何家波 張柏清

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333403)

0 引言

真空練泥機(jī)是陶瓷行業(yè)原料制備和成形階段的重要機(jī)械設(shè)備之一,用于泥料加工、成形。而真空練泥機(jī)結(jié)構(gòu)的擠泥部分又直接關(guān)系著泥段的擠出質(zhì)量，擠出泥段的質(zhì)量直接影響成形坯體的質(zhì)量[1]。因此，真空練泥機(jī)擠出部分始終是陶瓷工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵泥料處理設(shè)備。然而，由于泥段縱斷面上的拋物線結(jié)構(gòu)和顆粒的定向排列等結(jié)構(gòu)缺陷,導(dǎo)致了成形坯體存在著坯體致密度不均勻、分層、S形紋理、扭曲、變形、開裂等缺陷,影響了成形坯體的質(zhì)量[2]。然而,長期以來，關(guān)于練泥機(jī)擠出部分的設(shè)計(jì)都局限于單軸，無法從本質(zhì)上解決泥料擠出質(zhì)量差，擠出效率低，混合不均勻等問題。

圖1 雙螺桿擠出機(jī)螺旋絞刀的三維幾何模型Fig.13D geometric model for the spiral reamer of the twin-screw extruder

本文通過建立雙螺桿擠出機(jī)三維幾何模型，邊界條件采用機(jī)筒靜止、螺桿旋轉(zhuǎn)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)條件，利用ANSYS軟件模擬分析泥料在雙螺桿擠出機(jī)的擠出運(yùn)動(dòng)情況并求解流場。

1 幾何模型

圖1所示為雙螺桿擠出機(jī)螺旋絞刀的三維幾何模型，圖2是二維模型。圖1中螺旋絞刀外徑是72mm，軸轂直徑45mm，兩螺桿中心距是70mm，螺棱的軸向?qū)挾葹?.5mm,螺桿總長為540mm，螺桿長徑比為12，小于一般螺桿的長徑比。在此選用大型造型軟件Pro/E來創(chuàng)建螺旋絞刀的幾何模型。

2 數(shù)學(xué)模型

圖2 二維幾何模型Fig.22D geometric model

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh division

圖4 壓力場分布等值線圖Fig.4 Pressure contour

圖5 軸向速度場分布等值線圖Fig.5 Axial velocity contour

圖6 溫度場分布等值線圖Fig.6 Temperature contour

泥料在被擠壓過程中，狀態(tài)變化相對比較復(fù)雜，因此，在允許的范圍內(nèi)對其流態(tài)進(jìn)行假設(shè)。具體假設(shè)如下[3]：

（1）泥料為賓漢體；

（2）流場為等溫、穩(wěn)定流場；

（3）由于慣性力、重力等體積力小于粘性力，可忽略不計(jì)；

（4）雷諾數(shù)很小，可認(rèn)為泥料的流動(dòng)為層流流動(dòng)；

（5）泥料為不可壓縮流體；

（6）流道壁面無滑移，忽略回流的影響。

在假設(shè)條件下,描述流場的基本微分方程如下[4]:

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

其中：vx，vy，vz分別表示泥料在x，y，z方向的速度分量；p流體壓力；u流體粘度；ρ0流體密度；T穩(wěn)態(tài)溫度；Cp定壓比熱；K導(dǎo)熱系數(shù)；Qv內(nèi)熱源的發(fā)熱量。本文采用高嶺土作為此次分析的陶瓷泥料的原料，含水率不超過30%。

3 有限元分析

3.1 網(wǎng)格劃分

將雙螺桿擠出機(jī)流道的幾何模型導(dǎo)入ANSYS中，采用三維FLUID142單元類型，F(xiàn)ree自由網(wǎng)格，四節(jié)點(diǎn)四面體單元形狀進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

3.2 邊界條件

圖7 軸端面壓力分布圖Fig.7 Pressure contour on shaft end face

泥料是沿螺旋絞刀葉片表面滑動(dòng)而被推擠前進(jìn)的，這里選用的泥料牛頓粘度η=1.09×103Pa·s,塑性粘度=1.09×103Pa·s，表觀粘度μ=2.37×103Pa·s[5]，初始溫度t=26℃，比熱為840J（/kg·℃），導(dǎo)熱系數(shù)為2.6w/(m·℃)，對流系數(shù)為12.5w（/m2·℃），絞刀轉(zhuǎn)速為26r/min。采用與真空練泥機(jī)擠出實(shí)際情況相吻合的“動(dòng)絞刀、靜筒壁”為前提確定邊界條件。由壁面無滑移條件可知，雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)表面流體微元的，速度為零，兩軸的外表面流體微元的速度等于兩軸表面泥料流動(dòng)對應(yīng)點(diǎn)的速度。因?yàn)椴荒茴A(yù)先給出螺，槽進(jìn)出口的速度分布，采用這兩個(gè)面的壓力差作為壓力邊界,在靠近機(jī)頭的出口面加高壓Pout=2MPa，在靠近加料口的入口面加低壓Pin=0.02MPa[6]。

3.3 有限元分析結(jié)果

利用定義的邊界條件,對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。再利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行模擬計(jì)算，得到了擠出機(jī)流道的壓力場、速度場、溫度場和軸端面壓力分布圖，如圖4～7所示。

由圖4可以看出，從入口到出口，壓力逐漸升高,即沿著泥料輸送方向，雙螺桿前部的壓力高于其后面的壓力。由圖5可以看出,泥料沿流道螺旋推進(jìn)擠出，兩螺桿旋轉(zhuǎn)相對均勻的擠出泥料，進(jìn)口的速度稍微大于出口的流速[7]。由圖6可以看出,與擠出方向相同的絞刀與軸轂接觸面的溫度比螺棱周邊溫度更高一，點(diǎn)，不過此處采用了變螺距的螺旋絞刀結(jié)構(gòu)，混合攪拌均勻，溫度差不大。由圖7得出，在兩螺桿接觸區(qū)所受，壓力大于其余各部分，這樣雙螺桿相互擠壓軸向力更大，使得泥料擠出更容易，從而達(dá)到一定的減少泥料回流的效果。

4 結(jié)論

通過對雙螺桿擠出機(jī)的螺旋絞刀流場分析研究得出：從入口到出口，泥料所受壓力逐漸增大，有利于泥料在擠壓階段變得更加緊實(shí)，提高泥料的擠出質(zhì)量；由于采用的是變螺距的非嚙合并列同向螺旋絞刀，在輸送擠壓段的接觸區(qū)，越靠近接觸區(qū)中心泥料流動(dòng)速度越大；變螺距的螺旋絞刀結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了絞刀與軸轂接觸部分的溫差過大缺陷；在兩螺桿接觸區(qū)所受軸向壓力大，起到一定的減少泥料回流作用。這為泥料在雙螺桿擠出機(jī)中的擠壓過程研究和泥料擠出質(zhì)量的改善方面,提供了一定的理論參考。

1張柏清,林云萬.陶瓷工業(yè)機(jī)械與設(shè)備.北京:中國輕工業(yè)出版社,1999

2裴爾斯·勞爾斯頓.制造無瑕疵的泥料.1978(2):93～97

3朱復(fù)華.擠出理論及應(yīng)用.北京:中國輕工業(yè)出版社,2001

4 ANSYS INC.ANSYS計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析指南.北京:美國ANSYS公司辦事處,2000

5陳惠釗.粘度測量北京:中國計(jì)量出版社,2003

6張柏清,裴佳宏,湯國興.基于有限元方法的真空練泥機(jī)螺旋絞刀結(jié)構(gòu)參數(shù)研究,硅酸鹽通報(bào),2006,8(4):71～75

7唐慶菊,李紀(jì)強(qiáng),周平.基于ANSYS的食品雙螺桿擠出機(jī)流場數(shù)值模擬,機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2007(12):94～95