發(fā)射藥螺桿擠壓機(jī)葉片強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

毛宇, 胡小秋, 范雪坤, 劉志濤

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094；2.中國(guó)兵器科學(xué)研究院，北京 100089)

0 前言

發(fā)射藥是槍支彈丸發(fā)射的主要能源來(lái)源，同時(shí)也是國(guó)防武器無(wú)法替代的重要組成部分[1]。單螺桿擠出機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、性價(jià)比高，因此廣泛應(yīng)用于發(fā)射藥、推進(jìn)劑類(lèi)火藥的擠出加工[2]。

在發(fā)射藥的擠出過(guò)程中，藥料相互擠壓摩擦，形成了較大的壓力，這些壓力主要由擠出機(jī)的關(guān)鍵零件螺桿承受。在新改進(jìn)的某種發(fā)射藥擠壓工藝中，藥料的相互擠壓加劇，對(duì)螺桿的強(qiáng)度和安全也提出了更高的要求。針對(duì)螺桿設(shè)備的強(qiáng)度計(jì)算，顧張麗[3]對(duì)連續(xù)式蒸汽爆破設(shè)備的螺桿進(jìn)料裝置進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得到了有較好混合效果的螺旋葉片的開(kāi)槽角度。劉鑒鈺和黃興元[4]對(duì)秸稈類(lèi)預(yù)處理設(shè)備的擠出螺桿進(jìn)行分析與優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)鋸齒形或雙楔形螺紋牙型可以有效改善螺桿受力情況。

在大多數(shù)的研究中，對(duì)螺桿的計(jì)算校核往往是利用簡(jiǎn)單公式或者仿真軟件在螺桿上施加簡(jiǎn)單的軸向力或者徑向力來(lái)模擬仿真在擠壓過(guò)程中螺桿的受力，這相對(duì)于螺桿的實(shí)際受力來(lái)講，是十分粗糙且不精確的。在實(shí)際擠壓過(guò)程中，螺桿受到來(lái)自物料擠壓而產(chǎn)生的不同方向的擠壓和摩擦力。文中利用ANSYS的Fluent流體仿真模塊模擬計(jì)算藥料在設(shè)備中的擠壓過(guò)程，再通過(guò)流固耦合模塊將實(shí)際擠壓過(guò)程中產(chǎn)生的力加載到螺桿與藥料的接觸面上，對(duì)螺桿進(jìn)行靜力學(xué)分析，校核其強(qiáng)度。

國(guó)內(nèi)目前對(duì)于發(fā)射藥的螺桿擠壓過(guò)程研究基本局限于對(duì)藥料材料、加工工藝參數(shù)這些方面的研究，對(duì)于螺桿本身結(jié)構(gòu)尤其是螺紋牙型參數(shù)方面的研究較少。本文作者對(duì)雙楔形螺牙的參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，對(duì)牙型參數(shù)進(jìn)行組合優(yōu)化，同時(shí)分析顯著因素對(duì)擠出的影響，節(jié)約了試驗(yàn)的成本和時(shí)間。在滿足螺桿強(qiáng)度條件下，對(duì)比優(yōu)化前后藥料的擠出速度，提高設(shè)備的擠出效率。

1 螺桿擠壓機(jī)的工作原理

一般來(lái)說(shuō)，單螺桿擠壓工藝的過(guò)程可以大致分為3個(gè)部分：固體輸送階段(喂料段)、相遷移階段(物料過(guò)渡段)、塑化成型擠出段。此類(lèi)分段主要基于2個(gè)方面：一是螺桿的幾何尺寸、形狀；二是螺桿中流道不同位置物料所處在不同的物性狀態(tài)[5]。

喂料段：螺桿擠壓機(jī)中的主要部件螺桿存在一定的壓縮比，藥料隨著螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)不斷前進(jìn)，且每前進(jìn)一個(gè)螺槽，其所受到的壓力也會(huì)對(duì)應(yīng)增加。

過(guò)渡段：在此階段，隨著螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)、螺棱的攪拌與混合促使藥粒間的縫隙進(jìn)一步減小進(jìn)而逐步相互粘連在一塊。

塑化成型擠出段：通過(guò)螺桿擠壓進(jìn)一步塑化藥料，并使藥料不斷地相互流動(dòng)混合，最終形成質(zhì)量穩(wěn)定、質(zhì)地均衡的流體，并繼續(xù)以螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)為推動(dòng)力向成型模具推進(jìn)。

由此可以看出：通過(guò)螺桿擠壓的成型工藝，使得發(fā)射藥不斷被壓實(shí)、熔融而連續(xù)擠出，這樣可以大大提高發(fā)射藥致密度和擠出速率，提高制造效率。

2 發(fā)射藥擠壓過(guò)程仿真

不同于其他高分子材料，在推進(jìn)劑、發(fā)射藥這類(lèi)含能材料的擠壓過(guò)程中，火焰、沖擊、摩擦等即可誘發(fā)高速的燃燒和爆炸反應(yīng)，因此在實(shí)際擠壓過(guò)程中保證擠壓的安全性是最重要的。在試驗(yàn)前，需要確定好藥料的流變性能參數(shù)，同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中保持流道內(nèi)的熱穩(wěn)定和壓力差，防止在擠壓過(guò)程中發(fā)生爆炸。

發(fā)射藥的單螺桿擠壓是一個(gè)連續(xù)復(fù)雜的過(guò)程，在試驗(yàn)操作中只能通過(guò)測(cè)量壁面中某一點(diǎn)的壓力等參數(shù)變化情況來(lái)間接觀察擠壓時(shí)藥料整體內(nèi)部參數(shù)分布趨勢(shì)與變化情況。通過(guò)使用有限元仿真軟件ANSYS Workbench中的Fluent模塊對(duì)擠壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以直觀地觀察擠壓時(shí)藥料的壓力、溫度、速度、剪切速率和黏度等流動(dòng)參數(shù)的分布。

2.1 流體模型的建立

對(duì)擠壓過(guò)程的流道建立如圖1所示的模型(圓角和倒角忽略不計(jì))，藥料從左面入口進(jìn)入機(jī)膛，通過(guò)與螺桿和機(jī)筒內(nèi)壁的不斷擠壓與摩擦，逐漸被壓實(shí)、熔融，最后從右邊機(jī)頭處流出。

其中，螺棱間隙為1 mm，螺桿的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 螺桿主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 流道網(wǎng)格劃分

將建立好的三維流道模型導(dǎo)入Fluent模塊中，對(duì)它進(jìn)行網(wǎng)格劃分(Mesh)，如圖2所示。

在網(wǎng)格劃分中，網(wǎng)格的大小會(huì)影響到節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，進(jìn)而影響整個(gè)仿真過(guò)程的計(jì)算量和精度，因此對(duì)模型進(jìn)行合理的仿真十分必要。利用Mesh模塊中網(wǎng)格單元質(zhì)量統(tǒng)計(jì)，可以觀察劃分網(wǎng)格的合理性，如圖3所示，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.838 17，說(shuō)明網(wǎng)格質(zhì)量較好，此網(wǎng)格劃分可用。

2.3 材料參數(shù)及邊界條件設(shè)定

(1)藥料參數(shù)

由于發(fā)射藥屬于非牛頓流體中的假塑性流體，其黏度與剪切速率和溫度有關(guān)，其表達(dá)式[6]如下：

(1)

同時(shí)剪切速率與剪切黏度之間變化規(guī)律遵循Bird-Carreau模型，從而得到發(fā)射藥藥料黏度與剪切速率和溫度的關(guān)系表達(dá)式：

(2)

文中設(shè)定無(wú)窮剪切黏度η∞為0.002 686 Pa·s，零剪切黏度η0為5.614×104Pa·s,時(shí)間常數(shù)λ為0.703 8，非牛頓指數(shù)n為0.112 6，活化能與熱力學(xué)常數(shù)之比α為568.4，參考溫度Tα為375 K[6]。

(2)螺桿擠壓機(jī)參數(shù)如表2所示。

表2 螺桿擠壓機(jī)部件參數(shù)

(3)邊界條件的設(shè)定

入口邊界(inlet)：設(shè)定入口處單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入的藥料恒定質(zhì)量流量Q為0.000 12 kg/s。在進(jìn)入擠壓段之前對(duì)藥料進(jìn)行預(yù)熱處理，以使其流動(dòng)狀態(tài)更適應(yīng)擠壓，加熱至300 K。

出口邊界(outlet)：發(fā)射藥藥料從出口處被擠出需要一定的成型壓力。為了方便數(shù)值計(jì)算收斂，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，故設(shè)定出口邊界壓力為30 MPa。

套筒壁面(barrel wall)：設(shè)定靠近套筒壁面的藥料靜止，且無(wú)壁面滑移，套筒分段式水浴加熱，設(shè)定三段加熱溫度相同即恒定溫度333 K。

螺桿壁面(screw wall)：設(shè)定藥料與螺桿接觸的壁面以定轉(zhuǎn)速n=5 r/min轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.4 仿真結(jié)果分析

在仿真過(guò)程中，流道內(nèi)充滿了藥料流體，整個(gè)流道處于穩(wěn)定擠壓的狀態(tài)，擠壓狀況與時(shí)間的變化沒(méi)有聯(lián)系。為了研究螺桿的受力情況，現(xiàn)對(duì)藥料的壓力分布進(jìn)行觀察[7]。

圖4所示為流道YZ截面的壓力分布云圖，可知：沿Z軸方向，藥料所受壓力呈先增大后降低的變化，從加料段開(kāi)始增大，在均化段所受壓力達(dá)到最大[8]為32.44 MPa。在機(jī)頭處截面縮減不斷堆積壓實(shí)，藥料在達(dá)到流向機(jī)頭過(guò)渡段所需的壓力30 MPa后緩慢擠出，壓力順著流道逐漸減小到30 MPa。整個(gè)擠壓過(guò)程中，流道內(nèi)的最大壓力差Δp為10.95 MPa。

3 流固耦合仿真分析

通過(guò)上述對(duì)發(fā)射藥流體擠壓過(guò)程的仿真，藥料在擠壓過(guò)程中的受力情況可以觀察出。為了方便清晰地觀察螺桿在擠壓過(guò)程中的受力，可以通過(guò)ANSYS流固耦合的功能，將流體仿真過(guò)程中的流體壓力情況加載到螺桿中去，從而給螺桿的靜力學(xué)分析提供載荷條件[9]。接著給螺桿的靜力學(xué)分析提供邊界條件，在入口處給螺桿端施加固定邊界條件。其中，螺桿的材料性能參數(shù)如表3所示。

表3 38CrMnAlA螺桿主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過(guò)流固耦合將擠壓過(guò)程中藥料流動(dòng)的壓力施加到螺桿上，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到了在擠壓過(guò)程中螺桿的應(yīng)力分布情況以及位移變化情況，結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5可知：螺桿所受最大應(yīng)力出現(xiàn)在第一段螺槽螺桿與螺紋交界處，最大值為134.12 MPa，符合材料的強(qiáng)度要求。并且，隨著軸向距離的增加，越往擠壓出口處靠近，應(yīng)力逐漸變小。在徑向上，螺桿所受應(yīng)力由內(nèi)向外逐漸減小。

由圖6可知：隨著軸向距離的加深，螺桿的形變量逐漸增大，最大形變出現(xiàn)在螺桿頭部，最大值為0.121 36 mm，形變量較小，符合要求。

4 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

螺桿的牙型結(jié)構(gòu)一般為雙楔形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖7所示，這種結(jié)構(gòu)相較于三角形和矩形螺牙而言，可以較好地改善物料流動(dòng)情況以及螺桿的應(yīng)力分布，推進(jìn)面楔形角α、β以及螺棱寬度e的不同對(duì)螺桿的受載情況及擠壓出口流速有著很大的影響，因此文中對(duì)此作出了相關(guān)分析[10]。

4.1 正交試驗(yàn)分析

正交試驗(yàn)選取了螺桿螺牙的楔形角α和β、螺棱寬度e作為影響因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平值，設(shè)計(jì)出L9(33)的正交試驗(yàn)表，如表4所示。以螺桿所受最大等效應(yīng)力為約束條件，降低流道內(nèi)最大壓力差為優(yōu)化目標(biāo)，研究這3個(gè)因素對(duì)螺桿所受載荷和擠壓出口流速的影響程度，并確定最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合[11]。

表4 試驗(yàn)因素及水平

按照正交試驗(yàn)表，建立共9組螺桿及流道模型，并以相同的邊界條件進(jìn)行流固耦合計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果作后處理，得到表5所示的試驗(yàn)結(jié)果。其中ki為各因素第i(i=1、2、3)個(gè)水平位上對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值差最值之和除以總水平數(shù)。R為極差，極差值越大，則該因素對(duì)指標(biāo)的影響程度越大[12]。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知：極差值最大為3.33，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)因素為A楔形角α，最小極差值為1.10，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)因素為C螺棱寬度e。因此，對(duì)流道內(nèi)最大壓力差影響顯著程度由大到小依次為：楔形角α>楔形角β>螺棱寬度e。分析比較不同水平下同一試驗(yàn)因素的影響，得出最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為A3B3C1，確定參數(shù)組合為楔形角α為24°，楔形角β為24°，螺棱寬度e為1.5 mm。

4.2 楔形角α對(duì)擠壓過(guò)程的單因素影響

針對(duì)螺桿的不同楔形角α，進(jìn)行擠壓過(guò)程仿真計(jì)算其所受的載荷，然后通過(guò)流固耦合加載到螺桿上進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。通過(guò)改變楔形角α的大小，利用單因素分析法，觀察螺桿的應(yīng)變位移情況，以及流道內(nèi)最大壓力差變化[13]。

文中選擇的螺桿尺寸如表6所示。

表6 各螺桿牙型尺寸

經(jīng)過(guò)流體仿真→流固耦合→靜力學(xué)分析[14]，得到了在不同楔形角α的影響下，螺桿在擠壓過(guò)程中所受的應(yīng)力變形以及出口流速變化情況，如圖8—圖10所示。

由圖8可知：隨著楔形角α的增加，螺桿所受的最大等效應(yīng)力減小。這是由于楔形角α增加以后，藥料作用在螺桿螺牙上的軸向力減小，此時(shí)螺桿所受的等效應(yīng)力也會(huì)隨之減小[15]。由圖9發(fā)現(xiàn)：隨著楔形角α的增加，螺桿的最大變形量先增大后減小，最大值出現(xiàn)在α=16°處，此時(shí)最大變形量為0.000 177 64 m。

觀察圖10，隨著楔形角α的增大，流道內(nèi)的最大壓力差呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著楔形角α的增加，流道內(nèi)的藥料受到的軸向壓力減小，徑向的壓力增大。在楔形角α=12°時(shí)，藥料的剪切作用達(dá)到最大，流道內(nèi)的壓力也隨之達(dá)到最大，后面再增大楔形角α，藥料受到的螺桿的軸向推力越來(lái)越小，在流道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，整個(gè)流道的擠出效果削弱，流道內(nèi)的壓力和壓力差也隨之減小[16]。在α=12°時(shí)，流道內(nèi)的最大壓力達(dá)到最高28.89 MPa，后隨著角度的增加而逐漸減小在α=24°時(shí)，最大壓力差降到最低25.68 MPa。

5 結(jié)論

基于ANSYS軟件在藥料擠壓作用下對(duì)發(fā)射藥擠出設(shè)備的螺桿流道和螺牙部位進(jìn)行仿真模擬，得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)流道內(nèi)最大壓力差影響程度由大到小依次為楔形角α、楔形角β、螺棱寬度e。分析比較不同水平下同一試驗(yàn)因素的影響，得出最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為楔形角α為24°，楔形角β為24°，螺棱寬度e為1.5 mm。

(2)對(duì)于雙楔形截面形狀的螺桿，隨著推進(jìn)面楔形角α的增加，其受到的應(yīng)力是逐漸減小的。合理增加α的大小，可以在提高轉(zhuǎn)速的情況下，大大降低對(duì)于螺桿材料的抗剪強(qiáng)度等性能的要求。

(3)楔形角α增加時(shí)，會(huì)使得流道內(nèi)的最大壓力差先增大后減小。當(dāng)楔形角α=24°時(shí)，流道內(nèi)的最大壓力差達(dá)到最小值，可以使整個(gè)擠出過(guò)程的安全性和穩(wěn)定性提高。