真空練泥機連續螺旋絞刀仿生結構的二維有限元分析

摘 要：為了改善螺旋絞刀中泥料層與層之間的相對運動，利用“仿生學”原理對螺旋絞刀結構進行修改，即把螺旋絞刀上的光滑表面變為非光滑的波紋表面。通過仿真模擬后，其結果表明：泥料之間層與層的相對運動減小了，說明結構改變后泥料與螺旋絞刀的粘附力減小了。

關鍵詞：螺旋絞刀；泥條；模型；仿真模擬

1 引 言

泥料具有一定的黏附作用，因此泥料各層在沿絞刀的徑向的角速度不同，因此，就產生了相對的運動。為了減小這種相對運動，必須減小泥料與軸轂的粘附力。例如：蚯蚓可以在潮濕的土壤中自如地運動而不受土壤粘附的影響，蚯蚓在土壤中穿梭時體表的結構是非光滑的波紋表面，如圖1所示。說明這種非光滑表面具有減小粘附力的作用。為此將非光滑表面結構加載到螺旋鉸刀中，然后進行仿真模擬。

2 泥料基本控制方程及數學模型的建立

2.1基本控制方程的建立

泥料在運動過程中所表現的粘彈性及其規律，不論在其流變測量過程還是在練泥機的擠壓過程中，均屬于連續介質的力學范疇，可將其定位于輸運過程。泥料是一種特殊的“剪切變稀”的非牛頓流體，遵循特殊的流動本構方程。

2.2 泥料模型的建立

為了便于分析，假設：

（1） 忽略螺槽內倒角、等微小結構因素的影響；

（2） 忽略回流的影響；

（3） 泥料為賓漢體；

（4） 流場為等溫流場；

（5） 雷諾系數很小，可認為泥料的流動為層流流動；

（6） 由于慣性力、重力等體積力小于粘性力，可忽略不計；

（7） 泥料為不可壓縮流體；

（8） 接觸邊界無相對運動；

（9） 采用泥料在螺旋鉸刀中的展開模型（如圖2所示）

對螺槽、泥料進行簡化：將螺槽和筒壁分別展開成兩個平行平面，展開后如圖2所示，X方向表示沿螺旋面方向，Y方向表示絞刀徑向(螺槽深度方向)，Z方向表示垂直于螺旋面方向。泥條的長、寬、高分別為0.9m、0.164m、0.0675m。泥料上方為方形擋泥槽，螺旋面和軸轂面均為波紋型結構。

因為泥條的三維流場分析比較困難，因此可把它簡化成為兩個二維模型進行分析，其中一個是用一個平行于XOZ的截面，從接近軸轂端去截取所得的截面的局部平面放大圖形，如圖3所示，還有一個就是用平行于XOY面的截面從泥料的中間截取所得到的局部平面放大的圖形，如圖4所示。

2.3 網格的劃分

利用FLUID141單元對截面進行智能網格劃分。同時，對結構變化比較大的表面進行網格加密處理。

2.4 邊界條件的確定

經測量，泥料牛頓粘度ηN=1.09×103Pa·s、塑性粘度ηP=1.09×103Pa·s、表觀粘度ηS=2.37×103Pa·s、泥料的屈服極限fv=1.018×104Pa、絞刀轉速為n=30r/min。在圖3中定義擋

泥槽端速度為Vbx=0、Vby=0；軸轂端速度為Vsx=-0.1616m/s；進

口壓力為0.5×103Pa；出口的壓力為1×103 Pa。在圖4中，

定義上下兩個螺旋面速度為Vfx=-0.1616 m/s；進口壓力為

0.5×103 Pa；出口的壓力為1×103 Pa。

3 分析結果與討論

3.1 結構改變后與改變前的XOY面泥條X方向速度云圖的比較

圖5為結構改變后XOY面泥條X方向速度云圖，其中Vmax1=0.159e-3m/s、Vmin1=-0.1616m/s；相對軸轂端的相對速度的平均值Vp1=0.2035m/s；角速度方差Fc1=2.45。圖6為改變前的XOY面泥條X方向速度云圖，其中Vmax2=0.13e-3m/s、Vmin2=-0.1616m/s；相對螺旋面的相對速度的平均值Vp2=0.285m/s，角速度方差Fc2=2.96。

通過對云圖的觀察，兩圖均有一定厚度的泥料黏附在軸轂上，形成呆泥，d1大約為3.5mm左右，而d2大約有7.5mm。因此，可以認為通過仿生改造后的軸轂表面的呆滯的泥層厚度可以減小50%，角速度方差Fc減小17.2%，有助于減小泥料層與層之間的相對運動。由于Vp的減小，導致泥料的平均流量Q減小了28.6%。

3.2 結構改變后與改變前的XOZ面泥條X方向速度云圖的比較

圖7 為結構改變后XOZ面泥條X方向速度云圖，可以發現Vmax3=0.0869m/s、Vmin3=-0.1616m/s；相對軸轂端的相對速度的平均值Vp3=0.032m/s、角速度方差Fc3=0.046。圖8為改變前的XOZ面泥條X方向速度云圖，其中Vmax4=-0.1616m/s、Vmin4=-0.1736m/s；相對螺旋面的相對速度的平均值Vp4=0.00458m/s，角速度方差Fc4=0.056。

通過對速度云圖的觀察，兩圖均有一定厚度的泥料黏附在軸轂上，形成呆泥，d3大約為3mm，而d4大約有5.2mm。因此，可以認為通過仿生改造后的軸轂表面的呆滯的泥層厚度可以減小42.3%，角速度方差Fc減小17.86%，有助于減小泥料層與層之間的相對運動。由于Vp的大幅度增加，導致泥料的平均流量Q將增加差不多7倍。

3.3 結構改變后與改變前的XOZ面泥條壓力云圖的比較

圖9為結構改變后與改變前的XOZ面泥條壓力云圖，通過對圖形的觀察發現，結構改變前壓力分布梯度很清晰，說明泥料在不同位置所受的壓力不同，而結構改變后壓力梯度比較模糊，在不同位置泥料所受壓力大小差別不是很大。結構改變后泥料的壓力分布相對改變前比較均勻，這能提高泥料的致密性。

3.4 結構改變后與改變前的XOY面泥條壓力云圖的比較

圖10為結構改變后與改變前的XOY面泥條壓力云圖，通過觀察結構改變前和改變后壓力梯度改變不是很明顯。

4 結 論

螺旋絞刀上的光滑表面變為非光滑的波紋表面。通過仿真模擬后對泥條XOY和XOZ截面進行了分析，得出了如下幾個結論：

（1） 結構改變后XOY泥條截面的角速度方差Fc減小17.2%，XOZ截面的角速度減小17.86%，說明泥料層與層之間的運動明顯減小了，導致阻力降低 。

（2） 結構改變后軸轂表面上呆滯泥層減小50%，螺旋面上的呆滯泥層減小42%，說明改變后的螺旋絞刀軸轂表面與泥料之間，以及螺旋面上的黏附力減小了，粘附力減小就可以降低泥料層與層之間的相對運動，提高擠出泥料的質量 。

（3） 雖然結構改變后的XOY截面相對平均速度Vp1減小28.6%，但是XOZ截面相對平均速度Vp3增加近7倍，所以Vp1的減小可以忽略不計。

（4） 結構改變后壓力梯度分布較改變前減小，這將有助于提高泥料擠出時的整體致密性。

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