如何优化机头口模流道物料的流动？

从匀化计量段物料挤出后直接进入机头口模区，其通过机头口模的流动可视为简单截面管道的黏度流体压力流动。参照第6.1节确定的长圆形管道牛顿型流体压力流体积流量式(6.1.26)，有

通过机头口模的物料流量用以下公式表示

式中，Δp_K为机头口模区物料的压力降；μ_K为物料在机头口模区的黏度；K为机头口模区流通系数。

分析式(7.1.7)的这几个参数，对稳定挤出过程而言，该压力降应等于螺杆从机头到加料口的压力降Δp；由于机头口模区的温度不等于匀化计量段的温度，故μ_k≠μ，取决于机头口模的几何参数和流动液体的类型；K值越大表示流通阻力越小。

螺杆挤出机螺杆机筒流道的物料流动状态必须与在机头口模流道的流动状态相匹配，挤出过程才能处于稳定挤出状态。也就是说，通过螺杆机筒流道的流量一定要与通过机头口模流道的流量相等，螺杆机筒流道的物料压力降也要与在机头口模流道的压力降相等，即

分别用体积流量公式(7.1.5)和式(7.1.7)，绘制螺杆匀化计量段和机头口模段的牛顿型流体工作特性理论曲线，见图7.1.7。由图7.1.7可知，螺杆匀化计量段的工作曲线为一组平行直线，以转速n为参数。转速确定时，Δp值越大，漏流越多，螺杆流量q_V减小。机头工作曲线为一组射线，以流通系数K为参数。在一定K值下，Δp值越大，通过机头口模的流量q_VK越大。

图7.1.7 螺杆均化计量段与机头口模的牛顿型流体工作特性理论曲线

螺杆挤出机正常稳定工作点为两组曲线的交点，符合式(7.1.8)提出的条件。可由式(7.1.7)和式(7.1.8)，得到Δp＝Δp_K＝q_VKμ_K/K，将其代入式(7.1.6)，得到这样的工作点满足

式中，α，β，γ，K，n均为挤出机螺杆和机头口模的工作参数；μ，μ_k分别为螺杆匀化计量段和机头口模段物料的平均黏度。它们共同决定着螺杆挤出机的工作状态。

在作了若干简化假定的基础上，得到上述讨论的结果，与实际挤出成型过程有一定出入。将简化的螺杆工作曲线与实际的螺杆工作特性曲线比较。图7.1.8给出挤出设备PVC实测工作特性曲线。

图7.1.8 挤出设备的PVC实测工作特性曲线q_V(www.xing528.com)

由图7.1.8可见，螺杆匀化计量段工作曲线为一组斜率不等的直线。高转速下曲线斜率较大，低转速下曲线斜率较小，表明高转速条件下，压力造成的反流和漏流影响较为显著，总体积流量下降较多。机头口模工作曲线不再为一组射线，而是一组曲线，注意曲线在低压区和高压区的斜率差别很大。通过机头口模时，物料体积流量随压力差的增大急剧上升。这显然与被加工物料的假塑性行为有关，压差大时物料“剪切变稀”效应明显，黏度下降导致流量急剧增大。实际非牛顿型流体的工作特性曲线远比图7.1.8复杂得多。

由此可见，在实际分析挤出过程流体的流变状况时，一定要根据实际情况修正简化的理论模型。主要的修正方法有两种：

(1)基于螺槽尺寸的非理想化的修正

该修正采用系数修正法，修正后的流量公式为

其中

式中，f_cd为考虑机筒内表面曲率对正流系数影响的修正系数；f_d为考虑螺槽侧壁，f_hd为考虑螺槽深度变化，f_μd为考虑螺槽物料径向温度不匀带来黏度变化对正流系数影响的修正系数。所有这些系数均从规定的图表中由图算法求得。

式(7.1.12)中各系数意义与式(7.1.11)相同，为上述同样因素对反流系数影响的修正系数。

(2)非牛顿型流体流动的修正

该修正的方法是用非牛顿型流体的本构方程代替牛顿型流体本构方程。

早期，使用简单的幂律方程来描写非牛顿流体的流动特性，而保持运动方程和连续性方程不变，用解析法求解非牛顿流体的流场^[1]，求解了单螺杆挤出物料的非等温流场^[1-4]。工程上多采用图算法，定性分析问题。感兴趣的读者可学习相关参考文献^[1]。有了计算软件后，用数值计算方法研究复杂非牛顿流体问题，第9.2节介绍数值模拟聚合物加工成型过程的基础知识。