錐型單螺桿結構對螺壓推進劑擠出流場的影響

王潤馨,葉寶云,2,張致源,仇友圣,鄧文文,安崇偉,2,王晶禹,2

(1.中北大學 環境與安全工程學院,山西 太原 030051;2.山西省超細粉體工程技術研究中心, 山西 太原 030051)

引 言

改性雙基推進劑是由硝化甘油(NG)、硝化棉(NC)以及硝胺類化合物(RDX、HMX)和金屬燃料等組分組成的一類推進劑[4],相對于傳統的固體推進劑而言,在能量水平上有明顯的優勢[2],并且具有特征信號低、性能可靠、貯存期長等優點[3],在航空航天以及導彈發射中應用廣泛。改性雙基推進劑最常用的成型工藝是螺旋壓伸成型工藝[5-6],其具有生產效率高、樣品之間尺寸和質量誤差較小、重現性高等優點[7-8],該工藝可分為單螺桿擠出、雙螺桿擠出和三螺桿擠出[9-10],其中單螺桿擠出工藝應用最為廣泛[11-12]。螺桿擠出壓伸過程是[13]聚合物顆粒所組成的固相在傳導熱與黏性耗散熱共同作用下逐漸轉變為液相的過程,本質是在高溫高壓下進行成型,屬于高危工序,若工藝條件或設備結構設計有問題,物料在擠壓過程受熱過大,在摩擦和黏性耗散生熱下產生熱積聚,當熱量積累到一定程度有可能導致燃燒爆炸事故。而影響螺壓擠出工藝的因素首先[14]是螺壓工藝條件,對其進行設計和優化,對于改善其工藝安全性至關重要。鐘婷婷[8]研究了不同機筒溫度和螺桿加熱溫度對螺壓擠出工藝的影響,發現機筒溫度對物料流場的影響比螺桿溫度對物料流場的影響小,并且隨著機筒保溫溫度的升高,物料的溫度增大,而壓力、剪切速率降低。胡綿偉[7]通過模擬不同螺桿轉速下的雙基推進劑擠出成型工藝,發現螺桿的轉速也會對物料產生影響,如螺桿轉速提高會使物料溫度、剪切速率等增大。

另外一個影響螺壓擠出成型過程安全的因素是螺桿結構[15]。單螺桿螺旋壓伸工藝又包括柱形單螺桿和錐形單螺桿,螺桿結構對擠出成型工藝過程安全和物料的流場影響很大。何吉宇等[16-17]研究了螺桿結構對推進劑物料和混合程度的影響,發現適當地調整螺桿結構會降低生產工藝的危險性。王克儉等[18]對比了錐形單螺桿和普通柱形單螺桿螺槽內的熔體流動及混合情況,發現在相同的幾何與物理條件下,錐形單螺桿更有利于提高物料的擠出速度,且由于錐形螺桿直徑沿軸向逐漸減小,使得剪切速率也會隨之減小,有利于提高含能物料擠壓過程的安全性。

國內目前對不同螺桿結構的錐形單螺桿擠出成型工藝的數值模擬研究較少,且大部分的模擬研究并沒有使用真實物料的物性參數,模擬對實驗指導性較差。本研究通過對改性雙基推進劑進行流變測試,根據流變數據對本構方程進行了擬合,并對物料進行了導熱系數、密度、比熱等測定,基于實驗數據采用Polyflow[19]軟件研究了錐型單螺桿結構(螺距、螺槽深度和螺桿大端直徑)對擠壓成型工藝過程流場的影響規律,得到了適用于改性雙基推進劑加工的優化的螺桿結構參數,以期為新型螺桿擠出設備設計和應用提供參考,也為改性雙基推進劑擠出工藝安全提供理論參考。

1 實 驗

1.1 流變性能測試

在改性雙基推進劑的擠出成型過程中,物料在機筒中的流動形式是以剪切流動形式為主,影響熔體黏度的主要因素有溫度和剪切速率。本研究采用毛細管流變儀[20],測試了物料在不同剪切速率和溫度下的黏度數據,實驗結果見表1。

表1 不同溫度下改性雙基推進劑剪切速率和黏度的流變參數Table 1 Rheological parameters of shear rate and viscosity of modified double base propellants at different temperatures

由表1可知,改性雙基推進劑的黏度隨著剪切速率的增加而減小,出現剪切變稀現象,呈現出明顯的假塑性流動特性。由于改性雙基推進劑并不是單一物質,而是由黏合劑以及火炸藥等組成,使得其本身的流動過程更加復雜,基于冪律模型(Power law)應用范圍廣,適合大多數的流體加工過程,本研究選擇采用Power law模型對80℃下的流變數據進行擬合,本構方程如式(1)所示:

(1)

式中:η為黏度,Pa·s;K為黏度系數;λ為松弛時間,s;γ為剪切速率,s-1;n為冪律指數。

考慮到擠出成型加工過程的實際情況,黏度的主要影響因素除了剪切速率外,還有溫度因素,其通用的黏度模型如式(2)所示:

(2)

H(T)=exp[-α(T-T1)]

(3)

式中:α為活化能因子;T1為參考溫度。

最終通過Origin軟件對流變實驗數據進行擬合,得到最終結果如圖1所示,經擬合得出黏度系數K=292.65,冪律指數n=0.0996,松弛時間λ=1.709×10-5s,活化能因子α=0.005,參考溫度T1=338.15K。

圖1 本構方程的擬合曲線Fig.1 The fitting curves of constitutive equation

1.2 物料參數測試

采用真密度儀、差示掃描量熱儀和導熱系數測試儀對改性雙基推進劑物料的密度、比熱和導熱系數進行了測試,每種參數進行5次測試取平均值,測試結果見表2。

表2 物料參數測試結果Table 2 Testing results of material parameters

2 模型的建立

2.1 數學模型

結合物料的黏彈特性與單螺桿擠壓工藝,本研究作出以下假設[21]:

(1)流體的黏度高、雷諾數小且在擠出過程中轉速較小,將其在機筒中的流動視為層流流動;

(2)流體在流道為非等溫、穩定流動的不可壓縮流體,在流道內視為全充滿狀態,且壁面無滑移;

(3)由于流體黏度大,體積力和慣性力都遠小于黏滯力,所以忽略重力對含能材料擠出過程中的影響;

(4)流體為不可壓縮的非牛頓高黏性流體,其流變特性滿足假塑性流體的特性。通過上述假設,可得流體在非等溫流動下的控制方程,如下所示[22]:

(4)

能量方程:Cpv?T=k?2T+τ:D

(5)

動量方程:-?P+?·t=0

(6)

式(4)～(6)中:v為速度矢量,m/s;P為壓力,Pa;Cp為比熱容,J/(kg·K);ρ為材料密度,kg/m3;τ為黏性應力張量;T為溫度,K;k為熱導率,W/(m·K)。

2.2 物理模型

根據實際生產工藝設備,選擇單螺桿結構如圖2所示,圖中d1為螺桿小端直徑,d1=33mm;d2為螺桿大端直徑;h為螺槽深度;t為螺距;e為螺棱寬度;l為螺桿長度,l=200mm。

圖2 單螺桿結構參數示意圖Fig.2 Schematic diagram of single screw structure parameters

為了方便分別對螺桿部分與流體部分進行分析,本研究采用網格重疊技術(MST)對于螺桿和流道幾何模型的網格劃分,并選取適應性更好的Tet/Hybrid網格元素和TGrid類型對模型進行網格劃分[23]。為了實現多種結構參數模型的模擬計算,通過前期研究發現,網格尺寸選擇2mm,計算速度和準確性較好,螺桿和流道網格模型如圖3所示。

圖3 螺桿和流道網格模型Fig.3 Screw and channel grid model

2.3 參數設定

結合螺壓實際工藝過程,在采用Polyflow軟件進行模擬時,設定螺桿入口的壓力為11MPa,出口壓力設置為1MPa,從而形成壓力差;對于外壁面給定Vn=Vs=0的邊界條件,表示壁面無滑移,螺桿轉速為5r/min;同時設定物料進口溫度為338.15K,出口為自由出口,機筒保溫溫度為343.15K,螺桿的加熱溫度為353.15K。

3 結果與討論

3.1 螺桿螺距對擠出流場的影響

首先,針對螺桿螺距設計了25、30、35和40mm的4種結構(分別記為t25、t30、t35和t40)進行模擬,研究了螺桿螺距對擠出過程流場的影響,結果如圖4和表3所示。

圖4 不同螺距下的流道內物料沿擠出方向的剪切速率和壓力分布場圖Fig.4 Shear rate and pressure distribution field of materials in the channel along the extrusion direction under different pitches

表3 不同螺距下螺棱處的最大溫度Table 3 The maximum temperature at the edge of the screw at different pitches

從圖4(a)中可看出,同等長度下,25mm螺距螺桿剪切速率峰值明顯高于30、35和40mm螺距的螺桿。由圖4(b)可以看出,其展示出了和圖4(a)一樣的趨勢,說明隨著螺桿螺距的增大,建壓能力隨之減小,螺桿的輸送能力減弱,且30、35和40mm螺距的螺桿在靠近出口位置的建壓范圍在0～2MPa,易導致無法連續均勻擠出,或因壓強過小導致最終制品質地不均,所以在螺桿設計時螺距不宜過大。

由表3可知,改性雙基推進劑在出口位置的溫度趨于一致,但在剛入口處,隨著螺桿螺距的增大,其溫度隨之增大,溫度升高也會使擠壓過程存在危險。于天藝,曾曹等[25]也對不同螺距下的單螺桿擠出流場進行了研究,發現減小螺距有利于增大對螺桿和物料的剪切作用,促進物料的熔融和混合,從而改善擠出質量。所以在改性雙基推進劑熔融過程中取25mm的螺桿螺距能在保證生產工藝安全的前提下更好地實現機頭壓力穩定,更好地混合物料,從而保證制品質量。

3.2 螺桿螺槽深度對擠出流場的影響

針對螺桿螺槽深度設計選擇了6、7、8和9mm的4種結構的螺桿(分別記為H6、H7、H8和H9),研究了螺桿螺槽深度對擠出過程流場的影響,結果如圖5和表4所示。

圖5 不同螺槽深度下的流道內物料沿擠出方向的剪切速率和壓力分布場Fig.5 Shear rate and pressure distribution field of materials in the channel along the extrusion direction at different screw groove depths

由圖5(a)可知,沿物料擠出方向剪切速率逐漸降低,這是由于螺桿直徑沿軸向逐漸減小,物料受到的剪切能力也逐漸減小。H6模型的剪切速率最小,而H9模型的剪切速率最大,這說明適當地增大螺槽深度有利于物料充分混合。由圖5(b)和(c)可知,螺槽深度越深,物料的壓力波動越大,越不利于物料平穩擠出,同時物料整體所受到的壓力隨之減小,導致機頭壓力變小,建壓能力下降,說明螺桿對熔體的輸送能力會減弱,影響物料均勻連續擠出。

由表4可知,H6模型在螺棱處的最大溫度是最小的,隨著螺槽深度增加,物料在擠出過程的溫度也在不斷升高。物料溫度過高會增大擠出過程的風險,溫度過低會使熔體黏度過大不利于擠出,通過對比發現,H8、H9模型機頭擠出壓力在1MPa左右,壓強過小會影響產品質量,H6模型物料的剪切速率較小不利于其充分混合,所以螺桿螺槽深度為7mm時最好。王建、范濤等[21,26]也研究了螺槽深度對單螺桿擠出機性能的影響,發現螺槽深度越大,物料的壓力和剪切速率波動也越大,不利于物料在機筒內的混合和輸送。

3.3 螺桿大端直徑對擠出流場的影響

本研究針對螺桿大端直徑設計選擇了59、61、63和65mm的4種結構的螺桿(分別記為D59、D61、D63和D65),研究了螺桿大端直徑對擠出過程流場的影響,結果如圖6所示。

從圖6(a)中可看出,錐形螺桿在入口處受到高剪切力,而在出口附近所受的剪切力較小,這是由于螺桿直徑沿軸向逐漸減小,物料受到的剪切力也逐漸減小,同時螺桿的大端直徑增大,螺桿的剪切能力增強,機筒內物料的剪切速率也隨之變大。由圖6(b)可知,大端直徑會影響物料擠出過程的溫度變化,直徑增大,物料溫度也隨之增大,但是物料的出口溫度趨于一致。

由圖6(c)可得,隨著大端直徑增加,螺桿的建壓能力逐漸增強,這是因為大端直徑為65mm的螺桿比其他3種螺桿具有更強的建壓能力,更適合物料連續擠出。邊靖[27]也對錐形螺桿的螺桿結構進行了研究,發現螺桿大端直徑增大,螺桿的壓縮比隨之增大,建壓能力隨之增強。由此可知,螺桿大端直徑為65mm的螺桿有較好的剪切能力和建壓能力,同時會使物料在擠出過程中溫度適當升高,從而降低其黏度,能夠保證物料的均勻混合和連續擠出。

通過研究得出螺桿結構與流場特性的關系,如圖7所示。確保加工過程安全是改性雙基推進劑產品研制與生產的首要問題,其次才是質量與產量,因此對改性雙基推進劑安全有重要影響的螺桿結構應被重點考慮,綜上所述,螺桿參數組合的最優水平為:螺桿螺距25mm、螺槽深度7mm和螺桿大端直徑65mm。

圖7 螺桿結構與流場特性的關系圖Fig.7 Relationship between screw structure and flow field characteristics

4 結 論

(1)螺桿螺距增大,會使螺桿輸送能力減弱,導致改性雙基推進劑的剪切速率較小,建壓能力減小,溫度增大。

(2)螺槽深度增大使得物料剪切速率增大,物料在擠出過程的溫度也在不斷升高。但物料的壓力波動變大,并且物料整體的壓力隨之減小。

(3)螺桿的大端直徑增大,螺桿的剪切能力增強,機筒內物料的剪切速率也隨之變大,同時物料溫度也隨之增大,螺桿的壓縮比增大,建壓能力逐漸增強,更適合物料連續擠出。

(4)當螺桿螺距為25mm、螺槽深度為7mm和螺桿大端直徑為65mm時,螺壓改性雙基推進劑擠出工藝過程安全性高、產品質量好。