基于拉伸流動的串聯磨盤擠出機設計與數值模擬

柳天磊，杜遙雪，陳少清

（五邑大學機電工程學院，廣東 江門529020）

基于拉伸流動的串聯磨盤擠出機設計與數值模擬

柳天磊，杜遙雪＊，陳少清

（五邑大學機電工程學院，廣東 江門529020）

基于拉伸流動機理對傳統串聯磨盤擠出機磨盤端面形狀進行了結構改進，并借助于計算流體動力學軟件Polyflow對磨盤混煉段進行了數值仿真，對比分析了錐面磨盤與普通磨盤的剪切速率、拉伸速率、瞬時拉伸混煉效率和平均拉伸混煉效率及錐面磨盤間隙和凸棱高度對錐面磨盤拉伸流場大小的影響。結果表明，與普通磨盤相比，錐面磨盤形成的收斂流道內熔體粒子為無旋流，受到更大的拉伸流場和剪切流場作用，可以獲得更高的瞬時拉伸混合效率和時間平均拉伸混合效率；錐面磨盤要獲得較強的拉伸流場，存在最佳的磨盤間隙和凸棱高度。

串聯磨盤擠出機；錐面磨盤；拉伸混合效率；數值模擬；統計學分析

0 前言

目前，應用較廣泛的混煉設備是單螺桿擠出機和雙螺桿擠出機。單螺桿擠出機的工作原理限制了混煉質量的提高，雙螺桿擠出機具有特殊的混煉機理，可以改善混煉性能，但其螺桿、機筒、傳動等主要部件加工復雜、成本較高，且其螺桿芯軸不能承受過大的扭矩，因此對高填充或高黏度的物料混煉加工較為困難［1］。

近年來，串聯磨盤——即在普通螺桿混煉段添加幾對動、定磨盤構成，成為聚合物混煉成型加工機械設備研究的一個新方向。孫玉堂等［2］研制了一種端面圓盤擠出機，在單螺桿擠出機基礎上，將單螺桿圓柱面上螺紋的部分功能移至圓盤的端面上來進行，從而達到提高混煉效果的目的。江波等［3］在端面擠出機和“T”形擠出機的基礎上研制出CPJ275/135串聯式磨盤螺桿擠出機，綜合了單螺桿擠出機和磨盤擠出機的優點，不僅具有單螺桿擠出機結構簡單、擠出壓力高、承載扭矩大的特性，而且還具有磨盤擠出機超強的破碎、分散、剪切、混合和塑化性能。

串聯磨盤分為普通磨盤和錐面磨盤，普通磨盤，即磨盤凹槽為一平面，凸棱和凹槽階梯過渡；錐面磨盤凹槽為一斜面，凸棱和凹槽平滑過渡。普通磨盤往往采用剪切流場來實現分散混合，讓熔體高頻通過剪切高應力區，在很高的剪切速率下實現分散。但高剪切強度會使填充體系的黏性發熱增加較快，能量的利用率低，容易導致基體高分子鏈發生降解，影響填充體系的性能［4－6］。錐面磨盤很容易構建收斂流道，有利于增強拉伸流場作用，張霞等［7］通過實驗發現，收斂流道給聚合物熔體施加了強拉伸混合作用，使得物料經歷了取向、拉伸、斷裂、分布等過程，從而達到更好的分散混合效果。何光建等［8］和 Chris Rauwendaal［9］通過在螺桿上開錐形槽，發明CRD分散混合器，可以產生較大的拉伸流場，使物料得到充分分布混合和分散混合。

本研究主要基于拉伸流動機理對傳統串聯磨盤擠出機進行結構優化改進，設計錐面磨盤，并應用Polyflow軟件對錐面磨盤進行三維等溫數值模擬及統計學分析，對比分析錐面磨盤與普通磨盤及不同錐面磨盤間結構參數的拉伸性能。

1 模型設計與模擬材料

1.1 模型設計及結構特點

固相粒子在聚合物基體中的分散過程主要由以下3個階段組成：（1）聚集體的破碎；（2）碎片的剝離；（3）碎片在聚合物熔體中的進一步分布與細化。

如圖1（a）所示，在剪切流場的作用下粒子可能做純滾動運動，分散效果差，相反在圖1（b）的拉伸流場中，物料的變形主要以拉伸類型為主，旋轉很小，因而拉伸流動相對剪切流動來講具有更高的分散效率與分散效果［8］。

圖1 不同流場中粒子的分散情況Fig.1 Particle dispersion situation in different flow field

錐面磨盤是基于拉伸流動原理而設計，與普通磨盤動盤凹槽結構的平面構型不同，其動盤凹槽結構為錐面，這樣動盤凹槽面與定盤凸棱及凹槽均能夠形成錐形流道，當物料被推動流過間隙時，流道尺寸減小，熔體流動速率加快，其速度梯度方向和流動方向一致，就產生了拉伸流場，如圖2（b）所示。

圖2 錐面磨盤與普通磨盤物料流動對比Fig.2 Contrast flow of material in different cone and common disc

基于拉伸流動設計的三維錐面磨盤如圖3所示，圖3（a）為錐面動盤，（b）為模擬流道，（c）為錐面定盤。由于普通磨盤的定盤和流道與錐面磨盤的均相同，這里僅給出了普通磨盤動盤三維圖，如圖3（d）所示。由于軟件Polyflow模擬分析網格劃分的限制，錐面磨盤與普通磨盤凸棱的側面相應處理成規則形狀，這樣便于劃分網格，不會因畸形網格過多導致計算精度和準確度降低。錐面磨盤與普通磨盤一個凹槽局部對比如圖4所示，圖4（a）錐面磨盤凹槽底面設計為一斜面，而圖4（b）普通磨盤凹槽底面設計為一平面。

圖3 磨盤構型設計Fig.3 Configuration design for disc

由于仿真模擬重點考察磨盤構型對塑化性能的影響，所以在錐面磨盤與普通磨盤對比分析時，除了凹槽底面幾何造型不一樣外，其他部分尺寸均相同，如圖5所示，其動盤內徑為22mm，外徑為50mm，凹槽內徑為30mm，凸棱高1mm，凸棱與半徑中心線夾角為15°；定盤內徑為30mm，外徑為55mm，動定盤間隙為1.5mm；流道內徑為22mm，外徑為52mm，厚度為9.5mm。

圖4 磨盤凹槽構型局部對比Fig.4 Groove configuration of disc

圖5 錐面磨盤動定盤結構設計Fig.5 Structure design for moven disc and fixed disc of cone disc

1.2 有限元模型

由于磨盤結構復雜及其運動旋轉導致網格劃分困難，本模擬采用混合網格即六面體單元和四面體單元分別對動磨盤、定磨盤進行網格劃分，而流道因其結構簡單規則采用六面體單元進行網格劃分。普通和錐面動、定磨盤網格劃分相似，本研究只給出錐面動磨盤及流道網格劃分結果，如圖6所示。流道為圓柱形圓環，內環為流道入口，外環為流道出口，兩側面為無滑移邊界，邊界條件設置如圖6（b）所示。

圖6 錐面動磨盤和流道網格劃分Fig.6 Meshing of moven cone disc and flow channel

1.3 本構模型與模擬材料

模擬采用Cross Law本構模型來表征聚合物熔體的黏度（η）：

式中 η0——零剪切黏度，Pa·s

λ——松弛時間，s

m——Cross定律指數，無量綱

模擬材料物性參數為η0＝8000Pa·s，m＝0.75，λ＝0.12s，密度ρ＝924kg/m3，入口流量 Q＝5848mm3/s，磨盤動盤轉速 N＝60r/min。

2 結果與討論

2.1 錐面磨盤與普通磨盤流場拉伸性能對比

2.1.1 剪切速率

從圖7可以看出，兩曲線隨時間均有一定的波動，這主要是由于動盤和定盤相對位置的改進導致兩盤間的間隙不斷變化，物料發生團聚且受到壓縮、分配、置換和剪切作用的程度不同。顯然，錐面磨盤內熔體剪切速率隨時間變化值基本均在普通磨盤內的剪切速率曲線之上，這說明錐面磨盤構型相對于普通平面磨盤可以產生更大的剪切流場，從而可以使流道內物料受到較強的剪切作用。

圖7 剪切速率對比曲線Fig.7 Shear rate curves for cone and common disc

從圖8可以看出，該磨盤流道內80%的熔體顆粒受到的剪切速率大于208s－1，所受剪切速率值大于307s－1的粒子占到4%左右，這說明錐面磨盤混煉設備可以提供較強的剪切流場。原因在于動盤凹槽的錐形面減小了動盤與定盤之間的間隙，導致其產生較大的剪切流場。

2.1.2 拉伸速率

從圖9可以看出，錐面磨盤內粒子的拉伸速率隨時間的延長逐漸減小，普通磨盤內粒子的拉伸速率隨時間的延長逐漸增大，但前者曲線變化總在后者之上。這說明相對于普通磨盤，錐面磨盤使流道內物料顆粒更容易產生拉伸流動，具有更好的拉伸作用。

圖8 錐面磨盤剪切速率概率分布Fig.8 Probability distribution for shear rate of cone disc

圖9 普通磨盤和錐面磨盤拉伸速率對比曲線Fig.9 Stretching rate curves of cone and common disc

錐面磨盤拉伸曲線在0～5s內從79.22s－1迅速下降到21.88s－1，然后在此值左右波動，這主要是因為錐面磨盤的錐形構型易于產生拉伸流場，由前文分析知，拉伸流場是無旋流動，其相對于剪切流場具有更強的拉伸分散作用，物料粒子破碎到一定分離強度后便不會發生強烈的拉伸流動，而是趨于平穩。普通磨盤拉伸曲線在整個統計模擬時間內從0緩慢增加15.94s－1，與錐面磨盤有著相反的變化趨勢。原因與其磨盤構型密切相關，其動盤凹槽是平面，這導致其動盤與定盤之間形成的流道破碎、分配和置換作用較大，但產生的拉伸作用較小。

從圖10可以看出，從圖10普通磨盤的拉伸概率密度曲線主要集中在3～5s－1，錐面磨盤則主要分布在3～10s－1，同時，前者曲線波動大，峰值較多，后者波動變化較平緩，整個區間內只有一個峰值。由概率密度表征理論知［10］，概率密度曲線的峰值對應于混合中的不同物料成分，在距離一定范圍的區間內出現2個峰值則說明物料流體沒有得到充分的混合，相反，概率密度曲線只有一個峰值則說明混合很充分。從圖10可以看出錐面磨盤流道內熔體粒子混合效果更充分。

圖10 拉伸速率概率密度對比曲線Fig.10 Probability density curves for stretching rate

2.1.3 瞬時拉伸混煉效率及平均拉伸混煉效率

瞬時混煉效率是定量分析混煉設備塑化性能重要指標，其取值范圍是［－1，1］，正值表示熔體受到拉伸作用，負值表示熔體受到壓縮作用［11］。由圖11可以看出，錐面磨盤與普通磨盤的瞬時拉伸混煉效率隨時間變化趨勢基本一致：混煉初期瞬時拉伸混煉效率急劇下降，然后緩慢波動遞減。另外，錐面磨盤內熔體物料的瞬時拉伸混煉效率曲線大部分都在普通磨盤的曲線之上，這說明前者的瞬時拉伸混煉效率比后者的高。

圖11 瞬時拉伸混煉效率對比曲線Fig.11 Stretching rate curves for instantarecus mixing efficiency

曲線波動的原因與磨盤構型有關，磨盤的凸棱與凹槽是相對運動的，當動盤凸棱與定盤凸棱相靠近時，熔體受到強烈的剪切作用；當動盤凹槽與定盤凹槽或者動盤凹槽與定盤凸棱相靠近時，熔體受到強大的拉伸作用和壓縮作用。所以，熔體受到的拉伸作用隨動定盤的相對位置變化而變化，且粒子在凹槽內易發生團聚現象，導致曲線出現波動。在錐面磨盤中，因凹槽為錐形面，動、定盤之間的間隙較小，熔體為無旋流，受到的拉伸作用和剪切作用更大一些，故而其瞬時拉伸混煉效率比普通磨盤大一些。

由圖12可以看出，兩曲線隨時間的變化趨勢也相似，混煉初期其值近似為一定值，然后隨時間的延長逐漸降低；同時，從圖12還可以看出，錐面磨盤具有比普通磨盤更好的平均混煉效率。

圖11、12中曲線均呈下降趨勢，這主要是因為隨著混煉時間的延長，熔體顆粒不斷破碎、混合、分散和塑化，其分離尺度減小，分離強大增大，受到的拉伸作用不斷降低，導致其瞬時拉伸混煉效率與平均拉伸混煉效率均降低。

圖12 時間平均拉伸混煉效率對比曲線Fig.12 Stretching rate curves for time－averaged mixing efficiency

2.2 結構參數對錐面拉伸流場拉伸性能影響

2.2.1 磨盤間隙

從圖2（b）可以看出，動定磨盤間隙決定了流場的寬度，本模擬取間隙值依次為1、1.5、2.5mm，其對比結果如圖13所示。當間隙為1、1.5mm時，拉伸速率的變化曲線基本重合；間隙為2.5mm時，拉伸速率曲線比前兩者降低，但三者的變化趨勢一致。這說明間隙較小時對改變拉伸流場拉伸速率的影響不大，間隙增大到一定數值時拉伸流場拉伸速率明顯減小。其主要原因在于間隙決定了拉伸流場的寬度，而拉伸流場的大小又取決于構成拉伸流場的錐面作用，當流場過寬時，錐面作用明顯削弱，導致流場拉伸作用降低。

圖13 不同磨盤間隙時混煉時間對流場拉伸速率的影響Fig.13 Effect of time on stretching rate in flow field at different disc space

2.2.2 凸棱高度

影響拉伸流場形成的另一主要因素是動磨盤錐面傾角的大小，改變錐面傾角大小可以通過改變動磨盤凸棱高度實現。從圖14可以看出，當凸棱高度由1mm增加到1.5mm時流場拉伸速率在混煉開始時有小幅值的增加，在混煉進行一段時間后拉伸速率有較大的增大；當凸棱高度由1.5mm增加到2mm時流場拉伸速率并沒有增大，相反其值明顯減小。曲線對比結果說明錐面磨盤流場拉伸作用并不是隨著凸棱高度的增加即磨盤錐面傾角的增大而增大，其原因可以由圖2分析得出：當傾角較小時，圖2（b）的錐面近似為圖2（a）的平面，流場以剪切作用為主；當傾角較大時，在錐面低端易形成渦旋流動，消弱了流場拉伸作用。因而要獲得較強的拉伸流場，就要根據實際工況設計合適的凸棱高度。

圖14 不同凸棱高度時混煉時間對流場拉伸速率的影響Fig.14 Effect of time on stretching rate in flow field at different ridge height

3 結論

（1）基于拉伸流動設計的錐面磨盤易于形成收斂流道，可以避免物料有旋流動，這減弱了磨盤凹槽內粒子發生團聚的形象，從而提高流道內熔體受到的拉伸和剪切作用，有利于物料粒子更好地分散混合；

（2）相對于傳統串聯磨盤，錐面磨盤構型改變了磨盤混煉段熔體流場類型，增強了剪切流場，增大了拉伸流場的作用，使聚合物熔體粒子高效地發生破碎、混合和分散，粒徑變小、粒度均勻，提高其瞬時拉伸混煉效率與時間平均拉伸混煉效率；

（3）不同的錐面磨盤結構參數設計形成的拉伸流場作用大小不一樣，要想獲得強拉伸流場，磨盤間隙和錐面傾角均存在最佳值。

［1］ 岳 巍，許澍華，江 波，等.串聯式磨盤擠出機提高聚合物復合材料混煉質量的研究［J］.北京化工大學學報，2003，30（5）：82－85.

［2］ 孫玉堂，丁玉梅，吳大鳴，等.圓盤擠出機混合機理的研究［J］.橡塑技術與裝備，2005，31（5）：40－44.

［3］ 李 翱，畢 超，江 波.國內外新型混煉裝備的研究動向［J］.塑料，2007，36（3）：89－96.

［4］ 黃 磊.拉伸流場對聚烯烴/納米CaCO3填充體系的分散混合作用［D］.成都：四川大學材料科學與工程學院，2007.

［5］ 黃 磊，歐相麟，吳世見.拉伸流場對聚合物填充體系的分散混合作用［J］.中國塑料，2006，20（9）：53－58.

［6］ 李 翱，江 波，許澍華.串聯式磨盤螺桿擠出機三維流動模擬計算［J］.高分子材料科學與工程，2005，21（3）：35－39.

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［8］ 何光建，殷小春，瞿金平.基于拉伸流動的聚合物復合材料分散混合研究進展［J］.塑料，2010，39（3）：8－10.

［9］ C Rauwendaal.塑料擠出［M］.第二版.北京：中國輕工業出版社，1996：235－244.

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［11］ Fluent Company.Polystat User′s Guide ［Z］.New Hampshire：Fluent Inc，2005.

Design and Numerical Simulation of Series Disc Extruder Based on Elongational Flow

LIU Tianlei，DU Yaoxue＊，CHEN Shaoqing
（Department of Electromechanical Engineering，Wuyi University，Jiangmen 529020，China）

Based on elongation flow mechanism，structure improvement was carried out on the disc face of traditional series disc extruder.Numerical simulation was carried out on the disc mixing section using CFD software Polyflow，and comparative study was performed between taper－face disc and flat－face disc on the shearing rate，stretching rate，instantaneous stretching efficiency and time－averaged instantaneous stretching efficiency，and the effect that disc clearance and disc ledge had on the elongational flow of the taper－face disc.The simulations showed that melt particles in taper－face disc runner took an irrotational flow，experience larger actions governed by elongational flows and shear flows，and get better instantaneous and time－averaged efficiency of stretching compared with traditional disc.Moreover，there existed a proper distance between disc and disc ledge for getting stronger elongational flow.

series disc extruder；cone disc；stretching efficiency；numerical simulation；statistical analysis

TQ320.64

B

1001－9278（2011）12－0095－06

2011－03－21

廣東省自然科學基金資助項目（9151063101000021）

＊聯系人，luoting＠wyu.edu.cn