錐型單螺桿結(jié)構(gòu)對螺壓推進(jìn)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(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院,山西 太原 030051;2.山西省超細(xì)粉體工程技術(shù)研究中心, 山西 太原 030051)

引 言

改性雙基推進(jìn)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(jìn)劑[4],相對于傳統(tǒng)的固體推進(jìn)劑而言,在能量水平上有明顯的優(yōu)勢[2],并且具有特征信號低、性能可靠、貯存期長等優(yōu)點(diǎn)[3],在航空航天以及導(dǎo)彈發(fā)射中應(yīng)用廣泛。改性雙基推進(jìn)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(chǎn)效率高、樣品之間尺寸和質(zhì)量誤差較小、重現(xiàn)性高等優(yōu)點(diǎn)[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(yīng)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(dǎo)熱與黏性耗散熱共同作用下逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗟倪^程,本質(zhì)是在高溫高壓下進(jìn)行成型,屬于高危工序,若工藝條件或設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(chǎn)生熱積聚,當(dāng)熱量積累到一定程度有可能導(dǎo)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(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化,對于改善其工藝安全性至關(guān)重要。鐘婷婷[8]研究了不同機(jī)筒溫度和螺桿加熱溫度對螺壓擠出工藝的影響,發(fā)現(xiàn)機(jī)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(jī)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(zhuǎn)速下的雙基推進(jìn)劑擠出成型工藝,發(fā)現(xiàn)螺桿的轉(zhuǎn)速也會對物料產(chǎn)生影響,如螺桿轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)[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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對推進(jìn)劑物料和混合程度的影響,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整螺桿結(jié)構(gòu)會降低生產(chǎn)工藝的危險(xiǎn)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(nèi)的熔體流動及混合情況,發(fā)現(xiàn)在相同的幾何與物理?xiàng)l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(nèi)目前對不同螺桿結(jié)構(gòu)的錐形單螺桿擠出成型工藝的數(shù)值模擬研究較少,且大部分的模擬研究并沒有使用真實(shí)物料的物性參數(shù),模擬對實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)性較差。本研究通過對改性雙基推進(jìn)劑進(jìn)行流變測試,根據(jù)流變數(shù)據(jù)對本構(gòu)方程進(jìn)行了擬合,并對物料進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱等測定,基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Polyflow[19]軟件研究了錐型單螺桿結(jié)構(gòu)(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(guī)律,得到了適用于改性雙基推進(jìn)劑加工的優(yōu)化的螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù),以期為新型螺桿擠出設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考,也為改性雙基推進(jìn)劑擠出工藝安全提供理論參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 流變性能測試

在改性雙基推進(jìn)劑的擠出成型過程中,物料在機(jī)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(xì)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(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同溫度下改性雙基推進(jìn)劑剪切速率和黏度的流變參數(shù)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(jìn)劑的黏度隨著剪切速率的增加而減小,出現(xiàn)剪切變稀現(xiàn)象,呈現(xiàn)出明顯的假塑性流動特性。由于改性雙基推進(jìn)劑并不是單一物質(zhì),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(fù)雜,基于冪律模型(Power law)應(yīng)用范圍廣,適合大多數(shù)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(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,本構(gòu)方程如式(1)所示:

(1)

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

考慮到擠出成型加工過程的實(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到最終結(jié)果如圖1所示,經(jīng)擬合得出黏度系數(shù)K=292.65,冪律指數(shù)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(gòu)方程的擬合曲線Fig.1 The fitting curves of constitutive equation

1.2 物料參數(shù)測試

采用真密度儀、差示掃描量熱儀和導(dǎo)熱系數(shù)測試儀對改性雙基推進(jìn)劑物料的密度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測試,每種參數(shù)進(jìn)行5次測試取平均值,測試結(jié)果見表2。

表2 物料參數(shù)測試結(jié)果Table 2 Testing results of material parameters

2 模型的建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

結(jié)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(shè)[21]:

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

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

(3)由于流體黏度大,體積力和慣性力都遠(yuǎn)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(shè),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(yīng)力張量;T為溫度,K;k為熱導(dǎo)率,W/(m·K)。

2.2 物理模型

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝設(shè)備,選擇單螺桿結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)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(jìn)行分析,本研究采用網(wǎng)格重疊技術(shù)(MST)對于螺桿和流道幾何模型的網(wǎng)格劃分,并選取適應(yīng)性更好的Tet/Hybrid網(wǎng)格元素和TGrid類型對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[23]。為了實(shí)現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)參數(shù)模型的模擬計(jì)算,通過前期研究發(fā)現(xiàn),網(wǎng)格尺寸選擇2mm,計(jì)算速度和準(zhǔn)確性較好,螺桿和流道網(wǎng)格模型如圖3所示。

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

2.3 參數(shù)設(shè)定

結(jié)合螺壓實(shí)際工藝過程,在采用Polyflow軟件進(jìn)行模擬時,設(shè)定螺桿入口的壓力為11MPa,出口壓力設(shè)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(zhuǎn)速為5r/min;同時設(shè)定物料進(jìn)口溫度為338.15K,出口為自由出口,機(jī)筒保溫溫度為343.15K,螺桿的加熱溫度為353.15K。

3 結(jié)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(shè)計(jì)了25、30、35和40mm的4種結(jié)構(gòu)(分別記為t25、t30、t35和t40)進(jìn)行模擬,研究了螺桿螺距對擠出過程流場的影響,結(jié)果如圖4和表3所示。

圖4 不同螺距下的流道內(nèi)物料沿?cái)D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(dǎo)致無法連續(xù)均勻擠出,或因壓強(qiáng)過小導(dǎo)致最終制品質(zhì)地不均,所以在螺桿設(shè)計(jì)時螺距不宜過大。

由表3可知,改性雙基推進(jìn)劑在出口位置的溫度趨于一致,但在剛?cè)肟谔?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(xiǎn)。于天藝,曾曹等[25]也對不同螺距下的單螺桿擠出流場進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)減小螺距有利于增大對螺桿和物料的剪切作用,促進(jìn)物料的熔融和混合,從而改善擠出質(zhì)量。所以在改性雙基推進(jìn)劑熔融過程中取25mm的螺桿螺距能在保證生產(chǎn)工藝安全的前提下更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)頭壓力穩(wěn)定,更好地混合物料,從而保證制品質(zhì)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(shè)計(jì)選擇了6、7、8和9mm的4種結(jié)構(gòu)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(jié)果如圖5和表4所示。

圖5 不同螺槽深度下的流道內(nèi)物料沿?cái)D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(dāng)?shù)卦龃舐莶凵疃扔欣谖锪铣浞只旌?。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(wěn)擠出,同時物料整體所受到的壓力隨之減小,導(dǎo)致機(jī)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(xù)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(fēng)險(xiǎn),溫度過低會使熔體黏度過大不利于擠出,通過對比發(fā)現(xiàn),H8、H9模型機(jī)頭擠出壓力在1MPa左右,壓強(qiáng)過小會影響產(chǎn)品質(zhì)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(jī)性能的影響,發(fā)現(xiàn)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(jī)筒內(nèi)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(shè)計(jì)選擇了59、61、63和65mm的4種結(jié)構(gòu)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(jié)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(qiáng),機(jī)筒內(nèi)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(qiáng),這是因?yàn)榇蠖酥睆綖?5mm的螺桿比其他3種螺桿具有更強(qiáng)的建壓能力,更適合物料連續(xù)擠出。邊靖[27]也對錐形螺桿的螺桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)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(qiáng)。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(dāng)升高,從而降低其黏度,能夠保證物料的均勻混合和連續(xù)擠出。

通過研究得出螺桿結(jié)構(gòu)與流場特性的關(guān)系,如圖7所示。確保加工過程安全是改性雙基推進(jìn)劑產(chǎn)品研制與生產(chǎn)的首要問題,其次才是質(zhì)量與產(chǎn)量,因此對改性雙基推進(jìn)劑安全有重要影響的螺桿結(jié)構(gòu)應(yīng)被重點(diǎn)考慮,綜上所述,螺桿參數(shù)組合的最優(yōu)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(jié)構(gòu)與流場特性的關(guān)系圖Fig.7 Relationship between screw structure and flow field characteristics

4 結(jié) 論

(1)螺桿螺距增大,會使螺桿輸送能力減弱,導(dǎo)致改性雙基推進(jìn)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(qiáng),機(jī)筒內(nèi)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(qiáng),更適合物料連續(xù)擠出。

(4)當(dāng)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(jìn)劑擠出工藝過程安全性高、產(chǎn)品質(zhì)量好。