呂煒帥
(天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,機(jī)械學(xué)院,天津 300350)
擠出機(jī)喂料方式主要有自由喂料、旁壓輥喂料和螺旋嚙合喂料[1]。旁壓輥喂料方式屬于強(qiáng)制加料,可實(shí)現(xiàn)供膠均勻,降低擠出半成品或成品的重量誤差。旁壓輥喂料方式可提高螺桿的填充系數(shù)和生產(chǎn)能力,在一定程度上解決了擠出制品產(chǎn)量與波動(dòng)的問題。因此,旁壓輥加料方式在行業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[2]。但喂料的速度,喂料制品形體尺寸、硬度、溫度都成為旁壓輥喂料方式的重要影響因素。由于旁壓輥的吃料方式是以摩擦方式進(jìn)行的,但是這種摩擦附加了強(qiáng)制作用,由此產(chǎn)生的摩擦熱和變形熱對擠出溫度影響較大。合理的溫度控制能提高膠料的塑化效果,有效控制制品的擠出溫度,獲得優(yōu)質(zhì)的半成品。因此擠出機(jī)通過采用熱水循環(huán)溫控裝置對擠出系統(tǒng)中螺桿各段以及旁壓輥進(jìn)行恒溫加熱控制,這樣膠料經(jīng)擠出機(jī)喂料裝置時(shí)可得到充分預(yù)熱,保證擠出的膠片表面和內(nèi)部致密且無氣孔。
在橡膠制品擠出的生產(chǎn)過程中,生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí),螺桿、機(jī)筒和旁壓輥的溫度較低,而膠料剛加入時(shí)比較生硬,經(jīng)螺桿和旁壓輥的擠壓變形較小,加料相對緩慢,這會(huì)增大膠料對螺桿和旁壓輥的反作用力[3-4]。旁壓輥內(nèi)的冷卻循環(huán)裝置通過溫控恒溫控制,可有效減少開機(jī)時(shí)膠料對螺桿和旁壓輥的反作用力,這也有助于實(shí)現(xiàn)加料的持續(xù)穩(wěn)定,減小由于喂料區(qū)域溫度變化導(dǎo)致的加料不穩(wěn)所致的制品質(zhì)量波動(dòng)。本研究選用250擠出機(jī)旁壓輥進(jìn)行分析,設(shè)定溫度為55℃,水流流速為1.18 m/s。并選用SolidWorks進(jìn)行建模,采用Simulation模塊進(jìn)行熱分析。
圖1中所示旁壓輥冷卻結(jié)構(gòu)形式為內(nèi)腔噴水,又稱開式噴水冷卻。圖2中所示旁壓輥冷卻結(jié)構(gòu)形式為循環(huán)冷卻,通過在旁壓輥輥筒沿圓周加工冷卻水循環(huán)孔通道,又稱強(qiáng)制循環(huán)冷卻。
圖1 旁壓輥開式噴水冷卻及水道模型
圖2 旁壓輥強(qiáng)制循環(huán)冷卻及水道模型
傳熱管道屬于短管道傳熱,且通道內(nèi)流動(dòng)尚未充分發(fā)展,層流內(nèi)層較薄,熱阻力較小,故根據(jù)雷諾數(shù)計(jì)算公式[5]:
式中:u—水流速度,m/s;
d—冷卻水管道直徑,m;
ρ—水的密度,kg/m3;
μ—流體粘度,Pa·s。
其中:
u=1.18 m/s,d=0.020 m,μ =509.65×10-6kg/(m·s),ρ=985.6 kg/m3。
經(jīng)計(jì)算得:Re=45 639,1.2×105>Re>104,故管內(nèi)流動(dòng)為絮流。
對于光滑管道紊流可按迪圖斯—貝爾特公式進(jìn)行計(jì)算。
式中:
Nu—努謝爾特準(zhǔn)則;
Re—雷諾準(zhǔn)數(shù);
Pr—普朗特準(zhǔn)數(shù)。
經(jīng)查表,水在55℃時(shí),普朗特準(zhǔn)數(shù)為3.27。計(jì)算得:Nu=175.6
根據(jù)對流換熱系數(shù)計(jì)算表達(dá)式為:
式中:λ—材料導(dǎo)熱系數(shù),常數(shù),w/(m·℃);
d—冷卻水孔直徑,m;
λ—水的導(dǎo)熱系數(shù)值,w/(m·℃);其中,λ為0.654 w/(m·℃)
經(jīng)換熱系數(shù)公式三進(jìn)行計(jì)算,得:
由于lc>>dc,故該換熱系數(shù)不需修正。
首先定義模型材料的各種屬性,管道里通入水,旁壓輥材料為38CrMoALA。在對流換熱過程中,熱量的傳遞是靠對流和導(dǎo)熱實(shí)現(xiàn)。對流,主要體現(xiàn)在對流傳遞作用流體質(zhì)點(diǎn)不斷地運(yùn)動(dòng)、滲亂混合,熱量從一處被帶到另一處;對于導(dǎo)熱主要是指旁壓輥壁和流體間存在著溫差現(xiàn)象,而且在流體各層間也存在在著溫差現(xiàn)象,所以,通過導(dǎo)熱作用使熱量得以傳遞。
式中 Q—吸收或放出的熱量,J;c—比熱容,J/(kg·℃);m—質(zhì)量,kg;△t—溫度差,℃。
其中,c=1 700 J/(kg·℃),結(jié)合實(shí)際工況設(shè)定m=2.7 kg,△t=2 ℃。經(jīng)計(jì)算得:Q=9 180 J。
根據(jù)工況為參考,在旁壓輥外表面,即膠料接觸平面加載假定熱載荷3 060 W。
通過軟件的求解計(jì)算,就可以得到旁壓輥不同冷卻水道結(jié)構(gòu)下的溫度場變化(圖3、4),并對其性能進(jìn)行分析比較。
圖3 旁壓輥開式噴水冷卻水道結(jié)構(gòu)溫度場分布
圖4 旁壓輥強(qiáng)制循環(huán)冷卻水道結(jié)構(gòu)溫度場分布
由圖3和圖4兩種不同形式循環(huán)水道比較可見,旁壓輥強(qiáng)制循環(huán)冷卻水道結(jié)構(gòu)表面溫度值略高于旁壓輥開式噴水冷卻水道結(jié)構(gòu)表面溫度,這是由于其水道更切近輥面,在相同循環(huán)水溫情況下,輥面溫度可實(shí)現(xiàn)速度更快的熱傳遞,這對于旁壓輥表面溫度的控制將更加靈敏,也可有效降低能耗。此外,旁壓輥開式噴水冷卻水道結(jié)構(gòu)中輥面溫度比強(qiáng)制循環(huán)冷卻水道結(jié)構(gòu)表面溫度云圖表現(xiàn)更加平順,這將有利于喂料過程中對膠料擠壓過程更加均勻熱量傳遞,實(shí)現(xiàn)良好的喂料。相比之下,開式噴水冷卻水道結(jié)構(gòu)比強(qiáng)制循環(huán)冷卻水道結(jié)構(gòu)加工簡單,但水道循環(huán)速度較低,這對喂料過程中溫度的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)控制不利。
(1)旁壓輥合理的循環(huán)水溫度控制,有助于加快喂料過程膠料的流動(dòng),降低膠料與螺桿、機(jī)筒和旁壓輥的剪切,降低膠料的溫升,提高喂料擠出過程中半成品質(zhì)量;
(2)旁壓輥強(qiáng)制循環(huán)冷卻水道結(jié)構(gòu)比開式噴水冷卻水道結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對旁壓輥輥面溫度更加精準(zhǔn)控制,這有助于喂料的持續(xù)穩(wěn)定,減少溫度變化導(dǎo)致的制品質(zhì)量波動(dòng);
(3)在滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求前提下,后續(xù)可對旁壓輥強(qiáng)制循環(huán)冷卻水道結(jié)構(gòu)孔徑進(jìn)一步優(yōu)化,以便獲得更好的換熱效果。