PP管材挤出机头流道模拟及优化.pdf

摘要

近年来，PP管材在国内外建材市场上的需求量不断增加，对于PP管材

产品质量和挤出机头生产效率的要求也越来越严格。挤出机头是挤出生产设

备中最重要的部分，它的主要作用就是将旋转的熔体转变为平行直线运动，

并在成型段上稳定的挤出制品。在生产过程中，为了提高PP管材的熔体的流

动性能和生产效率，需要合理设计挤出机头流道结构。

分析聚丙烯（PP）物料的基本特性和熔体的流变特性，得到熔体流动速

度和挤出压力的表达式。由于聚合物在流动时，其黏度随剪切速率变化，因

此在研究聚合物熔体流变行为时，引用了本构方程模型，同时分析了常用的

描述假塑性流体黏度本构模型，包括幂率模型、Cross模型和Bird-Carreau模

型等。其中Bird-Carreau模型不仅可以描述低剪切速率下流体的非牛顿行为，

还可以描述高剪切速率下的假塑性行为。

本文从机理分析的角度对PP熔体在流道内的流动性能进行了分析，结

合挤出机头尺寸设计公式和流体质量守恒方程、能量守恒方程以及动量守恒

方程，使用Polyflow软件建立了管材挤出机头流道模型。用数值模拟的方法，

分析熔体在流道内流动时的速度场、压力场以及剪切速率场的变化规律，研

究不同分流段长度、压缩段形状、不同成型段长度以及不同入口流量的流场

分布规律，确定挤出机头流道结构参数，优化管材挤出机头流道的速度、压

力以及剪切速率，从而提高管材的质量、生产效率以及熔体的流动性能。

PP管材挤出机头流道成型段初始的长度为90mm，管材的壁厚为2.2mm。

通过数值模拟得出优化后的挤出机头流道的成型段的长度为100mm，分流段

−53

长度为84.1mm，扩张角为70.2°，入口流量为5.9×10m/s，并利用双弧形

过渡改善了压缩段的流动情况。在相同的边界条件下，优化后的机头流道内

压缩段熔体压力从约14.63MPa增加到22.76MPa，提升了55.6%；成型段的

挤出速度从约86mm/s增加到124.41mm/s，提升了44.7%；机头出口处的平

均剪切速率从约232.79s-1增加到343.62s-1，提升了47.6%。通过对机头流道

的优化，挤出的PP管材具有更高的密实度，在熔接痕处的机械强度得到了增

强，管材的表面更加光洁，产品质量和生产效率均得到了提升。

关键词：PP熔体；挤出机头；Polyflow；流道优化；流变特性

Abstract

Inrecentyears,thedemandforPPpipesinthedomesticandforeignbuilding

materialsmarketshasbeenincreasing,andtherequirementsforthequalityofPP

pipeproductsandtheproductionefficiencyofextrusionheadshavebecome

increasinglystrict.Theextruderheadisthemostimportantpartoftheextrusion

productionequipment,anditsmainfunctionistotransformtherotatingmeltinto

parallellinearmotionandstablyextrudetheproductontheformingsection.Inthe

productionprocess,inordertoimprovethemeltflowperformanceandproduction

efficiencyofPPpipes,itisnecessarytodesigntheflowchannelstructureofthe

extruderheadreasonably.

Analyzethebasiccharacter