單螺桿擠出機喂料段螺旋溝槽襯套的流場分析

李成宇 ，呂曉龍 ，呂柏源 ，湯岷

(1.青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266100 ；2.青島科技大學中德科技學院，山東 青島 266100)

0 前言

在橡膠工業中，螺桿擠出機是橡膠加工的重要設備，它廣泛應用在輪胎制造、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]。長期以來，擠出機研究發展的焦點都集中在螺桿構型的不斷改進中，這確實使擠出機的生產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，才能保證高質量和高生產率的擠出[4～6]。而提高喂料段輸送能力，需要在一定范圍內提高喂料段機筒襯套的內摩擦系數，即加大膠料與襯套內壁的摩擦力，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壁之間有較大的摩擦力，提高擠出產量，最簡單的方法就是在料筒上加工若干個縱向溝槽。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，可以進一步加強物流的輸送能力[10]。喂料段溝槽襯套設計過程中，影響生產效率的參數主要有溝槽寬度，溝槽深度和溝槽數量。利用FLUENT 模塊，對Ф150 單螺桿擠出機喂料段三維流場進行模擬分析，并針對物料流動行為與速度的關系，對溝槽寬度，溝槽深度和溝槽數量進行了優化分析，同時總結了各個參數對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，一種用于制備再生橡膠的設備。擠出機參數為：螺桿直徑d=Ф150 mm，喂料段長度比=4（長600 mm 等距等深），喂料段螺槽深度h=27 mm，螺桿導程S=170 mm，螺棱寬度e=10.5 mm。）通過改變溝槽深度、溝槽寬度和溝槽個數，模擬物料的最大流動速度，并分析了溝槽深度、溝槽寬度和溝槽個數對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 單螺桿擠出機喂料段溝槽襯套模型圖

圖2 單螺桿擠出機喂料段溝槽襯套螺桿組裝圖

1.2 數學模型

在進行流場模擬計算時，考慮到流場的幾何形狀、物料性質、流動狀態、加工條件等因素造成的流場復雜性，同時流動過程能滿足工程的近似要求，做以下基本假設[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；

(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。

描述流場的連續性性方程、運動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，又可描述在低剪切速率下牛頓流體的流變性質，Carreau 模型為：

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

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

1.3 網格劃分

通過workbench 平臺運用布爾運算生成流體域。并采用智能網格劃分模式，同時使用線尺寸控制單元格大小，并且對必要位置進行網格加密，以達到均勻劃分網格、提高計算精度的目的[13]。喂料段流體域網格實體模型如圖3 所示：

圖3 單螺桿擠出機喂料段流體域網格劃分

1.4 邊界條件的確定

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

2 模擬結果分析

2.1 溝槽深度對喂料段物料輸送速率的影響

在溝槽寬度和溝槽個數不變的情況下，利用數值模擬研究手段，分析了溝槽深度對單螺桿擠出機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

運用workbench 軟件fluent 模塊對膠粉的輸送過程進行數值模擬，接著采用CFDPOST 模塊進行后處理分析，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，同樣意味著襯套內表面摩擦系數增大，根據固體輸送理論可知，襯套內表面摩擦系數越大，物料的輸送速度越快。但同時過大的溝槽深度，雖然增大了物料對機筒內壁的摩擦因數與物料對螺桿螺槽摩擦因數的差，但因襯套溝槽深度過大，膠料向前輸送時嚴重受阻，甚至部分膠料卡住在溝槽內，此時導致速度下降嚴重。所以對于d=150 mm 的擠出機喂料段溝槽深度應在6～8 mm 的區間內進行選擇，在增大摩擦因數差的同時避免溝槽深度過小導致擠出機喂料段的喂料容積降低，又可以避免溝槽深度過大導致溝槽內發聲堵料現象。溝槽深度的增加可以提高擠出機喂料段的喂料容積，可以進一步提高輸送效率，因此在一定范圍內自強制喂料擠出機喂料段機筒溝槽深度數值應盡量大一些。同時為了保證襯套的強度，具體的溝槽深度可以在(0.4～05)h進行選取（h為襯套的厚度）。

2.2 溝槽寬度對喂料段物料輸送速率的影響

在溝槽深度和溝槽個數不變的情況下，利用數值模擬研究手段，分析了溝槽寬度對單螺桿擠出機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

運用workbench 軟件fluent 模塊對膠粉的輸送過程進行數值模擬，接著采用CFDPOST 模塊進行后處理分析，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 溝槽個數對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，利用數值模擬研究手段，分析了溝槽個數對單螺桿擠出機喂料段物料輸送速率的影響，溝槽個數變化范圍如表3 所示。

表3 溝槽數量變化表及截面圖例

運用workbench 軟件fluent 模塊對膠粉的輸送過程進行數值模擬，接著采用CFDPOST 模塊進行后處理分析，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 不同溝槽數量的截面速度矢量圖云圖

根據圖6 可以看出，溝槽數量由8 變為10，速度矢量略有提升，溝槽數量由10 變為12，速度矢量提升明顯，溝槽數量由12 變為14，速度矢量下降明顯。因此喂料段螺旋溝槽襯套時溝槽數值選擇12 個，物料的流動速率最好。

3 正交試驗與最優方案確定

3.1 正交實驗

本工作采用正交試驗方法[17]對擠出機喂料段溝槽襯套各個參數進行優化，正交試驗表如表4 所示，其中因素代號A、B、C 分別代表溝槽深度(mm)，溝槽寬度(mm) 和溝槽個數。

表4 正交試驗表

3.2 最優方案分析

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

根據表4 可知，L9 即溝槽深度為8 mm，溝槽寬度為10 mm，溝槽個數為12 個流體域平均速度和流體域單位面積流量最大。與上文單因素試驗最優解溝槽深度為 8 mm，溝槽寬度為12.5 mm，溝槽個數為12 個，進行對比發現上文最優解的流體域平均速度更大，因此在設計Ф150 單螺桿擠出機制備再生膠螺旋溝槽時選擇溝槽深度為8 mm，溝槽寬度為12.5 mm，溝槽個數為12 個。

4 結論

采用FLUENT 軟件，對Ф150 單螺桿擠出機喂料段螺旋溝槽襯套三維流場進行模擬，可得出以下結論：

（1）螺旋溝槽深度對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，流場內流體平均流動速度先上升后下降，及輸送速率先上升后下降。螺旋溝槽深度取值應取決于襯套的直徑與厚度，在一定范圍內盡可能選取更大的螺旋溝槽深度，以增大物料對機筒內壁的摩擦因數與物料對螺槽表面的摩擦因數差，但同時也要保證溝槽的自潔性。

（2）擠出機喂料段中，隨著喂料段螺旋溝槽寬度的增加或溝槽數量的增加，流場內流體平均流動速度都是呈現出先上升后下降的趨勢，同時輸送速率隨之先上升后下降。這都體現在物料對機筒內壁的摩擦因數與物料對螺槽表面的摩擦因數差需保持在一定的范圍內，可以提高輸送能力。在對螺旋溝槽寬度取值時應關注螺旋溝槽的個數，應保證螺旋溝槽寬度與螺旋溝槽個數的乘積取值為襯套內壁周長的1/3 左右。