基于ANSYS變溫場的真空練泥機泥料擠出質量的研究

吳南星 朱金貴 張柏清

（景德鎮陶瓷學院機電學院，景德鎮：333403）

基于ANSYS變溫場的真空練泥機泥料擠出質量的研究

吳南星 朱金貴 張柏清

（景德鎮陶瓷學院機電學院，景德鎮：333403）

應用ANSYS軟件對真空練泥機擠出過程中陶瓷泥料的溫度場進行分析，通過對在不同摩擦系數、不同外界溫度、給泥料加熱到不同溫度等熱參數下的運動泥料進行數值模擬，得出了泥料在熱參數的影響下螺旋槽內的溫度變化規律。結果表明泥料在擠出過程中由于溫度的變化引起速度和壓力變化，從而影響泥料在擠出過程中的流動質量，為陶瓷用真空練泥機泥料擠出生產的研究提供了理論依據。

真空練泥機，數值模擬，有限元，溫度場

1 引言

在真空練泥機擠出過程中，螺槽內常出現較大的溫差，溫差會導致泥料的不均勻性，以致最后影響到成品的質量。雖然人們在真空練泥機連續螺槽中的流動模擬和重要的流動性推測方面已經做了大量的研究[1]，但幾乎沒有涉及關于連續鉸刀螺槽中泥料運動過程溫度影響方面。如果這種分析計算可以實現的話，那么它將會為真空練泥機進一步的研究分析提供理論依據。

2 模型的建立及求解

2.1 假設

由于真空練泥機中的泥料在各個螺旋長度性質相同，取一個螺槽長度的泥料建立模型進行分析。為便于分析，首先作如下的假設：

（1）忽略螺槽內倒角、筒壁上的擋泥槽等微小結構因素的影響；

（2）忽略回流的影響，假設泥料與螺槽底面、兩個螺旋面和筒體內表面同時緊密接觸；

（3）忽略泥料熱物理性能隨時間的變化，且各層泥料的參數都是各向同性的；

（4）泥料為賓漢流體，因雷諾數很小，泥料為不可壓縮流體，屈服值以后的流動為粘性系數可變的粘性流動，在螺槽中的流動為層流；

（5）忽略泄漏所帶走的摩擦熱，認為試樣端面平行，不考慮熱變形對溫度分布的影響。

根據以上假設，對真空練泥機的擠出泥料選用FLU ID142有限元單元類型、Mapped映射網格劃分法以及八節點六面體單元形狀劃分器類型進行有限元網格劃分，同時運用網格密度控制確定網格密度的大小，其有限元單元模型如圖1所示。

表1 具體熱邊界條件及相關參數值Tab.1 Specific thermal boundary conditions and related parameters

2.2 泥料運動速度的邊界條件

（1）靜壁面條件：因為筒體靜止，所以筒體的三個方向的速度均為零，泥料與筒壁接觸面三個方向的速度也為零，垂直于壁面的壓力梯度為零，無須定義采用默認設置。

（2）運動壁面條件：軸轂屬于移動壁面，壁面將“拖拉”流體或隨流體一起移動，垂直于壁面的速度分量為零，定義與壁面相切的速度為壁面速度，穩態條件為：

螺旋面同樣屬于移動壁面：壁面將“拖拉”流體或隨流體一起移動，垂直于壁面的速度分量為零，螺旋面上各點切向速度大小不同。

其中：tgλ=h/[π·(Rs+Rb)]，ρ=Rs+y，y 為泥料所在位置的徑向高度，且0≤y≤(R2-R1)。

（3）因為不能預先給出螺槽進出口的速度分布，采用試驗所測得的壓力作為邊界條件以代替速度邊界條件，在靠近機頭的出口面加高壓，在靠近加料口的入口面加低壓。

（4）熱邊界條件：在溫度場分析過程中，若作可壓縮流體分析，溫度邊界條件是以總溫來表示，且溫度方程是以總溫的形式表達和求解，指定溫度邊界條件后，FLOTRAN自動計算用于保持該溫度所需的熱傳導；指定熱流，FLOTRAN自動計算與熱流相聯系的壁面溫度和流場條件；指定導熱系數和環境溫度，FLOTRAN迭代計算熱流和表面溫度。

①指定泥料初始溫度，FLOTRAN自動計算用于保持該溫度所需的熱傳導；

②指定熱對流系數，FLOTRAN自動計算與熱流相聯系的壁面溫度和流場條件；

③指定導熱系數和比熱，FLOTRAN迭代計算熱流和表面溫度。

在標準的FLOTRAN分析中，流固邊界的傳熱是一個要求解的結果而不是一個邊界條件。所以熱通量和傳熱系數只能加在固體材料的外邊界，或流體材料的內邊界，。在計算表面傳熱系數時，ANSYS使用下列方法之一指定的平均溫度進行計算命令：

然后根據假設對單元模型施加速度和熱邊界條件（具體參數值如表1所示）。設置流體性質和其流動環境，選擇菜單 Main Menu＞Solution＞Run FLOTRAN命令對其進行求解分析。

3 真空練泥機對泥料擠出質量的評價方法--相對角速度方差

由于泥料是通過絞刀的旋轉運動來獲得相對速度，理想中的泥料運動是：泥料以相同的角速度?繞絞刀旋轉，呈“塞流”模式流動，像螺母在螺桿上運動一樣；泥料與螺旋面的相對切向線速度ν（下文稱線速度）隨所處半徑r的逐漸增大而增大（如圖2所示），即理想狀態下泥料運動其線速度具有速度梯度，角速度相同。在真空練泥機的生產過程中，因為泥料各層的角速度不同而引起擠出泥段分層現象，為了討論不同參數下螺槽中泥料分層現象的劇烈程度，采用相對角速度方差來對泥料的分層現象進行研究。所謂相對角速度方差就是泥料的角速度相對于同一半徑處絞刀螺旋面角速度之差的方差。若泥料之間沒有相對滑動，則其平均角速度方差為零；若泥料之間出現相對滑動，那么平均角速度方差就是一個不為零的數值。因此，本論文認為平均角速度方差在一定程度上可以反映出泥料之間的相對滑動的劇烈程度，也可反映出真空練泥機擠出泥段的分層情況。

表2 摩擦系數f的變化Tab.2 Variation of friction coefficient f

表3 泥料加熱溫度Tn的變化（單位：℃）Tab.3 Variation of pug heating temperature(unit:℃)

4 計算及結果分析

在對有限元模型進行求解后，在相應的邊界條件下分別得到泥料質量曲線圖。

(1)不同摩擦系數時所研究的相對角速度方差如圖3所示。

隨著摩擦系數的增大，由于螺旋面、筒體以及軸轂對泥料的摩擦作用導致泥料的溫度升高，分子運動加劇，泥料與螺旋葉片表面之間的切向相對運動速度加大，引起泥料的層與層之間的劇烈相對運動。

(2)不同加熱溫度Tn時相對角速度方差如圖4所示。

初始階段隨著泥料加熱溫度的升高，相對角速度方差逐漸減小，平均線速度逐漸增大，泥料混合逐漸趨于均勻，分層現象有所改善；但是當溫度升高到65℃度左右時，隨著泥料溫度的逐漸升高，泥料水分的蒸發逐漸加快，導致泥料含水量越來越小，泥料有脫水硬化趨勢，泥料的相對角速度方差逐漸增大，泥料的平均線速度逐漸減小，分層現象惡化。

表4 對流溫度T的變化（單位：℃）Tab.4 Variation of convection temperature T(unit:℃)

(3)不同對流溫度T時所研究的相對角速度方差如圖5所示。

隨著對流溫度的升高，相對角速度方差逐漸減小，螺槽內的橫向對流引起的環流使得泥料的攪拌混合更加均勻，泥料的分層現象也有所改善。

5 結論

（1）若泥料與螺旋葉片表面之間的摩擦系數越小，泥料所產生的剪切應力較小，顯然泥料與螺旋葉片表面之間的切向相對運動速度越小，因此泥料流層之間產生的切向相對運動速度也較小，這有利于獲得高質量的陶瓷坯體。所以在生產實踐中可以通過采用精密鑄造螺旋及打磨拋光螺旋軸毅外表面、螺旋葉片工作面等，或冷拉成形螺旋葉片工作面，然后通過焊接及機械切削加工成為螺旋，最后再打磨拋光螺旋軸轂與螺旋葉片表面之間的焊縫表面等措施，能最大限度地減少泥料與螺旋葉片工作面之間的摩擦系數，有利于提高真空擠壓成形機陶瓷坯體的產品質量。

（2）螺槽橫向存在著很強的熱對流，導致中間層泥料向軸轂處的環流，這有利于泥料的進一步攪拌揉練和均勻混合，使得泥料相對角速度方差有所降低，泥料分層現象有所改善。

（3）在一定程度上加熱泥料對泥料的質量所起的作用是積極的，但是溫度過高泥料水分的蒸發逐漸加快，導致泥料含水量越來越小，泥料有脫水硬化趨勢，使得泥料平均速度減小相對角速度方差卻增大，泥料分層現象加劇。

1 張柏清,裴佳宏.真空練泥機中陶瓷泥料擠出過程的研究.中國陶瓷工業,2004,11(3):11～13

2 席世亮,姜南.單螺桿擠出過程的計算機仿真.計算機仿真,2003(12):130～133

3 許洋,黨沙沙,胡仁喜等編著ANSYS11.0/FLOTRAN.北京:機械工業出版社,2009,1

4 陳憨章.粘性流體動力學基礎.北京:高等教育出版社,2002

5 李黎明.ANSYS有限元分析實用教程.北京:清華大學出版社,2005

THE RESEARCH ON EXTRUSION QUALITY OF DE-AIRING PUG MILL BASED ON VARIABLE TEMPERATURE FIELD ANALYSIS USING ANSYS

Wu Nanxing Zhu JinguiZhang Baiqing
(School of Mechanic and Electronic Engineering,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen 333403)

In this paper,the temperature field of the pug in the extrusion process of de-airing pug mill has been analyzed with ANSYS,and the temperature variation of the pug in spiral groove under the influence of different thermal parameters,such as friction coefficients,outside temperatures and heating temperatures,has been obtained through numerical simulation.The results show that changes in pug velocity lead to temperature and pressure changing in the extrusion process,and in turn affect the pug's flow quality.The study can,therefore,provide theoretical basis for the research on extrusion production of the ceramic pug.

de-airing pug mill,numerical simulation,finite element,temperature field

on Jan.18,2010

T Q 1 7 4.7 5

A

1000-2278（2010）02-0180-05

2010-01-18

國家自然科學基金資助項目（編號：50765002）

吳南星，E-mail:wnx1968@168.com

Wu Nanxing,E-mail:wnx1968@168.com