、流路が完全に充填された場合の単相流よりもはるかに複雑です。流路が部分的に満たされると、材料溶融物の流量とせん断応力が増加し、押出プロセスがより複雑になります。

マイヤー氏は、共回転二軸押出機の溶融物送出セクションにおける部分充填の特性に基づいて、部分充填または粘度変化の場合のチャネル深さ、層流の同様の増幅、および熱伝達の同様の増幅について説明しました。押出プロセス中 (非等温、非ニュートン条件)、重大な流れ漏れが発生します。 Ganzeveld 氏は、漏れ流量が供給ゾーンのチャンバーの充填度​​に関係していると指摘しました。部分充填の場合、完全に充填されたチャンバーの数が減少すると、漏れ流量が影響を受け、生産増幅指数が減少します。福田ら。は、比例的に拡大された搬送エレメントと混練ブロックについて抵抗流量試験を実施し、特定のエレメントの抵抗流量パーセントを一定に保つことによって流量を増幅する同様の抵抗流量パーセント増幅を提案しました。

スクリュー押出機を完全に充填するための同様のスケールアップ方法がさまざまに提案されているため、多くの研究者がこれらの方法が部分的に充填された流路に適用できるかどうかの研究を始めています。ビジオら。二軸押出機の部分充填度および混合速度が一定のままであれば、完全充填に適用できる同様のスケールアップ方法は、部分充填チャネルにも同様に効果的であると考えられています。完全充填を前提として提案された同様のスケールアップでは、スクリューの形状が二軸押出機内で発生する混合と流れに大きな影響を与えます。ドライヤー等は、ネジがほぼ充填されている場合の体積類似性増幅理論を提案しました。体積類似性の増幅では、スクリュー全長の自由体積のみが考慮され、同じ膨らみが維持されます。体積流量を単一変数として使用すると、増幅パラメータ指数は完全充填時の指数と同じになります。混合類似度増幅法も類似しています。 Haser は、異なる形状の押出プロセスの増幅が体積類似性増幅に基づいて達成可能であり、増幅パラメーターの傾向が一貫していることを証明しました。二軸押出機のフロー チャネルを部分的に充填するために適用できる増幅方法は、ほとんどがフロー チャネルを完全に充填することに由来すると結論付けることができます。表 2 は、二軸押出機で一般的に使用される同様の増幅方法を示しています。

表 2 二軸スクリューで一般的に使用される同様の増幅方法の特徴

応用

理論的には、多くの研究者が類似性増幅理論を実際の生産に適用しています。初期の研究は、さまざまな同様の増幅方法を比較するために使用されました。 Chung氏は、同じタイプの単軸押出機で普遍的類似性増幅、伝熱類似性増幅、幾何学的類似性増幅の実験検証を実施し、幾何学的類似性の後にスケールアップしたモデルが出力されることを発見した。 Wang Jianping は、「等価直径」法を適用して、噛み合い共回転二軸押出機の溶融搬送セクションの 3 つの同様の増幅方法を分析し、大型二軸スクリューの技術データを使用して、より一貫性のある結果を得ました。実際の状況。

図 4(a) ～ (c) は、さまざまな増幅方法での出力、電力、速度と実験データの比較を示しています。 Maddock の同様の増幅法のデータ傾向が実験データに近いことがわかります。 Nastaj チームは、多くの既存の方法に基づいて、グローバル スクリュー押出モデルに基づいてプロセスを最適化し、押出出力を最大化し、特定のエネルギー消費を最小限に抑える新しい押出コンピュータ最適化システムを開発しました。 , 図 4(d) は、押出機セクション全体をシミュレートすることによって得られた材料およびプロセス データの曲線です。固体搬送部では充填度が低く、固体層が消失した後に満充填状態となる。このとき、明らかな圧力と温度の変動が発生します。ポリ塩化ビニルを例に挙げると、メンゲ氏は逆回転二軸押出機内で一定の溶融温度と一定のせん断速度で同様の増幅を検証しました。リヒターは、同様の増幅方法を通じて、さまざまな充填レベルでの粒子の粒径分布を取得しました。粒子追跡を使用して流路内での安全な混合を検証することは、現在、効果的で直感的な方法です。

スクリュー押出機の同様のスケールアップに基づいて、同様の構造装置のスケールアップ用途が徐々に出現しています。粉砕ディスクスクリュー押出機、インターナルミキサー、二軸スクリューリファイナー、ツインローター連続ミキサーなどの装置も同様のスケールアップ用途の構築を始めています。方法。 He Xiaoling は、混合類似性増幅に基づいてディスクスクリュー押出機のモデルを構築し、同時に直交実験と数値シミュレーションを利用してパラメータを最適化しました。陳科娟らは、スクリュー加工技術における幾何学的類似性と一定の最大せん断応力という類似性基準を使用して、インターナルミキサーモデルを設計しました。 Hu Dongkui は、二軸押出機と二軸リファイナーの機能と構造を比較し、二軸リファイナーと二軸押出機が全体的に最も類似しており、実験を通じて検証できることを発見し、二軸押出機の理解を深めることができました。スクリュー押出機。機械の設計は非常に重要です。 Gong Shuyun は、混合効果を測定するための基準としてエネルギー等価性を使用し、デュアルローター連続ミキサーの混合セクションの同様の増幅設計のプロセスと理論モデルを提案しました。同様の増幅方法の研究アイデアは、業界でますます注目を集めています。

図4 実生産における同様の増幅理論の比較分析

結論

スクリュー押出機の同様のスケールアップ設計と適用は、スクリュー構造、速度、および押出機のその他のパラメータの最適化に役立ち、押出機の性能を向上させることができます。しかし、近年の国内外のスクリュー押出機の同様のスケールアップ基準をまとめてみると、どのような方法を使用する場合でも、スケールアップ実験はスクリュー押出の安全性と混合の確保に基づいていることがわかります。

しかし、スクリュー押出機にはエネルギー消費、漏れ、混合性能、安全性などの問題があります。既存の同様の増幅方法では、その利点を最大限に活用できません。したがって、類似性基準と増幅率の最適化は非常に重要です。今後の研究では、押出機の構造とプロセスパラメータの最適化における類似性増幅理論の応用可能性をさらに探究し、大型押出機のより正確な成形、設計、応用のためのより完全なソリューションを提供する、対応する実用的なツールと方法を開発する必要があります。理論的サポート.