切向銷釘機筒冷喂料擠出機的流場模擬與受力分析

王雨生 溫志雄 宋浩 王振宇 董方晨

摘 要：利用UG NX10.0軟件構(gòu)建了切向銷釘機筒冷喂料擠出機的三維模型，預(yù)估了橡膠流量的物料參數(shù)并使用ANSYS WORKBENCH軟件和FLUENTS軟件對切向銷釘機筒冷喂料擠出機內(nèi)部的流量場進行了模擬，并通過簡化模型控制變量的方式迭代計算得出其運轉(zhuǎn)時的壓力場和速度場。利用流場的分析結(jié)果進行了擠出機切向銷釘?shù)撵o力學(xué)分析，得出了銷釘受力的預(yù)測值。從而為切向銷釘機筒冷喂料擠出機的發(fā)展提供了可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：切向銷釘擠出機;流場模擬;受力分析

1 緒論

銷釘機筒冷喂料擠出機在橡膠加工過程中起到了非常重要的作用，橡膠擠出作為橡膠成型的一個重要流程，其機器結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直接決定了擠出制品的質(zhì)量。傳統(tǒng)徑向銷釘擠出機雖然能滿足各類工廠的使用需求，但仍存在難控制膠溫、產(chǎn)量較低、塑化成型質(zhì)量不夠穩(wěn)定的問題。所以近幾年來，基于橡膠生產(chǎn)中的需求，國內(nèi)外學(xué)者開始探索新的橡膠成型發(fā)展方向。[1]

橡膠成型中一個重要的因素就是橡膠流動的均勻性。本課題將研究重心放在了銷釘結(jié)構(gòu)上。[7]本研究主要針對切向銷釘?shù)乃俣葓雠c壓力場進行了模擬，并利用ANSYS軟件完成了對切向銷釘?shù)氖芰Ψ治觥?/p>

2 建立模型

2.1 切向銷釘擠出機的總裝結(jié)構(gòu)模型

在三維直角坐標系中建立了切向銷釘機筒冷喂料擠出機的幾何模型，如圖1。

2.2 切向銷釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)模型

本文所研究的切向銷釘總長為170mm。其中中間剪切作用段的直徑為8mm。該種切向銷釘共有七排，每排兩個呈均勻分布狀態(tài)，銷釘?shù)膬?nèi)部為中空設(shè)計，保證了冷卻介質(zhì)的通入。切向銷釘結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2.3 受力分析

銷釘所處的環(huán)境為混合流場，由于其環(huán)境的復(fù)雜性以及冷喂料擠出機溫度的不均勻性，且熔體的流動還要符合物料本身行為屬性的本構(gòu)方程，故本次分析做以下假設(shè)：

（1）可用牛頓流體定律描述膠料的流變行為;

（2）膠料在機筒內(nèi)的流動為穩(wěn)定的層流，且因為其粘度過大，流體的雷諾數(shù)特別小;

（3）膠料在流場內(nèi)完全處于層流狀態(tài);

（4）大粘度低雷諾數(shù)的流動體系，忽略膠料流體的重力、慣性力等體積力;

（5）假設(shè)流體與流道表面不會出現(xiàn)壁面滑移現(xiàn)象。

2.4 機筒結(jié)構(gòu)模型[6]

本文主要采用市面上普遍使用的Φ65銷釘冷喂料擠出機機筒，其主機型號為：[2]XJD-65×12D。

2.5 螺桿結(jié)構(gòu)模型[4]

采用標配雙螺紋螺桿。螺桿材料采用 38CrMoALA，內(nèi)有冷卻用孔。

具體數(shù)據(jù)如下：

螺桿直徑：32mm;

螺桿長度：603mm;

螺桿與減速器低速軸：花鍵聯(lián)接。

3 流體力學(xué)分析

3.1 模型建立及其網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格使用默認的流體三角形網(wǎng)格。根據(jù)2.3受力分析中的假設(shè)，熔體在流場內(nèi)與內(nèi)壁的相對流速為vs=0，且不考慮壁面滑移現(xiàn)象。由于實際影響因素過多，不好控制FLUENTS的運算速度和結(jié)果的準確性。因此在分析時進行了模型簡化。

建立流場的模型時，使用了三面體網(wǎng)格進行劃分，將其劃分完畢后，需要進行網(wǎng)格的檢查，結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格密度質(zhì)量檢測

由圖3的表格的結(jié)果可以看出，平均質(zhì)量到達了0.83，即83%。證明其網(wǎng)格質(zhì)量良好，在此基礎(chǔ)上進行的其他分析活動所得出的結(jié)果也是可靠的。

3.2 邊界條件的設(shè)定

3.2.1 流量的邊界條件

在工作過程中，膠料在通過任意截面的時候的速度有一定范圍且其數(shù)值可視作常數(shù)，并以此速度通過擠出口完成擠出成型。此速度是根據(jù)擠出機的規(guī)格和設(shè)備參數(shù)決定的。因此，流量可表達為：[2]

qd=Qdt（1）

qd為機頭流量，mm3/s

其中：Qd為擠出機的生產(chǎn)能力，Kg/h

t為時間，s

3.2.2 速度的邊界條件及物料參數(shù)

根據(jù)2.3受力分析中的假設(shè)5，得vw=0，其中vw為膠料與壁面的相對滑移速度，單位為m/s。

綜上所述并參閱資料后，得出所設(shè)的物性參數(shù)為如下表所示。分析過程中膠料的物性參數(shù)及邊界條件均不變。參數(shù)如下：

膠料的物性參數(shù)表

3.2.3 流場模擬性能

本論文所采取的流場膠料的物料密度為1066kg/m3，非牛頓冪率粘度模型的冪率指數(shù)為0.385，粘度系數(shù)為106pa·s。在實驗過程中使用了較大的數(shù)值來使使用數(shù)值是更加安全。

3.2.4 流場分析結(jié)果

通過FLUENTS迭代計算，初步得到殘差監(jiān)視窗口和出口質(zhì)量流量監(jiān)視窗口。如圖4。

如圖所示，當?shù)嬎氵M行到600步以后，出口質(zhì)量流量已趨于穩(wěn)定。判斷出計算已收斂，計算結(jié)束。

導(dǎo)出報告后導(dǎo)出速度場及流量場。其中速度場和壓力場如圖5所示。

由圖可以明顯的看出，在標準截面上，有銷釘阻攔的部位上的流場速度遠遠大于沒有銷釘阻攔的部位，其倍數(shù)可達5～10倍。壓力場方面，銷釘所承受的最大壓力為21Mpa。根據(jù)壓力場圖所示，銷釘可以有效的分流-匯流膠料流場，且其主要受力部分在于銷釘?shù)恼娌糠智以诤蠓綗o擠出機頭保證壓力的情況下壓力呈遞減趨勢。

4 銷釘?shù)撵o力學(xué)分析

4.1 銷釘?shù)奈锢砟Ｐ?/p>

由于本文只考慮流場內(nèi)受力情況，所以銷釘模型只取流場內(nèi)使用的一段。具體細節(jié)如圖6所示。

由于運轉(zhuǎn)時情況復(fù)雜，不能很好的預(yù)測其應(yīng)力集中的部分，所以在本次分析中近似認為受力點為銷釘中心。

4.2 受力平面及邊界條件

根據(jù)2.2受力分析所示條件，銷釘只會受到來自膠料的擠壓力。所以在簡化模型的受力分析過程中，將銷釘與機筒對接的平面設(shè)為固定面。普通切向銷釘擠出機的擠出壓力一般為13.5Mpa左右，又結(jié)合流場分析壓力場的結(jié)果，設(shè)立其擠出壓強為20Mpa。

銷釘?shù)木W(wǎng)格劃分設(shè)置為四邊形，Relevance Center一欄選擇Medium。

4.3 銷釘?shù)姆治鲱愋图敖Y(jié)果

首先是等效應(yīng)力的分析。在20Mpa擠出壓強的環(huán)境下，切向銷釘?shù)淖畲蟮刃?yīng)力如圖7所示。

在銷釘兩側(cè)與機筒接觸的假定固定的部分所受到的等效應(yīng)力最高，這是在假設(shè)兩側(cè)為固定面的情況，真實情況下此固定面允許其有小范圍的形變，可以肯定的是這個受力點為應(yīng)力集中點。

然后是切向銷釘?shù)膽?yīng)變，在假設(shè)固定面為兩段與機筒的接觸面的情況下，銷釘形變量最大值為0.12667mm≈0.13mm。即此切向銷釘在此情況下受力部位最大應(yīng)變?yōu)?.13mm，具體如圖8所示。

實際上，在實際生產(chǎn)中，銷釘所受到的擠出壓強遠遠低于20Mpa（實際測試值小于14Mpa），故本分析所提供數(shù)據(jù)為大約值。

4.4 材料性能

銷釘材料建議使用38CrMoAl，此種材料有高的表面硬度，耐磨性及疲勞強度。極為適合用于制造銷釘這種尺寸小，要求耐磨性高的零件。

5 結(jié)論

（1）利用Unigraphics NX對擠出機及其流道進行了物理建模。

（2）使用ansys workbench和fluents進行了關(guān)于銷釘?shù)撵o力學(xué)分析和關(guān)于流場的壓力場速度場的分析。

（3）通過試驗可以得出在擠出機內(nèi)有銷釘阻攔的流場速度遠遠大于沒有銷釘阻攔的部位，其倍數(shù)可達5～10倍，可以充分起到擠壓的作用。壓力場方面，不考慮擠出頭部底壓，銷釘所承受的最大壓力為21Mpa，約為同平面無銷釘阻攔位置的兩倍，是最低壓強的十倍。可通過此實驗為擠出機頭部截面面積的計算起到參考作用。[3]

（4）進行了切向銷釘?shù)撵o力學(xué)分析，得出其應(yīng)力集中點在銷釘與機筒的連接位置。且在假設(shè)固定面為兩段與機筒的接觸面的情況下，銷釘形變量最大值為0.12667mm≈0.13mm。即此切向銷釘在此情況下受力部位最大應(yīng)變?yōu)?.13mm，留出了余量進行參考，為擠出機擠出性能的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。[4]

參考文獻：

[1]楊衛(wèi)民，程源.L型擠出機頭中膠料流動的均勻性分析[J].橡膠技術(shù)與裝備，1991（3）：12-17.

[2]劉樹明.混合型銷釘機筒冷喂料擠出機理及實驗研究[D].青島科技大學(xué)，2014.

[3]W.A.Gifford.A three-dimensional analysis of coextrusion in a single manifold flat die，Polymer Engineer and Science，40（9）2095-2100，2000.

[4]王祥，林廣義，呂寧寧，孔令偉，董方晨，劉彥昌.橡膠切向銷釘冷喂料擠出機擠出性能的研究[J].橡膠工業(yè)，2019，66（01）：57-61.

[5]范之海，宋廣軍，呂賢濱，呂柏源.橡膠冷喂料擠出機螺桿結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)分析與選擇[J].橡塑技術(shù)與裝備，2011，37（01）：5-11.

[6]G.Nijman，Enschede（NL），黃元昌.幾種不同的橡膠擠出機螺桿、機筒設(shè)計方案（下）——應(yīng)用方法[J].橡塑技術(shù)與裝備，2002（06）：37-44.

[7]于清溪.橡膠擠出機現(xiàn)狀與展望（上）[J].橡塑技術(shù)與裝備，2010，36（07）：16-23.