銷釘雙螺桿擠出機的結(jié)構(gòu)研究與流場分析

賈世魁，董林福

(1.三一重機有限公司樁機研究院，江蘇 昆山 215334；2.沈陽工學(xué)院，機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 撫順 113122)

銷釘冷喂料擠出機與嚙合型雙螺桿擠出機其特點不同，銷釘冷喂料擠出機由于在機筒上插入銷釘，能很好的對物料進行剪切、分流及旋轉(zhuǎn)，消除普通冷喂料擠出機塑化時所存在的核心區(qū)，從而以較低的能源消耗，提高塑化混合效果，降低排膠溫度，提升塑化質(zhì)量；嚙合型雙螺桿擠出機具有良好的混煉效果，自潔能力強，產(chǎn)量大等優(yōu)點。本文在綜合了兩種擠出機特點的基礎(chǔ)上，提出了銷釘雙螺桿擠出機的理念，即在雙螺桿擠出機的料筒上，像銷釘擠出機那樣，插入適當(dāng)?shù)匿N釘，這樣就可以最大限度的發(fā)揮其剪切塑化能力強，混合效果好的優(yōu)點。

1 雙螺桿銷釘擠出機銷釘?shù)呐挪冀Y(jié)構(gòu)

本文以同向嚙合雙螺桿擠出機為研究對象，在擠出段的料筒上插入適當(dāng)?shù)匿N釘，采取兩種結(jié)構(gòu)形式進行分析，第一種為銷釘對稱布置，即在擠出段對稱布置兩排銷釘，每排10枚銷釘，排距52 mm，第一排銷釘距離擠出段機筒入口處52 mm，如圖1所示。第二種為非對稱結(jié)構(gòu)，在擠出段的每側(cè)機筒上各插入2排銷釘，整個機筒共插入排數(shù)4排銷釘，每排5枚銷釘，排距26 mm，第一排距離擠出段機筒入口處26 mm，如圖2所示。排數(shù)可以根據(jù)實際需要進行適當(dāng)調(diào)整。

銷釘、機筒、螺桿之間的裝配方式如圖3所示。

2 仿真求解過程

運用FLUENT軟件進行分析，其求解過程[1]如圖4所示。

本文重點研究其結(jié)構(gòu)性對銷釘機筒內(nèi)部流場分布的影響，從而對擠出機擠出段的工作性能進行討論。因此，在不影響分析結(jié)果的情況下，對現(xiàn)有三維模型適當(dāng)進行簡化處理，GAMBIT中流體模型如圖5。

取螺桿直徑為Φ130 mm,螺槽深度9.75 mm，物料模型螺桿長度截取為162 mm，且螺桿根部圓角忽略不計。螺桿兩端分別加有20 mm的緩沖區(qū)，模型總長202 mm（z軸方向），高度121 mm（y軸方向），寬度65.5 mm（x軸方向）。坐標(biāo)原點位于下方螺桿中心軸右端位置。

在進行模型計算之前，在GAMBIT中進行前處理，分別對對稱銷釘機筒結(jié)構(gòu)、非對稱銷釘機筒結(jié)構(gòu)內(nèi)部流體的三維模型進行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格，步長2，網(wǎng)格數(shù)分別為496 231，514 429，513 213。其中非對稱銷釘機筒內(nèi)部流體網(wǎng)格如圖6所示。

物料參數(shù)：膠料為非牛頓流體，其表現(xiàn)黏度與所受剪切速率有關(guān)，其中不考慮溫度對黏度的影響，黏度系數(shù)μ0=115 kPa.s，非牛頓指數(shù)n=0.1，密度ρ=925 kg/m3[2]。

邊界條件：機筒內(nèi)壁為固定壁面，流體與邊界壁面間無滑移。螺桿表面為旋轉(zhuǎn)壁面，雙螺桿轉(zhuǎn)速均為4 rad/s（絕對速度）。圖5中右端設(shè)置為壓力進口，壓力值為0，左端設(shè)置為壓力出口，壓力值為1 MPa。

計算模型與算法選擇：流體為定常流動，采用穩(wěn)態(tài)模型進行計算。由于流體黏度大，因此采用層流模型。計算過程中不考慮溫度因素，不計算能量方程。離散格式選擇一階迎風(fēng)，算法采用SIMPLE算法。松弛因子0.7（默認值），監(jiān)測器中連續(xù)性收斂條件殘差值選取1×10-9。

3 塑化混合性能分析

在模型中通過計算截面加權(quán)平均壁面剪切應(yīng)力評價雙螺桿銷釘機筒結(jié)構(gòu)的塑化效果，以加權(quán)平均應(yīng)變速率評價雙螺桿銷釘機筒結(jié)構(gòu)的混合性能。沿z軸方向取截面，分別對銷釘機筒對稱結(jié)構(gòu)與非對稱結(jié)構(gòu)進行比較研究。

模型所選取的截面，兩結(jié)構(gòu)螺桿截面相位一致。對于對稱銷釘機筒結(jié)構(gòu)，選取z=52 mm處，為銷釘軸線位置；對于非對稱結(jié)構(gòu)，銷釘位于機筒一側(cè)，且軸線與z=52 mm截面重合。以z=52 mm截面為基準(zhǔn)截面，以步長0.05 mm分別向兩側(cè)取截面加權(quán)平均壁面剪切應(yīng)力值，并以三次多項式數(shù)值計算方法繪制插值曲線，如圖7所示。

圖7 為兩種不同結(jié)構(gòu)的沿z軸方向橫截面上的加權(quán)平均壁面剪切應(yīng)力值分布規(guī)律。z=52 mm截面與銷釘軸線重合的位置，非對稱結(jié)構(gòu)截面上平均剪應(yīng)力值比對稱結(jié)構(gòu)高，但不十分顯著。分別向兩邊延伸，兩條曲線開始下降，可以得出對稱結(jié)構(gòu)應(yīng)力值下降趨勢明顯，梯度較大。下降至z=50.5 mm與z=53.5 mm處，于波谷位置。z=48.15 mm與z=55.85 mm處，由

于橫截面處于剛剛通過銷釘位置處，截面速度變化復(fù)雜，平均剪應(yīng)力值處于波峰，應(yīng)力值較大，塑化效果較好。z=47.15 mm與z=56.85 mm處，截面處于螺桿環(huán)槽與銷釘?shù)拈g隙，平均應(yīng)力值處于波谷位置，應(yīng)力值較小。z=46.15 mm與z=57.85 mm處，截面位于螺棱環(huán)槽邊界位置，由于螺桿的旋轉(zhuǎn)運動，使螺棱環(huán)槽邊界處的加權(quán)平均壁面剪切應(yīng)力值達到最大，到下一截面突然降低至波谷位置，且對稱結(jié)構(gòu)變化幅度較大。

圖中總體趨勢看來，非對稱結(jié)構(gòu)截面加權(quán)平均剪切應(yīng)力總值大于對稱結(jié)構(gòu)的2.96%，物料所受剪切應(yīng)力值較大，塑化效果較好，且沿z軸方向銷釘附近截面剪切應(yīng)力值分布平緩，梯度變化較為平穩(wěn)，對稱結(jié)構(gòu)平均剪切應(yīng)力值變化幅度較大。

圖8為兩種不同結(jié)構(gòu)的沿z軸方向橫截面上的加權(quán)平均應(yīng)變速率分布規(guī)律。從宏觀上看，與加權(quán)平均剪應(yīng)力的分布趨勢類似。經(jīng)計算，非對稱結(jié)構(gòu)加權(quán)平均應(yīng)變速率總值大于對

稱結(jié)構(gòu)的7.66%，混合效果好，沿z軸方向應(yīng)變速率分布平緩，梯度變化較平穩(wěn)。z=52 mm處，非對稱結(jié)構(gòu)應(yīng)變速率明顯高于對稱結(jié)構(gòu)，分別向兩邊延伸觀察，在銷釘截面區(qū)域的應(yīng)變速率變化不十分明顯。z=46.15 mm與z=57.85 mm處，截面位于螺棱環(huán)槽邊界位置，加權(quán)平均應(yīng)變速率值達到最大，下一截面突然降低至波谷位置，且對稱結(jié)構(gòu)變化幅度較大。

模型仿真對雙螺桿擠出機擠出段工作過程建立數(shù)學(xué)模型，計算收斂后，分別對速度場進行分析。非對稱銷釘機筒結(jié)構(gòu)能夠保證在任意橫截面位置，始終有一側(cè)螺桿螺棱在進行旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)，經(jīng)過銷釘位置時，能夠有良好的自潔性能。最后用塑化混合性能評價對非對稱銷釘機筒結(jié)構(gòu)與對稱銷釘機筒結(jié)構(gòu)進行分析，得出非對稱結(jié)構(gòu)具有比較良好塑化混合性能，加工混煉過程較為穩(wěn)定的優(yōu)點。

4 結(jié)論

本論文在同向嚙合雙螺桿擠出機基礎(chǔ)上，根據(jù)螺桿擠出機數(shù)學(xué)模型和設(shè)計理論，設(shè)計研究了銷釘機筒雙螺桿擠出機擠出段部分，運用FLUENT軟件對其不同結(jié)構(gòu)下的流場進行了分析比較，并分析了不同銷釘排布結(jié)構(gòu)的混合效果：對稱銷釘機筒結(jié)構(gòu)的銷釘軸線所處截面位置，無螺桿間嚙合區(qū)域，自潔性能下降；非對稱銷釘機筒結(jié)構(gòu)，即銷釘處存在螺桿間嚙合區(qū)域，又能夠形成高度剪切區(qū)，打亂螺槽間的核心區(qū)，增加混煉能力；銷釘附近截面，非對稱結(jié)構(gòu)加權(quán)平均剪切應(yīng)力值與加權(quán)平均應(yīng)變速率總值大于對稱結(jié)構(gòu)，塑化混合效果較好，且沿z軸方向銷釘附近截面剪切應(yīng)力值分布平緩，梯度變化較平穩(wěn)。