單螺桿擠出機(jī)喂料段螺旋溝槽襯套的流場(chǎng)分析

李成宇 ，呂曉龍 ，呂柏源 ，湯岷

(1.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266100 ；2.青島科技大學(xué)中德科技學(xué)院，山東 青島 266100)

0 前言

在橡膠工業(yè)中，螺桿擠出機(jī)是橡膠加工的重要設(shè)備，它廣泛應(yīng)用在輪胎制造、膠管制造、密封膠膠條制造、電線電纜和再生膠制造等等[1～3]。長(zhǎng)期以來，擠出機(jī)研究發(fā)展的焦點(diǎn)都集中在螺桿構(gòu)型的不斷改進(jìn)中，這確實(shí)使擠出機(jī)的生產(chǎn)能力和塑化能力獲得了巨大的提高，但是塑化能力與喂料能力也是緊密相連的，只有喂料段輸送能力與塑化能力相匹配時(shí)，才能保證高質(zhì)量和高生產(chǎn)率的擠出[4～6]。而提高喂料段輸送能力，需要在一定范圍內(nèi)提高喂料段機(jī)筒襯套的內(nèi)摩擦系數(shù)，即加大膠料與襯套內(nèi)壁的摩擦力，使得膠料可以最大量的向前輸送[7-9]。而為了保證膠料與料筒內(nèi)壁之間有較大的摩擦力，提高擠出產(chǎn)量，最簡(jiǎn)單的方法就是在料筒上加工若干個(gè)縱向溝槽。除了直線形溝槽外，還有一種螺旋形溝槽，其螺旋方向與螺桿螺槽的螺旋方向相反，相比縱向溝槽，可以進(jìn)一步加強(qiáng)物流的輸送能力[10]。喂料段溝槽襯套設(shè)計(jì)過程中，影響生產(chǎn)效率的參數(shù)主要有溝槽寬度，溝槽深度和溝槽數(shù)量。利用FLUENT 模塊，對(duì)Ф150 單螺桿擠出機(jī)喂料段三維流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，并針對(duì)物料流動(dòng)行為與速度的關(guān)系，對(duì)溝槽寬度，溝槽深度和溝槽數(shù)量進(jìn)行了優(yōu)化分析，同時(shí)總結(jié)了各個(gè)參數(shù)對(duì)膠料輸送速率的影響。

1 建立模型

1.1 幾何模型

本文基于單螺桿擠出機(jī)，一種用于制備再生橡膠的設(shè)備。擠出機(jī)參數(shù)為：螺桿直徑d=Ф150 mm，喂料段長(zhǎng)度比=4（長(zhǎng)600 mm 等距等深），喂料段螺槽深度h=27 mm，螺桿導(dǎo)程S=170 mm，螺棱寬度e=10.5 mm。）通過改變溝槽深度、溝槽寬度和溝槽個(gè)數(shù)，模擬物料的最大流動(dòng)速度，并分析了溝槽深度、溝槽寬度和溝槽個(gè)數(shù)對(duì)物料輸送速率的影響。喂料段襯套溝槽幾何模型如圖1 所示，喂料段螺桿襯套裝配體如圖2 所示。

圖1 單螺桿擠出機(jī)喂料段溝槽襯套模型圖

圖2 單螺桿擠出機(jī)喂料段溝槽襯套螺桿組裝圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

在進(jìn)行流場(chǎng)模擬計(jì)算時(shí)，考慮到流場(chǎng)的幾何形狀、物料性質(zhì)、流動(dòng)狀態(tài)、加工條件等因素造成的流場(chǎng)復(fù)雜性，同時(shí)流動(dòng)過程能滿足工程的近似要求，做以下基本假設(shè)[11～12]：

(1) 聚合物為非牛頓流體；

(2) 聚合物熔體假定為紊流流動(dòng)；

(3) 忽略慣性力和重力的影響；

(4) 聚合物在流道中假定為全部充滿。

描述流場(chǎng)的連續(xù)性性方程、運(yùn)動(dòng)方程和能量方程如下：

式中，υ為速度，m.s-1；為壓力，Pa；τ為應(yīng)力張量，Pa ；η() 為剪切速率作用黏度值，Pas ；D為形變速率張量，s-1。

為了既能描述在高剪切速率下的假塑性流體的流變性質(zhì)，又可描述在低剪切速率下牛頓流體的流變性質(zhì)，Carreau 模型為：

式中，為無窮剪切黏度，Pas ；η0為零剪切速率時(shí)的黏度，Pas ；λ為膠料的黏彈性特征時(shí)間，s ；n為非牛頓指數(shù)。

此外，如果可能，可以把第三稿的完成時(shí)間安排在課內(nèi)，老師可以給予更加個(gè)性化的指導(dǎo)，幫助能力較弱的學(xué)生舉一反三，修改效果更佳。

1.3 網(wǎng)格劃分

通過workbench 平臺(tái)運(yùn)用布爾運(yùn)算生成流體域。并采用智能網(wǎng)格劃分模式，同時(shí)使用線尺寸控制單元格大小，并且對(duì)必要位置進(jìn)行網(wǎng)格加密，以達(dá)到均勻劃分網(wǎng)格、提高計(jì)算精度的目的[13]。喂料段流體域網(wǎng)格實(shí)體模型如圖3 所示：

圖3 單螺桿擠出機(jī)喂料段流體域網(wǎng)格劃分

1.4 邊界條件的確定

物料與襯套內(nèi)表面為無滑移邊界，即與襯套內(nèi)表面接觸的物料相對(duì)于襯套內(nèi)表面的速度為零；且物料與螺槽底部和螺棱側(cè)面分別接觸的物料隨螺桿作圓周運(yùn)動(dòng)[13～14]。螺桿表面的速度隨螺桿轉(zhuǎn)速的變化而變化，本工作假定螺桿轉(zhuǎn)速為60 r.min-1。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 溝槽深度對(duì)喂料段物料輸送速率的影響

在溝槽寬度和溝槽個(gè)數(shù)不變的情況下，利用數(shù)值模擬研究手段，分析了溝槽深度對(duì)單螺桿擠出機(jī)喂料段物料輸送速率的影響，溝槽深度變化范圍如表1 所示。

表1 溝槽深度變化表及截面圖例

運(yùn)用workbench 軟件fluent 模塊對(duì)膠粉的輸送過程進(jìn)行數(shù)值模擬，接著采用CFDPOST 模塊進(jìn)行后處理分析，得到4 種不同溝槽深度的截面速度矢量云圖，如圖4 所示。

圖4 不同溝槽深度的截面速度矢量圖云圖

根據(jù)圖4 可以看出，溝槽深度從4 mm 提升至6 mm，速度矢量提升明顯，從6 mm 提升至8 mm，速度矢量略微提升，溝槽深度從8 mm 提升至10 mm，速度矢量下降明顯。隨著溝槽深度的增加，意味著溝槽截面容積增加，同樣意味著襯套內(nèi)表面摩擦系數(shù)增大，根據(jù)固體輸送理論可知，襯套內(nèi)表面摩擦系數(shù)越大，物料的輸送速度越快。但同時(shí)過大的溝槽深度，雖然增大了物料對(duì)機(jī)筒內(nèi)壁的摩擦因數(shù)與物料對(duì)螺桿螺槽摩擦因數(shù)的差，但因襯套溝槽深度過大，膠料向前輸送時(shí)嚴(yán)重受阻，甚至部分膠料卡住在溝槽內(nèi)，此時(shí)導(dǎo)致速度下降嚴(yán)重。所以對(duì)于d=150 mm 的擠出機(jī)喂料段溝槽深度應(yīng)在6～8 mm 的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行選擇，在增大摩擦因數(shù)差的同時(shí)避免溝槽深度過小導(dǎo)致擠出機(jī)喂料段的喂料容積降低，又可以避免溝槽深度過大導(dǎo)致溝槽內(nèi)發(fā)聲堵料現(xiàn)象。溝槽深度的增加可以提高擠出機(jī)喂料段的喂料容積，可以進(jìn)一步提高輸送效率，因此在一定范圍內(nèi)自強(qiáng)制喂料擠出機(jī)喂料段機(jī)筒溝槽深度數(shù)值應(yīng)盡量大一些。同時(shí)為了保證襯套的強(qiáng)度，具體的溝槽深度可以在(0.4～05)h進(jìn)行選取（h為襯套的厚度）。

2.2 溝槽寬度對(duì)喂料段物料輸送速率的影響

在溝槽深度和溝槽個(gè)數(shù)不變的情況下，利用數(shù)值模擬研究手段，分析了溝槽寬度對(duì)單螺桿擠出機(jī)喂料段物料輸送速率的影響，溝槽寬度變化范圍如表2 所示。

表2 溝槽寬度變化表及截面圖例

運(yùn)用workbench 軟件fluent 模塊對(duì)膠粉的輸送過程進(jìn)行數(shù)值模擬，接著采用CFDPOST 模塊進(jìn)行后處理分析，得到4 種不同溝槽寬度的截面速度矢量云圖，如圖5 所示。

圖5 不同溝槽寬度的截面速度矢量圖云圖

2.3 溝槽個(gè)數(shù)對(duì)喂料段物料輸送速率的影響

在溝槽深度和溝槽寬度不變的情況下，利用數(shù)值模擬研究手段，分析了溝槽個(gè)數(shù)對(duì)單螺桿擠出機(jī)喂料段物料輸送速率的影響，溝槽個(gè)數(shù)變化范圍如表3 所示。

表3 溝槽數(shù)量變化表及截面圖例

運(yùn)用workbench 軟件fluent 模塊對(duì)膠粉的輸送過程進(jìn)行數(shù)值模擬，接著采用CFDPOST 模塊進(jìn)行后處理分析，得到4 種不同溝槽寬度的截面速度矢量云圖，如圖6 所示。

圖6 不同溝槽數(shù)量的截面速度矢量圖云圖

根據(jù)圖6 可以看出，溝槽數(shù)量由8 變?yōu)?0，速度矢量略有提升，溝槽數(shù)量由10 變?yōu)?2，速度矢量提升明顯，溝槽數(shù)量由12 變?yōu)?4，速度矢量下降明顯。因此喂料段螺旋溝槽襯套時(shí)溝槽數(shù)值選擇12 個(gè)，物料的流動(dòng)速率最好。

3 正交試驗(yàn)與最優(yōu)方案確定

3.1 正交實(shí)驗(yàn)

本工作采用正交試驗(yàn)方法[17]對(duì)擠出機(jī)喂料段溝槽襯套各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，正交試驗(yàn)表如表4 所示，其中因素代號(hào)A、B、C 分別代表溝槽深度(mm)，溝槽寬度(mm) 和溝槽個(gè)數(shù)。

表4 正交試驗(yàn)表

3.2 最優(yōu)方案分析

極差的大小直接反映了該因素對(duì)擠出機(jī)喂料段流體域平均速度的影響大小，根據(jù)表4 可已看出極差大小：A ＞D ＞C ＞B，也就是說溝槽深度對(duì)流體域平均速度影響最大。

根據(jù)表4 可知，L9 即溝槽深度為8 mm，溝槽寬度為10 mm，溝槽個(gè)數(shù)為12 個(gè)流體域平均速度和流體域單位面積流量最大。與上文單因素試驗(yàn)最優(yōu)解溝槽深度為 8 mm，溝槽寬度為12.5 mm，溝槽個(gè)數(shù)為12 個(gè)，進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)上文最優(yōu)解的流體域平均速度更大，因此在設(shè)計(jì)Ф150 單螺桿擠出機(jī)制備再生膠螺旋溝槽時(shí)選擇溝槽深度為8 mm，溝槽寬度為12.5 mm，溝槽個(gè)數(shù)為12 個(gè)。

4 結(jié)論

采用FLUENT 軟件，對(duì)Ф150 單螺桿擠出機(jī)喂料段螺旋溝槽襯套三維流場(chǎng)進(jìn)行模擬，可得出以下結(jié)論：

（1）螺旋溝槽深度對(duì)喂料段的物料輸送速率影響較大，隨著喂料段襯套螺旋溝槽深度的增加，流場(chǎng)內(nèi)流體平均流動(dòng)速度先上升后下降，及輸送速率先上升后下降。螺旋溝槽深度取值應(yīng)取決于襯套的直徑與厚度，在一定范圍內(nèi)盡可能選取更大的螺旋溝槽深度，以增大物料對(duì)機(jī)筒內(nèi)壁的摩擦因數(shù)與物料對(duì)螺槽表面的摩擦因數(shù)差，但同時(shí)也要保證溝槽的自潔性。

（2）擠出機(jī)喂料段中，隨著喂料段螺旋溝槽寬度的增加或溝槽數(shù)量的增加，流場(chǎng)內(nèi)流體平均流動(dòng)速度都是呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，同時(shí)輸送速率隨之先上升后下降。這都體現(xiàn)在物料對(duì)機(jī)筒內(nèi)壁的摩擦因數(shù)與物料對(duì)螺槽表面的摩擦因數(shù)差需保持在一定的范圍內(nèi)，可以提高輸送能力。在對(duì)螺旋溝槽寬度取值時(shí)應(yīng)關(guān)注螺旋溝槽的個(gè)數(shù)，應(yīng)保證螺旋溝槽寬度與螺旋溝槽個(gè)數(shù)的乘積取值為襯套內(nèi)壁周長(zhǎng)的1/3 左右。