銷釘雙螺桿擠出機的結構研究與流場分析

賈世魁，董林福

(1.三一重機有限公司樁機研究院，江蘇 昆山 215334；2.沈陽工學院，機械工程與自動化學院，遼寧 撫順 113122)

銷釘冷喂料擠出機與嚙合型雙螺桿擠出機其特點不同，銷釘冷喂料擠出機由于在機筒上插入銷釘，能很好的對物料進行剪切、分流及旋轉，消除普通冷喂料擠出機塑化時所存在的核心區，從而以較低的能源消耗，提高塑化混合效果，降低排膠溫度，提升塑化質量；嚙合型雙螺桿擠出機具有良好的混煉效果，自潔能力強，產量大等優點。本文在綜合了兩種擠出機特點的基礎上，提出了銷釘雙螺桿擠出機的理念，即在雙螺桿擠出機的料筒上，像銷釘擠出機那樣，插入適當的銷釘，這樣就可以最大限度的發揮其剪切塑化能力強，混合效果好的優點。

1 雙螺桿銷釘擠出機銷釘的排布結構

本文以同向嚙合雙螺桿擠出機為研究對象，在擠出段的料筒上插入適當的銷釘，采取兩種結構形式進行分析，第一種為銷釘對稱布置，即在擠出段對稱布置兩排銷釘，每排10枚銷釘，排距52 mm，第一排銷釘距離擠出段機筒入口處52 mm，如圖1所示。第二種為非對稱結構，在擠出段的每側機筒上各插入2排銷釘，整個機筒共插入排數4排銷釘，每排5枚銷釘，排距26 mm，第一排距離擠出段機筒入口處26 mm，如圖2所示。排數可以根據實際需要進行適當調整。

銷釘、機筒、螺桿之間的裝配方式如圖3所示。

2 仿真求解過程

運用FLUENT軟件進行分析，其求解過程[1]如圖4所示。

本文重點研究其結構性對銷釘機筒內部流場分布的影響，從而對擠出機擠出段的工作性能進行討論。因此，在不影響分析結果的情況下，對現有三維模型適當進行簡化處理，GAMBIT中流體模型如圖5。

取螺桿直徑為Φ130 mm,螺槽深度9.75 mm，物料模型螺桿長度截取為162 mm，且螺桿根部圓角忽略不計。螺桿兩端分別加有20 mm的緩沖區，模型總長202 mm（z軸方向），高度121 mm（y軸方向），寬度65.5 mm（x軸方向）。坐標原點位于下方螺桿中心軸右端位置。

在進行模型計算之前，在GAMBIT中進行前處理，分別對對稱銷釘機筒結構、非對稱銷釘機筒結構內部流體的三維模型進行網格劃分，采用四面體網格，步長2，網格數分別為496 231，514 429，513 213。其中非對稱銷釘機筒內部流體網格如圖6所示。

物料參數：膠料為非牛頓流體，其表現黏度與所受剪切速率有關，其中不考慮溫度對黏度的影響，黏度系數μ0=115 kPa.s，非牛頓指數n=0.1，密度ρ=925 kg/m3[2]。

邊界條件：機筒內壁為固定壁面，流體與邊界壁面間無滑移。螺桿表面為旋轉壁面，雙螺桿轉速均為4 rad/s（絕對速度）。圖5中右端設置為壓力進口，壓力值為0，左端設置為壓力出口，壓力值為1 MPa。

計算模型與算法選擇：流體為定常流動，采用穩態模型進行計算。由于流體黏度大，因此采用層流模型。計算過程中不考慮溫度因素，不計算能量方程。離散格式選擇一階迎風，算法采用SIMPLE算法。松弛因子0.7（默認值），監測器中連續性收斂條件殘差值選取1×10-9。

3 塑化混合性能分析

在模型中通過計算截面加權平均壁面剪切應力評價雙螺桿銷釘機筒結構的塑化效果，以加權平均應變速率評價雙螺桿銷釘機筒結構的混合性能。沿z軸方向取截面，分別對銷釘機筒對稱結構與非對稱結構進行比較研究。

模型所選取的截面，兩結構螺桿截面相位一致。對于對稱銷釘機筒結構，選取z=52 mm處，為銷釘軸線位置；對于非對稱結構，銷釘位于機筒一側，且軸線與z=52 mm截面重合。以z=52 mm截面為基準截面，以步長0.05 mm分別向兩側取截面加權平均壁面剪切應力值，并以三次多項式數值計算方法繪制插值曲線，如圖7所示。

圖7 為兩種不同結構的沿z軸方向橫截面上的加權平均壁面剪切應力值分布規律。z=52 mm截面與銷釘軸線重合的位置，非對稱結構截面上平均剪應力值比對稱結構高，但不十分顯著。分別向兩邊延伸，兩條曲線開始下降，可以得出對稱結構應力值下降趨勢明顯，梯度較大。下降至z=50.5 mm與z=53.5 mm處，于波谷位置。z=48.15 mm與z=55.85 mm處，由

于橫截面處于剛剛通過銷釘位置處，截面速度變化復雜，平均剪應力值處于波峰，應力值較大，塑化效果較好。z=47.15 mm與z=56.85 mm處，截面處于螺桿環槽與銷釘的間隙，平均應力值處于波谷位置，應力值較小。z=46.15 mm與z=57.85 mm處，截面位于螺棱環槽邊界位置，由于螺桿的旋轉運動，使螺棱環槽邊界處的加權平均壁面剪切應力值達到最大，到下一截面突然降低至波谷位置，且對稱結構變化幅度較大。

圖中總體趨勢看來，非對稱結構截面加權平均剪切應力總值大于對稱結構的2.96%，物料所受剪切應力值較大，塑化效果較好，且沿z軸方向銷釘附近截面剪切應力值分布平緩，梯度變化較為平穩，對稱結構平均剪切應力值變化幅度較大。

圖8為兩種不同結構的沿z軸方向橫截面上的加權平均應變速率分布規律。從宏觀上看，與加權平均剪應力的分布趨勢類似。經計算，非對稱結構加權平均應變速率總值大于對

稱結構的7.66%，混合效果好，沿z軸方向應變速率分布平緩，梯度變化較平穩。z=52 mm處，非對稱結構應變速率明顯高于對稱結構，分別向兩邊延伸觀察，在銷釘截面區域的應變速率變化不十分明顯。z=46.15 mm與z=57.85 mm處，截面位于螺棱環槽邊界位置，加權平均應變速率值達到最大，下一截面突然降低至波谷位置，且對稱結構變化幅度較大。

模型仿真對雙螺桿擠出機擠出段工作過程建立數學模型，計算收斂后，分別對速度場進行分析。非對稱銷釘機筒結構能夠保證在任意橫截面位置，始終有一側螺桿螺棱在進行旋轉運動狀態，經過銷釘位置時，能夠有良好的自潔性能。最后用塑化混合性能評價對非對稱銷釘機筒結構與對稱銷釘機筒結構進行分析，得出非對稱結構具有比較良好塑化混合性能，加工混煉過程較為穩定的優點。

4 結論

本論文在同向嚙合雙螺桿擠出機基礎上，根據螺桿擠出機數學模型和設計理論，設計研究了銷釘機筒雙螺桿擠出機擠出段部分，運用FLUENT軟件對其不同結構下的流場進行了分析比較，并分析了不同銷釘排布結構的混合效果：對稱銷釘機筒結構的銷釘軸線所處截面位置，無螺桿間嚙合區域，自潔性能下降；非對稱銷釘機筒結構，即銷釘處存在螺桿間嚙合區域，又能夠形成高度剪切區，打亂螺槽間的核心區，增加混煉能力；銷釘附近截面，非對稱結構加權平均剪切應力值與加權平均應變速率總值大于對稱結構，塑化混合效果較好，且沿z軸方向銷釘附近截面剪切應力值分布平緩，梯度變化較平穩。