响应曲面法优化啮合同向双螺杆挤出机固体输送段主机功率消耗和固体输送量的研究(Ⅱ)
响应曲面法优化啮合同向双螺杆挤出机固体输送段主机功率消耗和固体输送量的研究
１０ ２ ） ０ ０ ９ （ 京 化 工 大 学 机 电工 程 学 院 ， 京 北 北
摘要
采 用响 应 曲 面 法 中 Ｂ ｘＢ ｈ ｋ ｎ方 法设 计 试 验 并 分 析 ， 立 了啮 舍 同 向双 螺 杆 挤 出机 固体 输 送 段 功 率 消 ｏ—ｅ ｎ ｅ 建
度 ； 垂直 于螺 杆 轴 线 的截 面 内 ， 在 三 个 子输 送 在 存 区 ， 物料 在三 个 子输 送 区 的充 满 情 况 与 加 料 口的 而
形 状 和位 置及加 料 量 、 纹 元 件 的导 程 和 螺 杆 转 速 螺 有 关 。孙建 梅等 采 用 试 验 测 定 螺 杆扭 矩 、 送 压 输
伊大龙 ， ： 等 响应 曲面 法 优 化 啮 合 同 向 双 螺杆 挤 出机 固体 输 送 段 主 机 功 率 消耗 和 固 体输 送 量 的研 究
４ ３
响 应 曲 面 法 优 化 啮 合 同 向 双 螺 杆 挤 出 机 固 体 输 送 段 主 机 功 率 消 耗 和 固 体 输 送 量 的 研 究
究 。Ｃ Ｃ ｒ ｒ ． ａｒ 等 认 为啮 合 同向双 螺杆 固体输 送 有 ｏ
两种 机理 ， 即沿 螺 槽 方 向 的输 送 以及 在 上 啮 合 区沿 轴 向的正 位移 输送 ， 并认 为上 啮合 区 的正 位 移 输 送
定量研 究 ， 使数 学模 型更 接 近实 际值 ， 笔者 使用 响应
力， 建立 了锥 形 双螺 杆 固体输 送 的理论 模 型 ， 性 分 定 析 了锥 形 双螺杆 挤 出机 固体 输送 段影 响 功率 消耗 的
聚丙 烯 （ Ｐ ： 径 为 ３ ８ｍ 北京 燕 山石 化公 Ｐ ）粒 ． ｍ，
司；
非等温条件下啮合同向双螺杆挤出过程数值模拟分析
非等温条件下啮合同向双螺杆挤出过程数值模拟分析赵玉莲;李鑫;安琪;黄志刚【摘要】采用SolidWorks建立啮合同向双螺杆三维物理模型,通过改变螺杆挤出机加工聚乳酸时的转速,在非等温的模拟条件下,通过polyflow软件对其进行相应的模拟分析,对比不同转速对聚乳酸加工时产生的影响.结果表明:在非等温条件下,温度在挤出方向上线性增加,并且温度在Z轴截面上沿径向向外逐渐增大.通过对比不同转速下的流场分析,发现随着转速的增大,螺槽内出现较大的温差,当转速达到240 r/min时,聚合物出现部分降解,对生产加工产生影响;对剪切速率场和黏度场的对比分析也进一步验证了两者的相关性.【期刊名称】《食品与机械》【年(卷),期】2019(035)004【总页数】4页(P76-79)【关键词】同向双螺杆挤出机;非等温;转速;剪切速率;黏度;数值分析【作者】赵玉莲;李鑫;安琪;黄志刚【作者单位】北京工商大学材料与机械工程学院,北京 100048;塑料卫生与安全质量评价技术北京市重点实验室,北京 100048;北京工商大学材料与机械工程学院,北京 100048;塑料卫生与安全质量评价技术北京市重点实验室,北京 100048;北京工商大学材料与机械工程学院,北京 100048;塑料卫生与安全质量评价技术北京市重点实验室,北京 100048;北京工商大学材料与机械工程学院,北京 100048;塑料卫生与安全质量评价技术北京市重点实验室,北京 100048【正文语种】中文聚乳酸(PLA)是一种以乳酸为原料且具有良好的生物降解性和生物相容性的环境友好型高分子材料，近年来的研究和应用[1]越来越广泛。
啮合同向双螺杆挤出机作为PLA加工设备之一，被广泛应用于PLA的加工过程中[2]。
而螺杆挤出机的加工工艺[3]参数的变化也影响着聚乳酸产品的质量，基于此对流道的分析就尤为重要，然而由于螺纹流道中真实流动情况复杂，因此多普遍采用数值法[4-6]进行分析求解。
响应曲面设计
响应曲面设计可以用于优化实验过程，通 过调整实验参数，获得最佳的实验结果。
局限性分析
模型依赖性
响应曲面设计依赖于建立的数学模型，如果模型不准确或不合理，会 影响实验结果和优化效果。
实验成本
为了获得准确的实验数据，需要大量实验样本和资源，增加了实验成 本。
适用范围
响应曲面设计适用于具有明确目标函数的实验，对于一些复杂或不确 定的实验系统，其适用性可能有限。
制药工业
在制药工业中，响应曲面设计可 用于优化药物合成的工艺条件， 提高药物的有效性和安全性。
环境工程
在环境工程领域，响应曲面设计可 用于优化污水处理、废气处理等过 程，提高处理效果和资源利用率。
02
响应曲面设计的基本原理
实验设计原理
01
02
03
中心复合设计
以实验中心点为中心，设 计多个实验点，以获取更 全面的实验数据。
数据收集
整理实验数据，确保数据的准确性和 完整性。
数据分析
使用适当的统计分析方法对数据进行 处理和分析，包括拟合模型、检验假 设、优化响应等。
模型验证与优化
模型验证
通过比较实际响应值与模型预测值来验证模型的准确性。如果模型预测值与实际值存在较大偏差，需要对模型进 行修正或重新设计实验。
模型优化
基于统计分析结果，对模型进行优化以获得更好的响应。这可能包括调整实验因素的水平、选择不同的实验设计 方法等。优化后的模型可用于指导实验设计和生产实践。
总结词
利用响应曲面设计优化生物发酵过程，提高 菌体生长和产物生成。
详细描述
在生物发酵过程中，选择合适的培养条件， 如温度、pH、溶氧浓度等，以获得最佳的 菌体生长和产物生成。通过响应曲面设计方 法，确定最优的培养条件组合，提高菌体生 长和产物生成的效率，缩短发酵周期。
双螺杆挤出过程详解
(1) 概况与单螺杆挤出机的挤出过程相比，啮合同向双螺杆挤出机的挤出过程更为复杂多变，因为影响这一过程的因素更多，如加料量、螺杆构型、螺杆啮合、操作条件(温度、螺杆转速) 等。
图3-16列出了物料自加料口加入到离开双螺杆，物料在螺杆机筒中经历的挤出过程。
该挤出过程包括加料段、熔融段、熔体输送段、混合段、对空排气段、均化段、真空排气段、计量段。
在熔体输送段还可以将添加物加入。
当然，并非每一种挤出过程都必须包括这些阶段，有的还要多一些，有的则少一些，但基本上包括这些阶段。
图3-16 物料在挤出过程中经历的各阶段①在加料段(也称固体输送段)，物料由计量加料器加入机筒加料口下方的螺杆后，螺槽并不是全充满的，有一个充满度(小于1)，物料呈固体状态。
这一段的螺杆基本上由正向输送螺纹元件组成，但螺纹导程可由大到小，以提高物料对螺槽的充满度。
②物料进入熔融段后，在机筒加热器传给机筒的热量和螺杆元件(捏合盘)对物料的挤压、剪切所产生的热量作用下，物料开始熔融，在通过该段后，基本变为熔体。
这一段物料的充满度比固体输送段高，有压力产生，耗费的能量最大。
③接下来物料进入熔体输送段，由熔融段输送过来的残留固相最后熔融变为熔体。
该段的螺杆由大导程的正向输送螺纹元件组成，物料的充满度低(小于1)，未建立压力，故可在此段将要添加的物料(聚合物或添加剂)加入(用侧加料器或垂直加料器加入)。
在熔体输送段加入的物料和熔体一起进入由捏合块组成的混合段，进行混合(分布混合和分散混合)。
④在混合段下游紧接着对空排气段，该段由大导程的正向输送螺纹元件组成，混合物对螺槽的充满度低(小于1)，故有较大的自由表面积可将上游物料熔融、混合时产生的气体和侧加料器加入物料时带入的气体在大气压下排到空气中去。
⑤物料进入对空排气段下游的均化段后，在捏合块剪切作用下对混合物各组分进行均化(主要是分布混合，但对仍未分散的组分亦继续进行分散混合)，使各组分混合均匀。
双螺杆挤出机课件
5 工作原理
☆ 非啮合型双螺杆挤出机
拖曳流3：同时随着螺杆的旋转 ，在两螺杆的间隙处物料不断受 到搅动并被不断带走而更新（不 论两螺杆的转向如何），产生流 动3。
拖曳环流4：特别是在异向旋转过程中，物料在A处 受到阻碍，产生了流动4。
而所有这些流动形式都增加了对物料的混炼和剪切 作用。
由于这种啮合形式的双螺杆没有自清洁作用，所以
通道。
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5 工作原理
☆ 啮合型异向双螺杆挤出机
少量物料被拉入两螺杆之间的 径向间隙，受到 螺棱和螺槽间 的研磨和滚压作用，此作用与 压 延机上物料的滚压作用相似 ，称为“压延效应”
由于压延效应，使机筒壁和轴承受力不均匀而局 部受压磨损，故异向旋转的双螺杆只能在较低的 转速下工作。
异向啮合型双螺杆混炼剪切作用较弱，故适用于 热敏料和需要受热时间短的物料的成型。
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1、温度
☆ 热量来源 温度是双螺杆挤出过程得以进行的重要条件之
一。物料由固态变为粘流态，需要热量。挤出过 程热量的来源有两个： a.机筒外部加热器通过机筒传给物料的热量。 b.物料与物料之间、物料与螺杆、物料与机筒之间 的摩擦热和物料受剪切而生成的热量。
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1、温度
☆ 温度的调节
加料口：为保证物料顺利加入，必须保持固体的摩 擦性质，故此段机筒不但不要加热，还需要冷却。 在加料口下游，机筒温度则需升高，以便将物料加 热，促使其熔融。
双螺杆挤出过程中机械能和加热器提供的热能不但与双螺杆 挤出机的类型有关，还与螺杆构型和不同的螺杆区段有关。
24
4、能耗
挤出过程能力沿挤压系统的变化示意
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4、能耗
电机、加热器提供的能量与螺杆直径的关系 26
双螺杆挤出机介绍
第四节双螺杆挤出机3．4.1双螺杆挤出机简介最早而且真正应用于聚合物加工的双螺杆挤出机是20世纪30年代在意大利研制成功的:RobertoColombo研制成功了同向旋转双螺杆挤出机，Pasqueth研制成功了异向旋转双螺杆挤出机。
经过半个多世纪的不断改进和完善，双螺杆挤出机得到了长足的发展，目前已广泛应用于聚合物加工业和其它工业如食品加工业。
双螺杆挤出机在聚合物加工领域中主要应用有：（1）加工硬聚氯乙烯等制品，如管、板、异型材等;（2）作为混合机，它主要当作连续混合机，可用来进行聚合物的共混改性、填充改性、造粒和增强改性;（3）用来进行反应挤出、脱挥发分、脱水等作业。
在实际应用中，双螺杆挤出机必须配以机头和辅机才能完成预定的任务，这就是所谓的双螺杆挤出机组。
从总体组成上看，双螺杆挤出机由传动系统、挤压系统、加热冷却系统、控制系统等组成。
双螺杆挤出机分类：（！）根据两根螺杆轴线之间的关系：有平行双螺杆与锥形双螺杆之分;（2）根据两根螺杆的啮合程度分：有啮合双螺杆与非啮合双螺杆；（3）根据两根螺杆的旋转方向分：有同向旋转与异向旋转之分。
（4）锥形双螺杆啮合同向双螺杆挤出机的主要用途是：对聚合物进行改性，如对聚合物进行共混、填充和增强改性等，以及进行反应挤出、脱挥发分、脱水等。
这是因为这种挤出机具有良好的自洁性能、较强的剪切作用及较高的螺杆转数。
啮合同向双螺杆挤出机中的两根螺杆在啮合区的相对运动方向相反，两根螺杆互相清洁表面，防止了物料在螺杆表面的滞留和粘附，还可以不断更新表面，有利于聚合物的混合、传热，并提高了排气效率。
这是啮合同向双螺杆挤出机优于其它类型双螺杆挤出机之处，也是其得到广泛应用的主要原因。
非啮合异向双螺杆挤出机的主要用途是：对聚合物挤出成型和配料造粒等方面。
双螺杆挤出机挤压系统双螺杆挤出机的挤压系统是双螺杆挤出机的核心部分。
其作用是把加入的固体或液体物料熔融塑化、混合或进行化学反应，为口模提供定温、定压、定量的熔体，并将在这一过程中产生的气体或液体排除，最后通过口模及后续的辅机，得到合乎质量要求的制品如颗粒料或具有一定形状和尺寸的制品。
响应曲面法优化电解水制氢工艺条件
响应曲面法优化电解水制氢工艺条件Response surface method for optimize process conditionsof electrolyze water to generate hydrogen胡尚举1，戴秀东2，牛 博1HU Shang-ju 1, DAI Xiu-dong 2, NIU Bo 1（1.山西太钢不锈钢精密带钢有限公司，太原 030006；2.山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心，太原 030003）摘 要：采用响应曲面法中心复合序贯设计对电解水制氢整个生产工艺过程进行设计并分析了电解液KOH浓度、电解液温度、电解液添加剂K 2Cr 2O 7浓度及其交互作用对生产每立方米氢气耗电的影响。
通过建立关于每立方米耗电的二次多项式数学模型，并对模型进行分析，得出模型拟合性良好。
方差分析表明，电解液KOH浓度、电解液温度、电解液添加剂K 2Cr 2O 7浓度，电解液KOH浓度和电解液温度的交互作用，电解液温度、电解液添加剂K 2Cr 2O 7浓度的交互作用对生产每立方米氢气耗电均存在显著的影响，最终获得优化的工艺参数，该工艺在实际的生产中得到证实合理可行。
关键词：响应曲面；电解液；温度；每立方米耗电中图分类号：TQ151.1 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2018)05-0069-04收稿日期：2017-10-29作者简介：胡尚举（1983 -），男，河北保定人，工程师，硕士研究生，研究方向为电力电子与电气传动。
0 引言在不锈钢退火生产过程中，氢气由于其自身的还原特性，常作为退火炉中的保护气氛。
电解水制氢是目前应用最广泛的技术手段，主要是应用直流电在电解槽内对含有电解质的水溶液进行电解，从而分离出氢气和氧气的过程。
整个生产过程消耗的能源介质主要是电能，面对钢铁行业呈下行趋势，能源日益紧张的现状，降低电解水制氢的电能损耗对于降低吨钢用电成本，提升企业经济效益具有及其重要的意义[7]。
双响应曲面方法在改进产品设计中的应用研究
142
系统工程理论与实践
2001 年 9 月
试验设计时, 在内表中, 因子设计部分采用分辨力为 V 的部分因子试验, 轴向点部分各因素水平为, 外 表中采用部分因子试验, 中心点部分, 内外表中因素水平都取 0Λ 试验设计方法及数据如表 2Λ 表 2 硬度试验设计方法及试验数据
z1 z2 x1 x2 x3
141
双响应曲面方法是通过适当的试验设计, 运用试验结果数据拟合出所要研究的质量特征值 ( 即响应) 的均值模型和方差模型: Λ = Β0 + X ′ Β+ X ′ BX + Ε , Ρ2 = Χ Χ+ X ′ CX + Ε 0 + X ′ 在试验设计时, 运用田口方法当中的交叉表 ( 内外表) 技术, 将不可控因素按因子试验设计方法安排在外表 中, 将可控因素安排在内表中Λ但内表设计方法与田口方法的内表设计方法不同, 采用的是 R SM 中的中心 复合设计 (Cen tra l Com po site D esign, CCD ) , 其中, 因子设计部分采用分辨力为 V 的部分因子试验 [6 ] , 轴 向点部分各因素水平为±Α . 为了保证设计的可旋转性, 一般取 Α =
4
F , 其中为 F 试验设计中因子设计部
分的试验次数Ζ 中心点部分, 内外表中因素水平都取 0, 中心点数一般为 3- 6 个Ζ 2 以试验结果平均值 θ y 作为均值的响应输出变量, 以试验结果方差作为方差 s 的响应输出变量, 拟合出 二阶线性模型分别为: δ = b + X′ δ δ δ Ξ b+ X′ B X , Ξs2 = c0 + X ′ c+ X′ CX θ 0 y δ,c = Χ δ , b = (Β δ, Β δ , …, Β δ ) , c = (Χ δ, Χ δ , …, Χ δ ) , 以及 式中 b0 = Β 0 0 0 1 2 k 1 2 k δ δ δ δ Χ δ … Χ δ 2Β11 Β12 … Β1k 2Χ 11 12 1k δ δ δ δ δ δ Χ … Χ 12 22 2k 1 Β12 Β22 … Β2k 1 Χ δ δ B = ,C = 2 2 δ δ … 2Β δ δ δ … 2Χ δ Β Β Χ Χ
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过程 的 因素多 ， 加料 量 、 杆构 型 、 料特性 、 作 如 螺 物 操
条件 等 。笔者 应用 响应 曲面 法对双 螺 杆挤 出机 的 固体输送段 单 导程元 件 的粒 料输 送 问题进 行 了研
双螺 杆 挤 出 机 ： Ｓ ０ ３ Ｌ Ｍ３ ／ ４型 ， 国 Ｌ ｓ ｉ 德 ｅｔｔ ｒｚ公
法， 拟用 响应 曲面法 进 行 啮 合 同 向双 螺 杆挤 出机 固
体输 送段输 送单 导程 元件袁捷朝 ， ： 等 响应 曲面法优化 啮合 同向双螺杆挤出机固体输送段主机功率消耗和 固体输送量 的研究 （１ Ｉ）
４ ９
时， 输送 量 即为加 料量 。变换 不 同升角 的螺 纹 元件 、
同导 程 的螺纹元 件组 合在 计量 和溢 流加料 时 的输 送
能力 进行 了分析 。基 于笔 者前 期对 于粒料 的研究 方
得 到溢 流前 的加料 量 即为该种 工况 下 的当量填 充率
１０ ０ ％的加 料量 。根 据质量 守恒 定律 ， 在未 达到 溢流
收 稿 １ ：０ １０ — ７ ３期 ２ １—４ ０
１ 物料 与设 备
１ １ 主要 物料 ．
与单 螺 杆挤 出机 的挤 出过程 相 比 ， 啮合 同 向双
螺杆 挤 出机 的基 础 过程 要 复 杂 得 多 ， 为影 响 这 一 因
聚丙烯 （ Ｐ 粉料 ： 料松密 度 ０ ４ ／ Ｌ， Ｐ） 物 ．６ｇ ｍ 堆砌 角２ ．６ ， ９ ０ 。 北京燕 山石化公 司 。
送量 的预 测 和 优 化 ， 高 能 效 ， 约 能 源 。 提 节 关键词 啮 合 同向 双 螺 杆挤 出机 固体 输 送 粉料 输 送 功 率 消耗 固体 输 送 量 响应 曲 面 法
面对 日益增 长 的能源 需求 和地球 上各 种能 源的
综合 前人 对 啮合 同向双螺 杆挤 出机 固体输送 段
机理 和功 率消 耗 的研究 及 实验 结 果 ， 者选 定 螺 杆 笔
迅速 消耗 ， 在工 业生 产 和 １ ３常生 活 中节 约 能源 和 提 高能 源利用 率 已 经成 为 世界 共 识 。在 工 业 生 产 中 ， 希望 以最少 的能 源消耗 ， 造最多 的产 量 。 创
双 螺杆 挤 出机 自问世 以来 ，在 聚合物 加工 工业 中的应 用 已经 十分 广泛 。而其 中的啮合 型 同向双螺
转速 、 螺杆 当量 填充率 、 纹元 件 的平 均螺旋 升角 作 螺
为对 粉料输 送 的主机 功耗 和输送 量有影 响的主要参 数 进行 研究 。 同时 ， 了 在定 性 基 础 上实 现 定 量研 为 究 ， 数学模 型更 接近 实际值 ， 者使用 响应 曲面法 使 笔
杆 挤 出机更是 以其灵 活 的积木 式 组合 设计 ，优 异 的 分 散及 分布混 合能 力 ， 良的 自清 洁效 果 ，较窄 的 优 停 留时 间分布 ，良好 的排气性 能 和较 高 的生 产 能力 等优 点 ， 被广 泛 用 于 聚 合 物 配混 包 括 共 混 改 性 、 填 充、 纤维 增强及合 金 化 和 反 应挤 出包 括 单体 聚合 或
段， 单导程螺纹元件粉料输送的功率消耗 和 固体输 送量 的 多因素二 次 多项 式数 学模 型。探 讨 了主要 因素 对功率和
输送 量的影响及其 交互作 用。验证 了模型的有 效性 ， 型所预 测的功 率消耗和输 送量 与 实验得到 的数据误 差 小于 模
１％ 。利 用 实验 所 得 功 率 和 固体 输 送 量 的 回 归 方程 ， 实现 对 啮 合 同向 双 螺 杆挤 出机 固体 输 送段 功 率 消耗 和 固体 输 ０ 可
１３ 实验 步骤 ．
目前 对于 固体输 送段 中粉 料 的输 送研 究还 比较 少 ， 的大多 也 是 定 性 的 分 析 ， 量 分 析 的 内容 不 有 定 足， 张沛 等 利 用 啮 合 同 向双 螺 杆 实 验 挤 出 机 ， 对 挤 出过程 中不 同操作 条件 下粉 料在螺 纹元 件 中的输 送 特点 、 送 机理和输 送 能力进 行 了实验 研究 ， 不 输 对
聚合 物反 应型 改性等 领域 … 。
中的 Ｂ ｘ ｅｎｅ 法设 计 实 验 并 分 析 各 因 素对 ｏ —Ｂ ｈｋｎ方 啮合 同向双 螺杆挤 出机 固体输 送段 功率 消耗 和固体
输 送量 的影 响 ， 在研 究 的基 础 上对 影 响 因子进 行 优
化 ， 降低 功 率消耗 ， 高输送 能力 提供依 据 。 为 提
司；
究 ， 到 了多 因素 的 固体 输 送 量 和 主机 功 耗 的二 次 得
回归方 程 ， 实现 了对 固体 输 送 段 固体 输 送 量 和 主 并
机 功耗 的预测 。
台式 干 燥 箱 ： Ｇ ２ ０— ０ Ｄ ／ ０ ０ ２型 ， 庆 试 验 设 备 重
厂；
天 平 ： 海东 方衡 器厂 。 上
４８
工程塑料应用
２１ ， ３ ０ １年 第 ９卷 。 ６期 第
响应 曲面法优化啮合 同向双螺杆挤 出机 固体输送段主机功率 消耗和固体输送量的研究 （ Ⅱ）
袁 捷朝 张 雅琴 罗 兵 伊大 龙 任 峰
（ 北京化工大学机电工程学 院，北京 １０ ２ ） ００ ９
摘要
采 用 响应 曲 面 法 （ Ｓ 中 Ｂ ｘ—Ｂｈ ｋｎ方 法设 计 实验 并 分 析 ， 立 了啮 合 同 向 双 螺 杆 挤 出机 固体 输 送 Ｒ Ｍ） ｏ ｅｎｅ 建
实验 装 置如 图 １所示 ， 先将 物料 干燥 ， 对每 种物 料 进行加 料量 标定 。挤 出机 Ａ Ｂ段 即为挤 出机 的 固 体 输送段 ， 长度 为 Ｉ Ｄ（ 其 Ｏ Ｄ为螺 杆外径 ） 可 以置换 ， 不 同螺旋 升 角 的螺 纹 元件 。实验 过 程 中 ， 照设 定 按 值 调节螺 杆转 速 ， 行 计量 加 料 ， 渐 增 大加 料 量 ， 进 逐