帶有反向螺紋元件的四螺桿擠出機(jī)流道內(nèi)三維流場(chǎng)分析

■ 左曉甜 郭樹國 金子云

（沈陽化工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧沈陽 110142）

自1795 年工業(yè)單螺桿擠出機(jī)問世以來，螺桿擠出機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到飼料、化工、橡膠、醫(yī)藥等領(lǐng)域[1-2]。單螺桿擠出機(jī)也逐漸發(fā)展到雙螺桿擠出機(jī)甚至是多螺桿擠出機(jī)，擠壓效果和輸出效率隨著螺桿數(shù)量的增加而得到了提高[3]。隨著大豆產(chǎn)量的減少[4-5]，大豆加工的副產(chǎn)品之一——豆粕，產(chǎn)量也隨之減少，提高豆粕的利用率是補(bǔ)充其生產(chǎn)缺口的有效方法。目前主要使用擠壓膨化技術(shù)對(duì)豆粕進(jìn)行加工，螺桿擠出機(jī)是實(shí)現(xiàn)擠壓膨化加工的主要工具[6-7]。為了補(bǔ)充豆粕生產(chǎn)缺口，提高豆粕的利用率，改善螺桿擠出機(jī)的混合能力和剪切效率已經(jīng)成為必然，而螺桿作為螺桿擠出機(jī)的重要組成部分，改變其螺桿結(jié)構(gòu)可以改善擠出機(jī)的剪切性能，提高物料混合效果[8-9]。

目前豆粕加工常用雙螺桿和三螺桿擠出機(jī)，而對(duì)四螺桿擠出的使用很少，且大多基于理論研究、僅限于定性研究，四螺桿擠出機(jī)與雙螺桿、三螺桿擠出機(jī)相比，嚙合區(qū)域增加，提高了物料的輸送效率。郭樹國等[10-13]研究發(fā)現(xiàn)帶有混煉元件的螺桿可以延長(zhǎng)物料在流道內(nèi)的停留時(shí)間，可以提高豆粕的混合效果；朱向哲等[14-18]研究發(fā)現(xiàn)四螺桿擠出機(jī)中心出現(xiàn)環(huán)流現(xiàn)象，混合能力和輸送效率都優(yōu)于雙螺桿擠出機(jī)，提高混合質(zhì)量；韓海川等[19-21]研究發(fā)現(xiàn)，反向螺紋元件可以增加擠出機(jī)的剪切力，物料在流道內(nèi)時(shí)間增加，混合效果和剪切效果更好?？偨Y(jié)上述的研究經(jīng)驗(yàn)，得知混煉元件中的反向螺紋元件可改變螺桿建壓能力，使螺桿出現(xiàn)背壓；降低物料的輸送速度，改變物料的流動(dòng)方向，使物料出現(xiàn)回流現(xiàn)象。其他混煉元件混煉效果單一，而反向螺紋元件既可以增強(qiáng)物料混合效果，又可以增強(qiáng)螺桿剪切性能，因此設(shè)計(jì)帶有反向螺紋、四方形方式排列的四螺桿擠出機(jī)，目的探究豆粕在新型四螺桿擠出機(jī)流道內(nèi)的停留時(shí)間和建壓能力，分析其剪切性能和物料的混合效果。運(yùn)用ANSYS/CFX軟件對(duì)四螺桿擠出機(jī)流道進(jìn)行數(shù)值模擬，以黏性流體力學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)比帶有反向螺紋元件螺桿擠出機(jī)和普通螺桿機(jī)的壓力圖、速度流線圖、速度矢量圖等重要特征的區(qū)別，為四螺桿擠出機(jī)性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 物理模型

圖1（a）為Solid works建立的帶有反向螺紋四螺桿擠出機(jī)正面模型，圖1（b）為反向螺紋元件模型，圖2（a）四螺桿擠出排列方式模型。螺桿總長(zhǎng)為420 mm，其中輸送段和擠壓段總長(zhǎng)為360 mm，四螺桿同向嚙合；反向螺紋長(zhǎng)度為60 mm，安裝在螺桿180 mm 處，此處為螺桿混煉段，改變此處螺紋旋向可增強(qiáng)擠出機(jī)的混合分布能力和剪切性能。①常規(guī)螺紋元件根徑32 mm，螺桿外徑54 mm，螺距為60 mm；②反向螺紋元件，除方向與常規(guī)螺紋元件相反，其他參數(shù)與常規(guī)螺紋元件相同。螺桿與機(jī)筒間隙過小，會(huì)導(dǎo)致螺桿與機(jī)筒磨損嚴(yán)重；間隙過大，會(huì)使漏流量增加，產(chǎn)量減少，考慮兩者因素將螺桿與機(jī)筒間隙選為4 mm。

圖1 四螺桿擠出機(jī)及螺紋元件模型

圖2 螺桿排列方式及網(wǎng)格劃分模型

將仿真模型導(dǎo)入ANSYS軟件，使用CFX、以3 mm尺寸四面體形狀進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到圖2（b）新型四螺桿的流道有限元模型，獲得170 586個(gè)節(jié)點(diǎn)、795 221個(gè)元素。

1.2 模擬條件假設(shè)

選取豆粕作為填充物料，因豆粕在剪切擠壓過程中變得黏稠，故屬于冪律流體，根據(jù)理論條件假設(shè)流場(chǎng)為恒溫恒壓層流狀態(tài)，流體不可壓縮且充滿流道，與機(jī)筒內(nèi)壁無滑移[22]。豆粕參數(shù)：密度2 112 kg/m3，黏度1 930 Pa·s，溫度80 ℃。

1.3 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)螺桿實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況及上述基本假設(shè)條件，得出模擬的邊界條件為：

① 出口壓力0.5 MPa，進(jìn)口速度0.05 m/s；

② 螺桿轉(zhuǎn)速為120 r/min；

③ 忽略慣性力、重力等體積力；

④ 螺桿表面和機(jī)筒表面均無滑移，機(jī)筒速度V=0。

可得其黏性流體方程：

式中：Vx、Vy、Vz——x、y、z方向的速度矢量（m/s）。

運(yùn)動(dòng)方程為：

冪律流體本構(gòu)方程為：

式中：P——靜壓力（Pa）；

τij——直角坐標(biāo)系下剪切應(yīng)力矢量（i、j為x、y、z方向）；

γ——剪切速率（s-1）；

μ——物料黏度（Pa·s）；

n——冪律指數(shù)。

2 ANSYS仿真結(jié)果分析

2.1 壓力場(chǎng)分析

圖3 為帶有反向螺紋的四螺桿擠出機(jī)和傳統(tǒng)四螺桿的宏觀壓力場(chǎng)對(duì)比圖，圖3（a）為傳統(tǒng)螺桿，圖3（b）為新型螺桿，左側(cè)為進(jìn)料口，右側(cè)為出料口。在物料擠出過程中，擠壓壓力會(huì)逐漸增大，左右兩端存在壓力差，壓力差越大螺桿擠出機(jī)的輸送速率越大，可以看出無論傳統(tǒng)螺桿還是新型螺桿壓力都是由進(jìn)料口到出料口逐漸增大，在出料口壓力達(dá)到最大，傳統(tǒng)螺桿與新型螺桿的壓力差分別為28.2、23.7 MPa，傳統(tǒng)螺桿的建壓能力優(yōu)于新型螺桿，這是由于安裝了反向螺紋，使新型螺桿的建壓能力減弱，減小了擠出機(jī)的輸送效率，使物料通過流道的時(shí)間增加，豆粕得以充分剪切、混合，使新型螺桿的混合、剪切效果得到提升。

圖3 四螺桿擠出機(jī)壓力圖

由圖3（a）傳統(tǒng)螺桿壓力圖可以得出：傳統(tǒng)螺桿各段壓力變化均勻，各區(qū)域大小變化存在規(guī)律性，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)四螺桿不存在反向螺紋，螺桿擠出機(jī)只產(chǎn)生建壓能力，壓力由入口到出口逐漸升高，流道內(nèi)物料幾乎無回流，物料無法被重復(fù)擠壓，所以混合效果并不好；由圖3（b）新型螺桿壓力圖可以得出：新型四螺桿擠出機(jī)壓力由入口到出口先增大后減小再增大，在混煉段出現(xiàn)兩種壓力混合的現(xiàn)象，這是由于存在反向螺紋，使螺桿產(chǎn)生背壓；在物料進(jìn)入流道時(shí)常規(guī)螺紋存在高壓，進(jìn)入混煉段壓力減小，而在螺桿擠出機(jī)末端裝有常規(guī)螺紋，壓力又逐漸升高，使物料回流增加，在流道內(nèi)的物料可以被反復(fù)剪切、混合，新型螺桿可以提高物料的混合、剪切質(zhì)量。

圖4 為螺桿擠出機(jī)軸向壓力圖 ，截取面為xy 面，圖4（a）為傳統(tǒng)螺桿截面壓力圖、圖4（b）為新型螺桿截面壓力圖，可以使對(duì)比更加直觀。通過截面壓力可以看出，新型螺桿在反向螺紋前后兩端存在高壓，反映了常規(guī)螺紋元件和反向螺紋元件的建壓能力，在進(jìn)入反向螺紋后壓力降低，物料回流量增加，提高了螺桿擠出機(jī)的混合、擠壓效果。而在傳統(tǒng)螺桿中，由于只存在常規(guī)螺紋元件，流道內(nèi)壓力均勻增加，物料不會(huì)出現(xiàn)回流現(xiàn)象，所以混合效果和剪切效果較差。

圖4 xy截面軸向壓力圖

2.2 速度場(chǎng)分析

圖5 為四螺桿擠出機(jī)速度矢量圖，圖5（a）為傳統(tǒng)螺桿，圖5（b）為新型螺桿。速度場(chǎng)可反映物料在流道內(nèi)的運(yùn)輸速度，由圖5 可以看出：新型螺桿速度矢量在嚙合區(qū)域速度較低，使物料在流道內(nèi)時(shí)間增加，在螺棱速度增高，增加了擠出機(jī)的剪切效果，在新型螺桿擠出機(jī)的擠出過程中，由于存在反向螺紋，出現(xiàn)反向速度，使物料在混煉階段速度降低，增加了豆粕在流道內(nèi)的停留時(shí)間，提高了擠出機(jī)的混合效率。普通螺桿擠出機(jī)在擠出過程中速度均勻、無變化，速度矢量較大，物料在流道內(nèi)無回流，物料無法被反復(fù)擠壓，剪切速率和混合效果較差。

圖5 四螺桿擠出機(jī)速度矢量圖

圖6 為速度對(duì)比圖，可以直觀地反映出各段流道內(nèi)的速度變化，傳統(tǒng)螺桿最大速度為0.072 3 m/s、新型螺桿最大速度為0.043 4 m/s，豆粕在流道內(nèi)整個(gè)擠出過程中新型螺桿速度明顯低于傳統(tǒng)螺桿，這是由于反向螺紋的存在，使流道內(nèi)出現(xiàn)反向傳送速度，增加了物料在流道內(nèi)停留時(shí)間，同時(shí)使輸送段與混合段存在速度差，使物料在螺紋元件交界處進(jìn)行物料交換，并使物料能夠被反復(fù)擠壓、剪切，提高了螺桿擠出機(jī)的混煉效果。

圖6 速度對(duì)比圖

2.3 速度流線圖

圖7 為四螺桿擠出機(jī)的速度流線圖，圖7（a）為傳統(tǒng)螺桿，圖7（b）為新型螺桿。由圖7 可知，物料在普通四螺桿中分布均勻，物料在流道內(nèi)無停留現(xiàn)象，而在新型螺桿中分布更加分散、混亂、無規(guī)律，且在混煉處速度流線出現(xiàn)明顯被剪斷的現(xiàn)象，這是由于新型螺桿安裝有反向螺紋，物料在輸送中經(jīng)過混煉處時(shí)，反向螺紋產(chǎn)生了阻礙物料輸送的作用，提高物料回流量，使物料在流道內(nèi)輸送時(shí)間更長(zhǎng)，螺桿混合效果得到了提升。

圖7 速度流線圖

圖8 為z=180 mm 處兩種螺桿截面速度流線圖，圖8（a）傳統(tǒng)螺桿，圖8（b）為新型螺桿，由圖8可看出，在螺桿嚙合中心區(qū)域出現(xiàn)渦流，物料在傳統(tǒng)螺桿流道內(nèi)渦流呈現(xiàn)正向且連續(xù)流線，物料在流道內(nèi)無停留；而新型螺桿在此處渦流流線混亂且呈現(xiàn)反向，是反向螺紋元件使得物料在流道內(nèi)輸送過程中被阻礙，出現(xiàn)回流，使物料得以被反復(fù)剪切，螺桿擠出機(jī)的混合效果得以提高。

圖8 z=180 mm處速度流線圖

圖9為z=180 cm 處正面速度流線圖，圖9（a）為傳統(tǒng)螺桿，圖9（b）為新型螺桿，由圖9 可以看出傳統(tǒng)螺桿中心區(qū)域渦流較為集中，速度流線分布均勻，由于四螺桿嚙合中心區(qū)域間隙較大，使得物料在中心區(qū)域無法充分混合和剪切；而新型螺桿中心區(qū)域渦流較為分散，速度流線分布混亂，使物料在流道內(nèi)得到充分剪切和混合，改善了傳統(tǒng)螺桿擠出機(jī)中心區(qū)域混合不充分，剪切效果低的缺點(diǎn)。

圖9 z=180 mm處正面速度流線圖

3 結(jié)論

目前，四螺桿擠出機(jī)處于理論研究階段，為了提高傳統(tǒng)四螺桿的混合性能，設(shè)計(jì)了帶有反向螺紋元件的螺桿，利用CFX軟件對(duì)新型四螺桿進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并與傳統(tǒng)四螺桿進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論：

① 與傳統(tǒng)螺桿相比，新型螺桿由于裝有反向螺紋，使其建壓能力明顯降低，使豆粕混合效果得到改善。

② 新型螺桿裝有反向螺紋元件，物料在經(jīng)過混煉處速度明顯降低，豆粕通過流道時(shí)間增加。

③ 通過對(duì)比兩種螺桿可知，新型螺桿在螺桿四根嚙合中心區(qū)域形成反向渦流，速度流線更加混亂，增加豆粕在流道內(nèi)的分散情況，使豆粕在擠出機(jī)內(nèi)得以充分混合、剪切，新型四螺桿擠出機(jī)的剪切效果、混合性能更好。

④ 新型螺桿雖然提升了混合效果，但是建壓能力減弱，降低了螺桿的傳輸能力。