湯霖森 - 郭樹國 - 王麗艷 - 韓彥林 -

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

螺桿擠出機(jī)在食品工業(yè)中占據(jù)重要地位，集混合、攪拌、加熱、蒸煮、殺菌、膨化于一體，具有應(yīng)用廣、產(chǎn)品種類多、生產(chǎn)效率高、能耗低、產(chǎn)品營養(yǎng)損失少且不易回生等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于谷物產(chǎn)品、飼料、釀造、油脂、醫(yī)藥等領(lǐng)域[1-3]。而雙螺桿擠出機(jī)在原有的優(yōu)勢(shì)上，還具備輸送效率高、分散混合能力強(qiáng)、自潔性能好、物料在機(jī)筒內(nèi)停留時(shí)間分布均勻、適應(yīng)性良好等特點(diǎn)[4-6]。

徐文海等[7]研究表明，雙螺桿加上反向螺紋元件后在建壓性能、混合性能上較傳統(tǒng)雙螺桿有所改進(jìn)，但由于反向螺紋固定的轉(zhuǎn)速對(duì)物料的剪切模式相對(duì)固定。研究擬采用同軸變速的設(shè)計(jì)理念，在傳統(tǒng)雙螺桿的中間部分內(nèi)部加上由行星輪元件組成的變速輸送段。使用ANSYS/CFX的Mesh模塊對(duì)流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分[8-9]，并與傳統(tǒng)雙螺桿進(jìn)行對(duì)比，從宏觀壓力場(chǎng)、速度矢量圖、速度流線圖等方面進(jìn)行分析[10]，模擬軸向擠出速度與軸向擠出壓力，通過記錄擠出時(shí)間來驗(yàn)證模擬數(shù)據(jù)的可靠性，旨在為雙螺桿擠出機(jī)的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 模型與參數(shù)

1.1 SolidWorks三維模型及流道有限元模型

圖1為同軸變速優(yōu)化雙螺桿的三維模型，雙螺桿總長為520 mm，同向嚙合，單根螺桿采用單線螺紋，由兩段普通輸送段和一段變速輸送段構(gòu)成。其中兩段普通輸送段長度均為200 mm，變速輸送段長度為120 mm，根徑60 mm，外徑80 mm，導(dǎo)程40 mm，兩螺桿中心距72 mm，螺紋右旋，兩螺桿參數(shù)一致，同向嚙合。

圖1 同軸變速優(yōu)化雙螺桿SolidWorks模型Figure 1 Coaxial variable speed optimized twin-screwSolidWorks model

圖2為變速輸送段中行星輪元件的三維模型圖，行星輪各部分零件的尺寸根據(jù)螺桿尺寸設(shè)計(jì)，零件參數(shù)見表1，兩根螺桿中的行星輪參數(shù)一致。

圖2 變速段中行星輪元件SolidWorks模型Figure 2 SolidWorks model of planetary gears in thegearshift section

表1 行星輪元件參數(shù)Table 1 Parameters of planetary gear components

為便于更換螺桿、節(jié)約成本，普通段與變速段均采用中空套筒設(shè)計(jì)。螺桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，前后普通段中軸與行星輪中心大齒輪中軸采用同軸一體設(shè)計(jì)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)普通段中軸與變速段中心大齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)行星輪整體運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)同軸不同速。

圖4為整體組合的流道有限元模型，運(yùn)用ANSYS對(duì)模型分析前要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，調(diào)整格式采用四面體單元[11]，得到節(jié)點(diǎn)數(shù)563 328，元素個(gè)數(shù)2 783 826。

1.2 原始狀態(tài)假設(shè)

選取豆粕為物料，由于豆粕隨剪切速率增加而變得黏稠，故將其定為冪律流體中的脹塑性流體。流道內(nèi)可以看作是穩(wěn)態(tài)、等溫流場(chǎng)，流體相對(duì)于螺桿表面和機(jī)筒內(nèi)壁無滑動(dòng)[12]。豆粕參數(shù)：黏度為1 930 Pa·s，密度為2 112 kg/m3，恒定溫度選擇80 ℃[13]。

圖3 螺桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)Figure 3 The internal structure of the screw

圖4 新型優(yōu)化雙螺桿流道的有限元圖Figure 4 The finite element diagram of the newoptimized twin-screw runner

1.3 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)SYSLG30-IV雙螺桿擠出機(jī)的實(shí)際工作效果以及邊界無滑移的假設(shè)，對(duì)同軸變速優(yōu)化雙螺桿進(jìn)行以下定義：

(1) 雙螺桿普通段轉(zhuǎn)速n為120 r/min。

(2) 由于行星輪的齒輪傳動(dòng)比，變速輸送段螺桿轉(zhuǎn)速為普通輸送段的1/2，故n=60 r/min。

(3) 物料進(jìn)口速度為常數(shù)u=0.05 m/s，出口壓力設(shè)置1 MPa。

(4) 雙螺桿普通段和變速段的表面均無滑移。

(5) 機(jī)筒內(nèi)壁無滑移，且機(jī)筒無轉(zhuǎn)速[14]。

對(duì)于等溫層流的冪律流體，如果忽略物料的體積力，則連續(xù)方程可簡化為[15]：

(1)

運(yùn)動(dòng)方程為：

(2)

(3)

(4)

冪律流體本構(gòu)方程為：

τ=μγn，

(5)

式中：

V——速度矢量，m/s；

Vx、Vy、Vz——x、y、z3個(gè)方向的軸向速度分量，m/s；

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)；

γ——剪切速率，s-1；

μ——物料黏度，Pas；

n——冪率指數(shù)。

聯(lián)立式(1)～式(5)后可求出流體域的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)。

2 模擬結(jié)果計(jì)算

2.1 宏觀壓力場(chǎng)分析

宏觀壓力場(chǎng)可以反映螺桿的建壓能力，壓力差越大，建壓能力越強(qiáng)，輸送物料的性能越高[16]。由圖5可知，新舊兩種雙螺桿的出口壓力均大于進(jìn)口壓力。其中傳統(tǒng)雙螺桿壓力場(chǎng)逐步遞增，而新型優(yōu)化雙螺桿帶有變速輸送段的螺桿壓力場(chǎng)先減后增，且每個(gè)壓力區(qū)域分界出現(xiàn)表征回流現(xiàn)象的波浪狀線條；前者是因?yàn)槲锪蠌恼＾D(zhuǎn)速的普通段進(jìn)入了轉(zhuǎn)速減半的變速段，導(dǎo)致壓力先減小，回到普通段速度回升后，壓力也隨之增加，后者是因?yàn)樾行禽喸沟米兯俣涡蚺c普通段相反，相當(dāng)于增加了反向螺紋，使物料出現(xiàn)回流。

由圖6可知，帶有變速段的新型雙螺桿壓力在0.108～0.144 m處出現(xiàn)明顯的先下降后上升的情況。新型優(yōu)化雙螺桿壓力曲線整體位于傳統(tǒng)雙螺桿上方，說明前者的建壓能力更高。因此，新型優(yōu)化雙螺桿相較于傳統(tǒng)雙螺桿，其建壓性能和對(duì)物料的混合性能更為優(yōu)秀。

圖5 宏觀壓力場(chǎng)對(duì)比Figure 5 Macro pressure field comparison

圖6 軸向壓力數(shù)據(jù)圖Figure 6 Axial pressure data graph

2.2 速度場(chǎng)分析

速度場(chǎng)相較于壓力場(chǎng)，能夠更直觀地反映出物料在流道中的運(yùn)輸速度。由圖7(a)可知，物料在流道中的速度表現(xiàn)為均勻緩慢上升的狀態(tài)，此狀態(tài)下螺桿的剪切模式不變，故混合性能較為一般；而圖7(b)中，物料在變速段出現(xiàn)明顯的減速情況。這是由于變速段轉(zhuǎn)速僅為普通段的1/2，效果等同于增加了兩倍的運(yùn)輸距離，故物料在新型螺桿中的停留時(shí)間更長，能夠被充分剪切與混合[13]。

2.2.1 軸向速度模擬 由圖8可知，由于新型優(yōu)化雙螺桿的普通輸送段與普通雙螺桿并無差異，二者在初始段的曲線幾乎重合；在0.108～0.144 m處，新型優(yōu)化雙螺桿中的物料均出現(xiàn)減速現(xiàn)象，說明加入變速段能顯著提高雙螺桿的混合與剪切性能。

2.2.2 速度流線圖對(duì)比 在圖9(a)的速度流線中，每層流線之間作橫向滑移，無混雜情況，故物料進(jìn)行層流運(yùn)動(dòng)，混合性能較為一般；在圖9(b)的速度流線中，由于變速段提供反向螺紋的作用，物料回流導(dǎo)致流線雜亂無序且呈漩渦狀，故物料進(jìn)行湍流運(yùn)動(dòng)，具有較強(qiáng)的混合性能。普通雙螺桿嚙合區(qū)速度流線大多呈點(diǎn)狀，無交織情況；而新型優(yōu)化雙螺桿嚙合區(qū)速度流線大多呈線狀，互相交錯(cuò)，說明物料新型優(yōu)化雙螺桿的嚙合區(qū)中有明顯的交換過程，混合與剪切性能更高。

圖7 流道速度矢量圖Figure 7 Runner speed vector diagram

圖8 軸向速度數(shù)據(jù)圖Figure 8 Axial velocity data graph

圖9 流道速度流線圖Figure 9 Runner velocity streamline diagram

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，通過試驗(yàn)記錄不同螺桿在不同轉(zhuǎn)速下的擠出時(shí)間來進(jìn)行佐證。以豆粕為研究對(duì)象，采用SYSLG30-IV型雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將機(jī)筒溫度設(shè)定為80 ℃，并設(shè)定80，100，120，140，160 r/min 5組轉(zhuǎn)速，規(guī)定目標(biāo)擠出量為5 kg，記錄新舊兩種雙螺桿的完成規(guī)定擠出量所需要的擠出時(shí)間，并進(jìn)行對(duì)比。由表2可知，不同轉(zhuǎn)速下，新型優(yōu)化雙螺桿的擠出時(shí)間相較于普通雙螺桿能夠延長20%左右，能有效提高物料混合性能且保證擠出機(jī)的產(chǎn)量。通過試驗(yàn)，進(jìn)一步證明新型優(yōu)化雙螺桿彌補(bǔ)了普通雙螺桿混合性能較弱的缺陷。

表2 不同轉(zhuǎn)速下新舊雙螺桿的擠出時(shí)間

4 結(jié)論

利用SolidWorks建模，運(yùn)用ANSYS對(duì)同軸變速優(yōu)化雙螺桿進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，可以實(shí)際模擬出物料在流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。與傳統(tǒng)雙螺桿相比，新型優(yōu)化雙螺桿中所加的變速輸送段，既能夠增加流道行程，又能夠起到反向螺紋的作用；前者增加物料停留時(shí)間，后者使物料回流能夠被反復(fù)擠壓，使得物料能夠被充分剪切，并增強(qiáng)了混合性能。但變速輸送段所設(shè)位置選擇以及其能否被應(yīng)用于更多螺桿擠出機(jī)中，還需進(jìn)一步研究。