基于Fluent的橡膠擠出機(jī)流道設(shè)計(jì)

林麗紅　賈曉艷　馬鐵軍,2

1.華南理工大學(xué)，廣州，510640　2.廣州華工百川科技股份有限公司，廣州，510530

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林麗紅1賈曉艷1馬鐵軍1,2

1.華南理工大學(xué)，廣州，5106402.廣州華工百川科技股份有限公司，廣州，510530

為滿足胎面膠擠出質(zhì)量的要求并解決傳統(tǒng)試差法的缺點(diǎn)，采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，對(duì)擠出機(jī)流道進(jìn)行了設(shè)計(jì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及理論改進(jìn)流道的阻尼結(jié)構(gòu)，運(yùn)用Fluent分析膠料在流道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，證明改進(jìn)阻尼比簡(jiǎn)單阻尼分流效果好；設(shè)定改進(jìn)阻尼的三個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析各參數(shù)對(duì)流道內(nèi)膠料的流動(dòng)狀態(tài)的影響，并根據(jù)影響規(guī)律選定最終結(jié)構(gòu)參數(shù)；進(jìn)行擠出實(shí)驗(yàn)，分析誤差原因并指出后續(xù)的研究方向。

機(jī)頭流道；膠料；有限元；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0　引言

汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展對(duì)輪胎有著巨大的需求量，胎面作為輪胎的重要組成部分，保證其在擠出過程中的質(zhì)量至關(guān)重要。而擠出機(jī)機(jī)頭流道的結(jié)構(gòu)關(guān)系著擠出產(chǎn)品的均勻性，因此合理的流道結(jié)構(gòu)非常重要。傳統(tǒng)的流道采用試差法制造，缺點(diǎn)是生產(chǎn)周期長、成品率低、成本高。本文采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)值分析相結(jié)合[1-4]的方法，先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和理論對(duì)流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并運(yùn)用Fluent分析膠料在流道中的流動(dòng)行為，驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)的合理性；再對(duì)改進(jìn)阻尼進(jìn)行參數(shù)化處理，分析參數(shù)變化對(duì)膠料流動(dòng)行為及出口速度的影響規(guī)律，并以此為依據(jù)優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)；最后通過試機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了最終結(jié)構(gòu)的合理性，并指明后續(xù)的研究方向。

1　流道設(shè)計(jì)及有限元分析

1.1流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

膠料在圓形螺桿筒充分?jǐn)嚢韬蠼?jīng)過流道進(jìn)入口模，膠料在流道出口處沿寬度方向的速率均勻性影響著擠出產(chǎn)品的質(zhì)量[5-6]。流道的圓形入口直徑為200 mm，長方形出口長度為750 mm，流體流動(dòng)平面擴(kuò)大比為4∶15，這造成膠料的流動(dòng)狀態(tài)變化，出口的速度也不一致[7]，因此需對(duì)流道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增加阻尼。傳統(tǒng)流道的阻尼[8]結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但由于本研究中的流道尺寸較大，采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)膠料在阻尼塊下部回流狀況嚴(yán)重，影響出口速率的均勻性。因此，需對(duì)阻尼塊下半部分改進(jìn)，增加下半部分阻尼塊的厚度，減小流道下部容積，圖1所示為簡(jiǎn)單阻尼與改進(jìn)阻尼的流道結(jié)構(gòu)對(duì)比。

(a)簡(jiǎn)單阻尼的流道結(jié)構(gòu)

(b)改進(jìn)阻尼的流道結(jié)構(gòu)圖1　簡(jiǎn)單阻尼與改進(jìn)阻尼流道對(duì)比

1.2有限元分析

1.2.1材料特性

未硫化膠料的彈性效應(yīng)較弱，可看成是黏性流動(dòng)[9-10]。采用Cross本構(gòu)模型[11-14]描述聚合物熔體的流變行為，表述為

(1)

式中，η為黏度；η0為零剪切黏度；λ為松弛時(shí)間；γ為剪切速率；n為非牛頓指數(shù)。

用毛細(xì)管流變儀采集橡膠流體在110 ℃下的流變數(shù)據(jù)，并用Cross模型擬合，所得參數(shù)如表1所示。

表1　物性參數(shù)

1.2.2仿真模擬用數(shù)學(xué)模型

假設(shè)橡膠流體不可壓縮，等溫穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，流道全充滿。因流體黏度大，慣性力和質(zhì)量力相對(duì)于黏性力很小，忽略不計(jì)[15]?；谝陨霞僭O(shè)，描述流場(chǎng)的基本微分方程[16-17]如下。

連續(xù)性方程：

u=0

(2)

動(dòng)量方程：

p+τ=0

(3)

式中，u為流體的速度；p為壓力；τ為偏應(yīng)力。

1.2.3網(wǎng)格模型和邊界條件

利用gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分單元數(shù)為20 357。

入口邊界：采用壓力入口，根據(jù)生產(chǎn)工藝取p=5 MPa。

壁面邊界：考慮到擠出制品尺寸較大，采用無滑移條件。

1.2.4模擬分析

(a) 簡(jiǎn)單阻尼

(b) 改進(jìn)阻尼圖2　不同流道的剖面位置速度分布

圖2為剖面位置的速度分布云圖，可以看到流道入口處中間速度最大，越向壁面分布速度越?。辉谧枘岵课恢虚g速度減小，兩端速度增大；繼續(xù)向出口流動(dòng)，阻尼部位的速度慢慢增大，對(duì)比可知，簡(jiǎn)單阻尼比改進(jìn)阻尼的回流嚴(yán)重，已分流的膠料在下部重新匯合，大大消弱了分流作用，而改進(jìn)阻尼只在阻尼塊末段中間有回升，在下半部分仍有較好的分流作用。圖3所示為改進(jìn)前后阻尼面中線的壓力曲線，二者的變化規(guī)律相似，都是在入口至阻尼段有部分壓力損失，而在阻尼段有一個(gè)較大的壓力降，這是由于阻尼處能量的損失造成的；不同之處為改進(jìn)阻尼比簡(jiǎn)單阻尼在阻尼塊下部有一個(gè)較大的壓力降，這是由于改進(jìn)阻尼的下端結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的能量損失造成的。圖4所示為阻尼面中線的剪切應(yīng)力曲線，由于流體對(duì)壁面的黏附作用，導(dǎo)致壁面處熔體因存在速度梯度而產(chǎn)生剪切應(yīng)力[18]，所以剪切應(yīng)力曲線和剖面中線的速度變化情況一致，改進(jìn)阻尼下端(圖4中z為0.35 m附近)的剪切應(yīng)力比簡(jiǎn)單阻尼大，這與圖2是一致的。

圖3　阻尼面中線的壓力

圖4　阻尼面中線的剪切應(yīng)力

因此，改進(jìn)阻尼的設(shè)計(jì)思路可行，以改進(jìn)阻尼的流道結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，調(diào)整流道結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

2　流道結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

為了得到厚度均勻的制品，需要流道出口位置速度曲線平且直，考慮到壁面邊界條件的假設(shè)誤差，出口兩端的速度曲線應(yīng)高于中間，因此，最終的流道結(jié)構(gòu)需達(dá)到出口處速度曲線中間平直、兩端高于中間的效果，以此原則為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了減少設(shè)計(jì)過程中的盲目性，對(duì)改進(jìn)阻尼進(jìn)行參數(shù)化處理，分析所設(shè)參數(shù)變化時(shí)出口速度的變化規(guī)律，根據(jù)此規(guī)律對(duì)流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。阻尼塊變量的設(shè)置如圖1b所示，含有三個(gè)變量，即A、B、C。

2.1變量A的影響

圖5　變量A對(duì)出口速度的影響

圖5為不同A的出口速度曲線最大值的對(duì)比圖，圖中A分別等于10°、13°、16°、19°，B=0.025 m，C=50°。可以看出A對(duì)出口速度的影響主要體現(xiàn)在出口中段，隨著A的增大，出口中段速度減小，出口兩邊速度不變。圖6為剖面速度云圖，可以看出，隨著A的增大，流道內(nèi)阻尼塊上半部的速度明顯減小。分析原因，隨著A值的增大，阻尼塊靠近入口部分的高度增加，造成膠料在入口位置中部的阻力增加，由此造成的能量損失增加，膠料向兩端分流，因此造成阻尼塊對(duì)應(yīng)出口處的速度減小。圖7所示為不同A的阻尼面中線壓力曲線對(duì)比，其變化規(guī)律相似，隨著A的增大，阻尼段出現(xiàn)較大壓力降的位置沿著流道下移，這是因?yàn)锳的增大使得阻尼段出現(xiàn)體積最小的位置下移造成的。圖8所示為不同A的阻尼面剪切應(yīng)力曲線對(duì)比，各曲線變化規(guī)律相似，但隨著A的增大，阻尼段上部的剪切應(yīng)力沿流道向下移動(dòng)，下部的剪切應(yīng)力減小，這與圖6規(guī)律相同。

可以得到結(jié)論，隨著A的增大，出口中間部位的速度減小，兩端速度不變。

2.2變量B的影響

(a)A=10°

(b)A=13°

(c)A=16°

(d)A=19°圖6　不同A的流道的剖面速度分布

圖7　不同A的阻尼面中線壓力

圖8　不同A的阻尼面中線剪切應(yīng)力

圖9　變量B對(duì)出口速度的影響

圖9為不同B的出口速度曲線最大值的對(duì)比圖，圖中B分別等于0.020 m、0.025 m、0.030 m、0.035 m，A=13°，C=50°。可以看出B對(duì)出口速度整體都有影響，隨著B的增大，出口中段速度增大，兩端速度減小。圖10為不同B的剖面速度分布云圖，隨著B的增大，阻尼塊部位的速度增大，流道兩端的速度減小。分析原因，膠料在剛進(jìn)入流道時(shí)，由于阻尼塊的阻礙，膠料向兩端分流；繼續(xù)流動(dòng)時(shí)，膠料向中間回流。隨著B的增大，流道中下部阻尼塊的厚度變薄，流道內(nèi)的空間增大，向流道中部回流的膠料增多，兩端的膠料減少，因此，B越大，流道出口處中間部位的速度增大，兩端速度減小。圖11為不同B的阻尼面中線壓力曲線對(duì)比，隨著B的增大，阻尼段中部的壓力降減小，因?yàn)锽的增大產(chǎn)生的阻尼處空間增大使得此處的能量損失減小，因此壓力降減小。圖12為不同B的阻尼面中線剪切應(yīng)力曲線對(duì)比，壁面剪切應(yīng)力整體上隨著B的增大而增大，因?yàn)榧羟袘?yīng)力與流動(dòng)速度有關(guān)，這與圖10中線處的速度變化規(guī)律是一致的。

可以得到結(jié)論，B越大，流道出口處中間部位的速度增大，兩端速度減小。

2.3變量C的影響

(a)B=0.020 m

(b)B=0.025 m

(c)B=0.030 m

(d)B=0.035 m圖10　不同B值下的剖面速度分布

圖11　不同B值下的阻尼面中線壓力

圖12　不同B值下的阻尼面中線剪切應(yīng)力曲線

圖13　變量C對(duì)出口速度的影響

圖13為不同C的出口速度曲線最大值的對(duì)比圖，圖中C分別等于30°、40°、50°、60°，A=13°，B=0.020 m?？梢钥闯鯟對(duì)出口速度的影響體現(xiàn)在中間段，出口中間段的速度減小，且當(dāng)C過大時(shí)，中間段的速度出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。圖14是不同C值的剖面速度分布，可以看出，膠料的流動(dòng)規(guī)律在阻尼塊上半部分相同，到達(dá)阻尼塊下部時(shí)發(fā)生變化，隨著C的增大，膠料在下部更多地聚集在流道兩端，且C越大，中間速度小的膠料分布越寬，兩端速度大的分布越窄。分析原因，C越大，流道下部拐角的突變?cè)酱螅纱嗽斐傻哪芰繐p失也越大，此處兩端膠料的回流也越困難，所以兩端速度較大的膠料仍分布在兩端。圖15所示為不同C的阻尼面中線壓力曲線對(duì)比，隨著C的增大，阻尼段下部的壓力降增大，這與C的增大使得C的下端的結(jié)構(gòu)突變?cè)龃笥嘘P(guān)。圖16所示為不同C的阻尼面中線剪切應(yīng)力曲線對(duì)比，隨著C的增大，阻尼上部剪切應(yīng)力減小，下部增大并沿著流道下移，這與圖14中線的速度分布規(guī)律一致。

結(jié)論：隨著C的增大，在流道出口位置中間平直段更長，兩端速度最大值分布更窄。

2.4流道最終結(jié)構(gòu)

根據(jù)上文的分析對(duì)流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，最終選定A=12°、B=0.025 m、C=35°的流道結(jié)構(gòu)作為最終結(jié)果。流道的出口速度曲線如圖17所示，該圖直觀地反映了出口速度的變化情況，可以看出出口速度雖然整體比較均勻，但是有一定的波動(dòng)。這是因?yàn)榭紤]到方便加工，在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下將流道相關(guān)參數(shù)選為整數(shù)值造成的。

3　試機(jī)實(shí)驗(yàn)

(a)C=30°

(b)C=40°

(c)C=50°

(d)C=60°圖14　不同C的剖面速度分布

圖15　不同C值下的阻尼面中線壓力曲線

圖16　不同C值下的阻尼面中線剪切應(yīng)力曲線

圖17　出口速度曲線

根據(jù)上文設(shè)計(jì)的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)，擠出效果如圖18所示。圖19所示為測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果如表2所示，相對(duì)平均厚度偏差為3.2%，擠出產(chǎn)品整體比較均勻，但是兩端略薄。由于實(shí)際生產(chǎn)過程中，溫度、壓力會(huì)有變化，此外用于擠出實(shí)驗(yàn)的膠料也由于反復(fù)擠出黏度有所下降，這些都可能是引起試機(jī)實(shí)驗(yàn)略有誤差的原因，因此后續(xù)的研究可在壓力、溫度、黏度等因素對(duì)擠出過程的影響上進(jìn)行。

圖18　膠板擠出圖

圖19　實(shí)驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)

4　結(jié)論

(1)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及理論對(duì)擠出機(jī)流道進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單阻尼流道和改進(jìn)阻尼流道；建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)膠料在流道內(nèi)的流動(dòng)行為進(jìn)行有限元分析，對(duì)比兩種流道內(nèi)膠料的流動(dòng)行為，證明改進(jìn)阻尼的分流作用比簡(jiǎn)單阻尼好。

表2　試機(jī)結(jié)果　mm

(2)對(duì)阻尼塊進(jìn)行參數(shù)化處理，分析各參數(shù)對(duì)膠料流動(dòng)行為和出口速度曲線的影響規(guī)律，根據(jù)此規(guī)律選定最后結(jié)構(gòu)：A=13°，B=0.025 m，C=50°。

(3)進(jìn)行擠出實(shí)驗(yàn)，擠出效果整體均勻，兩端略薄，誤差原因可能為擠出過程中溫度、壓力和黏度的影響，這也是后續(xù)研究的方向。

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(編輯郭偉)

Design of Extruder Flow Channel Based on Fluent

Lin Lihong1Jia Xiaoyan1Ma Tiejun1,2

1.South China University of Technology, Guangzhou，510640 2.Guangzhou SCUT Bestry Technology Corporation, Guangzhou，510530

In order to reach the quality demands of extruder rubber and solve the disadvantage of “try and error”, the extruder head flow channel was designed based on the combination of experiences and numerical analyses. The simple flow channel and improved flow channel were designed by experiences and liquid mechanics, a mathematical model was made and the flow behavior of rubber was analyzed by Fluent. The results turn out the improved damping is better than simple damping on distributary function. The parameters of damping were set, the influences of variables on flow behavior and outlet velocity were analyzed and the flow channel structure was optimized by these effects. The extrusion experiments were made，the reasons of errors were analyzed and the following research directions were indicated.

head flow channel; tire melt; finite element method(FEM); structure optimization

2015-06-01

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278201)

TQ330.4DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.07.016

林麗紅，女，1990年生。華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)橄鹉z機(jī)械。賈曉艷，女，1988年生。華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士研究生。馬鐵軍，男，1966年生。華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院高級(jí)工程師，廣州華工百川科技股份有限公司高級(jí)工程師。