再生膠復(fù)合擠出過程流場分布數(shù)值模擬研究

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029）

1 研究背景

再生膠是指廢舊橡膠經(jīng)過粉碎、加熱、機(jī)械處理等物理化學(xué)過程，使其彈性狀態(tài)變成具有塑性和黏性的，便于加工并能夠硫化的再生橡膠[1]。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，結(jié)合所有再生橡膠企業(yè)的生產(chǎn)能力，目前我國的再生膠產(chǎn)量已占全世界總產(chǎn)量的4/5以上，達(dá)到了500 萬 t[2]。

再生膠的特征為：（1）價(jià)格低廉，再生膠的價(jià)格一般是天然橡膠或合成橡膠價(jià)格的1/3；（2）可塑性好，再生膠料的動(dòng)力消耗相比于天然橡膠或合成橡膠要低很多，因此混煉成型的時(shí)間也少很多；（3）流動(dòng)性好，在橡膠工業(yè)中加入再生膠能夠起到潤滑的作用，大大改善流動(dòng)性。因此，在橡膠工業(yè)中，繼天然橡膠、合成橡膠后，再生膠被列為第三大橡膠資源，近年來的應(yīng)用比例也是逐步提高[3]。

目前，隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對于輪胎的需求也越來越大。再生膠也逐漸地作為原料或添加劑被應(yīng)用到輪胎胎面、胎側(cè)的復(fù)合擠出成型中。前人已對橡膠輪胎的擠出做了大量的研究工作，其中賈曉艷[4]研究了壓力、黏度對橡膠擠出流道的壓力場、出口速度的影響。張鶴銳[5]研究了橡膠胎料在復(fù)合擠出流道中流量比值、黏度比值的不同對橡膠復(fù)合界面的影響。

而再生膠復(fù)合擠出成型質(zhì)量的好壞一方面取決于其本身的物性參數(shù)，還與其他因素有關(guān)，如流道結(jié)構(gòu)、入口流量、口型板的形狀等。

2 再生膠膠料物性參數(shù)測試

選用Malvern牌毛細(xì)管流變儀測試膠料的流變參數(shù)。毛細(xì)管流變儀主要由儲(chǔ)料室、柱塞和毛細(xì)管組成。如圖1所示為測試用再生膠粒，如圖2所示為毛細(xì)管流變儀裝置。

圖1 測試用再生膠粒

圖2 毛細(xì)管流變儀

采用Bird-Carreau law本構(gòu)方程模型來反應(yīng)再生膠的流變特性，其方程為：

經(jīng)過毛細(xì)管流變儀測試，將得到測試原始數(shù)據(jù)通過origin軟件數(shù)據(jù)擬合得出流變模型參數(shù)。

編號為TQ387PT的再生膠的物性參數(shù)為：

編號為TQ757的再生膠的物性參數(shù)為：

3 單機(jī)頭流道流場分布數(shù)值模擬分析

3.1 單機(jī)頭流道流場分布數(shù)值模擬分析

采用polyflow軟件對單機(jī)頭流道流場分布進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

3.1.1 物理模型與邊界條件

以機(jī)頭1為例，如圖3所示為機(jī)頭結(jié)體圖。根據(jù)機(jī)頭結(jié)構(gòu)尺寸繪制再生膠機(jī)頭流道三維模型。由于橡膠的流變性在機(jī)頭結(jié)構(gòu)中部開有阻尼塊，出口處設(shè)計(jì)有定型段流道，如圖4所示為機(jī)頭三維模型的邊界條件圖。

圖3 機(jī)頭結(jié)構(gòu)圖實(shí)體圖

圖4 邊界條件圖

3.1.2 結(jié)果與分析

對出口截面處的速度分布進(jìn)行仿真分析。如圖5所示為出口面的速度場云圖。在該出口截面做出中線，然后將該中軸線上的速度數(shù)值導(dǎo)出并用Excel制作圖表，如圖6所示。

圖5 出口截面速度分度

圖6 流道出口處中線速度值分布

3.2 影響擠出成型質(zhì)量的因素分析

機(jī)頭流道出口處的速度均勻性是再生膠擠出質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。阻尼塊的高度、定型段的長度、入口流量是擠出均勻性重要的影響因素。

3.2.1 阻尼塊高度

以機(jī)頭 1 為例，當(dāng) h 為 20，30，40，50（mm），其他因素不變下，機(jī)頭流道出口處的速度分布的有限元結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，隨著阻尼塊高度的增加，流道中間流速慢、兩側(cè)流速快的趨勢增強(qiáng)。當(dāng)h為40 mm左右時(shí)，出口速度均勻性較好。故針對特定的機(jī)頭流道、特定的物料需選取合適的阻尼塊高度。

圖7 阻尼塊高度與出口速度分布的關(guān)系圖

3.2.2 定型段長度

以機(jī)頭 1 為例，當(dāng) L 為 15，30，40（mm），其他因素不變下，機(jī)頭流道出口處的速度分布的有限元結(jié)果如圖8所示。

圖8 定型段長度與出口速度分布的關(guān)系圖

由圖8可知，隨著定型段長度的增加，流道中間流速慢、兩側(cè)流速快的趨勢好轉(zhuǎn)。當(dāng)L為40 mm左右時(shí)，出口速度均勻性較好。

3.2.3 入口流量

當(dāng) Q 為 0.000 01，0.000 03，0.000 05（m3/s），其他因素不變下，機(jī)頭流道出口處的速度分布的有限元結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，隨著入口流量的增加，流道中間流速比兩側(cè)流速快的趨勢略有增強(qiáng)。當(dāng)Q=Q1=0.000 01 m3/s時(shí)，出口速度均勻性較好。

4 復(fù)合流道流場分布數(shù)值模擬計(jì)算

采用polyflow軟件對復(fù)合流道流場分布進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

4.1 物理模型與邊界條件

經(jīng)調(diào)試好結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝參數(shù)的機(jī)頭均勻擠出后的兩種膠料進(jìn)入復(fù)合流道進(jìn)行復(fù)合擠出，如圖10所示為復(fù)合流道結(jié)構(gòu)實(shí)物圖，并使用三維軟件建模進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，如圖11為復(fù)合流道三維模型邊界條件示意圖。

圖9 入口流量變化與出口速度分布的關(guān)系圖

圖10 復(fù)合流道實(shí)體結(jié)構(gòu)

圖11 三維模型邊界條件示意圖

如圖11所示，入口邊界條件設(shè)為inflow，出口邊界條件設(shè)為Outflow。壁面采用膠料與壁面無滑移，即vn=vs=0。

4.2 結(jié)果與分析

從復(fù)合區(qū)域入口處到出口處沿著入口流場寬度方向取6個(gè)縱截面，對6個(gè)縱截面的速度分布進(jìn)行仿真分析。6個(gè)縱截面的速度分布總圖如圖12所示。

從最左端的1縱截面可以得出，由于死區(qū)的原因，存在很大的橫向流，且上段物料較少進(jìn)入復(fù)合區(qū)，導(dǎo)致該截面附近的復(fù)合區(qū)域內(nèi)主要為下端物料。而從對稱的2和6兩個(gè)縱截面看，由于橫向流的原因，復(fù)合界面處上段流量增大。從其他縱截面看，隨著橫向流影響的減小，復(fù)合界面處進(jìn)行正常的復(fù)合流動(dòng)。

圖12 縱截面速度分布云圖

5 結(jié)論

（1）再生膠單機(jī)頭流道擠出時(shí)，研究阻尼高度、定型段長度、入口流量對擠出出口速度均勻性的影響。結(jié)果表明阻尼塊高度、入口流量的增加，流道中間流速慢、兩側(cè)流速快的趨勢增強(qiáng)，定型段長度的增加，流道中間流速慢、兩側(cè)流速快的趨勢好轉(zhuǎn)。

（2）兩種再生膠復(fù)合擠出時(shí)，設(shè)計(jì)的口型板流場復(fù)合效果尚可，但由于死區(qū)以及口型板兩側(cè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)在兩側(cè)產(chǎn)生向內(nèi)的橫向流，使得在兩側(cè)區(qū)域內(nèi)上端物料較少，會(huì)使得物料在出口處的復(fù)合產(chǎn)生不良的影響。