不同橡膠擠出機(jī)旁壓輥循環(huán)水道有限元對比分析

呂煒帥

（天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，機(jī)械學(xué)院，天津 300350）

0 前言

擠出機(jī)喂料方式主要有自由喂料、旁壓輥喂料和螺旋嚙合喂料[1]。旁壓輥喂料方式屬于強(qiáng)制加料，可實(shí)現(xiàn)供膠均勻，降低擠出半成品或成品的重量誤差。旁壓輥喂料方式可提高螺桿的填充系數(shù)和生產(chǎn)能力，在一定程度上解決了擠出制品產(chǎn)量與波動的問題。因此，旁壓輥加料方式在行業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[2]。但喂料的速度，喂料制品形體尺寸、硬度、溫度都成為旁壓輥喂料方式的重要影響因素。由于旁壓輥的吃料方式是以摩擦方式進(jìn)行的，但是這種摩擦附加了強(qiáng)制作用，由此產(chǎn)生的摩擦熱和變形熱對擠出溫度影響較大。合理的溫度控制能提高膠料的塑化效果，有效控制制品的擠出溫度，獲得優(yōu)質(zhì)的半成品。因此擠出機(jī)通過采用熱水循環(huán)溫控裝置對擠出系統(tǒng)中螺桿各段以及旁壓輥進(jìn)行恒溫加熱控制，這樣膠料經(jīng)擠出機(jī)喂料裝置時可得到充分預(yù)熱，保證擠出的膠片表面和內(nèi)部致密且無氣孔。

在橡膠制品擠出的生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)線運(yùn)行時，螺桿、機(jī)筒和旁壓輥的溫度較低，而膠料剛加入時比較生硬，經(jīng)螺桿和旁壓輥的擠壓變形較小，加料相對緩慢，這會增大膠料對螺桿和旁壓輥的反作用力[3-4]。旁壓輥內(nèi)的冷卻循環(huán)裝置通過溫控恒溫控制，可有效減少開機(jī)時膠料對螺桿和旁壓輥的反作用力，這也有助于實(shí)現(xiàn)加料的持續(xù)穩(wěn)定，減小由于喂料區(qū)域溫度變化導(dǎo)致的加料不穩(wěn)所致的制品質(zhì)量波動。本研究選用250擠出機(jī)旁壓輥進(jìn)行分析，設(shè)定溫度為55℃，水流流速為1.18 m/s。并選用SolidWorks進(jìn)行建模，采用Simulation模塊進(jìn)行熱分析。

1 旁壓輥冷卻結(jié)構(gòu)有限元分析

1.1 物理模型

圖1中所示旁壓輥冷卻結(jié)構(gòu)形式為內(nèi)腔噴水，又稱開式噴水冷卻。圖2中所示旁壓輥冷卻結(jié)構(gòu)形式為循環(huán)冷卻，通過在旁壓輥輥筒沿圓周加工冷卻水循環(huán)孔通道，又稱強(qiáng)制循環(huán)冷卻。

圖1 旁壓輥開式噴水冷卻及水道模型

圖2 旁壓輥強(qiáng)制循環(huán)冷卻及水道模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

傳熱管道屬于短管道傳熱，且通道內(nèi)流動尚未充分發(fā)展，層流內(nèi)層較薄，熱阻力較小，故根據(jù)雷諾數(shù)計(jì)算公式[5]：

式中：u—水流速度，m/s；

d—冷卻水管道直徑，m；

ρ—水的密度，kg/m3；

μ—流體粘度，Pa·s。

其中：

u=1.18 m/s，d=0.020 m，μ =509.65×10-6kg/（m·s），ρ=985.6 kg/m3。

經(jīng)計(jì)算得：Re=45 639，1.2×105>Re>104，故管內(nèi)流動為絮流。

對于光滑管道紊流可按迪圖斯—貝爾特公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：

Nu—努謝爾特準(zhǔn)則；

Re—雷諾準(zhǔn)數(shù)；

Pr—普朗特準(zhǔn)數(shù)。

經(jīng)查表，水在55℃時，普朗特準(zhǔn)數(shù)為3.27。計(jì)算得：Nu=175.6

根據(jù)對流換熱系數(shù)計(jì)算表達(dá)式為：

式中：λ—材料導(dǎo)熱系數(shù)，常數(shù)，w/（m·℃）；

d—冷卻水孔直徑，m；

λ—水的導(dǎo)熱系數(shù)值，w/（m·℃）；其中，λ為0.654 w/（m·℃）

經(jīng)換熱系數(shù)公式三進(jìn)行計(jì)算，得：

由于lc>>dc，故該換熱系數(shù)不需修正。

1.3 定義材料與載荷

首先定義模型材料的各種屬性，管道里通入水，旁壓輥材料為38CrMoALA。在對流換熱過程中，熱量的傳遞是靠對流和導(dǎo)熱實(shí)現(xiàn)。對流，主要體現(xiàn)在對流傳遞作用流體質(zhì)點(diǎn)不斷地運(yùn)動、滲亂混合，熱量從一處被帶到另一處；對于導(dǎo)熱主要是指旁壓輥壁和流體間存在著溫差現(xiàn)象，而且在流體各層間也存在在著溫差現(xiàn)象，所以，通過導(dǎo)熱作用使熱量得以傳遞。

式中 Q—吸收或放出的熱量，J；c—比熱容，J/（kg·℃）；m—質(zhì)量，kg；△t—溫度差，℃。

其中，c=1 700 J/（kg·℃），結(jié)合實(shí)際工況設(shè)定m=2.7 kg，△t=2 ℃。經(jīng)計(jì)算得：Q=9 180 J。

根據(jù)工況為參考，在旁壓輥外表面，即膠料接觸平面加載假定熱載荷3 060 W。

2 模擬結(jié)果及討論

通過軟件的求解計(jì)算，就可以得到旁壓輥不同冷卻水道結(jié)構(gòu)下的溫度場變化（圖3、4），并對其性能進(jìn)行分析比較。

圖3 旁壓輥開式噴水冷卻水道結(jié)構(gòu)溫度場分布

圖4 旁壓輥強(qiáng)制循環(huán)冷卻水道結(jié)構(gòu)溫度場分布

由圖3和圖4兩種不同形式循環(huán)水道比較可見，旁壓輥強(qiáng)制循環(huán)冷卻水道結(jié)構(gòu)表面溫度值略高于旁壓輥開式噴水冷卻水道結(jié)構(gòu)表面溫度，這是由于其水道更切近輥面，在相同循環(huán)水溫情況下，輥面溫度可實(shí)現(xiàn)速度更快的熱傳遞，這對于旁壓輥表面溫度的控制將更加靈敏，也可有效降低能耗。此外，旁壓輥開式噴水冷卻水道結(jié)構(gòu)中輥面溫度比強(qiáng)制循環(huán)冷卻水道結(jié)構(gòu)表面溫度云圖表現(xiàn)更加平順，這將有利于喂料過程中對膠料擠壓過程更加均勻熱量傳遞，實(shí)現(xiàn)良好的喂料。相比之下，開式噴水冷卻水道結(jié)構(gòu)比強(qiáng)制循環(huán)冷卻水道結(jié)構(gòu)加工簡單，但水道循環(huán)速度較低，這對喂料過程中溫度的精準(zhǔn)實(shí)時控制不利。

3 結(jié)論

（1）旁壓輥合理的循環(huán)水溫度控制，有助于加快喂料過程膠料的流動，降低膠料與螺桿、機(jī)筒和旁壓輥的剪切，降低膠料的溫升，提高喂料擠出過程中半成品質(zhì)量；

（2）旁壓輥強(qiáng)制循環(huán)冷卻水道結(jié)構(gòu)比開式噴水冷卻水道結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對旁壓輥輥面溫度更加精準(zhǔn)控制，這有助于喂料的持續(xù)穩(wěn)定，減少溫度變化導(dǎo)致的制品質(zhì)量波動；

（3）在滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求前提下，后續(xù)可對旁壓輥強(qiáng)制循環(huán)冷卻水道結(jié)構(gòu)孔徑進(jìn)一步優(yōu)化，以便獲得更好的換熱效果。