切向銷釘機筒冷喂料擠出機的流場模擬與受力分析

王雨生 溫志雄 宋浩 王振宇 董方晨

摘 要：利用UG NX10.0軟件構建了切向銷釘機筒冷喂料擠出機的三維模型，預估了橡膠流量的物料參數并使用ANSYS WORKBENCH軟件和FLUENTS軟件對切向銷釘機筒冷喂料擠出機內部的流量場進行了模擬，并通過簡化模型控制變量的方式迭代計算得出其運轉時的壓力場和速度場。利用流場的分析結果進行了擠出機切向銷釘的靜力學分析，得出了銷釘受力的預測值。從而為切向銷釘機筒冷喂料擠出機的發展提供了可靠的依據。

關鍵詞：切向銷釘擠出機;流場模擬;受力分析

1 緒論

銷釘機筒冷喂料擠出機在橡膠加工過程中起到了非常重要的作用，橡膠擠出作為橡膠成型的一個重要流程，其機器結構的優劣直接決定了擠出制品的質量。傳統徑向銷釘擠出機雖然能滿足各類工廠的使用需求，但仍存在難控制膠溫、產量較低、塑化成型質量不夠穩定的問題。所以近幾年來，基于橡膠生產中的需求，國內外學者開始探索新的橡膠成型發展方向。[1]

橡膠成型中一個重要的因素就是橡膠流動的均勻性。本課題將研究重心放在了銷釘結構上。[7]本研究主要針對切向銷釘的速度場與壓力場進行了模擬，并利用ANSYS軟件完成了對切向銷釘的受力分析。

2 建立模型

2.1 切向銷釘擠出機的總裝結構模型

在三維直角坐標系中建立了切向銷釘機筒冷喂料擠出機的幾何模型，如圖1。

2.2 切向銷釘的結構模型

本文所研究的切向銷釘總長為170mm。其中中間剪切作用段的直徑為8mm。該種切向銷釘共有七排，每排兩個呈均勻分布狀態，銷釘的內部為中空設計，保證了冷卻介質的通入。切向銷釘結構示意圖如圖2所示。

2.3 受力分析

銷釘所處的環境為混合流場，由于其環境的復雜性以及冷喂料擠出機溫度的不均勻性，且熔體的流動還要符合物料本身行為屬性的本構方程，故本次分析做以下假設：

（1）可用牛頓流體定律描述膠料的流變行為;

（2）膠料在機筒內的流動為穩定的層流，且因為其粘度過大，流體的雷諾數特別小;

（3）膠料在流場內完全處于層流狀態;

（4）大粘度低雷諾數的流動體系，忽略膠料流體的重力、慣性力等體積力;

（5）假設流體與流道表面不會出現壁面滑移現象。

2.4 機筒結構模型[6]

本文主要采用市面上普遍使用的Φ65銷釘冷喂料擠出機機筒，其主機型號為：[2]XJD-65×12D。

2.5 螺桿結構模型[4]

采用標配雙螺紋螺桿。螺桿材料采用 38CrMoALA，內有冷卻用孔。

具體數據如下：

螺桿直徑：32mm;

螺桿長度：603mm;

螺桿與減速器低速軸：花鍵聯接。

3 流體力學分析

3.1 模型建立及其網格劃分

網格使用默認的流體三角形網格。根據2.3受力分析中的假設，熔體在流場內與內壁的相對流速為vs=0，且不考慮壁面滑移現象。由于實際影響因素過多，不好控制FLUENTS的運算速度和結果的準確性。因此在分析時進行了模型簡化。

建立流場的模型時，使用了三面體網格進行劃分，將其劃分完畢后，需要進行網格的檢查，結果如圖3所示。

圖3 網格密度質量檢測

由圖3的表格的結果可以看出，平均質量到達了0.83，即83%。證明其網格質量良好，在此基礎上進行的其他分析活動所得出的結果也是可靠的。

3.2 邊界條件的設定

3.2.1 流量的邊界條件

在工作過程中，膠料在通過任意截面的時候的速度有一定范圍且其數值可視作常數，并以此速度通過擠出口完成擠出成型。此速度是根據擠出機的規格和設備參數決定的。因此，流量可表達為：[2]

qd=Qdt（1）

qd為機頭流量，mm3/s

其中：Qd為擠出機的生產能力，Kg/h

t為時間，s

3.2.2 速度的邊界條件及物料參數

根據2.3受力分析中的假設5，得vw=0，其中vw為膠料與壁面的相對滑移速度，單位為m/s。

綜上所述并參閱資料后，得出所設的物性參數為如下表所示。分析過程中膠料的物性參數及邊界條件均不變。參數如下：

膠料的物性參數表

3.2.3 流場模擬性能

本論文所采取的流場膠料的物料密度為1066kg/m3，非牛頓冪率粘度模型的冪率指數為0.385，粘度系數為106pa·s。在實驗過程中使用了較大的數值來使使用數值是更加安全。

3.2.4 流場分析結果

通過FLUENTS迭代計算，初步得到殘差監視窗口和出口質量流量監視窗口。如圖4。

如圖所示，當迭代計算進行到600步以后，出口質量流量已趨于穩定。判斷出計算已收斂，計算結束。

導出報告后導出速度場及流量場。其中速度場和壓力場如圖5所示。

由圖可以明顯的看出，在標準截面上，有銷釘阻攔的部位上的流場速度遠遠大于沒有銷釘阻攔的部位，其倍數可達5～10倍。壓力場方面，銷釘所承受的最大壓力為21Mpa。根據壓力場圖所示，銷釘可以有效的分流-匯流膠料流場，且其主要受力部分在于銷釘的正面部分且在后方無擠出機頭保證壓力的情況下壓力呈遞減趨勢。

4 銷釘的靜力學分析

4.1 銷釘的物理模型

由于本文只考慮流場內受力情況，所以銷釘模型只取流場內使用的一段。具體細節如圖6所示。

由于運轉時情況復雜，不能很好的預測其應力集中的部分，所以在本次分析中近似認為受力點為銷釘中心。

4.2 受力平面及邊界條件

根據2.2受力分析所示條件，銷釘只會受到來自膠料的擠壓力。所以在簡化模型的受力分析過程中，將銷釘與機筒對接的平面設為固定面。普通切向銷釘擠出機的擠出壓力一般為13.5Mpa左右，又結合流場分析壓力場的結果，設立其擠出壓強為20Mpa。

銷釘的網格劃分設置為四邊形，Relevance Center一欄選擇Medium。

4.3 銷釘的分析類型及結果

首先是等效應力的分析。在20Mpa擠出壓強的環境下，切向銷釘的最大等效應力如圖7所示。

在銷釘兩側與機筒接觸的假定固定的部分所受到的等效應力最高，這是在假設兩側為固定面的情況，真實情況下此固定面允許其有小范圍的形變，可以肯定的是這個受力點為應力集中點。

然后是切向銷釘的應變，在假設固定面為兩段與機筒的接觸面的情況下，銷釘形變量最大值為0.12667mm≈0.13mm。即此切向銷釘在此情況下受力部位最大應變為0.13mm，具體如圖8所示。

實際上，在實際生產中，銷釘所受到的擠出壓強遠遠低于20Mpa（實際測試值小于14Mpa），故本分析所提供數據為大約值。

4.4 材料性能

銷釘材料建議使用38CrMoAl，此種材料有高的表面硬度，耐磨性及疲勞強度。極為適合用于制造銷釘這種尺寸小，要求耐磨性高的零件。

5 結論

（1）利用Unigraphics NX對擠出機及其流道進行了物理建模。

（2）使用ansys workbench和fluents進行了關于銷釘的靜力學分析和關于流場的壓力場速度場的分析。

（3）通過試驗可以得出在擠出機內有銷釘阻攔的流場速度遠遠大于沒有銷釘阻攔的部位，其倍數可達5～10倍，可以充分起到擠壓的作用。壓力場方面，不考慮擠出頭部底壓，銷釘所承受的最大壓力為21Mpa，約為同平面無銷釘阻攔位置的兩倍，是最低壓強的十倍。可通過此實驗為擠出機頭部截面面積的計算起到參考作用。[3]

（4）進行了切向銷釘的靜力學分析，得出其應力集中點在銷釘與機筒的連接位置。且在假設固定面為兩段與機筒的接觸面的情況下，銷釘形變量最大值為0.12667mm≈0.13mm。即此切向銷釘在此情況下受力部位最大應變為0.13mm，留出了余量進行參考，為擠出機擠出性能的優化設計提供了理論依據。[4]

參考文獻：

[1]楊衛民，程源.L型擠出機頭中膠料流動的均勻性分析[J].橡膠技術與裝備，1991（3）：12-17.

[2]劉樹明.混合型銷釘機筒冷喂料擠出機理及實驗研究[D].青島科技大學，2014.

[3]W.A.Gifford.A three-dimensional analysis of coextrusion in a single manifold flat die，Polymer Engineer and Science，40（9）2095-2100，2000.

[4]王祥，林廣義，呂寧寧，孔令偉，董方晨，劉彥昌.橡膠切向銷釘冷喂料擠出機擠出性能的研究[J].橡膠工業，2019，66（01）：57-61.

[5]范之海，宋廣軍，呂賢濱，呂柏源.橡膠冷喂料擠出機螺桿結構幾何參數分析與選擇[J].橡塑技術與裝備，2011，37（01）：5-11.

[6]G.Nijman，Enschede（NL），黃元昌.幾種不同的橡膠擠出機螺桿、機筒設計方案（下）——應用方法[J].橡塑技術與裝備，2002（06）：37-44.

[7]于清溪.橡膠擠出機現狀與展望（上）[J].橡塑技術與裝備，2010，36（07）：16-23.