對頂式內襯層生產線擠出機機頭流道優化分析

李慧敏，向源芳

（天津賽象科技股份有限公司，天津 300384）

膠料在擠出機中擠出時，在機頭流道內停留時間非常短，要保證膠料在流道橫斷面各處分布均勻和流速一致，流道結構及阻尼塊的設計尤為關鍵[1]。為此，借助先進的技術對機頭流道內膠料的流動情況進行模擬仿真，得到流道內膠料流場的準確參數十分重要[2]。我公司設計和制造的對頂內襯層擠出壓延生產線主要用于輪胎內襯層生產。該生產線由兩臺擠出機相向工作，一臺擠出機擠出氣密層，另一臺擠出機擠出過渡層，然后氣密層與過渡層復合形成內襯層。該生產線也可由一臺擠出機工作，生產氣密層、過渡層或其他薄膠片。該生產線的關鍵部件擠出機機頭流道結構不僅決定其生產效率和制造精度，還影響其成本、使用壽命和工藝性能。

理想的擠出機機頭流道結構表現出擠出出口斷面寬度方向膠料熔體（以下簡稱膠料）流速、溫度、壓力和剪切速率均勻的特性，從而良好保證擠出半成品質量。而長期以來擠出機機頭流道多憑經驗或半經驗設計，往往需要花費較多的費用和較長的時間進行試驗和結構修改，甚至在調試現場仍需要花費大量時間進行結構調整。因此，擠出機機頭流道的自動化模擬設計成為當前的熱點課題。

本工作利用Ansys-polyflow軟件對對頂式內襯層生產線擠出機機頭流道流場進行優化分析。

1 模型

對頂式內襯層生產線擠出機機頭及其擠出半成品的三維結構如圖1所示。

圖1 擠出機機頭及帶口型擠出半成品三維結構

1.1 物理與數學模型

擠出機機頭流道截面如圖2所示，其中A和B分別為進口和出口端面，膠料在機頭流道內由A面流向B面。機頭口型厚度為20 mm，寬度為1 050 mm。膠料從A面進入后流經阻尼塊，從B面擠出。中間阻尼塊具有阻止中心膠料流速過快、分散膠料以及使膠料在出口寬度方向分布均勻的作用。帶口型擠出的1/4半成品模型如圖3所示。

圖2 擠出機機頭流道截面示意

圖3 帶口型擠出的1/4半成品模型

本研究膠料的流變特性采用冪律模型模擬。假設流道內膠料恒溫，且不可壓縮，膠料的流動為層流流動[3]。膠料擠出工藝主要參數為：擠出量2.2 t·h-1，密度 1.15 Mg·m-3，傳熱系數 0.2 W·m-2·K-1，比熱容 1 700 J·kg-1·K-1。

1.2 邊界條件

根據壁面無滑移原理，假設所有與機頭壁面接觸的膠料流速為零，同時與螺桿頭部接觸的膠料流速亦為零，即除進口面A和出口面B以外，其余所有各面膠料流速設為零（邊界條件），擠出機機頭工藝條件為：進口溫度 363.15 K，進口流量1.325×10-4m3·s-1，熱通量QT＝λ（T－Tα），λ為傳熱系數（21.16 W·m-2·K-1）。

2 擠出機機頭流道優化設計要點

擠出機機頭流道結構如圖4所示，優化設計要點如下。

圖4 擠出機機頭流道結構示意

（1）流道內膠料呈魚尾狀分布，流經流道的膠料呈壓縮式層流流動。

（2）為減小流道中部區域阻尼，在流道魚尾兩端處增大阻尼，以有助于膠料流動。

（3）口型全寬度范圍內各節點膠料分布和流速的均勻性取決于流道結構，流道設計中選擇適合的阻尼塊形式，確定合理的阻尼塊仰角和分散角。

（4）出口斷面中間區域膠料厚度偏小的原因在于阻尼塊仰角過大，致使機頭壓力過大，故應采用較小的仰角。

討論班這樣討論了兩年，到1988年就創建了“中國社會經濟系統分析研究會”，顯然，系統學討論班不僅為這個研究會的成立準備了理論和方法，也聚攏了一大批人才。討論班的重要成員馬賓同志出任研究會首任理事長，討論班的具體組織者、710所副所長于景元同志長期擔任研究會的副理事長并兼任秘書長。研究會成立30年來，始終站在中國改革開放的前沿，緊緊抓住關乎國計民生的全局性、總體性、關鍵性的重大問題，組織攻關，各個專業委員會的工作搞得有聲有色，推出了一批又一批前瞻性、戰略性的研究成果，為中央和許多部門的科學決策提供了強有力的智力支持。

（5）擠出出口斷面寬度方向膠料兩端流速較大的原因在于分散角過小，為減少膠料向流道兩邊流動，應增大分散角。

（6）流道表面應有足夠的加工精度和光潔度，對原阻尼塊倒角做修正。

3 結果與討論

3.1 流速場分布

原設計和優化設計擠出機機頭流道帶口型擠出膠料流速場分布分別如圖5和6所示，出口斷面寬度方向流速分布如表1所示。

表1 擠出機機頭流道帶口型擠出出口斷面寬度方向膠料流速分布

從圖5和6可以看出，當膠料流接近阻尼塊區域時，由于流道中間的阻力增大，強迫膠料向兩側流動，這有利于膠料向兩側分配，使流道中間膠料流速降低。阻尼塊直接影響流道出口斷面膠料流速的均勻性；區域E和F均存在流速較大的區間，而區域G存在流速較小的區間。為此，根據流道設計理論，降低區域G的阻尼，即減小阻尼塊仰角，從而使膠料從中間區域流動；同時為減小出口斷面中間區域G與其他區域速度差，限制區域E和F膠料沿螺桿軸向流動，即增大分散角，減緩膠料向流道兩邊流動。

圖5 原設計擠出機機頭流道帶口型擠出膠料流速場分布

圖6 優化設計擠出機機頭流道帶口型擠出膠料流速場分布

從表1可以看出，與原設計機頭流道相比，優化設計機頭流道帶口型擠出出口斷面寬度方向膠料流速平均值大幅提高，膠料流速最大值與最小值差值和最大偏差減小，膠料流速均勻性提高。

3.2 壓力場分布

原設計和優化設計擠出機機頭流道帶口型擠出膠料壓力場分布分別如圖7和8所示，出口斷面寬度方向壓力如表2所示。

圖7 原設計擠出機機頭流道帶口型擠出膠料壓力場分布

圖8 優化設計擠出機機頭流道帶口型擠出膠料壓力場分布

表2 擠出機機頭流道帶口型擠出出口斷面寬度方向膠料壓力分布

從圖7和8可以看出：由于螺桿的推動作用，膠料在流道入口處的壓力較大，膠料的流動為壓力流動；在無阻尼塊區域，流道中間部位的流體阻力小，流速大；當物料流接近阻尼塊區域時，由于流道中間的阻力增大，強迫物料向兩側流動，使流道中間膠料壓力減小。膠料流經不同形狀截面時速度不同，呈現壓力梯度分布。

機頭流道擠出出口斷面低壓區域主要集中于中間部位。從表2可以看出，與原設計機頭流道相比，優化設計機頭流道帶口型擠出斷面寬度方向膠料壓力分布更均勻，膠料壓力平均值、最小值和最大值均增大，最大偏差減小，這利于提高擠出效率。

3.3 溫度場分布

原設計和優化設計擠出機機頭流道帶口型擠出膠料溫度場分別如圖9和10所示，出口斷面寬度方向溫度分布如表3所示。

圖9 原設計擠出機機頭流道帶口型擠出膠料溫度場分布

圖10 優化設計擠出機機頭流道帶口型擠出膠料溫度場分布

表3 擠出機機頭流道帶口型擠出出口斷面寬度方向膠料溫度分布

從圖9和10及表3可以看出：原設計機頭流道擠出出口斷面寬度方向膠料存在兩端溫度較高、中間較低的現象，這主要是由于流道中膠料出口魚尾兩端壓力較大，流速較快導致的；優化設計機頭流道出口膠料溫度有所提升（但不會導致焦燒，符合工藝要求），出口斷面膠料溫差變化變小，基本實現了擠出半成品溫度一致的要求。

3.4 剪切速率場分布

原設計和優化設計擠出機機頭流道帶口型擠出膠料剪切速率場分別如圖11和12所示，出口斷面寬度方向剪切速率分布如表4所示。

圖11 原設計擠出機機頭流道帶口型擠出膠料剪切速率場分布

圖12 優化設計擠出機機頭流道帶口型擠出膠料剪切速率場分布

表4 擠出機機頭流道帶口型擠出出口斷面寬度方向膠料剪切速率參數分布

從圖11和12及表4可以看出:原設計機頭流道出口斷面寬度兩端膠料的剪切速率較大，這是因為膠料流速較大；優化設計機頭流道出口膠料的剪切速率略大。

從表4可以看出，與原設計機頭流道相比，優化設計機頭流道擠出出口膠料的剪切速率變化較小，這有利于提高擠出半成品的厚度和溫度均勻性。

4 結論

（1）擠出機頭流道結構直接影響出口斷面寬度方向膠料流速、溫度、壓力和剪切速率的均勻性，阻尼塊仰角和分散角直接決定擠出流道流場分布的合理性和擠出半成品的均勻性。

（2）減小擠出機頭流道中部區域的阻尼，可有效解決擠出半成品中間壁厚偏小和兩邊壁厚偏大的問題，但減小阻尼仰角時應考慮其與分散角的關系。

（3）增大擠出機頭流道分散角有助于優化膠料流動，有效減小出口斷面寬度方向不同部位膠料流速、壓力、溫度和剪切速率差值。

（4）優化設計擠出機頭流道呈魚尾狀，流經流道的膠料呈壓縮式層流流動，基本實現了出口斷面寬度方向膠料流速、壓力、溫度和剪切速率分布均勻。